interferÊncias eletromagnÉticas, transitÓrios e qualidade da energia: impacto nos equipamentos...

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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE BAURU (FATEC)

HAROLDO LUIZ MORETTI DO AMARAL

INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS, TRANSITÓRIOS

E QUALIDADE DA ENERGIA: impacto nos equipamentos

eletromédicos e desenvolvimento de um gerenciador de

energia

BAURU - 2012

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energia

BAURU - 2012

Trabalho de Graduação apresentado à Faculdade de Tecnologia de Bauru – Curso de Tecnologia em Sistemas Biomédicos para a obtenção do título de Tecnólogo. Orientadora: Prof.ª M.ª Maria Goretti Zago

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energia

Orientadora:

__________________________________________________ Prof.ª M.ª Maria Goretti Zago – Docente da Fatec

Banca Examinadora:

___________________________________________________ Prof. M.e José Eduardo Alves de Oliveira – Docente da Fatec

___________________________________________________ Prof. Dr. André Nunes de Souza – Docente da Unesp Bauru

Trabalho de Graduação apresentado à Faculdade de Tecnologia de Bauru – Curso de Tecnologia em Sistemas Biomédicos para a obtenção do título de Tecnólogo. Bauru,___de ___________de______

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DEDICO ESTE TRABALHO

Aos meus pais, Haroldo Padovan do Amaral e

Cleide Moretti por sempre estarem presentes,

incentivando e apoiando meus estudos e objetivos. Se

cheguei até aqui, foi por vocês!

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus, pela saúde e força necessária nos momentos de dificuldade

durante estes anos.

A minha orientadora, Prof.ª M.ª Maria Goretti Zago pela orientação prestada,

oportunidades oferecidas e amizade.

A todos que de forma direta ou indireta me influenciaram e ajudaram no

desenvolvimento deste trabalho, dentre elas, Thalita Jordan que auxiliou e participou do

trabalho que desencadeou um aprofundamento nos estudos referentes ao tema qualidade da

energia, ao professor Dr. André Nunes da UNESP Bauru pelo convite para atuar como

pesquisador no laboratório LSISPOTI, ao mestrando Danilo Gastaldello pelo

companheirismo e auxílio no desenvolvimento, ao Ralf responsável pelo laboratório de

eletrônica da FATEC Bauru pela paciência nos diversos momentos em que necessitei do

laboratório, ao prof. Maurício Nakai pelo auxílio no desenvolvimento dos algoritmos para

cálculo de integrais discretas.

5

Nós podemos tomar o estado presente do universo como o efeito do seu

passado e a causa do seu futuro.

Pierre S. de Laplace

6

RESUMO

Qualidade da energia sempre foi foco de discussões, principalmente entre os

profissionais das áreas de energia. Com o advento da evolução tecnológica, novas

formas de controle elétrico e maior proximidade dos consumidores, este assunto

deixou de ser debatido somente por profissionais, estando presente também nos

meios de comunicação em massa gerando dúvidas e discussões na população. “O

que é qualidade da energia? Qual sua influencia?” Com a adoção das novas

tecnologias de controle de cargas, o sistema energético passou a sofrer intensa

degradação em suas características básicas, diminuindo os padrões da qualidade da

energia. Dentro dos distúrbios relacionados, as interferências eletromagnéticas

possuem grande importância, sendo responsáveis por instabilidades no

funcionamento de equipamentos mais sensíveis. Dentro deste grupo de

equipamentos mais sensíveis estão os equipamentos eletromédicos, onde defeitos

ou falhar no funcionamento podem colocar em risco a vida do paciente. Neste

contexto, o trabalho propõe a utilização de filtros passivos de linha visando minimizar

os impactos negativos causados pelas interferências eletromagnéticas conduzidas e

conjuntamente apresentar o projeto de um gerenciador de energia contemplando as

etapas de proteção, filtragem, além de um circuito microcontrolado para análise de

alguns parâmetros da energia. A metodologia foi baseada no estudo aprofundado

sobre o tema qualidade da energia, com foco principal nas interferências

eletromagnéticas e transitórios, além do posterior desenvolvimento do gerenciador

de energia. O filtro projetado atingiu os resultados esperados com grande eficácia na

atenuação das interferências eletromagnéticas, alcançando mais de 80dB de

atenuação acima da faixa dos 100kHz, com os resultados das simulações

computacionais e simulações práticas muito próximas. Através do levantamento

bibliográfico ficou evidente a importância do tema principalmente no ambiente

hospitalar onde defeitos ou falhas podem colocar em risco a vida dos pacientes e

também a viabilidade de controle destas interferências eletromagnéticas.

Palavras-chave: Filtro de Linha Passivo. Interferência Eletromagnética. Qualidade da Energia.

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ABSTRACT

Power quality has always been the focus of discussions, especially among

professionals in the fields of energy. With the advent of technological evolution, new

forms of electrical control and more proximity of consumers, this issue left to be

discussed only by professionals, being present also in the mass media creating

questions and discussions in the population. "What is power quality? What are your

influences?" With the adoption of new technologies to control loads, the energy

system has come under intense degradation in its basic characteristics, reducing the

patterns of energy quality. Inside of the related disturbances, electromagnetic

interference has great importance, being responsible for instability in the operation of

more sensitive equipment. Within this group of equipments most sensitive are the

electromedical equipments, where defects or failure in the operation may endanger

the patient's life. In this context, the work proposes the use of passive line filters to

minimize the negative impacts caused by conducted electromagnetic interference

and also present the design of a power manager contemplating the stages of

protection, filtering, beyond a microcontrolled circuit for analysis of some parameters

of energy. The methodology was based on detailed study about power quality theme,

focusing primarily on electromagnetic interference and transients beyond the

posterior development of power manager. The filter designed reached the expected

results with great effectiveness in the attenuation of electromagnetic interference,

reaching more than 80dB of attenuation over the range of 100kHz, with the results of

computer simulations and practical simulations very close. Through a bibliographic

review was evident the importance of the theme especially in hospitals where defects

or failures can endanger patients' lives and also the viability of controlling these

electromagnetic interference.

Keywords: Passive Line Filter. Electromagnetic Interference. Power Quality.

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO 10

CAPÍTULO 1 – QUALIDADE DA ENERGIA

12

1.1 Energia Elétrica 17

1.1.1 Energia no Brasil e no Mundo 18

1.2 Normas e Legislações 20

1.3 Distúrbios Relacionados 22

1.3.1 Distorção Harmônica 24

1.3.2 Transitórios Eletromagnéticos 28

CAPÍTULO 2 – INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS E TRANSITÓRIOS 31

2.1 Introdução 31

2.2 Tipos e Propagação 33

CAPÍTULO 3 – EQUIPAMENTOS ELETROMÉDICOS 37

3.1 A Evolução 37

3.2 Padrões Atuais, o Tecnólogo e a Engenharia Clínica 38

3.3 Norma NBR IEC 60601 40

3.4 Impacto da Qualidade da Energia 41

CAPÍTULO 4 – FILTRAGEM DE LINHA 44

4.1 Tipos de Filtros 44

4.2 Proteção Contra Surtos e Transitórios 48

CAPÍTULO 5 – PROJETO DO GERENCIADOR DE ENERGIA 51

5.1 Introdução 51

5.2 Etapas de Proteção Adotadas 51

5.3 Topologia e Tipo de Filtro Escolhido 53

5.3.1 Tipo do Filtro 53

5.3.2 Ordem do Filtro e Frequência de Corte 55

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5.3.3 Resposta de Frequência 56

5.3.4 Simulação do Filtro Idealizado 60

5.4 Circuito Microcontrolado Embarcado 63

5.4.1 A Escolha do Microcontrolador 63

5.4.2 Conversão Analógico/Digital e Multiplexação 64

5.4.3 Medição de Corrente e Tensão 65

5.4.3.1 Tipos de Transdutores de Corrente 65

5.4.3.2 Modelo Escolhido Para o Projeto 66

5.4.3.3 Medição da tensão 67

5.4.4 Funções Executadas Pelo Circuito 67

5.4.4.1 Medidas True rms 68

5.4.4.2 Corrente de Fase e Neutro 69

5.4.4.3 Frequência da Rede 70

5.4.5 Simulação do Circuito 71

5.5 Montagem do Protótipo 72

5.5.1 Confecção das Placas 72

5.5.2 Protótipo Montado 74

5.5.3 Testes em bancada e calibração 74

CAPÍTULO 6 – TESTE PRÁTICO DO GERENCIADOR MONTADO 76

6.1 Resultados de medição 76

6.2 Teste de Filtragem 77

CONCLUSÃO 80

REFERÊNCIAS 82

APÊNDICE A – Lista de Componentes 86

APÊNDICE B – Circuitos eletrônicos 88

APÊNDICE C – Códigos em Linguagem C 89

10

INTRODUÇÃO

A evolução tecnológica caminha paralelamente ao desenvolvimento de novas

tecnologias em equipamentos eletromédicos bem como aos avanços nos

procedimentos médicos. Grande parte dos equipamentos modernos tem seu

funcionamento baseado em processadores e microcontroladores que por sua vez

são muito sensíveis à qualidade da energia. Distorções na forma de onda,

interferências eletromagnéticas e transitórios podem passar da rede de distribuição

para o equipamento.

Somado ao padrão atual onde a alta tecnologia impera, existe a questão

relacionada à tecnodependência, ou seja, uma dependência cada vez maior do ser

humano em relação às máquinas, desde os trabalhos mais simples até os mais

complexos. No ambiente médico-hospitalar não é diferente. As máquinas tomaram a

frente da maioria dos processos e em virtude deste cenário volta à tona a qualidade

de energia, e sua interferência no funcionamento dos equipamentos eletromédicos.

Baixos padrões de qualidade da energia podem desencadear problemas no

funcionamento destes equipamentos eletromédicos colocando em risco a

credibilidade do diagnóstico, tratamento e em alguns casos, a vida do paciente de

maneira a justificar o desenvolvimento deste trabalho.

Outro fator importante é a realidade de grande parte das instituições

assistenciais de saúde que contam com um parque tecnológico antigo. Estes

equipamentos mais antigos, por sua vez mais sensíveis a qualidade na energia se

comparados a equipamentos mais modernos que obedecem a normas mais severas

e atuais da série NBR IEC 60601.

O objetivo deste trabalho foi propor um meio viável e eficaz de prevenir a

ação das interferências eletromagnéticas, bem como proteger os equipamentos de

surtos que porventura possam acontecer na rede elétrica.

Para que este objetivo fosse alcançado foi executado um amplo levantamento

bibliográfico que serviu como alicerce para o desenvolvimento do projeto, que foi

desenvolvido com base em simulações computacionais e também testes em

bancada.

Este trabalho contém seis capítulos. No primeiro capítulo é explicado o

conceito envolvido no tema qualidade da energia, assim como os distúrbios

11

relacionados, legislação e a realidade energética nacional e mundial. No segundo

capítulo são aprofundados os conhecimentos sobre as interferências

eletromagnéticas e os transitórios. O terceiro capítulo traça um breve histórico dos

equipamentos eletromédicos, situando-os na realidade atual, as principais normas

envolvidas e o impacto da qualidade da energia sobre estes equipamentos. No

quarto capítulo são abordados os circuitos de filtragem e proteção e suas

características. O quinto capítulo detalha o desenvolvimento do gerenciador de

energia, explicando a escolha das etapas de proteção, filtragem e a elaboração e

características do circuito microcontrolado embarcado. Por fim, o sexto capítulo

apresenta os resultados de simulações computacionais e as compara com

resultados de testes práticos em laboratório.

12

CAPÍTULO 1 – QUALIDADE DA ENERGIA

A qualidade da energia elétrica está relacionada a um enorme conjunto de

fatores que influenciam diretamente no funcionamento e desempenho dos

equipamentos eletroeletrônicos. As variações ou alterações nestes fatores são

responsáveis por grande parte dos problemas e falhas presentes nos equipamentos

mais modernos. Franco (s.d.) caracteriza: “Qualquer problema de energia

manifestado na tensão, corrente ou nas variações de frequência que resulte em

falha ou má operação de equipamentos de consumidores”. Lembrando que essas

anomalias podem acontecer em todas as partes dos sistemas, desde a geração,

transmissão e até dentro dos ambientes consumidores.

Academicamente, qualidade de energia está relacionada ao fornecimento de

uma energia elétrica de forma senoidal pura e sem variações de amplitude ficando

evidente tratar-se de um modelo ideal ou teórico, divergindo de certa forma da

realidade.

Anos atrás a realidade energética mundial e principalmente em nosso país era

muito diferente. O consumo de energia era pequeno comparado aos padrões atuais

e podia ser dividido basicamente entre os seguintes consumidores: a) residenciais;

b) comerciais; c) industriais. A distribuição dos tipos de consumidores continuou

basicamente a mesma, mas suas necessidades mudaram bastante com o passar

dos anos. Conjuntamente a evolução das tecnologias modificou o impacto gerado

pela sua utilização.

Até meados da década de 70, o consumo pesado de energia estava

concentrado no setor industrial. O consumidor residencial tinha como característica

principal a utilização basicamente de cargas lineares, em sua grande maioria

resistivas como lâmpadas, resistências de ferros de passar e chuveiros elétricos.

Essas cargas têm como característica possuírem as ondas de tensão e corrente

perfeitamente em fase.

Este tipo de carga geralmente não acarreta nenhum tipo de anomalia ao

sistema energético de maneira significativa, conforme pode ser visto na figura 1.

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Figura 1 – Carga puramente resistiva.

Fonte: <http://www.eletrica.info/definicao-de-fator-de-potência/>.

Em menor quantidade no ambiente residencial, mas também presentes,

existiam as cargas indutivas, como o motor dos refrigeradores que por característica

atrasam a corrente em relação à tensão como pode ser visualizado na figura 2.

(BALTAZAR, 2010). Na figura a defasagem entre corrente e tensão é de 90º

indicando uma carga puramente indutiva, entretanto este valor pode ser menor de

acordo com a característica da carga.

Figura 2 – Carga puramente indutiva.


Existem ainda as cargas com características capacitivas, entretanto estas

eram muito mais incomuns para a época em questão. Estas cargas ocasionam o

atraso da tensão em relação a corrente. Seguindo a mesma lógica das cargas

indutivas, defasagens menores do que 90º entre as ondas indicam que a carga não

é puramente capacitiva. Na figura 3 pode ser visto um exemplo de carga puramente

capacitiva onde é possível visualizar a defasagem de 90° entre as ondas.

14

Figura 3 – Carga puramente capacitiva.


Esses dois últimos tipos de cargas são conhecidos como cargas reativas e

estão relacionadas ao que é denominado como “fator de potência”. Resumidamente

uma carga puramente resistiva possui somente potência ativa, ou seja, potência que

realmente é utilizada pelo circuito. Nas cargas com características reativas, sejam

elas indutivas ou capacitivas, existe uma porção de potência reativa (no caso de

cargas puramente reativas esta porção é 100%), que por sua vez não realiza

trabalho propriamente dito, sobrecarregando o sistema.

Potência ativa, reativa e aparente compõe o conhecido triângulo de potência,

conforme pode ser visto na figura 4.

Figura 4 – Triângulo de Potência.

Fonte: Editado de <http://www.bilcoreficience.es/?p=674>.

A relação entre potência ativa e potência aparente fornece o fator de potência

(FP). Quanto mais próximo do unitário (1,0) maior será a porção ativa.

15

Apesar de não ser o foco do trabalho, devemos considerar o fator de potência

como fator importante para a qualidade de energia. Fator de potência baixo indica

muita energia reativa e esta pode ser vista como uma energia armazenada e

transportada pelo sistema elétrico, sem executar trabalho propriamente dito. A

importância é tal que as concessionárias de energia cobram multas dos

consumidores industriais e condomínios residenciais/comerciais quando seu FP cai

abaixo de um limite pré-definido. Esta tática de cobrança ainda não acontece com

consumidores residenciais, sendo cobrada somente a energia ativa consumida por

eles. Entretanto, com a adoção gradativa das tecnologias de Smart Grid1 esta

cobrança poderá tornar-se realidade para os consumidores residenciais.

A resolução 456 da Agencia Nacional de Energia Elétrica (Aneel) determinou

que os clientes industriais podem atingir o limite mínimo de 0,92 para o fator

potência, caso menor o cliente será obrigado a pagar multa que varia em função do

FP. (VIEIRA, 2008). A multa pode ser calculada a partir da Equação 1.

(1)

Como exemplo, o Brasil passou por uma crise energética ou “apagão” que

ocorreu entre 2001 e 2002 onde a mídia divulgou amplamente sobre a substituição

de lâmpadas incandescentes por lâmpadas eletrônicas, ditas econômicas. Estas

lâmpadas quando de baixa qualidade possuem baixo fator de potência, ou seja, uma

lâmpada de 35W pode chegar a gastar 70W (potência aparente) na realidade, não

resolvendo o problema do excesso de cargas e gerando outros problemas como a

disseminação de interferências eletromagnéticas, distorção harmônica e formação

de picos de corrente.

Segundo Afonso e Martins (2004), em um contexto mais antigo a qualidade da

energia já era um assunto importante e debatido, entretanto, estava sumariamente

relacionada à continuidade no serviço de distribuição ou então, à frequência dos

cortes de energia, fatores que representam uma pequena parcela do assunto.

O desenvolvimento da sociedade gerou novos tipos de consumidores dentro

de uma mesma classe e o desenvolvimento da tecnologia possibilitou controles

impossíveis anteriormente. Cargas lineares começaram a ser substituídas por

cargas não-lineares principalmente dentro da eletrônica de potência, o que

1 Smart Grid – Rede inteligente

16

possibilitou uma melhoria no rendimento bem como um controle das cargas de modo

impar. Em contra partida estes equipamentos com comportamento não linear

consomem corrente de forma diferente, em muitos casos através de picos de

corrente poluindo a rede elétrica através da geração de harmônicos e interferências

eletromagnéticas.

Atualmente estes avanços não estão restritos somente ao setor de potência,

estando presentes também dentro de equipamentos como televisores, rádios,

computadores, lâmpadas eletrônicas e dentro dos equipamentos eletromédicos mais

recentes. A partir desta enorme demanda, a energia pode ser vista não como um

serviço, mas sim como um produto. E como todo produto é severamente analisado

através de dois itens básicos: qualidade e preço oferecido.

Mehl (s.d.) afirma:

As cargas elétricas comandadas eletronicamente possuem uma característica intrínseca que é a não-linearidade das mesmas, ou seja, não requerem a corrente elétrica constantemente, mas solicitam apenas picos de energia em determinados momentos. Dependendo da topologia do conversor eletrônico empregado, a corrente de entrada é disparada em determinado período ou ângulo da oscilação senoidal. Com isto, as cargas eletrônicas acabam por distorcer a forma de onda (tensão e corrente) que lhe é entregue e como consequência gerando uma „poluição‟ na rede de energia elétrica. Esta poluição é traduzida por diversos tipos de problemas ou distúrbios, [...]

Estas distorções geradas no ambiente consumidor, seja residencial, comercial

ou industrial são transmitidas de volta para a rede elétrica podendo afetar outros

consumidores, principalmente os mais próximos do ponto gerador. Um fato

interessante é que estes mesmos equipamentos responsáveis pela geração desta

poluição acabam tornando-se vítimas da má qualidade na energia. Equipamentos

microcontrolados e computadores comumente sofrem travamentos inesperados

decorrentes desse problema.

Esta diferença de comportamento entre cargas lineares e não lineares pode

ser analisada na figura 5.

17

Figura 5 – Tensão e corrente num sistema elétrico: a) carga linear; b) carga não linear.

Fonte: AFONSO; MARTINS, 2004.

Os prejuízos causados por alterações e problemas na qualidade de energia

elétrica são astronômicos, justificando ainda mais a busca por maneiras de

minimizar suas ocorrências e intensidades. Um relatório do “Electric Power Research

Institute” (EPRI) de julho de 2001 atribuiu aos problemas relacionados à qualidade

de energia prejuízo anual aos Estados Unidos da ordem de 120 mil milhões de

euros. (AFONSO; MARTINS, 2004).

1.1 Energia Elétrica

A energia elétrica é basicamente uma forma de energia baseada na geração

de diferenças de potencial entre dois pontos distintos, permitindo o surgimento do

que conhecemos como corrente elétrica. A energia elétrica pode ser produzida de

diversas maneiras como através da luz solar, calor, energia hidráulica entre outras.

Da mesma maneira a energia elétrica pode ser transformada em diversas outras

formas de energia como vemos nos equipamentos eletrônicos, gerando luz, calor,

movimento, som, etc.

Grande parte da energia elétrica que é produzida no Brasil provém de

hidroelétricas, devido ao grande potencial hídrico nacional e grande quantidade de

rios propícios a instalação de usinas e barragens. A força das águas é utilizada para

movimentar uma turbina, que será responsável por fazer funcionar um gerador, que

por sua vez irá produzir a energia elétrica.

18

Tradicionalmente utiliza-se uma analogia com sistemas hidráulicos facilitando

o entendimento do conceito envolvido na energia elétrica. Esta analogia é

amplamente difundida na literatura e pode ser observada em livros de física como os

de Halliday, Resnick e Walker (1994).

Desta maneira a água simboliza os elétrons, os canos são como os fios que

possibilitam o fluxo dos elétrons. A quantidade de água circulando por um cano

simboliza a corrente elétrica e para que exista corrente elétrica é necessária uma

diferença de potencial (ddp). Esta é representada pela diferença de nível entre a

água presente na caixa d‟água e a torneira, por exemplo. Esta analogia pode ser

vista na figura 6.

Figura 6 – Analogia entre energia elétrica e hidráulica.

Fonte: Adaptado de <http://geekdevteam.blogspot.com/2011/04/25-analogia-para-compreensao.html>.

1.1.1 Energia no Brasil e no Mundo

Mundialmente existem vários padrões adotados para a transmissão,

distribuição e comercialização da energia elétrica. Esta variação envolvem

características como tensão, tipo de corrente e frequência.

No Brasil os padrões adotados para transmissão são: 138kV e 230kV (Alta

tensão), 345kV e 440kV (Extra alta tensão) e também 500kV e 765kV (Ultra alta

tensão, utilizada em Itaipu, por exemplo). Para subtransmissão foram adotados os

padrões: 34,5kV; 69kV; 88kV e 138kV. A distribuição primária tem os seguintes

valores: 3,8kV; 6,6kV; 11,9kV; 13,8kV e 34,5kV e por fim a distribuição secundária

possui os níveis mais comuns em: 127/220V; 115/230V; 120/208V, 220/380V. Todos

estes padrões em corrente alternada e com frequência de 60Hz.

19

Estes valores variam de acordo com a região do país, podendo em cidades

próximas existir padrões diferentes. Algumas regiões, por exemplo, possuem tensão

entre fase e neutro de 127V como pode ser visto na figura 7 e 220V entre duas fases

distintas, já em outras regiões os 220V serão medidos entre fase e neutro existindo

a possibilidade de 380V entre duas fases distintas.

Figura 7 – Tensão alternada.

Fonte: Adaptado de <http://www.eletrica.info/definicao-de-fator-de-potência/>.

Os 127V informados referem-se a tensão eficaz da rede. Para o cálculo da

tensão de pico utiliza-se a Equação 2. Entretanto esta fórmula é válida somente em

ondas puramente senoidais.

√ (2) Onde: Vp = Tensão de pico. Vrms = Tensão eficaz.

Apesar das variações de tensão, a frequência é a mesma em todo território

nacional. Vários países da Europa e também nosso vizinho Paraguai adotam o

padrão 50Hz.

Devido a todos estes padrões os consumidores devem tomar cuidado na hora

de adquirir novos equipamentos, principalmente se importados diretamente de

outros países.

Além de todos esses padrões de transmissão em corrente alternada (CA), nas

últimas décadas atingiu-se a viabilidade de transmissão da energia em corrente

contínua (CC), mais especificamente corrente contínua de alta tensão (CCAT). A

utilização deste padrão traz vários benefícios como desacoplamento entre os

sistemas e principalmente economia no cabeamento utilizado e consequentemente

na estrutura das torres de transmissão. Em contra partida o investimento necessário

com as estações conversoras (retificadoras e alternadoras) é muito elevado,

limitando um pouco a utilização deste sistema atualmente. É um sistema muito

20

utilizado em linhas de transmissão submarinas. Uma esquematização dos dois

sistemas esta presente na figura 8.

Um exemplo “próximo” de utilização deste sistema é utilizado na usina de

Itaipu. Itaipu é uma usina binacional resultado de um acordo comercial entre os

governos do Brasil e do Paraguai, sendo metade das turbinas de posse de cada

nação. A metade brasileira utiliza frequência de 60Hz e a paraguaia 50Hz. Como o

consumo energético do Paraguai é muito inferior ao do Brasil, parte da energia é

vendida para o Brasil. Devido à diferença de frequência a energia paraguaia

depende deste processo de transmissão em CC para poder ser utilizada no Brasil. A

energia vendida pelo Paraguai é retificada e transmitida em CCAT através de duas

linhas de ±600kV até Ibiúna/SP onde é novamente convertida em CA com

frequência de 60Hz para integrar parte do sistema sudeste de transmissão.

Figura 8 – Transmissão em Corrente Contínua de Alta Tensão e Corrente Alternada de Alta Tensão.

Fonte: JARDINI, s.d.

1.2 Normas e Legislações

Para assegurar padrões mínimos e seguros de operação são seguidos

padrões normativos que ditam as diretrizes a serem seguidas pelas concessionárias

de energia (geradores e transmissores) e porque também não dizer pelos

consumidores.

Juntamente a essas normas existem as agências reguladoras responsáveis

pelo controle do serviço prestado e sua qualidade.

21

A norma adotada na Europa é considerada a mais avançada em relação à

qualidade de energia, sendo adotada em vários países fora da região, esta norma é

a EN501602.

Os efeitos da globalização interferem diretamente no que diz respeito à

normatização, criando uma tendência de tentar adequar às normas nacionais ao

padrão internacional já existente e amplamente utilizado, criando assim

compatibilidade entre padrões.

Um dos órgãos mais conhecidos mundialmente é a Comissão Internacional

de Eletrotécnica (IEC), responsável pela publicação de padrões internacionais

relacionados às áreas de tecnologias eletrônicas, elétricas e áreas próximas.

Outro órgão é o “Institute of Electrical and Electronics Engineers” (IEEE),

responsável por desenvolver normas utilizadas no setor de telecomunicações, seja

na produção de produtos e equipamentos ou na prestação de serviços. Embora de

caráter estadunidense, suas recomendações são aceitas mundialmente tornando-se

um padrão.

Alguns exemplos de normas e organizações internacionais:

EN50160: nova norma que abrange distúrbios relacionados à tensão na

rede como flicker, inter-harmônicas, desvios/variações de tensão, e muito

mais;

IEC61000-4-15: norma relacionada à medição de flicker com

especificações para medidores;

IEC61000-4-7: técnica padrão para medição de harmônicos;

IEEE519 (1992): prática recomendada pela IEEE, utilizada principalmente

por concessionárias de energia nos EUA. Descreve níveis aceitáveis de

harmônicos aos consumidores;

IEEE1159 (1995): prática recomendada pela IEEE para monitoramento e

interpretação correta dos fenômenos que causam problemas de qualidade

de energia;

CBEMA3: A CBEMA tornou-se ITI em 1994. A conhecida curva CBEMA

define os limites de suportabilidade dos equipamentos de acordo com a

2 Normas Europeias

3 Computer and Business Equipment Manufacturers Association

22

magnitude do distúrbio e sua duração. Distúrbios com níveis fora da curva

podem causar danos aos equipamentos;

ITI4: Grupo trabalha para defender os interesses da indústria de

informática.

Segundo Baltazar (2007): A energia elétrica é um serviço considerado de utilidade pública, portanto de interesse do conjunto da população. Seu fornecimento exige quantidade, qualidade e preço acessível. Por ser serviço de utilidade pública, cabe ao governo, responsável pela concessão deste serviço, sua regulamentação e consequente fiscalização, em função do interesse público envolvido nesta atividade.

Algumas dessas normas são seguidas na íntegra em nosso país e outras são

adaptadas de acordo com a necessidade ou realidade de maneira a não prejudicar

principalmente os consumidores. (DECKMANN; POMILIO, s.d.).

1.3 Distúrbios Relacionados

São vários os tipos de fenômenos que afetam diretamente a qualidade da

energia. Como mencionado anteriormente eles podem surgir em todas as etapas do

circuito, desde a geração até o consumidor.

A avaliação da qualidade de energia envolve vários aspectos a serem

analisados, dentre os mais graves e aparentes podemos listar as interrupções no

fornecimento de energia que afetam diretamente todos os consumidores.

“Dentro dos distúrbios referentes às oscilações de tensão, tem-se os distúrbios

tipo impulso, oscilações transitórias, variações no valor eficaz (de curta ou longa

duração), desequilíbrio de tensão e distorções na forma de onda.” (MEHL, s.d.).

Apesar das falhas no fornecimento de energia serem predominantes, existem

outros fatores de grande importância influenciando diretamente no padrão de

qualidade de energia vigente. Segundo AFONSO e MARTINS (2004) são eles:

Distorção harmônica: distorção na forma de onda senoidal da rede elétrica

originada principalmente no funcionamento de cargas não lineares

podendo atingir formas de tensão e/ou corrente;

4 Information Technology Industry Council

23

Ruído (interferência eletromagnética): sinais eletromagnéticos de alta-

frequência produzidos no funcionamento dos circuitos eletrônicos;

Inter-harmônicos: surgem quando há componentes de corrente que não

tem relação direta com a componente fundamental – não é múltiplo inteiro;

podendo ser produzidas por fornos a arco ou por cicloconversores;

Variações de tensão de curta duração: podendo ser classificadas como

instantâneas, momentâneas, ou temporárias de acordo com a duração;

Variações de tensão de longa duração: podendo ser classificadas como

interrupções, subtensões ou sobretensões sustentadas;

Subtensão momentânea (voltage sag): afundamentos de tensão de curta

duração, podendo ser provocado por um curto-circuito momentâneo em um

alimentador distinto do mesmo sistema elétrico;

Sobretensão momentânea (voltage swell): elevação de tensão

momentânea;

Flutuação da tensão (flicker): variações periódicas na tensão da rede

devido a alterações intermitentes em certas cargas, efeito comumente

observado através de uma cintilação na iluminação, principalmente do tipo

fluorescente;

Micro cortes de tensão (notches): afundamentos bruscos de tensão que se

repetem periodicamente na forma de onda de tensão, é resultado de

cargas que consomem grandes quantidades de corrente com variações

bruscas no valor, como nos retificadores com filtro capacitivo ou indutivo;

Transitórios: podem ser classificados como impulsivos ou oscilatórios,

podem ter origem em fenômenos naturais ou no funcionamento dos

dispositivos ou componentes eletrônicos;

Desequilíbrios de tensão: originados principalmente pela má distribuição de

cargas monofásicas entre as três fases;

Variações da frequência do sistema: alterações no valor nominal da

frequência padrão, variando entre 50 ou 60Hz de acordo com o país.

As representações gráficas desses distúrbios podem ser vistas a seguir:

24

Figura 9 – Distúrbios elétricos.

Fonte: AFONSO; MARTINS, 2004.

Estes fenômenos acontecem geralmente de forma aleatória de acordo com a

atuação das cargas ativas no sistema elétrico local ou de acordo com a ocorrência

de fenômenos naturais imprevisíveis, podendo ocorrer de forma individual ou ainda

ocorrendo simultaneamente influenciando ainda mais na qualidade de energia.

1.3.1 Distorção Harmônica

Fora as interrupções no fornecimento de energia, outros grandes causadores

de problemas no sistema elétrico são as distorções na forma de onda, ou distorção

harmônica (DH).

O novo padrão de cargas não lineares é o principal motivo do aparecimento

deste distúrbio. Um exemplo comum são os dimmers, dispositivos utilizados para

controlar a luminosidade de lâmpadas introduzindo distorções na forma de onda.

Esta distorção na forma de onda acarreta outros problemas tais como:

25

Perdas devido ao aquecimento, levando a diminuição da vida útil de

transformadores;

Ruído audível;

Panes e funcionamento inadequado em sistemas microcontrolados,

controladores lógicos programáveis (CLP) e computadores;

Falsos disparos em sistemas de proteção;

Aumento na corrente circulante nos condutores elétrico forçando um

superdimensionamento dos condutores utilizados;

Aumento nas perdas em condutores relacionados ao efeito pelicular ou

efeito skin;

Erros de medição em equipamentos eletrônicos como multímetro que não

possuem tecnologias “true rms”.

A Universidade Estadual de São Paulo (UNESP) possui vários grupos de

estudo da qualidade de energia, um desses grupos na cidade de Ilha Solteira

desenvolveu estudos sobre o impacto da qualidade de energia no funcionamento

dos equipamentos e da interferência que alguns equipamentos introduzem no

sistema energético. Um desses estudos foi realizado com as lâmpadas eletrônicas

convencionais. Principalmente as mais baratas são grandes vilãs do sistema

energético devido a grande quantidade de harmônicas introduzidas por seu circuito e

também devido a seu baixo fator de potência. A figura 10 mostra um circuito básico

utilizado no reator eletrônico convencional e a quantidade total de distorção

harmônica (THD) induzida por esta carga. A figura 11 mostra os resultados obtidos

em testes com reatores eletromagnéticos, atualmente em desuso e também reatores

eletrônicos. A distorção na forma de onda do reator eletromagnético é muito menor

se comparada ao reator eletrônico. Os valores ficam mais alarmantes ao se analisar

o fator de potência dos dois tipos de reatores. Os prejuízos causados pelos reatores

eletrônicos de baixa qualidade são extremamente maiores do que os causados

pelos reatores eletromagnéticos. Ambas as figuras foram retiradas de apresentação

desenvolvida pelo grupo de estudos da UNESP de Ilha Solteira. (UNESP -

QUALIENRGI, s.d.).

26

Figura 10 – circuito resumido de um reator eletrônico, forma de onda analisada: em verde tensão; em

vermelho corrente, análise do THD do circuito. Fonte: UNESP - QUALIENRGI, s.d.

Figura 11 – Resultado de testes com reatores eletromagnéticos e reatores eletrônicos de lâmpadas

compactas. Fonte: UNESP - QUALIENRGI, s.d.

Segundo Pinheiro (2009), a distorção harmônica total (DHT ou TDH) é a razão

entre o valor eficaz (rms) do conteúdo harmônico pelo rms do conteúdo fundamental.

Pode ser medido com relação a onda de corrente ou tensão e expressa o fator de

distorção percentual. O ideal deste valor é estar o mais próximo possível de zero.

O cálculo é dado pela equação 3:

(

√∑

) (3)

A figura 12 ilustra as ondas (harmônicas) e a onda resultante em função de f(x)

presente na equação 4:

27

(4)

Figura 12 – Harmônicos e onda resultante.

Fonte: PINHEIRO, 2009.

A equação 5 demonstra a resolução da equação demonstrada anteriormente

indicando o valor do THD total.

√(

)

(

)

(

)

(5)

Realizando-se a decomposição de um sinal elétrico através da série de Fourier

é possível a análise do mesmo no domínio da frequência de maneira a mensurar

individualmente cada componente harmônico presente conforme pode ser visto na

figura 13. (MAGNUS, 2001).

Figura 13 – Decomposição de série harmônica.

Fonte: MAGNUS, 2001.

Como citado anteriormente o FP pode ser calculado a partir da equação 6:

(6)

Onde: P – Potência Ativa. S – Potência Aparente.

28

Entretanto, esta fórmula é válida somente para ondas senoidais puras. Quando

o formato da onda esta distorcido é necessário levar em consideração o THD para

obter-se o FP. (SOUZA, 2000).

A equação 7 é considerada universal podendo ser aplicada para sinais

puramente senoidais ou para sinais com incidência de THD.

√ (7)

Onde: cosφ ou fator deslocamento – cosseno da defasagem entre as

fundamentais das ondas de corrente e tensão. THD – distorção harmônica total.

1.3.2 Transitórios Eletromagnéticos

Outro fenômeno importante são os transitórios, fenômenos eletromagnéticos

originados por alterações súbitas nas condições normais de operação de um

sistema energético. Podem ser classificados como impulsivos ou oscilatórios. Os

impulsivos têm como característica uma variação inesperada com polaridade

unidirecional relacionada a onda de tensão, corrente ou as duas simultaneamente.

Os transitórios impulsivos podem afetar os circuitos de maneira a desencadear

transitórios oscilatórios.

Os termos interferência eletromagnética (EMI) e compatibilidade

eletromagnética (EMC) estão intimamente relacionados, entretanto possuem

diferenças que serão explicadas posteriormente.

Abaixo serão listadas algumas tabelas classificando os fenômenos, principais

causas e principais equipamentos afetados. Foram coletadas no material de

qualidade da energia elétrica produzido por Alves (2010) junto a PUC Minas.

Tabela 1 – Categorias e características típicas.

Categoria Componente Espectral Típico

Duração Típica Amplitude de Tensão Típica

Transiente

Impulsivo Nano Segundo 5ns (subida) <50ns Micro Segundo 1us (subida) 50ns – 1ms Milissegundo 0,1ms (subida) >1ms Oscilatório Baixa Frequência <5kHz 0,3 – 50ms 0 – 4pu Média Frequência 5 – 500kHz 20us 0 – 8pu Alta Frequência 0,5 – 5MHz 5us 0 – 4pu

29

Variação de Curta Duração

Instantânea Afundamento de Tensão 0,5 – 30 ciclos 0,1 – 0,9pu Salto de Tensão 0,5 – 30 ciclos 1,1 – 1,8pu Momentânea Interrupção 0,5 ciclos – 3s <0,1pu Afundamento de Tensão 30 ciclos – 3s 0,1 – 0,9pu Salto de Tensão 30 ciclos – 3s 1,1 – 1,4pu Temporária Interrupção 3s – 1min <0,1pu Afundamento de Tensão 3s – 1min 0,1 – 0,9pu Salto de tensão 3s – 1min 1,1 – 1,2pu

Variação de Longa Duração

Interrupção Sustentada >1min Subtensão >1min 0,8 – 0,9pu Sobretensão >1min 1,1 – 1,2pu

Distorção de Forma de Onda

Componente CC Regime 0 – 0,1% Harmônico 0 – 100º harmônico Regime 0 – 20% Inter-harmônicos 0 – 6kHz Regime 0 – 2% Notch – Corte Regime Ruído (EMI) Banda de espectro Regime 0 – 1%

Flutuação de Tensão <25Hz Intermitente 0,1 – 7%

Variação de Frequência <10s

Fonte: IEEE1159, 1995.

Tabela 2 – Principais fenômenos com base na IEEE 1159

Categoria Principais Causas

Transitórios

Impulsivos Descargas atmosféricas Oscilatórios Energização de banco de capacitores

Variações de Curta Duração

Afundamento de Tensão Faltas, chaveamento de cargas pesadas, partida de grandes motores

Salto de Tensão Curto circuito fase-terra provocando elevação da tensão na fase sem falta

Interrupção Faltas, falhas em equipamentos, disfunção de controle

Variações de Longa Duração

Interrupção Sustentada Falhas de natureza permanente que necessitem de intervenção manual para sua restauração

Subtensões Ligação de grandes cargas Sobretensões Desligamento de grandes cargas

Desequilíbrio de Tensão Desbalanceamento ocasionado por cargas

Distorção na Forma de Onda

Nível de CC Distúrbios geomagnéticos, retificação de meia onda Harmônicos Utilização de cargas não lineares Cortes Acionamento de dispositivos de eletrônica de potência

Ruído Dispositivos eletrônicos, circuitos de controle, equipamento a arco, retificadores de estado sólido, fontes chaveadas.

Flutuações de Tensão Fornos a arco

Variações de Frequência Saída de um grande bloco de cargas ou perda deum grande gerador

Fonte: IEEE1159, 1995.

Tabela 3 – Causa e equipamentos afetados

Causas Associadas ao Consumidor

Causas Associadas à Concessionária

Equipamentos afetados

Aterramento Indevido / 28% Afundamento de 55% Computadores e 43%

30

Surtos tensão microprocessadores Defeitos em Equipamentos

28% Perda de Tensão 13% Acionamento de velocidade variável

13%

Afundamento e Salto de Tensão

24% Aterramento 10% Iluminação – Flicker 8%

Harmônico 17% Surtos 6% Motores 5% Surtos 3% Outros 16% Relés 1% Outros 30%

Fonte: RIBEIRO, P. Workshop on Power Quality. II SBQEE, 1997.

Mediante a todos estes fenômenos é muito importante monitorar

constantemente as linhas energéticas como forma de detectar os problemas

ocorridos possibilitando sua correção o quanto antes.

Equipamentos especializados neste tipo de trabalho armazenam os dados

referentes à tensão, corrente, forma de ondas, THD e outros fatores possibilitando

assim uma análise posterior. Geralmente equipamentos deste gênero são caros e

encontrados em laboratórios de pesquisas e empresas relacionadas ao setor

energético.

Fotografia 1 – Analisador de qualidade de energia, Laboratório LSISPOT-UNESP onde os testes e

calibrações foram executados. Fonte: Arquivo Pessoal.

Segundo Deckmann e Pomilio (s.d.) os equipamentos de medição devem

seguir requisitos básicos como: a) taxa amostral de pelo menos 16 amostras por

ciclo; b) conversor analógico / digital (ADC) com pelo menos 12 bits (possibilitando

4096 níveis diferentes de tensão coletados pelo ACD). Para análise de THD deve

ser consideradas desde a fundamental até pelo menos a vigésima quinta ordem

harmônica (hmin = 25).

31

CAPÍTULO 2 – INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS E

TRANSITÓRIOS

2.1 Introdução

Quando se pensa em proteção elétrica e qualidade de energia os principais

assuntos abordados são os surtos de tensão, interrupções e mais atualmente os

harmônicos, deixando-se de lado a importância das interferências eletromagnéticas

no pleno funcionamento dos equipamentos, principalmente os mais avançados

dotados de um alto nível de eletrônica digital embarcada.

Sabe-se que parte destas interferências são provenientes de fenômenos

naturais como as descargas atmosféricas, entretanto, a grande maioria delas são

geradas nos circuitos dos equipamentos eletrônicos. Ambientes industriais são

grandes disseminadores desse tipo de interferência devido ao controle utilizado nas

cargas, como por exemplo, o acionamento de motores através de circuitos para

controle de ângulo de fase ou chaveamento rápido. De forma geral, todo circuito

produz um campo magnético podendo ser considerado uma fonte de interferências.

(PINHEIRO, 2004a). Um exemplo corriqueiro é a interferência no áudio e vídeo dos

televisores, gerada quando um liquidificador é ligado.

O termo EMC diz respeito à compatibilidade eletromagnética do equipamento,

ou seja, quanto de EMI ele produz e também quanto de EMI ele pode aceitar

mantendo seus padrões normais de funcionamento.

Quando vários dispositivos conseguem trabalhar harmoniosamente em um

mesmo ambiente pode-se dizer que existe compatibilidade eletromagnética. O nível

de compatibilidade energética varia de equipamento para equipamento de acordo

com sua sensibilidade ou susceptibilidade eletromagnética. Alguns equipamentos

possuem maior sensibilidade a distúrbios eletromagnéticos podendo vir a sofrer

problemas durante o funcionamento, outros já possuem certa imunidade

funcionando sem problemas mesmo quando a qualidade energética é inferior aos

padrões estabelecidos. A coexistência de diferentes equipamentos em um mesmo

ambiente dificulta encontrar um ponto de equilíbrio e para isso foram criadas normas

específicas visando minimizar e controlar este problema.

32

São várias as fontes de EMI o que dificulta a manutenção de um nível mínimo

de compatibilidade eletromagnética. Não se deve pensar que a compatibilidade no

ambiente se limita aos equipamentos de uma mesma sala ou setor já que as EMI

tem grande facilidade de propagação. Por exemplo, um motor pode interferir no

funcionamento da central de processamento de dados (CPD) da empresa mesmo

estando fisicamente distante, principalmente se os dois compartilharem do mesmo

circuito elétrico.

O Instituto Brasileiro de Ensaios de Conformidade Ltda. (IBEC) apresenta

alguns termos relacionados ao cotidiano do tema EMI em seu documento

denominado “Apresentação do Laboratório de EMC & de Segurança Elétrica

(telecom.)” Alguns deles estão relacionados a seguir: (IBEC, s.d.).

Compatibilidade eletromagnética (EMC): esta relacionada ao nível de

sensibilidade de um equipamento ao seu ambiente eletromagnético, o

quanto emite ou quanto pode receber;

Perturbação eletromagnética: fenômeno eletromagnético que altera o

desempenho de um equipamento;

Interferência eletromagnética (EMI): perda de desempenho ou falhas em

um equipamento ou canal de transmissão - produzido por uma perturbação

eletromagnética;

Interferência por radiofrequência (RFI): degradação no funcionamento

originado por um sinal de radiofrequência.

Os transitórios ou transientes são fenômenos eletromagnéticos originados em

alterações súbitas nas condições normais de operação de um sistema energético de

maneira inesperada podendo ser classificados como impulsivos ou oscilatórios. Têm

como característica uma variação instantânea de grande amplitude na tensão da

rede. São difíceis de ser detectados e medidos por equipamentos convencionais

devido amostragem limitada. (ZEVZIKOVAS, 2004).

A partir destes problemas fica clara a necessidade de adoção de filtros de

linha que consigam minimizar ou praticamente extinguir as interferências

eletromagnéticas, aumentando o nível de EMC e consequentemente qualidade da

energia. Estes filtros basicamente serão responsáveis por impedir que interferências

externas penetrem no circuito eletrônico e também impedir que interferências

33

geradas nos equipamentos sejam disseminadas através da rede elétrica.

Conjuntamente faz-se necessário a adoção de etapas de proteção contra surtos e

transitórios minimizando os danos durante a ocorrência de algum destes eventos de

maneira a garantir a integridade do equipamento.

2.2 Tipos e Propagação

As interferências eletromagnéticas, também conhecidas como ruído ou noise,

estão relacionadas à distorção da característica senoidal do sinal pela sobreposição

de um sinal de alta frequência sobre a fundamental da rede elétrica, conforme pode

ser visto na figura 14. Geralmente estes ruídos são da ordem de kHz ou MHz.

Podem ser visualizados com ajuda de um osciloscópio através de um

engrossamento do traçado.

Figura 14 – Característica de uma EMI.

Fonte: Adaptado de AFONSO; MARTINS, 2004.

Podem ser classificadas em dois tipos: a) modo comum: ruídos que se

propagam simultaneamente através das linhas de fase e neutro - diferença de

tensão que ocorre entre fase/neutro e terra; b) modo normal ou diferencial: ruído que

tem como característica propagar-se somente através do condutor de fase fechando

circuito com o condutor de neutro - diferença de tensão entre fase e neutro.

Cerca de 80% dos ruídos estão relacionados ao modo comum de

propagação. (PINHEIRO, 2004b). Desta maneira destaca-se a importância da

existência de aterramento eficiente visto que esta será a via de escoamento para os

ruídos de modo comum dentro de um filtro de linha. É importante salientar que a

34

função principal de um aterramento não se limita ao escoamento destas

interferências, mas sim, na proteção das pessoas envolvidas na utilização de

equipamentos eletroeletrônicos, evitando que fugas de corrente ou tensões

indevidas e perigosas venham ocasionar riscos aos operadores. A propagação dos

ruídos em modo comum e diferencial, bem como uma das formas de supressão,

pode ser vistas na figura 15 e figura 16.

Figura 15 – Ruído modo diferencial.

Fonte: BELTRAME et al, 2012

Figura 16 – Ruído modo comum.

Fonte: BELTRAME et al, 2012

A propagação das EMI pode acontecer basicamente de duas maneiras: a)

irradiada – onde o ruído é propagado pelo ar através de ondas eletromagnéticas não

dependendo de meio físico; b) conduzida – onde o ruído é propagado através de

cabeamentos, materiais condutivos ou estruturas metálicas.

Qualquer estrutura metálica no caminho das interferências irradiadas pode

transformar-se numa antena em potencial conduzindo estes sinais, inclusive os

condutores utilizados na instalação elétrica. Esse fenômeno pode ocorrer desde o

ambiente residencial onde os prejuízos geralmente não são grandes, até

estabelecimentos assistenciais de saúde (EAS), podendo interferir no funcionamento

de equipamentos e consequentemente colocando vidas em risco caso esta

interferência não seja devidamente filtrada.

Uma maneira muito eficaz de evitar a captação de interferências

eletromagnéticas irradiadas em circuitos eletrônicos sensíveis, ou mesmo evitar sua

35

emissão para fora do equipamento é a utilização de carcaças e estruturas metálicas

devidamente aterradas que proverão uma barreira física a estes sinais. Seu

funcionamento baseia-se no princípio da Gaiola de Faraday. Neste caso novamente

coloca-se em evidência a importância e necessidade do aterramento.

A figura 17 ilustra algumas fontes de EMI e as formas de propagação.

Figura 17 – Propagação das EMI.

Fonte: KRZESAJ, T. EMCRF – Compatibilidade Eletromagnética e Radiofrequência. s.d. Disponível em: <http://www.wirelessbrasil.org/thomas_krzesaj/emcrf.html>.

As interferências eletromagnéticas conduzidas em sua grande maioria tem

origem dentro da própria instalação em função das cargas nela conectadas e da

tecnologia empregada em seu controle. Atualmente grande parte dos equipamentos

eletroeletrônicos, inclusive os eletromédicos são dotados de fontes chaveadas

devido aos seus benefícios, embora estes circuitos sejam grandes geradores de

interferências eletromagnéticas.

Segundo BARBOSA (2009), a literatura que trata especificamente de

interferências eletromagnéticas conduzidas é reduzida em comparação aos estudos

existentes com interferências irradiadas. Existe a carência de uma obra que sirva

como referência nos conceitos básicos relacionados a este problema, principalmente

quando tratamos de equipamentos eletromédicos onde o assunto torna-se mais

alarmante por estar lidando-se com vidas.

Com relação à classificação básica dos fenômenos transitórios, os impulsivos

têm como característica uma variação inesperada com polaridade unidirecional,

podendo afetar os circuitos de maneira a desencadear transitórios oscilatórios. Por

sua vez os transitórios oscilatórios também têm como característica uma alteração

repentina, mas com valores de polaridade positivos e negativos, como pode ser visto

36

na figura 18, sendo classificados de acordo com seu conteúdo espectral. Os

transitórios oscilatórios podem ser desencadeados pelo chaveamento de bancos de

capacitores, energização de linhas e até mesmo por transitórios impulsivos. Em

ambos os tipos a frequência do fenômeno é maior do que a frequência característica

da rede.

Figura 18 – Característica de um transitório oscilatório.

Fonte: Adaptado de AFONSO; MARTINS, 2004.

37

CAPÍTULO 3 – EQUIPAMENTOS ELETROMÉDICOS

3.1 A Evolução

É fantástica a evolução da medicina nos últimos 100 anos, importantes

mudanças aconteceram na forma de entender o ser humano, o funcionamento de

seus organismos e como trata-lo para aumentar significativamente a qualidade de

vida e expectativa de vida das pessoas. Conjuntamente temos a evolução

tecnológica que caminhou lado a lado, ora sendo coadjuvante nos avanços da

medicina, ora sendo a força motriz que incentivava ou possibilitava novos tipos de

estudos e tratamentos.

Segundo a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), o avanço

tecnológico sentido atualmente possibilitou a melhoria na qualidade de vida através

da criação de novas técnicas e produtos – equipamentos. A evolução de vários

ramos da ciência como física nuclear, ótica, informática, mecânica de precisão,

eletrônica, entre outros possibilitou o surgimento de técnicas cada vez menos

invasivas, diminuindo os riscos e melhorando os resultados gerais.

Cinco séculos antes de Cristo, Hipócrates, hoje considerado o pai da medicina,

registrou: "Examinar o corpo não é fácil. Requer visão, audição, olfato, tato e

paladar". No século XIX, o médico francês René Laënnec desenvolveu o

equipamento que hoje conhecemos como estetoscópio com o objetivo de facilitar a

ausculta dos batimentos cardíacos de uma paciente obesa, de maneira que não

necessitasse encostar seu ouvido no colo da paciente, evitando constrangimento.

(LOPES, 2007).

Esta realidade mudou muito, principalmente nos últimos anos, em função do

desenvolvimento tecnológico. Antigamente o paciente chegava ao consultório e um

dos poucos equipamentos a vista eram o estetoscópio e o termômetro de mercúrio.

O paciente era analisado com base em poucos equipamentos e muito da

experiência e sabedoria do médico. Atualmente esta realidade é vista quase que

somente em pequenas cidades do interior onde a carência de equipamentos é uma

realidade.

38

3.2 Padrões Atuais, o Tecnólogo e a Engenharia Clínica

Equipamentos como os ventiladores pulmonares, monitores

multiparamétricos, carrinhos de anestesia, bombas de infusão, máquinas de

hemodiálise, ultrassom, tomógrafos e ressonância magnética ilustram o atual quadro

tecnológico e a mudança do “simples” para o “tecnológico”. Em consequência disso

o corpo clínico de maneira geral, tornou-se mais condicionado e dependente dos

resultados apresentados pelos equipamentos médico hospitalares (EMH). Pode-se

dizer que existem dois lados, um positivo onde estes equipamentos possibilitam

resultados mais precisos, melhorando a qualidade de vida do paciente e outro

negativo onde depende-se mais e mais da qualidade e estabilidade dos sistemas,

visto o risco que podem significar à vida dos pacientes. Falhas devem ser

minimizadas próximo do zero.

Nesta realidade de grandes parques tecnológicos presentes nas EAS, surge

então a necessidade de profissionais especialmente capacitados para gerir todos

estes recursos tecnológicos bem como funcionar como ponte entre o setor técnico e

o setor dos profissionais que lidam diretamente com os pacientes, sejam médicos,

enfermeiros ou qualquer outro. Como profissionais mais preparados para esta

função temos os Tecnólogos em Sistemas Biomédicos e os profissionais com

especialização em Engenharia Clínica.

O início da implementação do profissional em questão e do conceito de

engenharia clínica no Brasil aconteceu em meados dos anos 80, já com grande

defasagem em relação ao Estados Unidos, onde na década de 60 começaram a

surgir os primeiros profissionais como resposta à necessidade decorrente da

proliferação de novas tecnologias médicas. O problema da mão de obra qualificada

começou a ser suprimido com a criação de cursos específicos, entretanto, ainda em

pequena quantidade com relação a real necessidade do profissional.

Segundo o ACCE5, “O Engenheiro Clínico é o profissional que aplica e

desenvolve os conhecimentos de engenharia e práticas gerenciais às tecnologias de

saúde, para proporcionar uma melhoria nos cuidados dispensados ao paciente”.

Entretanto no Brasil a grande maioria dos hospitais conta somente com Engenheiros

Eletricistas ou Civis para gerenciar este parque tecnológico, além dos técnicos em

5 American College of Clinical Engineering

39

mecânica e elétrica para realizar as manutenções. Em alguns casos este cargo é

suprido por administradores que não conhecem a realidade das instituições e

buscam somente diminuição dos custos sem analisar o impacto que isso pode

acarretar na qualidade dos procedimentos.

O projeto de um hospital deve ser minunciosamente estudado de acordo com

as necessidades locais pela equipe especializada. Este processo de planejamento

evitará transtornos como um bisturi elétrico vir a interferir nos traçados do monitor

multiparâmetro, ou seja, todos os padrões mínimos de qualidade da energia devem

ser seguidos.

Emissão de EMI e também a compatibilidade dos equipamentos devem ser

levados em consideração evitando eventos adversos. A figura 19 ilustra algumas

fontes de EMI dentro do ambiente hospitalar e formas de transmissão.

Figura 19 – EMI e EMC no ambiente hospitalar.

Fonte: ZEVZIKOVAS, 2004.

O projeto dos equipamentos comercializados é um ponto muito importante

para garantir a qualidade de seu funcionamento. Segundo Zevzikovas (2004), os

limites registrados nas normas IEC e NBR-IEC devem ser levados em consideração

e respeitados pela equipe responsável pelo projeto de maneira a evitar a emissão

exagerada de EMI e também garantir a compatibilidade dentro de um ambiente fora

40

do ideal. Os equipamentos devem conter filtros de linha na entrada da fonte de

alimentação evitando a propagação das EMI.

Existe um contraste muito grande onde equipamentos novos e modernos são

adquiridos e instalados em instituições que possuem instalações antigas, em alguns

casos fora dos padrões mínimos. Inúmeras vezes equipamentos novos apresentam

problemas intermitentes devido a problemas na instalação física. O problema torna-

se mais grave em regiões mais carentes onde instalações precárias unem-se a

equipamentos antigos e com gerenciamento inexistente (manutenções corretivas por

equipes especializadas, preventivas, testes de calibração, etc.). Neste contexto, o

desenvolvimento de equipamentos e ferramentas para melhoria da qualidade na

energia de forma viável, torna-se muito interessante, aumentando a confiabilidade

no sistema como um todo e também diminuindo os riscos.

Segundo Barbosa (2009), devem ser desenvolvidos protocolos de

investigação de defeitos e mal funcionamento que possibilitem a obtenção dados

que traduzam os acontecimentos no estabelecimento. Os padrões do que é

considerado mau funcionamento deve ser decidido de acordo com as necessidades

locais, facilitando a identificação desta condição no dia-a-dia dos profissionais

envolvidos.

3.3 Norma NBR IEC 60601

As normas NBR-IEC da série 60601 formam as principais regras a serem

seguidas pelos fabricantes de equipamentos eletromédicos e também pelas

instituições no que diz respeito a instalações dos equipamentos, sua operação e

testes qualitativos. São publicadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas

(ABNT) com base na IEC internacional.

É dividida em: a) NBR-IEC 60601-1 – Norma Geral; b) NBR-IEC 6060-1-xx –

Normas colaterais; c) NBR-IEC 60601-2-xx – Normas Particulares; d) NBR-IEC

60601-3-xx – Normas de Desempenho.

A versão mais atual é a ABNT NBR IEC 60601-1:2010, idêntica a IEC 60601-

1 Ed. 3.0b, publicada em 25/10/2010 com validade a partir de 01/01/2012. Na

ausência de normas nacionais para determinada situação deverão ser adotadas as

normas internacionais vigentes.

41

A aplicação da norma depende da aplicação de outras normas

complementares assegurando em vários níveis a qualidade dos serviços prestados.

Uma lista completa das normas necessárias pode ser encontrada no site6 da ABNT.

Segundo Zevzikovas (2004), a norma IEC 60601-1-2/2001 informa que todo

equipamento deve possuir comportamento seguro cumprindo seu desempenho

essencial. Este desempenho essencial deve ser verificado caso a caso através de

uma análise de risco. Durante ensaios executados em equipamentos não são

aceitáveis: a) mudanças nos parâmetros programados; b) reset do equipamento; c)

alarmes falsos; d) mudanças no modo de operação; e) erro em valores numéricos

apresentados em displays que apresentem risco ao paciente; entre outros.

3.4 Impacto da Qualidade da Energia

Os problemas desencadeados por baixos níveis de qualidade da energia

podem ser classificados basicamente entre defeitos ou falhas. Os defeitos estão

relacionados a alterações na característica básica de funcionamento que

desencadearão possíveis resultados incorretos, podendo estar associados à falta de

manutenção, ou no caso específico deste trabalho, a qualidade da energia.

Interferências eletromagnéticas e distorções na forma de onda são os grandes

causadores dos defeitos. As falhas representam um ponto mais grave onde o

equipamento não consegue mais desempenhar seu papel, necessitando de sua

paralisação para correção ou então em casos extremos a desativação. (ARAGAKI;

SCARPI; LINZMAYER, 2004).

Todos os EMH necessitam de padrões mínimos relacionados à qualidade da

energia de maneira a garantir seu pleno funcionamento. Todos os requisitos

relacionados à qualidade da energia são de suma importância, entretanto neste

trabalho enfatizou-se sobre as interferências eletromagnéticas e transitórios que

geralmente são menos abordados se comparados aos estudos relacionados ao

impacto do THD ou mesmo interrupções no fornecimento.

Segundo Barbosa (2009), a literatura relacionada aos problemas decorrentes

das EMI é escassa e focada na identificação das EMI e suas respectivas fontes

geradoras, ficando de lado a quantificação dos riscos que estes representam, o que

6 http://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=80437

42

facilitaria a identificação de defeitos ou falhas bem como a implantação de medidas

preventivas que evitem seu surgimento. O impacto das EMI dependerá muito do

contexto em questão, mas será sempre negativo. Por exemplo, alterações na

programação de uma bomba de infusão e consequentemente, alteração da

quantidade de fármaco infundido representarão maior grau de risco a um paciente

que estiver recebendo quimioterápicos, ou mesmo pacientes neonatos quando

comparados a pacientes que estão recebendo soro glicosado.

A prevenção das EMI depende basicamente do controle das fontes emissoras

e no outro extremo, tornar o receptor o menos sensível possível. Para isso são

utilizadas algumas técnicas como a blindagem do equipamento, isolação elétrica,

aterramento dos circuitos, utilização de circuitos de filtragem, além de adequação do

projeto das placas minimizando a possibilidade de captação ou emissão de EMI.

Tanto as interferências eletromagnéticas irradiadas como as conduzidas

podem desencadear problemas no funcionamento de equipamentos conectados a

rede. Quando ocorre uma degradação no funcionamento destes é possível afirmar

que pelo menos um dos equipamentos próximos não atendem aos requisitos

mínimos relacionados a emissão de EMI. Um problema crescente devido à evolução

tecnológica podendo ser tratado como poluição ambiental. (MAGNUS, 2001).

Equipamentos como as bombas de infusão, carrinhos de anestesia, máquinas

de hemodiálise e cardioversores são exemplos de EMH que colocam a vida dos

pacientes diretamente em risco no caso de defeitos ou falhas. Objetivamente são os

casos onde a ocorrência de problemas técnicos torna-se mais graves, necessitando

de monitoramento contínuo visando larga diminuição nas ocorrências.

Existem também os equipamentos que podem colocar a vida do paciente

indiretamente em risco. O monitor multiparamétrico é um exemplo onde a

visualização de parâmetros incorretos pode gerar diagnósticos errados e

consequentemente, tratamentos indevidos.

Os transitórios por sua vez acarretam maior prejuízo direto aos equipamentos

devido à variação brusca e de grande amplitude na tensão da rede. Seu impacto vai

desde o surgimento de dados falsos, devido a interferência nos circuitos e no

processamento dos dados. Nos casos de maior intensidade podem provocar danos

físicos como a queima dos circuitos eletrônicos devido à alta tensão aplicada.

Representam grande risco a pacientes que dependem de EMH que estejam

diretamente conectados a eles e à rede elétrica. A inexistência de etapas de

43

proteção, ou mesmo circuitos de proteção mal projetados/dimensionados pode

possibilitar que tensões perigosas cheguem ao corpo do paciente.

De maneira geral estes fenômenos podem afetar somente a fonte de

alimentação, ou então ultrapassa-la, vindo a interferir nos circuitos nela conectados.

Isto ocorre porque as fontes possuem filtros projetados para filtrar somente o ripple7

de baixa frequência, não conseguindo filtrar ruídos de alta frequência. Um dos

distúrbios mais comuns é denominado Electrical Fast Transient (EFT) que devido a

sua alta frequência atravessa as fontes podendo afetar principalmente circuitos

digitais gerando dados ou comandos incorretos. (Zevzikovas, 2004).

A figura 20 ilustra um teste de EFT envolvendo uma bomba de infusão. Como

pode ser avaliado, os distúrbios ocasionam variações de até 90% no fluxo

instantâneo infundido, alteração que não foi indicada ou alarmada pelo equipamento.

Figura 20 – Teste de EFT em uma bomba de infusão.

Fonte: ZEVZIKOVAS, 2004.

Nos estudos realizados por Zevzikovas (2004), 17 dos 26 EMH considerados

críticos sofreram alterações de funcionamento durante os testes de EFT-burst

desencadeando: a) Perda do ritmo de ventilação em ventiladores pulmonares e

máquinas de anestesia; b) balões intra-aórticos que perderam sincronismo com o

traçado; c) bombas de seringa com alterações súbitas na taxa de infusão.

7 Ondulação presente na tensão entregue por fontes de corrente contínua.

44

CAPÍTULO 4 – FILTRAGEM DE LINHA

4.1 Tipos de Filtros

A filtragem surge do simples conceito de separar dois ou mais itens que

estejam juntos. Assim como fisicamente é possível separar grãos grandes de grãos

pequenos através de uma peneira, também é possível a separação de sinais

elétricos através de circuitos adequados.

Os filtros de sinais elétricos podem ser classificados basicamente como

passivos ou ativos de acordo com as características intrínsecas dos componentes

empregados em sua construção.

“Os filtros são basicamente compostos por impedâncias interligadas (redes) e

o comportamento destes circuitos depende do valor das resistências, capacitâncias

e indutâncias envolvidas e da maneira como são interligadas.” (MUSSOI, 2004).

Os filtros passivos utilizam em sua construção somente componentes

eletrônicos passivos, ou seja, que não necessitam de uma fonte de alimentação para

desempenharem sua função, um exemplo de filtro passivo pode ser visto na figura

21.

Figura 21 – Filtro RC passivo.

Fonte: <http://cadeiras.iscte-iul.pt/cse//Folhas/Filtros/Filtros_files/image017.gif>

Os componentes comumente utilizados são: a) resistor; b) capacitor; c)

indutor. Sabe-se que cada um destes componentes tem um comportamento

específico de acordo com a frequência do sinal aplicado, conforme pode ser visto na

figura 22.

45

Figura 22 – Curva característica dos componentes.

Fonte MUSSOI, 2004.

Através da análise da curva característica, fica evidente o comportamento

diferente de cada componente.

O resistor possui uma característica linear com resistência fixa independente

da frequência do sinal aplicado. Sua resistência ou impedância8 pode ser obtida a

partir da lei de Ohm, conforme a equação 8. A unidade da resistência é dada em

Ohm (Ω).

(8)

Onde: V – Tensão I – Corrente

O indutor ou bobina também possui comportamento linear, entretanto, sua

impedância aumenta conforme o aumento da frequência (f) do sinal aplicado, sendo

denominada como reatância indutiva (XL). Para frequências muito altas pode ser

considerado como uma chave aberta. Pode ser calculada através da equação 9. A

unidade da indutância é dada em Henry (H) e a reatância indutiva em Ohm (Ω).

(9)

O capacitor por sua vez difere dos componentes anteriores não apresentando

comportamento linear. Sua reatância capacitiva (XC) diminui conforme o aumento da

frequência do sinal aplicado. Para frequências muito altas o capacitor atua como um

curto-circuito. A unidade de medida para a capacitância é o Farad (F) e a unidade da

reatância capacitiva também é dada em Ohm (Ω) e pode ser calculada em função da

equação 10.

8 Termo utilizado quando trabalha-se com fontes alternadas.

46

(10)

Os filtros passivos geralmente são utilizados para frequências altas, pois para

filtragem passiva de baixas frequências geralmente são necessários indutores

grandes e com altos valores inviabilizando seu uso.

Já os filtros ativos são mais versáteis sendo facilmente configuráveis para

trabalharem em um amplo espectro de frequências. Por utilizarem componentes

ativos como transistores ou mais tradicionalmente amplificadores operacionais

(AmpOp), necessitam de alimentação adicional. Um exemplo de filtro ativo pode ser

visto na figura 23.

Figura 23 – exemplo de configuração RC em um filtro ativo.

Fonte: <http://wiki.sj.ifsc.edu.br/wiki/index.php/Arquivo:Fitro_RC_ativo.jpg>

Existem ainda os filtros digitais, estes baseados no funcionamento de

microprocessadores e cálculos matemáticos, entretanto dependem da digitalização

de um sinal analógico para sua utilização.

Outra importante classificação dos filtros é com relação a sua atuação sobre o

espectro de frequências. Os tipos básicos são: a) passa-baixa (low pass filter); b)

passa-alta (high pass filter); c) passa-faixa (band pass filter). Outros tipos podem ser

obtidos com base nestes filtros básicos.

O filtro passa-baixa tem como característica permitir a passagem de sinais

com frequência menor do que a frequência de corte (fc), atenuando os sinais acima

desta frequência de corte. Já o passa-alta permite a passagem dos sinais acima da

fc, atenuando gradativamente os sinais abaixo desta. A utilização de ambos os tipos

origina o filtro passa-faixa, onde os sinais entre a frequência de corte superior e

inferior são mantidos, e os sinais com frequência fora desta faixa são atenuados.

Para filtragem de EMI presentes na energia elétrica são utilizados filtros

passa-baixa. Um filtro passa-baixa ideal possui ganho unitário abaixo de sua

frequência de corte e acima da frequência de corte seu ganho é sempre zero.

47

Entretanto é impossível se obter uma resposta exatamente como citada por tratar-se

de um modelo ideal. A resposta de curva ideal e da curva real de um filtro passa-

baixa pode ser vista na figura 24. A curva real dependerá dos valores dos

componentes adotados no circuito de filtragem bem como sua ordem.

Figura 24 – Resposta ideal (esquerda) e resposta real (direita).

Fonte. Adaptado de MUSSOI, 2004.

A ordem do filtro define a exatidão do corte realizado, de modo geral, quanto

maior a ordem, mais complexo e caro será um filtro. Em filtros passivos a ordem está

relacionada ao número de conjuntos de elementos passivos presentes, em filtros

ativos a ordem é dada pelo número de circuitos RC presentes. (ROBERT, s.d.).

O aumento na ordem de um filtro acentua sua curva de atenuação,

melhorando e estreitando sua resposta de maneira a evitar que interfira em

frequências adjacentes inadequadamente. Um exemplo de curva característica pode

ser visto na figura 25.

Figura 25 – Exemplo de curvas características relacionadas à ordem.

Fonte: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Filtro_Butterworth>.

48

Existem vários tipos de projetos de filtros relacionados com a forma de

construção como o Butterworth, Bessel, Chebyshe, Com, Elíptico, entre outros,

contudo foge ao escopo deste trabalho o estudo aprofundado dos mesmos e de

suas peculiaridades.

4.2 Proteção Contra Surtos e Transitórios

Os dispositivos e componentes de proteção contra surtos e transitórios são de

suma importância na confecção de filtros de linha sólidos, evitando que incidentes

na rede elétrica causem danos aos equipamentos nela conectados.

Sua função será limitar os picos presentes na rede elétrica, em valores

inferiores ao limite aceito pelos equipamentos conforme pode ser visto na figura 26.

Figura 26 – Esquerda – Surto na rede; Direita – Surto suprimido.

Fonte: ARAUJO et al, 2008.

Centelhadores a gás, também conhecidos como dispersores a gás ou Spark

Gaps são dispositivos de proteção comumente utilizados na área de

telecomunicações para proteção de linhas telefônicas, sinais de televisão, entre

outros, devido a sua baixa capacitância9, não interferindo em sinais de alta

frequência. Sua principal característica é a grande capacidade de dispersão de

corrente após disparo, podendo chegar a ordem de 100kA. Tradicionalmente são

fabricados em versões com dois ou três10 eletrodos separados por elementos de

cerâmica, em seu interior existe a presença de um gás com elemento ionizador. É

um componente com acionamento dependente da tensão. Após atingida a tensão de

9 Valores típicos entre 0,5 e 2 pico-Farad (pF)

10 Os modelos com três eletrodos propiciam proteção em modo comum e diferencial simultaneamente. Os

eletrodos das extremidades são conectados entre fase-fase ou fase-neutro e o central é conectado ao terra.

49

disparo é formado um arco-voltaico entre seus eletrodos, oferecendo um caminho de

baixa impedância para a corrente, desviando o fluxo excedente. (STANDLER, 2002).

Fotografia 2 – Tipos mais comuns de centelhadores a gás.

Fonte: ARAUJO et al, 2008.

Este componente possui duas desvantagens que devem ser levadas em

consideração no projeto, baixa velocidade de acionamento e também dificuldade de

cessar o arco voltaico depois que o mesmo inicia-se. Entretanto, estas

características podem ser contornadas através da adição de outros componentes de

proteção. Uma maneira efetiva para controlar o arco-voltaico é através da utilização

de fusíveis que interromperão o fluxo após sua ruptura ou então através da

colocação de varistores em série com o centelhador de maneira a cessar o arco

assim que a tensão chegar a níveis inferiores aos de disparo de ambos.

Outro componente importante na proteção contra surtos são os varistores.

Este componente possui uma resistência variável em função da tensão e corrente,

não obedecendo uma linearidade em relação a lei de Ohm. A sigla varistor11 é

utilizada genericamente para todos os componentes com este tipo de

comportamento, entretanto seu emprego esta geralmente relacionado com o

componente metal-oxide varistor (MOV). Sua resistência diminui com o aumento da

tensão ou corrente.

Fotografia 3 – Tipos de varistores.

Fonte: <http://image.made-in-china.com/2f0j00nSEtZiuJHTkU/5D-60D-MOV-Varistor-for-Surge-Protection.jpg>

Enquanto a tensão de operação for inferior a tensão de disparo a corrente

conduzida será ínfima, após ultrapassada a tensão de disparo o componente age

11

Voltage Dependent Resistor

50

como um curto-circuito conduzindo altas correntes por um curto espaço de tempo.

(ARAUJO et al, 2008). A figura 27 demonstra uma curva característica de um MOV.

Figura 27 – Curva característica de um MOV em escala logarítmica.

Fonte: STANDLER, 2002.

Além da grande capacidade de dissipação, na ordem de até 80kA, possui

rapidez no acionamento passando a conduzir em tempos da ordem de nano

segundos (ns). Na área de telecomunicações seu uso é bem limitado devido a sua

alta capacitância12 quando comparado aos centelhadores a gás.

A vida útil do varistor é um fator a ser considerado e monitorado. A cada

atuação deste componente, mesmo que em baixas intensidades, ocorre um

desgaste inerente do material e consequentemente, diminuição de sua capacidade

de atuação. Nos casos de grandes surtos o varistor pode não suportar a carga e ser

danificado totalmente, entretanto nestes casos é fácil a identificação do problema

visto que apresentará sinais característicos como manchas pretas devido ao

aumento da temperatura, ou mesmo a destruição de seu invólucro. Durante breves

atuações estes sinais não serão visíveis tornando-se necessário a substituição dos

varistores de tempos em tempos mesmo que nenhum grande surto seja detectado,

garantindo sua atuação quando necessário.

12

Valores típicos entre 40 e 2000pF

51

CAPÍTULO 5 – PROJETO DO GERENCIADOR DE ENERGIA

5.1 Introdução

Diante dos efeitos negativos e imprevisíveis produzidos pelas interferências

eletromagnéticas e alterações nos padrões relacionados à qualidade da energia,

bem como a tecnodependência cada vez mais presente não somente na medicina,

mas em todos os setores da sociedade, surge a ideia de desenvolvimento de um

dispositivo que minimizasse os impactos ocasionados por essas interferências de

uma maneira simples e com elevado custo benefício.

Alternativas viáveis do ponto de vista econômico são extremamente

interessantes, principalmente em uma realidade onde grande parte do parque

tecnológico presente nas EAS pode ser considerado como antigo e a falta de verbas

para investimento e substituição por tecnologias mais novas são constantes.

É importante salientar que seus benefícios não estariam restritos somente a

equipamentos mais antigos, mas a todos os níveis de tecnologia, mesmo os mais

novos, assegurando padrões de qualidade e garantindo sua segurança.

O dispositivo proposto e desenvolvido recebeu o nome de “gerenciador de

energia” contando com etapas para filtragem de interferências eletromagnéticas

conduzidas, proteção contra surtos e transitórios e um circuito microcontrolado que

possibilitasse o monitoramento contínuo de alguns dados referentes a energia

elétrica.

5.2 Etapas de Proteção Adotadas

As etapas de proteção são compostas por varistores, centelhadores a gás,

fusíveis e fusíveis térmicos protegendo tanto os equipamentos conectados ao

gerenciador, como a linha elétrica de falhas que possam a vir ocorrer durante o

funcionamento de algum equipamento, como um curto-circuito inesperado.

Estas etapas de proteção poderiam ser projetadas com caráter genérico,

atuando tanto em redes elétricas onde a tensão nominal é 127V como em redes

220V, seja entre fase/neutro como fase/fase. Este tipo de projeto traz o benefício da

versatilidade, adequando-se a maioria das redes convencionais, entretanto, perde-

52

se muito da eficiência quando conectado em redes com 127V. Por este motivo o

projeto foi desenvolvido para utilização em redes 127V sendo possível sua

modificação para utilização em outras redes.

O centelhado tripolar de 350Vac está conectado o mais próximo da rede

elétrica, antes dos varistores devido a sua característica intrínseca de conduzir maior

quantidade de energia e também por ter um acionamento atrasado em relação aos

varistores.

A figura 28 apresenta o esquema elétrico referente.

Figura 28 – Esquema elétrico. Proteção + Filtro.

Fonte: Arquivo pessoal.

A proteção foi dividida em duas etapas. Na primeira contendo o fusível geral,

o centelhador a gás e 3 varistores, sendo 1 entre fase/neutro, 1 entre fase/terra e 1

entre neutro/terra. Esta etapa entrará em atuação mesmo quando a chave

“liga/desliga” estiver interrompendo o circuito. Neste caso o aumento repentino de

corrente gerado pela atuação dos varistores e centelhadores poderia vir a acionar o

disjuntor responsável pelo circuito elétrico e também romper o fusível geral.

Após a chave “liga/desliga” existem mais 6 varistores, sendo 2 entre

fase/neutro, 2 entre fase/terra e 2 entre neutro/terra. Este arranjo utilizando n

varistores em paralelo aumenta a capacidade de absorção de surtos. Para proteção

da rede e principalmente dos varistores são utilizados fusíveis térmicos de 10A/92ºC.

Parte do surto é dissipada na forma de calor. Durante um surto de maior

intensidade, tanto o calor dissipado, como o aumento da corrente serão

responsáveis por romper o fusível térmico desconectando a linha elétrica.

O circuito deste trabalho foi desenvolvido para redes 127Vac. Dois valores de

varistores são adotados; todos os varistores utilizados entre fase/neutro e fase/terra

possuem tensão de acionamento de 150Vac e os varistores entre neutro/terra

53

tensão de acionamento de 75Vac. A adoção de um valor menor para proteção do

neutro baseia-se no princípio de que o neutro será tido como referencial zero,

apresentando 0V idealmente. A menor tensão do varistor garantirá um acionamento

antecipado caso ocorra aumento de tensão em virtude de algum surto que atingiu o

neutro, ou mesmo uma queda de uma linha primária sobre o neutro da secundária,

desta maneira aumentando o grau de proteção.

Por estas características a conexão deste circuito em redes 220V ou mesmo

redes 127V em que condutores de fase e neutro estejam invertidos nas tomadas

ocasionará o acionamento dos dispositivos de proteção. Desta maneira é

interessante a checagem das tomadas com relação a sua padronização e correta

conexão dos condutores.

A fotografia 4 demonstra um varistor totalmente danificado após um surto

atmosférico atingir a rede de distribuição, com o excesso de energia metade do

invólucro externo foi arrancado.

Fotografia 4 – Varistor danificado em descarga atmosférica.

Fonte: Arquivo Pessoal.

A presença do aterramento é de suma importância por servir como proteção

para os operadores, entretanto a falta de aterramento não inviabilizará a utilização

do gerenciador de energia, mas diminuirá a eficiência de seu funcionamento com

relação a proteção e também a filtragem de linha.

5.3 Topologia e Tipo de Filtro Escolhido

5.3.1 Tipo do Filtro

Tendo em vista o foco de desenvolvimento de uma alternativa viável foi

adotada a utilização de um filtro passivo aliando o desempenho, facilidade de

construção e baixo custo.

54

As EMI têm como característica serem sinais de altas frequências, desta

maneira sua atenuação é possível através da implementação de um filtro passa

baixa. O filtro seria responsável por atenuar sinais de alta frequência sem interferir

negativamente no sinal principal, neste caso sem interferir negativamente na energia

elétrica.

Para o desenvolvimento do filtro, escolha da topologia e valores dos

componentes utilizou-se o software Filter Solutions. Este software possibilita o

desenvolvimento de filtros passivos, ativos e digitais de várias topologias além da

análise prévia da resposta de frequência, defasagem e outros parâmetros.

É importante salientar que a atuação deste filtro será basicamente sobre as

EMI e transitórios não atuando sobre problemas como afundamentos de tensão,

variações de frequência e alterações na forma de onda por alta incidência de

distorção harmônica. Para solução destes problemas faz-se necessário a adoção de

outras tecnologias como nobreaks senoidais online ou mesmo filtros ativos.

Filtros passivos também podem ser utilizados na filtragem de componentes

harmônicos de corrente. São relativamente mais simples de serem desenvolvidos se

comparados a outras soluções para o problema de distorção harmônica de corrente

como os filtros ativos, entretanto possuem algumas desvantagens, dentre elas a

necessidade de serem sintonizados especificamente para o conteúdo harmônico e

cargas presentes na rede, sensibilidade a variações de frequência da rede além da

grande interferência da impedância de rede sobre a filtragem. (ANTUNES; SOUZA;

DOMINGOS, 2009).

Os filtros ativos tem seu funcionamento tradicionalmente baseado em

circuitos microprocessados de alto desempenho que analisam a energia elétrica

fornecida. A partir da análise é possível a correção em tempo real utilizando-se

eletrônica de potência. Com este tipo de filtro torna-se possível a correção da forma

de onda obtendo-se níveis de THD próximos a zero, evitando a contaminação da

rede elétrica.

Os filtros ativos de potência paralelos são as alternativas mais utilizadas

atualmente para diminuir os problemas decorrentes do funcionamento de cargas não

lineares. (VAZ, 2006).

55

5.3.2 Ordem do Filtro e Frequência de Corte

A ordem do filtro interferirá diretamente sobre a inclinação da curva de

atenuação dos sinais, ou seja, quanto maior a ordem maior a inclinação negativa e

consequentemente, maior a atenuação dos sinais de uma mesma frequência – um

filtro de quarta ordem atenuará mais uma mesma faixa de frequência do que um

filtro de terceira ordem. Entretanto, quanto maior a ordem do filtro maior a

complexidade em seu desenvolvimento.

Levando-se em conta a complexidade, valores comerciais para os

componentes e desempenho do filtro, foi escolhido um filtro de quarta ordem. Como

consequência foi possível a utilização de uma baixa quantidade de componentes

passivos.

Um dos principais pontos no desenvolvimento de filtros é a escolha da

frequência de corte (fc). De acordo com o tipo de filtro empregado esta região

indicará o limite entre os sinais permitidos e os sinais que serão gradativamente

atenuados. Na topologia empregada a fc representa o ponto onde ocorre uma

atenuação de aproximadamente 3 deciBel (dB) no sinal, o que equivale a multiplicar

o sinal original por 0,707, ou seja, o sinal com frequência igual ao da fc teria seu

valor reduzido a 70% do valor original. (LOPES, 2008).

A frequência de corte escolhida para o projeto foi de 5kHz, algo que pode ser

considerado como um diferencial frente aos filtros presentes no mercado.

Tradicionalmente os filtros de linha comercializados possuem frequência de corte

sintonizada na casa das dezenas ou centenas de kHz, atuando efetivamente nos

sinais de altíssima frequência. A escolha desta fc possibilita atenuação de

interferências de menor frequência e mesmo uma maior atenuação de sinais de alta

frequência aumentando substancialmente sua eficiência.

Não somente a ordem do filtro interfere sobre os valores dos componentes,

mas também a frequência de corte. O conjunto da escolha possibilitou um baixo

número de componentes impactando diretamente no custo/benefício. Com relação a

fc, é possível o desenvolvimento de um filtro de linha com um corte mais baixo,

entretanto seria necessária a utilização de indutores maiores dificultando a

confecção do mesmo.

56

A figura 29 apresenta o filtro adotado com os respectivos valores de

componentes necessários.

Figura 29 – Esquema do filtro desenvolvido no software Filter Solution – padrão numérico americano.


No esquema anterior as resistências de 1Ω representam a impedância da

rede elétrica, este valor já é adotado por padrão dentro do software sendo possível

alterá-lo de acordo com a necessidade. O resistor de 50Ω representa a carga

conectada a saída do filtro de linha.

Os 4 indutores são montados duplamente em dois núcleos toroidais de ferrite.

Desta maneira o campo magnético gerado nas bobinas gera um cancelamento de

fase entre as EMI. Existem enrolamentos diferentes específicos para atenuação de

ruídos modo diferencial e ruídos modo comum. No caso deste projeto adotou-se

num primeiro estágio o filtro para modo diferencial e no segundo estágio para modo

comum, este tendo sua eficiência dependente da presença de um bom aterramento.

Apesar de o esquema apresentar somente 1 capacitor de 6,8nF foram

utilizados 2 capacitores formando o filtro de modo comum – os dois capacitores

ligando fase e neutro ao aterramento como é possível verificar na figura 29

apresentada anteriormente.

É importante citar que os capacitores utilizados são classificados como classe

X e Y. Estes componentes passam por testes mais rigorosos suportando maiores

limites de tensão antes de sofrerem danos.

5.3.3 Resposta de Frequência

Após escolha dos valores ótimos para o circuito foi possível visualizar o

comportamento esperando do filtro em algumas situações.

57

A figura 30 apresenta a resposta de frequência do filtro apresentado

anteriormente.

Figura 30 – Resposta de frequência do filtro passivo. Carga de 50Ω.


Pela análise da figura é visível a linearidade do filtro dentro de sua banda

passante até atingir a fc e após este ponto, a constante atenuação do sinal,

chegando a aproximadamente 90dB de atenuação em 100kHz. O quadro 1

demonstra os valores referentes a frequência, ganho e deslocamento de fase.

Quadro 1 – Dados relativos ao filtro – Carga de 50Ω

Frequência (Hz) Ganho (dB) Fase (grau)

50 -1,33.10-4

-1,29

60 -1,92.10-4

-1,54

120 -7,74.10-4

-3,11

501 -1,25.10-2

-12,94

1008 -4,01.10-2

-25,97

2505 3,34.10-2

-66,14

4527 -1,63 -141,24

4959 -3,13 -157,59

5684 -6,22 -179,46

10118 -22,22 130,84

20025 -40.59 107,64

40241 -58,95 94,90

80864 -77,27 84,96

98494 -82,48 81,97


Através da tabela fica evidente a atenuação de sinais de altas frequências,

bem como uma mínima atuação na região dos 60Hz da rede elétrica, praticamente

não atenuando a tensão e não gerando deslocamento de fase significativo.

Através da equação 11 é possível converter a atenuação na escala de dB

para escala de tensão tornando mais fácil o entendimento da real proporção de

atenuação.

58

(11)

Onde: V1 – Tensão de entrada V2 – Tensão de saída

Através do cálculo obtém-se a relação de 1.10-9 entre as tensões de entrada

saída. O quadro 2 apresenta o ganho em dB e sua relação de tensão.

Quadro 2 – Relação dB e ganho tensão

Ganho (dB) V1/V2

10 3,16

6 2

3 1,414

0 1

-3 0,707

-6 0,5

-10 0,316

-20 0,1

-30 0,0316

-60 0,001

-120 0,000001


Para melhor entendimento do funcionamento do filtro, alterou-se o valor da

carga para valores menores do que 50Ω e foram obtidos os gráficos presentes nas

figuras 31 e 32.



59



Através das figuras é possível verificar um comportamento de perda na

linearidade de resposta de frequência dentro da banda passante e também uma

queda antecipada no deslocamento de fase, ambas relacionadas ao aumento da

corrente na carga. Em um primeiro momento isto pode aparentar uma característica

negativa, mas analisando mais profundamente o gráfico e os valores dele retirados

percebe-se que a alteração na linearidade não será prejudicial sobre a região dos

60Hz da rede. O quadro 3 apresenta alguns valores referentes a resposta do filtro

com a carga de 12Ω.

Quadro 3 – Dados relativos ao filtro – Carga de 12Ω

Frequência (Hz) Ganho (dB) Fase (grau)

50 -2,71.10-2 -4,68

60 -4,01.10-2 -5,70

323 -1,00 -28,05

659 -3,13 -47,96

1345 -7,01 -68,06

3242 -11,03 -89,09

5514 -4,93 -166,19

6226 -10,34 138,13

10118 -31,47 102,23

20025 -51,61 94,64

98494 -93,79 88,12


Conforme pode ser visto na figura 32, o aumento da corrente de carga

ocasiona uma atenuação antecipada dentro da região de banda passante, voltando

ao valor de aproximadamente -3dB na região da fc. Após a frequência de corte a

atenuação torna-se mais acentuada ultrapassando 90dB acima dos 100kHz.

60

5.3.4 Simulação do Filtro Idealizado

Para simulação do comportamento do filtro foi utilizado o software Proteus

ISIS conforme pode ser visto na figura 33. Este software possibilita a simulação de

circuitos analógicos e digitais obtendo resultados de seu funcionamento antes da

montagem de um protótipo, facilitando e agilizando muito o processo de

desenvolvimento de circuitos.

Figura 33 – Circuito simulado no Proteus ISIS.


Para simulação foram utilizadas duas fontes de tensão AC em série

interligadas ao circuito, uma sinalizada como “AC” representando a tensão de

127V/60Hz da rede e a outra sinalizada como “NOISE” referente aos ruídos de

EMI/transitórios. Esta segunda fonte teve seu valor de tensão fixado em 10V para

facilitar a visualização dos resultados, entretanto, em uma situação real as EMI

dificilmente alcançariam este valor estando normalmente na ordem de milivolts (mV).

Nesta segunda fonte variava-se o valor referente à frequência de maneira a verificar

o sinal após a filtragem.

Após a montagem do circuito iniciou-se a fase de simulação e verificação dos

resultados. Em todas as simulações a onda vermelha representa a tensão presente

na entrada do filtro e a onda azul representa a saída do filtro, ou seja, o sinal já

filtrado.

Em um primeiro momento verificou-se a defasagem e atenuação originada

pelo filtro no sinal puro da rede AC conforme pode ser visto na figura 34. A

defasagem entre as ondas e atenuação foram mínimas, como desejado.

61

Figura 34 – Defasagem gerada.


Após a análise da defasagem introduziu-se a fonte de ruído. A frequência

desta fonte foi variada de maneira a possibilitar a análise da resposta do filtro em

diferentes frequências.

A figura 35 mostra as ondas da rede AC e um ruído de 10kHz sobreposto,

bem como a saída do filtro. Na figura 36 é visível a atenuação do ruído, entretanto o

mesmo ainda é perceptível na saída, algo esperado conforme a curva de resposta

de frequência apresentada anteriormente. Como mencionado, os ruídos

normalmente situam-se na faixa de centenas de kHz, servindo somente como base

de teste.

Figura 35 – Em vermelho: AC mais ruído de 10kHz. Em azul: saída do filtro.


62

Figura 36 – Vista ampliada dos sinais.


A figura 37 mostra os resultados da simulação utilizando um ruído com

frequência de 15kHz e a figura 38 os resultados utilizando-se uma frequência de

100kHz. Através da figura 37 é possível verificar uma pequena ondulação na saída

do filtro indicando o alto grau de atenuação gerado, mesmo a um sinal de 15kHz.



63



5.4 Circuito Microcontrolado Embarcado

Além das etapas de proteção e filtragem foi desenvolvido um circuito

microcontrolado que possibilitasse um monitoramento contínuo da rede elétrica em

seus parâmetros básicos, apresentando os resultados de forma simples e direta.

Esta característica facilitaria o trabalho dos profissionais de campo, em alguns

casos, dispensando a utilização de multímetros e outras ferramentas utilizadas nas

análises iniciais do estado da instalação elétrica, desta maneira aumentando a

eficiência do serviço de manutenção.

5.4.1 A Escolha do Microcontrolador

De maneira resumida microcontroladores podem ser vistos como

computadores inteiros encapsulados dentro de uma única pastilha. Desde os

modelos mais simples até os mais avançados a característica em comum é que

todos possuem uma unidade central de processamento (CPU), memórias RAM13

e/ou ROM14 além de dispositivos de entrada e saída. Modelos mais avançados

podem conter conversores analógico/digital (A/D), conversores digital/analógico

(D/A), comparadores, amplificadores operacionais com ganho ajustável, módulos

13

RAM – Random Access Memory 14

ROM – Read Only Memory

64

PWM15 e núcleos de processamento normalmente de 8, 16 ou 32bits, variando muito

de acordo com o modelo e fabricante.

São diversos os fabricantes bem como os modelos de microcontroladores,

dentre os mais comuns estão INTEL – 8051, ATMEL – 8051, AVR, Microchip - PIC,

Texas Instruments - MSP430, entre muitos outros. Cada um com suas

características diferenciadas de hardware, periféricos, instruções, capacidade de

processamento e clock16.

Para o projeto foi escolhido o modelo AT89S52 da ATMEL, uma linha com

núcleo de instruções 8051 de 8bits, com 8K bytes de memória flash para

armazenamento do programa desenvolvido, 256 bytes de memória RAM. Apesar de

ser uma tecnologia antiga ainda é encontrada constantemente em equipamentos

eletromédicos e outros eletroeletrônicos que necessitem uma baixa carga de

processamento. O fator principal para escolha do mesmo foi um prévio

conhecimento sobre a programação e hardware do mesmo, facilitando o

desenvolvimento.

Devido às características intrínsecas dos dispositivos, a utilização de somente

um microcontrolador limitaria a amostragem dos sinais, não atingindo o resultado.

Para contornar este obstáculo utilizou-se um segundo microcontrolador idêntico,

evitando gargalos de processamento.

O microcontrolador principal ficou responsável por controlar o display de lcd

16x2, botões de acionamento e por obter a frequência da rede elétrica.

Já o segundo microcontrolador ficou responsável por comandar o conversor

A/D, realizar os cálculos brutos e enviar os resultados prontos ao microcontrolador

principal.

5.4.2 Conversão Analógico/Digital e Multiplexação

Os microcontroladores e circuitos digitais em geral funcionam basicamente

através de níveis lógicos conhecidos por bits – 1 ou 0. Entretanto grande parte dos

sinais que precisam ser processados estão na forma analógica. Desta maneira

existe a necessidade de converter os sinais analógicos em digitais e em alguns

casos o caminho inverso, converter dados digitais em sinais analógicos.

15

PWM – Pulse Width Modulation 16

Sinal gerado por um oscilador controlando a execução das instruções programadas

65

Para este projeto os sinais analógicos que necessitavam ser convertidos são

referentes a corrente e tensão da rede elétrica.

Existem várias tecnologias empregadas no desenvolvimento de conversores

A/D, entretanto fogem ao escopo deste trabalho.

O modelo escolhido foi o ADC0804, um conversor A/D de 8 bits. Os 8 bits

possibilitam 256 níveis diferentes para o sinal a ser amostrado. Novamente os

fatores decisivos para escolha do mesmo foram facilidade de obtenção e custo. Vale

ressaltar que quanto maior a resolução em bits, maior será a precisão das amostras

em relação ao sinal analógico.

Para conversão de diversos sinais diferentes faz-se necessária a utilização de

um conversor que possua múltiplos canais como o ADC0808 que possui 8 canais ou

então a utilização de um multiplexador responsável por intercalar os sinais a serem

amostrados.

O multiplexador adotado no projeto foi o CD4051, um multiplexador

analógico/digital com 8 canais sendo que somente 3 destes canais foram utilizados

durante o desenvolvimento.

5.4.3 Medição de Corrente e Tensão

As principais grandezas a serem medidas pelo circuito são a tensão e

corrente da rede elétrica. Para isto foram utilizados transdutores responsáveis por

adequar os níveis de tensão ou mesmo transformar corrente elétrica em tensão para

posterior digitalização.

5.4.3.1 Tipos de Transdutores de Corrente

Existem várias técnicas para medição de corrente elétrica, dentre as mais

utilizadas destacam-se utilização de resistor shunt, utilização de transformador de

corrente (TC), utilização de bobinas toroidais ou bobinas de Rogowski e transdutores

baseados no efeito Hall. (TEIXEIRA, 2009).

A técnica do resistor shunt baseia-se em utilizar em série com o circuito um

resistor de valor conhecido. O fluxo de corrente ocasionará uma queda de tensão no

resistor e através da lei de Ohm será possível calcular qual a corrente circulante.

66

A bobina de Rogowski é formada por um indutor toroidal com um certo

número de espiras, o condutor por onde ocorre o fluxo de corrente é passado por

dentro desta bobina de maneira que o campo eletromagnético induza uma tensão

nos terminais desta bobina.

Por último temos os transdutores de efeito Hall, estes baseiam-se na força de

Lorentz. Aproximando-se um sensor de efeito Hall de um condutor, o campo

eletromagnético produzido por este tende a alinhar as cargas elétricas produzindo

um diferença de potencial na saída do transdutor.

5.4.3.2 Modelo Escolhido Para o Projeto

Para o desenvolvimento do projeto utilizou-se um transdutor de efeito Hall,

mais especificamente o ACS712-20A da Allegro. Este componentes especialmente

desenvolvido para medição de corrente possui uma tensão quiescente de 2,5V em

sua saída e uma variação proporcional de 100mV/A, permitindo medidas de até

±20A de pico, ou aproximadamente 14,14A em corrente alternada.

O Componente já vem calibrado de fábrica, garantindo os resultados das

medidas. Possui uma largura de banda máxima de 80kHz com possibilidade de

acionamento de um filtro passa-baixa através da adição de um capacitor em um pino

específico, limitando a banda passante a valores menores que 80kHz. Um esquema

de utilização pode ser visto na figura 39.

Figura 39 – Esquema de utilização do ACS712.

Fonte: <http://www.allegromicro.com>.

Um ponto que chama muito atenção é o tamanho do componente em virtude

da quantidade de corrente suportada, conforme pode ser visto na fotografia 5.

Segundo o manual, o componente suporta sobrecorrentes de até 5 vezes o valor

nominal. Uma vista interna está presente na figura 40. Além disso garante isolação

67

de 5kV entre os terminais de passagem de corrente (1 a 4) e os terminais de

alimentação e sinal (5 a 8).

Fotografia 5 – ACS712 montado em uma placa.

Fonte: < http://www.sparkfun.com>.

Figura 40 – Vista interna do componente, o condutor de corrente e o sensor hall embutido destacado

no círculo. Fonte: <http://www.allegromicro.com>.

5.4.3.3 Medição da tensão

A medição de tensão pode ser considerada como menos complexa,

necessitando somente de uma adequação ao nível suportado pelo conversor A/D.

Para isto utilizou-se um dos secundários do transformador que alimenta o circuito.

Este secundário foi ligado a um trimpot formando um divisor de tensão de maneira a

possibilitar a calibração do sistema, principalmente no caso da necessidade de

substituir o transformador. Como as tensões no secundário variam de transformador

para transformador é necessária a re-calibração do circuito, abordada mais a frente.

Também existem sensores de efeito Hall para medição de tensão, entretanto

são difíceis de serem obtidos no comércio especializado.

5.4.4 Funções Executadas Pelo Circuito

As funções executadas pelo circuito são a medição da: a) tensão da rede; b)

corrente de fase; c) frequência da rede; d) potência; e) corrente de neutro.

68

5.4.4.1 Medidas True rms

Quando trabalhamos com formas de onda senoidais é possível calcular seu

valor eficaz ou rms através da equação 12.

√

(12)

Entretanto esta regra vale somente para ondas puramente senoidais.

Atualmente os equipamentos mais utilizados não podem ser consideramos

como cargas lineares, vindo a consumir corrente através de picos. Desta maneira

ocorre uma deformação na forma de onda. Esta deformação na forma de onda faz

com que equipamentos de medição que não possuam tecnologia true rms

apresentem medidas incorretas quando utilizados em cargas onde a forma de onda

não é senoidal.

Para realização da real medida é necessária a integralização do sinal de

maneira a possibilitar obter o seu correto valor.

A equação 13 representa a equação utilizada para o cálculo da integral com

os valores em sua forma discreta através da conversão A/D.

√

∑

(13) Onde: N – número de amostras x – valor discreto da amostra

Para isto foi introduzido um algoritmo true rms que calcula a integral das

amostras adquiridas dentro de um ciclo completo da rede elétrica, apresentando o

real valor da corrente ou tensão independente da forma de onda.

O algoritmo basicamente recebe os valores obtidos pelo conversor A/D e

eleva-os ao quadrado, cada nova amostra sofre este processo e posteriormente é

somada com o resultado anterior formando o somatório. Após a coleta de todas as

amostras dentro de um ciclo, o resultado do somatório é divido pela quantidade de

amostras coletadas. Ao final deste processo é empregada a raiz quadrada no

resultado da divisão anterior.

69

A linguagem de programação utilizada foi o C. Nesta linguagem existe uma

biblioteca matemática padrão com várias funções, incluindo a raiz quadrada.

Entretanto sua utilização limitou a amostragem pois o tempo necessário para o

cálculo da raiz quadrada era maior do que o intervalo entre a amostragem do sinal.

Para resolver este problema utilizou-se um algoritmo baseado no método de

Newton para aproximação de raiz quadrada de um número n. A equação 14 é a

base de cálculo utilizada para o algoritmo.

(14)

Quanto maior o número de recursões à fórmula, maior será a precisão e

consequentemente menor o erro. Este erro pode ser calculado a partir da equação

15, possibilitando que seja desenvolvido um algoritmo interativo onde o erro será

controlado para qualquer valor de n. No caso do algoritmo utilizado o número de

repetições foi fixado independente do valor pois o erro não prejudica os resultados,

já que internamente os resultados são armazenados na forma de números inteiros.

(15)

Onde: ak – resultado obtido pela ultima interação n – número inicial

5.4.4.2 Corrente de Fase e Neutro

A medição da corrente permite um monitoramento contínuo do consumo de

um equipamento em específico ou de um grupo deste. Valores fora do comum ou do

indicado pelo fabricante podem indicar algum defeito. Este monitoramento também

permite evitar exceder o limite suportado pelo gerenciador de energia, no caso deste

projeto apesar do limite do transdutor ser de 14,14A para ondas senoidais o limite

geral foi limitado através dos fusíveis e fusíveis térmicos de 10A.

Devido a limitação do conversor A/D implementado as leituras de corrente

ocorrem em incrementos de 190mA, ou seja, correntes menores que este valor não

serão interpretadas pelo circuito.

Neste projeto foram implementados dois transdutores possibilitando medidas

simultâneas das correntes de fase e neutro. Este monitoramento possibilita

70

indicação de possíveis fugas de corrente já que idealmente a corrente de fase deve

ser igual a corrente de neutro.

5.4.4.3 Frequência da Rede

Outro parâmetro monitorado é a frequência da rede elétrica.

Segundo Junior (2011), em todo o território nacional a frequência padrão é

60Hz obedecendo normalmente os limites entre 59,9Hz e 60,1Hz não podendo

superar 66Hz ou 56,5Hz em condições extremas.

É um parâmetro pouco discutido, embora variações neste parâmetro podem

causar sérios danos nas cargas conectadas a rede, desde aquecimento indevido de

transformadores, alteração no funcionamento de motores ou mesmo queima de

circuitos mais sensíveis.

Para a medição da frequência da rede foi desenvolvido um circuito de

detecção de passagem pelo zero da rede, mais conhecido como zero crossing.

Basicamente este circuito baseia-se em um amplificador operacional funcionando

como comparador. O semiciclo da rede gera pulso positivo (5V) e semiciclo negativo

gera níveis de tensão 0V. A inversão de um estado para outro indica o cruzamento

pelo zero da rede. O circuito desenvolvido e as formas de onda podem ser vistos na

figura 41.

Figura 41 – Circuito de zero crossing e formas de onda.


71

Este sinal gerado dispara uma interrupção do microcontrolador principal

possibilitando obter o tempo de cada ciclo da rede e consequentemente a

frequência.

5.4.5 Simulação do Circuito

Novamente para simulação foi utilizado o Proteus ISIS, possibilitando simular

o funcionamento dos sensores e principalmente do software embarcado no

microcontrolador antes da montagem em uma matriz de contatos (protoboard).

Uma visão geral da simulação esta presente na figura 42.

Figura 42 – Simulação dos circuitos de medição.


A figura 43 apresenta o diagrama em blocos geral do gerenciador

Figura 43 – Diagrama em blocos geral


72

5.5 Montagem do Protótipo

Após simulação em ambiente computacional do funcionamento dos circuitos

desenvolvidos, algoritmos e medições executadas os circuitos foram montados em

uma matriz de contato permitindo adequações aos componentes reais além de

correção de erros não encontrados durante a simulação computacional.

Por questão de segurança o circuito referente a etapa de filtragem e proteção

não foi montado na matriz de contato, sendo montado diretamente na placa, devido

às tensões envolvidas bem como tamanho dos componentes. A fotografia 6

apresenta os circuitos em etapa de montagem e teste na matriz de contatos.

Fotografia 6 – Testes na matriz de contatos.


5.5.1 Confecção das Placas

Todos os circuitos foram divididos em 4 placas: a) filtro; b) fonte de

alimentação; c) main board – placa principal; d) sensor board.

A placa filtro contem todos os componentes referentes às etapas de proteção

e filtragem comentadas anteriormente. A fonte de alimentação possui a entrada para

o secundário do transformador, ponte retificadora e reguladores de tensão. Para

garantir a estabilidade e suprir necessidade futuras foram adotados dois

reguladores, um 7809 gerando uma linha de alimentação de 9Vdc e nesta linha foi

conectado um regulador LM317, este possuindo saída ajustável através de um

73

trimpot garantindo 5Vdc necessários para alimentação dos circuitos analógicos e

digitais desenvolvidos.

A main board contém os dois microcontroladores e o conversor analógico

digital além das conexões com as outras placas necessárias.

Por fim, a sensor board contem os transdutores de corrente, a entrada de

tensão alternada do segundo tap do secundário do transformador, circuitos de

condicionamento e calibração e o multiplexador.

Para montagem das placas os circuitos montados no Proteus ISIS foram

carregadas no Proteus ARES possibilitando o roteamento das mesmas. Com os

circuitos totalmente roteados foi possível sua confecção de maneira artesanal

através do método da impressora laser, onde as trilhas são impressas em uma folha

de papel glossy utilizando-se uma impressora laser, após impressão o circuito é

transferido para as placas através de calor, utilizando-se uma prensa térmica ou

mesmo um ferro de passar roupas. Utilizou-se o mesmo processo para obtenção do

silk dos componentes na camada superior.

Após as placas estarem prontas e com os componentes soldados foi aplicado

verniz vitral para evitar oxidação das mesmas. As figuras a seguir comparam o

circuito 3D gerado pelo software com o real produzido.

Figura 44 – Fonte de alimentação.


Figura 45 – Main Board. Fonte: Arquivo Pessoal.

74

Figura 46 – Sensor Board. Fonte: Arquivo Pessoal.

5.5.2 Protótipo Montado

Após todo o processo de prototipagem as placas foram individualmente

testadas e posteriormente interconectadas para um teste geral de funcionamento e

calibração conforme pode ser visto na fotografia 7 a seguir.

Fotografia 7 – Placas testadas e interconectadas.


5.5.3 Testes em bancada e calibração

Com os circuitos devidamente montados, foi possível a execução dos testes

de funcionamento, calibração dos mesmos e comparação dos resultados obtidos

pelo circuito desenvolvido com os resultados de um analisador de qualidade. Para

isto uma parceria com o Laboratório de Sistemas de Potência e Técnicas

75

Inteligentes da Unesp Bauru possibilitou a utilização do analisador de qualidade

Instrutherm AE-200.

Através da chave de calibração é possível habilitar o menu de calibração que

auxilia no processo de ajuste dos sensores utilizados, garantindo a precisão na

medição. São apresentados 4 valores decimais: a) If – corrente de fase; b) In –

corrente de neutro; c) V – tensão; d) Sr – Amostragem.

Para devida calibração deverão ser desconectados os condutores de fase e

neutro e também a entrada de tensão alternada obtida no secundário. Através dos

três trimpots multivoltas (azuis) é possível o ajuste do nível quiescente de cada

canal, de maneira que cada um deles indique “127”. Conectando-se novamente o

secundário será possível avaliar a quantidade de amostras em um ciclo da rede

elétrica, sendo 46 o valor típico para frequência de 60Hz – uma amostragem total de

aproximadamente 2,8kHz. Com a chave de calibração desativada e com os

condutores de corrente e do secundário desconectados aparecerão no display os

valores 00V e 00,0A indicando a correta calibração.

Com secundário conectado é realizado a calibração do ganho de tensão, para

este procedimento faz-se necessário um instrumento de medição utilizado como

base de comparação, neste caso foi utilizado o analisador de energia devido a sua

precisão. Com base nos valores medidos deve-se ajustar o trimpot cinza

responsável pelo ganho, até que o valor mostrado seja igual ou o mais próximo

possível do verificado com o equipamento de referência. Devido às limitações do

conversor A/D os incrementos mínimos de tensão são de aproximadamente 1,5V. A

figura 47 mostra o menu de calibração.

Figura 47 – Menu de calibração.


76

CAPÍTULO 6 – TESTE PRÁTICO DO GERENCIADOR MONTADO

6.1 Resultados de medição

Para validação dos resultados obtidos foi montada uma bancada de testes

utilizando-se lâmpadas compactas eletrônicas e incandescentes como cargas. As

lâmpadas incandescentes simulando cargas lineares e de maior potência, e as

eletrônicas cargas não lineares.

Os resultados obtidos foram comparados com os fornecidos pelo analisador de

qualidade conforme pode ser visto na fotografia 8 e no quadro 4.

Fotografia 8 – Comparação dos resultados.


Quadro 4 – Comparação de medições

Tensão (V) Corrente (A) Pot. Aparente (VA) Frequência (Hz)

AE-200 132,1 2,367 311 60,1

Circuito desenvolvido 133 2,35 313 60,10


A comparação valida a precisão dos circuitos e algoritmos adotados. Conforme

a tabela observa-se que o circuito desenvolvido apresentou resultados muito

próximos ao analisador de qualidade, apresentando desvios maiores somente em

77

cargas de baixa potência conforme era esperado no projeto devido as limitações do

conversor A/D.

6.2 Teste de Filtragem

Para verificar o funcionamento do gerenciador e validar os resultados foram

realizados alguns testes em laboratório.

O primeiro teste envolveu a utilização do analisador de qualidade de energia

verificando o comportamento da energia na entrada do filtro e simultaneamente na

saída do mesmo. Foram coletados dados em quatro simulações de cargas. Para

cada carga foram coletadas diversas amostras formando um banco de dados, que

posteriormente originou um único valor através do cálculo da média para facilitar as

análises.

O quadro 5 apresenta os dados coletados para cada tipo de carga onde: a)

Ensaio 1 – 4 lâmpadas incandescentes; b) Ensaio 2 – 2 lâmpadas incandescentes e

2 compactas; c) Ensaio 3 – 1 lâmpada incandescente e 3 compactas; d) Ensaio 4 –

4 lâmpadas compactas. Os dados apresentados são tensão de entrada, tensão de

saída, corrente de entrada, corrente de saída, ângulo de entrada e ângulo de saída

respectivamente.

Quadro 5 – Ensaios realizados

Carga Vin Vout Iin Iout Φin Φout

Ensaio 1 128,23 127,75 3,098 3,1 -1,45 -1,43

Ensaio 2 128,10 127,84 1,6 1,6 1,53 1,58

Ensaio 3 127,72 127,56 0,9 0,9 6,09 5,96

Ensaio 4 129,01 129,14 0,3 0,3 40,48 41,19


Os resultados deste teste comprovam que o filtro não interfere negativamente

na energia fornecida, garantindo sua atuação somente contra EMI e transitórios,

colaborando com os resultados obtidos durante a etapa de simulação computacional

executada anteriormente.

As figuras 48 e 49 apresentam as formas de ondas obtidas durante os ensaio 1

e 4 respectivamente também parte do conteúdo harmônico.

Onde: Amarelo – Vin Laranja – Vout Verde – Iin Azul – Iout

78

Figura 48 – Formas de onda ensaio 1, lâmpadas incandescentes.


Figura 49 – Formas de onda ensaio 4, lâmpadas compactas.


O segundo teste foi realizado de maneira semelhante ao realizado durante a

simulação computacional do filtro, dois geradores de função foram ligado em série

simulando a rede elétrica e as interferências eletromagnéticas.

79

Através do osciloscópio foram obtidas as formas de onda de tensão na entrada

e na saída, representadas nas cores azul e amarelo respectivamente. Para efeito de

comparação foram escolhidas as mesmas frequências aplicadas durante a

simulação computacional, 10kHz, 15kHz e 100kHz respectivamente. Os resultados

são apresentados nas figuras 50, 51 e 52.

Figura 50 – simulação da rede 60Hz + EMI de 10kHz.






Os resultados são coerentes com os obtidos durante o desenvolvimento do

filtro e simulação garantindo que os resultados da simulação são pertinentes aos

reais valores.

80

CONCLUSÃO

Através do estudo desenvolvido foi confirmada a necessidade de controle das

interferências eletromagnética, assim como de todos os parâmetros relacionados ao

tema qualidade da energia. Este controle torna-se ainda mais crítico dentro do

ambiente hospitalar, onde um defeito ou falha no mais simples equipamento

eletromédico pode desencadear ações indiretas ou mesmo diretas que colocam em

risco a vida de paciente e/ou operadores.

Grande parte da literatura encontrada trata de interferências eletromagnéticas

irradiadas, deixando de lado a importância das interferências eletromagnéticas

conduzidas e seus efeitos.

Foi alcançado o objetivo de aprofundamento no tema bem como o

desenvolvimento de um filtro de linha com etapa de proteção eficiente e viável.

Também foi alcançado o objetivo de desenvolver um circuito microcontrolado

responsável pelo monitoramento da rede elétrica. Ambos os circuitos juntos

formando o conceito do gerenciador de energia.

O filtro desenvolvido pode ser visto como uma interface bidirecional,

impedindo que interferências presentes na rede elétrica cheguem aos

equipamentos, ou o inverso, que as interferências e ruídos gerados durante o

funcionamento dos equipamentos seja disseminada na rede elétrica interferindo no

funcionamento de equipamentos próximos ou mesmo outros consumidores.

Entretanto, o ideal seria minimizar e combater estas interferências durante o próprio

projeto dos equipamentos garantindo um alto nível de compatibilidade

eletromagnética.

Através do protótipo montado surgem possibilidades de trabalhos futuros

envolvendo testes de segurança elétrica do circuito de filtragem, testes destrutivos

envolvendo as etapas de proteção e filtragem, além da implementação de um novo

circuito microcontrolado dotado de tecnologias mais recentes, aumentando

significativamente a precisão das medidas bem como possibilitando a adição de

novos recursos, como armazenamento contínuo dos dados recolhidos permitindo

análise posterior, comunicação com o computador, introdução de novos parâmetros

como medição de fator potência, visualização das formas referentes a corrente de

fase, corrente de neutro e tensão.

81

Devido ao amplo levantamento e aos resultados obtidos, este trabalho poderá

ser utilizado como fonte de consulta a profissionais da área bem como estudantes,

servindo também como base para desenvolvimento de outras pesquisas e projetos.

82

REFERÊNCIAS

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MEHL, E. L. M. Qualidade de Energia Elétrica. Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. s.d. Disponível em: <www.eletrica.ufpr.br/mehl/downloads/qualidade-energia.pdf>. Acesso em: 21 set. 2011. MUSSOI, F. L. R. Resposta em frequência: Filtros Passivos. Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina – Gerência Educacional de Eletrônica: Santa Catarina. 2004. Disponível em: <www.peb.ufrj.br/cursos/COB781/Ref-03.pdf>. Acesso em: 03 mar. 2012. PINHEIRO, J. M. dos S. Interferências Eletromagnéticas. 2004a. Disponível em: <http://www.projetoderedes.com.br/tutoriais/tutorial_interferencia_eletromagnetica_01.php>. Acesso em: 08 set 2011. ______. Ruído em Redes de Computadores. 2004b. Disponível em: <http://www.projetoderedes.com.br/artigos/artigo_ruido_em_redes_de_computadores.php>. Acesso em: 06 Maio 2012. PINHEIRO, H. Fundamentos de Eletrônica de Potência. Universidade Federal de Santa Maria: Rio Grande do Sul. 2009. Disponível em: <www.eletronicadepotência.com.br/>. Acesso em: 15 out. 2011. RIBEIRO, P. Workshop on Power Quality. II SBQEE, 1997. ROBERT, R. N. G.; Filtros Ativos. UDESC Joinville: Santa Catarina. s.d. Disponível em: <http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/raimundo/materiais/Filtros_ativos.pdf>. Acesso em: 18 maio 2012. SOUZA, F. P. Correção do Fator de Potência para Instalações de Baixa Potência Empregando Filtros Ativos. 2000. 210 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis. Disponível em: <www.ivobarbi.com/PDF/Teses/Tese_Fabiana%20Pottker.pdf>. Acesso em: 02 out. 2011. STANDLER, R. B. Protection of electronic circuits from overvoltages. Dover Publications: N.Y, 2002.

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TEIXEIRA, L. L. Medidor de Energia Eletrônico. Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Escola de Engenharia. 2009. Disponível em: <http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/24313/000736398.pdf?sequence=1>. Acesso em: 15 jun. 2012. VAZ, A. R. Filtro Ativo de Potência Trifásico Paralelo Comandado Para Várias Funções – Aspectos Teóricos e Práticos e Fator Eletrônico Alto FP: contribuições a otimização da qualidade de energia. 2006. 214 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Uberlândia. Disponível em: <http://www.bdtd.ufu.br/tde_arquivos/11/TDE-2006-08-17T131207Z-305/Publico/ARVazTESPRT.pdf>. Acesso em: 15 mar. 2012. VIEIRA, S. Energia reativa: o que o consumidor paga e não sabe. Revista Saber Eletrônica (edição digital). 2008. Disponível em: <http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/353>. Acesso em: 14 maio 2012. ZEVZIKOVAS, M. Efeitos da Interferência Eletromagnética Conduzida em Equipamentos Eletromédicos no Ambiente Hospitalar. 2004. 86 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas. Disponível em: <http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=vtls000321390>. Acesso em: 25 abr. 2012.

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APÊNDICE A – Lista de Componentes

Componentes - Filtro de Linha

Componentes Quant. Preço Unit. Sub Total

Borne triplo 2 R$ 0,37 R$ 0,74

Capacitor 1000nF Classe X2 1 R$ 5,19 R$ 5,19

Capacitor 6,8nF Classe X2/Y2 2 R$ 1,52 R$ 3,04

Centelhados a Gás 1 R$ 2,81 R$ 2,81

Fio Esmaltado AWG 18 4 R$ 3,00 R$ 12,00

Fusível Térmico 10A/92º 3 R$ 0,81 R$ 2,43

Núcleo Toroidal de ferrite* 2 R$ - R$ -

Placa Fenolite 10x20 cm 1 R$ 10,00 R$ 10,00

Varistor 150V 6 R$ 1,49 R$ 8,94

Varistor 75V 3 R$ 2,39 R$ 7,17

Total R$ 52,32

* Componente retirado de sucata eletrônica – fontes chaveadas de computador

Componentes - Circuitos de Medição

Componentes Quant. Preço Unit. Sub Total

ACS712-20A 2 R$ 11,32 R$ 22,64

ADC0804 1 R$ 6,78 R$ 6,78

AmpOp 741 1 R$ 0,53 R$ 0,53

AmpOp MCP6004 1 R$ 1,67 R$ 1,67

AT89s52 2 R$ 8,00 R$ 16,00

Borne duplo 7 R$ 0,29 R$ 2,03

Capacitor 1000uF/35V 3 R$ 0,31 R$ 0,93

Capacitor 100nF 3 R$ 0,08 R$ 0,24

Capacitor 10uF/50V 4 R$ 0,10 R$ 0,40

Capacitor 2200uF/25V 1 R$ 0,88 R$ 0,88

Capacitor 330nF 1 R$ 0,45 R$ 0,45

Capacitor 33pF 15 R$ 0,08 R$ 1,20

Capacitor 470uF/25V 2 R$ 0,50 R$ 1,00

CD4051 1 R$ 0,80 R$ 0,80

Cristal 11,0592MHz 1 R$ 0,89 R$ 0,89

Cristal 25MHz 1 R$ 0,89 R$ 0,89

Diodo 1N4007 6 R$ 0,07 R$ 0,42

Display LCD 16x2 1 R$ 16,26 R$ 16,26

HEF4093 1 R$ 0,59 R$ 0,59

led 2 R$ 0,30 R$ 0,60

Malha resistiva 10k 2 R$ 0,37 R$ 0,74

Placa Fibra Vidro 10x10 cm 3 R$ 4,00 R$ 12,00

Regulador 7809 1 R$ 1,08 R$ 1,08

Regulador LM317 1 R$ 1,80 R$ 1,80

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Resistor 10k 17 R$ 0,08 R$ 1,36

Resistor 330 2 R$ 0,08 R$ 0,16

Resistor 4,7k 2 R$ 0,08 R$ 0,16

Soquete 14 pinos 2 R$ 0,11 R$ 0,22





Transformador 127/220:12+12 400mA 1 R$ 10,93 R$ 10,93

Trimpot 10k 2 R$ 1,19 R$ 2,38

Trimpot 1k 1 R$ 1,19 R$ 1,19

Trimpot 20K 3 R$ 1,19 R$ 3,57

Total R$ 111,98

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APÊNDICE B – Circuitos Eletrônicos

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APÊNDICE C – Códigos em Linguagem C

Main Code Microcontrolador 1 - Principal

#include <REG8252.H> #include "delay.h" #include "delay.c" #include "lcd.h" #include "lcd.c" #define constante_tempo 1.08506944e-6 #define valor_bit_adc 0.01960784 #define inteiro 0 #define flutuante 1 #define sinaliza_interrupcao P3_4 #define chave_calibracao P1_2 int end_char_lcd; float frequencia=1; float periodo_frequencia=1; float resultado_real=0; float x_converte_real=0; float resultado_tensao=0; float x_converte_tensao=0; float potencia; float tensao_real; float corrente_real; unsigned char dd; unsigned char sinalizacao=0; volatile unsigned int contador_conversoes=0; volatile unsigned int media_adc_recebida=0; volatile unsigned int corrente_fase=0; volatile unsigned int corrente_neutro=0; volatile unsigned int tensao=0; volatile unsigned int media_corrente_fase=0; volatile unsigned int media_corrente_neutro=0; volatile unsigned int media_tensao=0; int led_func=0; unsigned char calibra_fase, calibra_neutro, calibra_tensao; void config_interrupt() EX1=1; IT1=1; PX1=1; EA=1; void configura_timer2() PT2=1; CP_RL2=1; C_T2=0; EXEN2=1; EXF2=0; TR2=1; ET2=1; void convert_lcd_float(float var_convf, bit tipo_numero) float variavelf; unsigned char cent, dec, uni, variavel, f1, f2;

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LCD_SET_ADDR(end_char_lcd); cent=var_convf/100; if(cent!=0) lcd_wr_reg(DATA_REG,cent+48); variavel=var_convf-(cent*100); dec=variavel/10; lcd_wr_reg(DATA_REG,dec+48); uni=variavel%10; lcd_wr_reg(DATA_REG,uni+48); if (tipo_numero==flutuante) lcd_wr_reg(DATA_REG,44); variavelf=var_convf-(cent*100+dec*10+uni); f1=variavelf/0.1; lcd_wr_reg(DATA_REG,f1+48); variavelf=(variavelf/0.1)-f1; f2=variavelf/0.1; lcd_wr_reg(DATA_REG,f2+48); void converte_real(unsigned char var_conv_real) x_converte_real=var_conv_real*valor_bit_adc; x_converte_real=x_converte_real/0.1; resultado_real=x_converte_real; void converte_tensao(unsigned char var_conv_tensao) x_converte_tensao=var_conv_tensao*valor_bit_adc; x_converte_tensao=x_converte_tensao/10e-3; resultado_tensao=x_converte_tensao; void calcula_potencia() potencia=tensao_real*corrente_real; void zerocrossing_timer2() interrupt 5 TL2=0; TH2=0; EXF2=0; TF2=0; sinaliza_interrupcao=1; sinaliza_interrupcao=0; for (dd=0; dd<5; dd++); sinaliza_interrupcao=1; void interrupcao_externa1() interrupt 2 sinalizacao=P1&0xf0; if (sinalizacao==0x20) contador_conversoes=P0; else if (sinalizacao==0x40) corrente_fase=P0; else if (sinalizacao==0x50) corrente_neutro=P0; else if (sinalizacao==0x60)

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tensao=P0; else if (sinalizacao==0x70) media_corrente_fase=P0; if(media_corrente_fase>250) media_corrente_fase=0; else if (sinalizacao==0x80) media_corrente_neutro=P0; else if (sinalizacao==0x90) media_tensao=P0; else if (sinalizacao==0xA0) calibra_fase=P0; else if (sinalizacao==0xB0) calibra_neutro=P0; else if (sinalizacao==0xC0) calibra_tensao=P0; void main() config_interrupt(); configura_timer2(); P0=0xff; P1=0xff; P2=0; P3=0xff; sinaliza_interrupcao=1; lcd_init(); while(1) periodo_frequencia=(RCAP2H*256)+RCAP2L; periodo_frequencia=periodo_frequencia*constante_tempo; frequencia=1/periodo_frequencia; if(frequencia>100) end_char_lcd=0xC8; else LCD_SET_ADDR(0xC8); wrt_string(" "); end_char_lcd=0xC9; convert_lcd_float(frequencia, flutuante); LCD_SET_ADDR(0xCE); wrt_string("Hz"); converte_real(media_corrente_fase); corrente_real=resultado_real; end_char_lcd=0xC0; convert_lcd_float(corrente_real, flutuante); if(resultado_real<100) LCD_SET_ADDR(0xC5); wrt_string("A"); else LCD_SET_ADDR(0xC6);

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wrt_string("A"); converte_tensao(media_tensao); tensao_real=resultado_tensao; end_char_lcd=0x80; convert_lcd_float(tensao_real, inteiro); LCD_SET_ADDR(0x83); wrt_string("V"); calcula_potencia(); if(potencia<1000) if(potencia<100) LCD_SET_ADDR(0x88); wrt_string(" "); end_char_lcd=0x89; convert_lcd_float(potencia, flutuante); LCD_SET_ADDR(0x8E); wrt_string("VA"); else end_char_lcd=0x88; convert_lcd_float(potencia, flutuante); LCD_SET_ADDR(0x8E); wrt_string("VA"); else potencia=potencia/1000; end_char_lcd=0x88; convert_lcd_float(potencia, flutuante); LCD_SET_ADDR(0x8D); wrt_string("kVA"); while(chave_calibracao==0) LCD_SET_ADDR(0x80); wrt_string("If In V Sr"); end_char_lcd=0xC0; convert_lcd_float(calibra_fase, inteiro); end_char_lcd=0xC4; convert_lcd_float(calibra_neutro, inteiro); end_char_lcd=0xC8; convert_lcd_float(calibra_tensao, inteiro); end_char_lcd=0xCC; convert_lcd_float(contador_conversoes, inteiro); delay_ms(100); lcd_clear(); delay_ms(200); P1_0=~P1_0;

Main Code Microcontrolador 2 - Amostragem

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#include <REG8252.H> #define CS P1_0 #define RD P1_1 #define WR P1_2 #define imput_ad P0 #define ac_dc P1_3 #define inteiro 0 #define flutuante 1 #define sinaliza_interrupcao P1_3

unsigned char i; unsigned char valor_adc; unsigned char contagem_conv=0; unsigned char memoria_contagem; bit conversao_iniciada=0; signed char byte_signed_integral; unsigned char contagem_canal=0; volatile unsigned char contador_integral1=0; volatile unsigned long var_integral1=0; volatile unsigned int corrente_fase=0; volatile unsigned long integral_long_fase=0; volatile unsigned long resultado_integral_fase=0; volatile unsigned long integral_long_neutro=0; volatile unsigned long resultado_integral_neutro=0; volatile unsigned char contador_integral2=0; volatile unsigned int corrente_neutro=0; volatile unsigned long integral_long_tensao=0; volatile unsigned long resultado_integral_tensao=0; volatile unsigned char contador_integral3=0; volatile unsigned int tensao=0; unsigned int media_1=0; unsigned char contador_media_1=0; unsigned char resultado_media_corrente_fase=0; unsigned int media_2=0; unsigned char contador_media_2=0; unsigned char resultado_media_corrente_neutro=0; unsigned int media_3=0; unsigned char contador_media_3=0; unsigned char resultado_media_tensao=0; unsigned char w; long recorre; unsigned char calibra_fase, calibra_neutro, calibra_tensao; void configura_int() EX0=1; IT0=1; EX1=1; IT1=1; EA=1; void config_timer() TMOD=0x01; TH0=0xFE; TL0=0x00; ET0=1; TR0=0; IP=0x01; void Delay(int y)

94

for (i=0;i<y;i++); void canal_0() P3_5=0; P3_6=0; P3_7=0; void canal_1() P3_5=1; P3_6=0; P3_7=0; void canal_2() P3_5=0; P3_6=1; P3_7=0; void inicia_conversao_adc() if(contagem_canal==0) canal_0(); Delay(2); if(contagem_canal==1) canal_1(); Delay(2); if(contagem_canal==2) canal_2(); Delay(2); CS=0; WR=0; Delay(2); WR=1; long raiz_quadrada (float numero) recorre = numero; for (w=0; w<9; ++w) recorre = recorre/2 + numero/(2*recorre); return(recorre); void calcula_media_corrente_fase() if (contador_media_1<3) media_1=media_1+corrente_fase; contador_media_1++; else resultado_media_corrente_fase=media_1/(contador_media_1); media_1=0; contador_media_1=0; void calcula_media_corrente_neutro()

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if (contador_media_2<3) media_2=media_2+corrente_neutro; contador_media_2++; else resultado_media_corrente_neutro=media_2/(contador_media_2); media_2=0; contador_media_2=0; void calcula_media_tensao() if (contador_media_3<3) media_3=media_3+tensao; contador_media_3++; else resultado_media_tensao=media_3/(contador_media_3); media_3=0; contador_media_3=0; void calcula_integral_fase(unsigned char byte_integral) byte_signed_integral=byte_integral-126; var_integral1=byte_signed_integral; var_integral1=var_integral1*var_integral1; if (contador_integral1<contagem_conv) integral_long_fase=integral_long_fase+var_integral1; contador_integral1++; void finaliza_integral_fase() if ((contador_integral1+contador_integral2+contador_integral3)>=contagem_conv) TR0=0; integral_long_fase=integral_long_fase/(contador_integral1); corrente_fase=raiz_quadrada(integral_long_fase); integral_long_fase=0; void calcula_integral_neutro(unsigned char byte_integral) byte_signed_integral=byte_integral-126; var_integral1=byte_signed_integral; var_integral1=var_integral1*var_integral1; if (contador_integral2<contagem_conv) integral_long_neutro=integral_long_neutro+var_integral1; contador_integral2++; void finaliza_integral_neutro() if ((contador_integral1+contador_integral2+contador_integral3)>=contagem_conv) integral_long_neutro=integral_long_neutro/(contador_integral2); corrente_neutro=raiz_quadrada(integral_long_neutro); integral_long_neutro=0;

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void calcula_integral_tensao(unsigned char byte_integral) byte_signed_integral=byte_integral-126; var_integral1=byte_signed_integral; var_integral1=var_integral1*var_integral1; if (contador_integral3<contagem_conv) integral_long_tensao=integral_long_tensao+var_integral1; contador_integral3++; void finaliza_integral_tensao() if ((contador_integral1+contador_integral2+contador_integral3)>=contagem_conv) integral_long_tensao=integral_long_tensao/(contador_integral3); tensao=raiz_quadrada(integral_long_tensao); integral_long_tensao=0; contador_integral1=0; contador_integral2=0; contador_integral3=0; integral_long_fase=0; integral_long_neutro=0; integral_long_tensao=0; resultado_integral_fase=0; resultado_integral_neutro=0; resultado_integral_tensao=0; TH0=0xFE; TL0=0x00; conversao_iniciada=0; void envia_contagem_conversao() P2=memoria_contagem; P1_4=0; P1_5=1; P1_6=0; P1_7=0; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_corrente_fase() P2=corrente_fase; P1_4=0; P1_5=0; P1_6=1; P1_7=0; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_corrente_neutro()

97

P2=corrente_neutro; P1_4=1; P1_5=0; P1_6=1; P1_7=0; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_tensao() P2=tensao; P1_4=0; P1_5=1; P1_6=1; P1_7=0; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_media_corrente_fase() P2=resultado_media_corrente_fase; P1_4=1; P1_5=1; P1_6=1; P1_7=0; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_media_corrente_neutro() P2=resultado_media_corrente_neutro; P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=1; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_media_tensao() P2=resultado_media_tensao; P1_4=1; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=1; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0;

98

P1_6=0; P1_7=0; void envia_calibra_fase() P2=calibra_fase; P1_4=0; P1_5=1; P1_6=0; P1_7=1; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_calibra_neutro() P2=calibra_neutro; P1_4=1; P1_5=1; P1_6=0; P1_7=1; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_calibra_tensao() P2=calibra_tensao; P1_4=0; P1_5=0; P1_6=1; P1_7=1; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void conversao_ad() interrupt 0 RD=0; Delay(4); valor_adc=imput_ad; RD=1; CS=1; contagem_conv++; if(contagem_canal==0) calibra_fase=valor_adc; calcula_integral_fase(valor_adc); if(contagem_canal==1) calibra_neutro=valor_adc; calcula_integral_neutro(valor_adc); if(contagem_canal==2) calibra_tensao=valor_adc;

99

calcula_integral_tensao(valor_adc); if (contagem_canal<2) contagem_canal++; else contagem_canal=0; void rotina_timer0 () interrupt 1 TH0=0xFE; TL0=0x00; inicia_conversao_adc(); void interrupcao_externa_1() interrupt 2 if (conversao_iniciada==0) inicia_conversao_adc(); TR0=1; conversao_iniciada=1; contagem_conv++; else if(TR0!=0) memoria_contagem=contagem_conv; contagem_conv=0; inicia_conversao_adc(); void main() configura_int(); config_timer(); imput_ad=0xFF; P1=0x00; P2=0x00; P3=0xFF; CS=1; RD=1; WR=1; sinaliza_interrupcao=1; while (1) finaliza_integral_fase(); finaliza_integral_neutro(); finaliza_integral_tensao(); Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_contagem_conversao(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_corrente_fase(); sinaliza_interrupcao=1; calcula_media_corrente_fase();

100

Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_media_corrente_fase(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_corrente_neutro(); sinaliza_interrupcao=1; calcula_media_corrente_neutro(); Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_media_corrente_neutro(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_tensao(); sinaliza_interrupcao=1; calcula_media_tensao(); Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_media_tensao(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_calibra_fase(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_calibra_neutro(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_calibra_tensao(); sinaliza_interrupcao=1; P3_0=~P3_0;

interferÊncias eletromagnÉticas, transitÓrios e qualidade da energia: impacto nos equipamentos...

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