monografia renivan

FACULDADE METROPOLITANA DE CAMAÇARI

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

RENIVAN DE OLIVEIRA MACHADO

CONTROLE DE FATOR DE POTÊNCIA APLICADO A PEQUENOS CONSUMIDORES EM REDE ELÉTRICA DE DISTRIBUIÇÃO

Camaçari 2010


Trabalho apresentado para o curso de graduação em Engenharia de Controle e Automação da Faculdade Metropolitana de Camaçari como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Prof. Leonardo Fonseca

Camaçari

2010


CONTROLE DE FATOR DE POTÊNCIA APLICADO A PEQUENOS

CONSUMIDORES EM REDE ELÉTRICA DE DISTRIBUIÇÃO

Este trabalho foi julgado adequado para a obtenção do titulo de Engenheiro de

Controle e Automação e aprovado em sua forma final pela Comissão Examinadora

do curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação da Faculdade

Metropolitana de Camaçari.

COMISSÃO EXAMINADORA

Álvaro Orlando dos Santos

Diretor da Faculdade Metropolitana de Camaçari

Comissão Examinadora

Prof. Leonardo da Fonseca (Orientador)

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus primeiramente, pelo dom da vida e por todas as coisas boas que

acontecem em nossa vida graças a Sua infinita misericórdia.

Esse trabalho é dedicado em especial aos meus pais a minha família, que sempre

estiveram ao meu lado me incentivando para que eu tivesse forças para completar

essa etapa da minha educação com honra e dignidade, dentro dos valores que me

foram transmitidos ao longo da minha existência.

Agradeço também a minha noiva Sandra, pela paciência e pelo apoio principalmente

nas horas mais difíceis desses últimos anos.

“A Deus e aos meus pais.”

RESUMO

A correção do fator de potência é uma prática que visa melhorar o desempenho das

redes elétricas de distribuição no consumo de eletricidade e principalmente melhorar

a qualidade da energia elétrica disponível nos sistemas de distribuição de

eletricidade na era atual. Esta obra apresenta uma alternativa de controle do fator de

potência que pode ser implementada principalmente aos pequenos e médios

consumidores que atualmente se encontram desobrigados de controlar o fator de

potência de suas instalações elétricas, pela ausência de normas que conduzam a

essa prática, e também pela falta de consciência dos problemas que acometem a

natureza em virtude dos impactos ambientais gerados pelos meios de produção

dessa forma de energia indispensável à vida humana.

Palavras-chave: Instalações elétricas, Fator de Potência

ABSTRACT

The correction of power factor is a practice that aims to improve the performance of

electrical distribution networks in electricity consumption and mainly improve the

quality of electricity available in the electricity distribution systems in the current era.

This work presents an alternative control of power factor that can be implemented

primarily to small and medium consumers who are currently not obliged to control the

power factor of your electrical installations, lack of standards that lead to this

practice, and also by lack of awareness of the problems that affect the nature

because of environmental impacts generated by the means of producing this form of

energy essential to human life.

Keywords: Electrical installations, Power Factor

LISTA DE SÌMBOLOS Símbolo Significado Unidade ξ Coeficiente de Amortecimento P Potência Ativa Watts S Potencia Aparente Va Q Potência Reativa Var ω Velocidade Angular Rad/s

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

FP -Fator de Potência ANEEL -Agência Nacional de Energia Elétrica COELBA -Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia kVArh -Kilovolt Amperes Reativo Hora kWh -Kilowatt Hora kVAh -Kilovolt Amperes Hora kW -Kilowatt kVAr -Kilovolt Amperes Reativo VArh -Volt Amperes Reativo Hora Wh -Watt Hora VAh -Volt Amperes Hora W -Watt Var -Volt Amperes Reativo VA -Volt Amperes kVA -Kilovolt Amperes

LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 4.1: O Triângulo das Potências.......................................................................23

Figura 4.2: Senóides da tensão e da corrente elétrica com a mesma fase inicial....25

Figura 4.3: Senóides da tensão e da corrente elétrica com a defasagem angular de

Ф(natureza capacitiva) ..............................................................................................25

Figura 4.4: Senóides da tensão e da corrente elétrica com a defasagem angular de

Ф(natureza indutiva)...................................................................................................25

Figura 5.1: Circuito RLC Paralelo...............................................................................31

Figura 5.2- Ambiente de Simulação em MATLAB®/SIMULINK caracterizado pelo

Circuito RLC Paralelo.................................................................................................34


comportamento da corrente elétrica em Circuito RLC Paralelo.................................35


comportamento da tensão elétrica em Circuito RLC Paralelo....................................35


comportamento do Circuito RLC Paralelo a resposta ao degrau...............................37


comportamento do Circuito RLC Paralelo com relação aos pólos e zeros do

sistema.......................................................................................................................37

Figura 6.1: O protótipo (desenho elétrico)..................................................................39

Figura 6.2: Sensor de tensão.....................................................................................40

Figura 6.3: Sensor de corrente elétrica .....................................................................41

Figura 6.4: Conversão das ondas senoidais de tensão e corrente elétrica em onda

quadrada....................................................................................................................42

Figura 6.5-Conversão das ondas senoidais de tensão e corrente elétrica em onda

quadrada....................................................................................................................42

Figura 6.5- VIRTUAL SERIAL PORTS EMULATOR 0.938.4.846®...........................43

Figura 7.1:A Pinagem do Microcontrolador ...............................................................45

Figura 8.1 - A tela do TERMITE 2.4® com informações da rede elétrica..................50

Figura 8.2 - A tela do TERMITE 2.4® com informações da rede elétrica e

atualizações de correção de fator de potência...........................................................51

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Fornecimento de Energia Elétrica em Tensão Secundária de Distribuição

a Edificações Individuais............................................................................................17

Tabela 3.1:Mapa de Registradores e Endereços do TMR0 ......................................22

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO........................................................................................................14

2 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS..............................................................16

2.1 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE PEQUENO E MÉDIO PORTE........................16

2.2 SIGNIFICADO DO TERMO “PEQUENOS CONSUMIDORES”...........................16

3 DISPOSIÇÕES LEGAIS.........................................................................................18

3.1 FATOR DE POTÊNCIA NA ESTRUTURA TARIFÁRIA HORO-SAZONAL.........18

3.2 FATOR DE POTÊNCIA COM BASE EM MONTANTES DE ENERGIA

EXCEDENTES...........................................................................................................19

3.3 FATOR DE POTÊNCIA COM BASE EM UNIDADES CONSUMIDORAS SEM

MEDIÇÃO INSTALADA.............................................................................................20

3.4 FATOR DE POTÊNCIA COM BASE EM UNIDADES CONSUMIDORAS COM

MEDIÇÃO INSTALADA..............................................................................................21

4 O CONTROLE DE FATOR DE POTÊNCIA...........................................................23

4.1 MÉTODOS...........................................................................................................25

4.1.1. Instalação de banco de capacitores.................................................................26

4.1.2. Balanceamento dos componentes reativos......................................................26

4.1.3. Instalação de motores síncronos......................................................................28

4.2 APLICABILIDADE................................................................................................29

4.2.1. Indústrias em geral...........................................................................................29

4.2.2. Correção em linhas de transmissão e distribuição...........................................29

4.3 VANTAGENS E DESVANTAGENS.....................................................................30

4.3.1 Vantagens.........................................................................................................30

4.3.2 Desvantagens....................................................................................................30

5 A ESTRATÉGIA DO CONTROLE..........................................................................31

5.1 MODELAGEM DO CIRCUITO RLC PARALELO.................................................31

5.1.1 A expressão da corrente elétrica em cargas resistivas.....................................32

5.1.2 A expressão da corrente elétrica em cargas indutivas......................................32

5.1.3 A expressão da corrente elétrica em cargas capacitivas..................................32

5.1.4 A corrente total em um circuito RLC paralelo....................................................33

5.1.5 O circuito RLC paralelo no domínio do tempo ..................................................33

5.1.6 A função de transferência (domínio da freqüência) .........................................33

5.2 SIMULAÇÃO VIA MATLAB/ SIMULINK®............................................................34

5.3 ANÁLISE DA ESTABILIDADE DO SISTEMA......................................................36 5.4 CONCUSÕES......................................................................................................38

6 O PROTÓTIPO........................................................................................................39

6.1 DESCRIÇÃO........................................................................................................39

6.2 SENSOR DE TENSÃO ........................................................................................40

6.2 SENSOR DE CORRENTE ..................................................................................40

6.4 MEDIÇÃO E CONVERSÃO DOS SINAIS DE CORRENTE E TENSÃO

ELÉTRICA .................................................................................................................41

6.5 TESTE DA COMUNICAÇÃO VIRTUAL...............................................................43

7 MICROCONTROLADOR PIC.................................................................................44

7.1 MÓDULO CCP.....................................................................................................45

7.2 TMR0(TIMER 0)...................................................................................................46

7.2 COMUNICAÇÃO SERIAL....................................................................................46

7.3 INTERRUPÇÕES.................................................................................................47

7.3.1 INTERRUPÇÃO EXTERNA..............................................................................47

7.3.2 INTERRUPÇÃO DE TIMER 0 ..........................................................................47

8 A COMUNICAÇÃO COM O COMPUTADOR.........................................................49

8.1 SOFTWARE UTILIZADO.....................................................................................49

8.2 DESCRIÇÃO DE OPERAÇÃO.............................................................................50

9 CONCLUSÃO FINAL..............................................................................................52

10 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...................................................53

REFERENCIAS

ANEXOS

1 INTRODUÇÃO

O controle de fator de potência surgiu da necessidade de corrigir um dos problemas

de maior impacto nos circuitos de corrente alternada atuais. Atuando no

balanceamento dos componentes reativos, essa prática é largamente utilizada, pois

possui o caráter de melhorar a eficiência energética dos sistemas elétricos

melhorando a qualidade da energia disponível aos consumidores que compartilham

uma mesma rede de distribuição.

Essa prática consiste, em aspectos gerais, em adicionar componentes reativos

capacitivos, na forma de bancos de capacitores, de modo a reduzir a potência

reativa indutiva total de uma instalação elétrica.

A redução dos componentes reativos significa, no entanto, a melhoria do fator de

potência, ou seja, torná-lo o mais próximo da unidade (FP.=1), uma vez que nesta

situação, há um melhor aproveitamento da energia elétrica, pois o que se deseja é a

diminuição das potências aparentes e reativas em detrimento do aumento de

consumo da potência ativa, necessária para a ampliação da capacidade de

fornecimento de energia do sistema elétrico.

Como os componentes indutivos e capacitivos de uma instalação elétrica,

representam na sua forma vetorial mesma direção, mas sentido contrário obtém-se

como resultado da interação entre ambos um vetor resultante, que irá representar o

quanto de energia reativa se deseja obter como resultado final esperado para fins

contratuais junto às companhias, concessionárias de energia elétrica e instituições

afins.

Existe em trabalhos como o apresentado, um fator motivacional de enfoque

ambiental, haja vista que o maior ganho obtido em aspectos gerais é com relação à

preservação dos recursos hídricos, essenciais a produção de energia elétrica em

larga escala, como e o caso deste país.

Esse trabalho foi desenvolvido com base em produtos que existem atualmente no

mercado, voltados principalmente para a implantação do controle do FP. de

instalações de médio e grande porte, tais como: grandes edificações urbanas,

pequenas indústrias, entre outros. Essas unidades consumidoras são consideradas

pelas concessionárias de energia elétrica como passíveis de reduzir a montante o

fator de potência a valores relativamente baixos, fazendo com que os proprietários

das instalações que as possuem, sejam obrigados a aumentá-lo mediante cláusulas

contratuais que prevêem sanções que se resumem multas calculadas a partir de

limites excedentes (ver capítulo 3).

A proposta desse trabalho é mostrar o projeto de modelagem e implementação de

um sistema de controle de fator de potência, e desenvolver um protótipo de um

dispositivo microcontrolado para a monitoração e acionamento de um banco de

capacitores para a correção do fator de potência de consumidores de energia

elétrica de pequena carga instalada, ligados a rede pública de distribuição, que

poderá ser utilizado como um meio de melhorar a eficiência energética de sistemas

elétricos de distribuição com um ganho substancial na melhoria da qualidade da

energia elétrica disponível aos usuários de uma mesma rede de distribuição, e que

serve, além do que já foi mencionado, como uma alternativa de economia de energia

por parte dos usuários do sistema elétrico de forma global.

Neste trabalho também contém o orçamento do protótipo (disponível no Anexo 1) do

projeto para posteriores discussões acerca de sua aplicação prática e a relação

custo beneficio a médio e longo prazo entre consumidores e empresas

concessionárias do setor elétrico.

2 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS

2.1 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE PEQUENO E MÉDIO PORTE

As instalações de pequeno e médio porte, muito embora não sejam consideradas

responsáveis por grandes desequilíbrios relativos aos subsistemas elétricos, dentre

os quais se podem citar: harmônicos, transitórios, ou até mesmo baixo fator de

potência. Elas são prejudiciais aos sistemas de distribuição quando verificadas a

montante destas, ou seja, quando verificadas em nível de geração e transmissão, e

então é a partir desse ponto que atualmente elas são devidamente monitoradas e

submetidas às correções feitas a partir de equipamentos de elevado porte,

constituídos principalmente de filtros ativos e passivos, e de bancos de capacitores

de elevada capacidade e complexa operação e manutenção (Souza, 2000, p.2).

É de conhecimento de grande parcela da população, que o aumento do consumo de

energia elétrica está diretamente ligado a grande expansão demográfica que a

humanidade vem vivenciando principalmente nesses últimos anos, com destaque

para o crescimento dos grandes centros urbanos, nas regiões norte e nordeste do

país, motivadas principalmente pela necessidade de progresso e qualidade de vida

que fazem parte uma busca constante da humanidade pela satisfação de suas

necessidades dentro de uma realidade que tende sempre ao consumismo,

direcionados a commodities, cujos meios de produção com o passar dos anos se

tornam cada vez mais rarefeitos, de fato, é que toda e qualquer instalação elétrica

quando reformada, ou ampliada constitui um aumento da demanda total de um

sistema elétrico que podem ser a causa de, num futuro próximo tenderem a um

colapso, cujos efeitos já trazem suas evidencias, como os apagões observados em

alguns estados das regiões anteriormente mencionadas (Creder, 2009, p.12).

2.2 SIGNIFICADO DO TERMO “PEQUENOS CONSUMIDORES”

Neste trabalho “pequenos consumidores” é um termo que é dirigido aos

consumidores do tipo B(ANEEL, 2000), ou seja, ligados à rede elétrica de

distribuição no lado do secundário do transformador(lado de baixa tensão), sendo

estes denominados de monofásico, bifásico e trifásico, os quais abrangem uma

carga instalada que varia entre limiares ao longo destes três tipos de consumidores,

conforme a tabela a seguir:

Tensão do Sistema de distribuição

Tipo da Ligação

Tensão de Fornecimento Esquema da Ligação

Limite da Carga Instalada

Transformador Trifásico 220/127V

Monofásica 127V

Dois condutores,(fase e neutro aterrado)

Até 10 kW Motor 2CV-FN

Bifásica 220/127V Três condutores,(duas fases e neutro aterrado)

Até 20 kW Motor 2CV-FN ou 5CV FF

Trifásica 220/127V Quatro condutores,(três fases e neutro aterrado)

Até 75 kW Motor 30CV-3F

Transformador Trifásico 380/220V

Monofásica 220V




Até 25 kW Motor 5CV-FN / 10CV-FF

Trifásica 380/220V Quatro condutores,(três fases e neutro aterrado)

Até 75 kW Motor 30CV-3F

Transformador Trifásico 254/127V(*)

Monofásica 127V




Até 20 kW Motor 2CV-FN ou 5CV-FF

Transformador Trifásico 440/220V(*)

Monofásica 220V




Até 25 kW Motor 5CV-FN / 10CV-FF

Nota: (*) É necessária a emissão do termo de responsabilidade para ligações bifásicas em 254 V ou 440 V

Tabela 2.1: Fornecimento de Energia Elétrica em Tensão Secundária de Distribuição a Edificações

Individuais (Coelba, 2009, p.23) Fonte:COELBA - Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia

3 DISPOSIÇÕES LEGAIS

Segundo artigo nº 64 da Resolução nº456 da ANEEL (2000), o fator de potência das

unidades consumidoras deve ser de 0,92 capacitivo durante o período de seis horas

da madrugada e 0,92 indutivo durante as dezoito horas restantes do dia, além de

estipular multas para o descumprimento dessa resolução, baseado no consumo de

energia reativa mensal.

3.1 FATOR DE POTÊNCIA NA ESTRUTURA TARIFÁRIA HORO-SAZONAL

A demanda de potência e o consumo de energia reativa excedentes na estrutura

tarifária convencional são calculados pelas fórmulas:

FER(p) = valor do faturamento, por posto horário “p”, correspondente ao consumo de

energia reativa excedente à quantidade permitida pelo fator de potência de

referência “fr”, no período de faturamento;

CAt = consumo de energia ativa medida em cada intervalo de 1 (uma) hora “t”,

durante o período de faturamento;

fr = fator de potência de referência igual a 0,92;

ft = fator de potência da unidade consumidora, calculado em cada intervalo “t” de 1

(uma) hora, durante o período de faturamento;

(1)

(2)

TCA(p) = tarifa de energia ativa, aplicável ao fornecimento em cada posto horário

“p”;

FDR(p) = valor do faturamento, por posto horário “p”, correspondente à demanda de

potência reativa excedente à quantidade permitida pelo fator de potência de

referência “fr” no período de faturamento;

DAt = demanda medida no intervalo de integralização de 1 (uma) hora “t”, durante o

período de faturamento;

DF(p) = demanda faturável em cada posto horário “p” no período de faturamento;

TDA(p) = tarifa de demanda de potência ativa aplicável ao fornecimento em cada

posto horário “p”;

MAX = função que identifica o valor máximo da fórmula, dentro dos parênteses

correspondentes, em cada posto horário “p”;

t = indica intervalo de 1 (uma) hora, no período de faturamento;

p = indica posto horário, ponta ou fora de ponta, para as tarifas horo-sazonais ou

período de faturamento para a tarifa convencional; e

n = número de intervalos de integralização “t”, por posto horário “p”, no período de

faturamento.

Nas fórmulas FER(p) e FDR(p) serão considerados:

a) durante o período de 6 horas consecutivas, compreendido, a critério da

concessionária, entre 23 h e 30 min e 06h e 30 min, apenas os fatores de potência

“ft” inferiores a 0,92 capacitivo, verificados em cada intervalo de 1 (uma) hora “t”; e

b) durante o período diário complementar ao definido na alínea anterior, apenas os

fatores de potência “ft” inferiores a 0,92 indutivo, verificados em cada intervalo de 1

(uma) hora “t”.

3.2 FATOR DE POTÊNCIA COM BASE EM MONTANTES DE ENERGIA

EXCEDENTES

Havendo montantes de energia elétrica estabelecidos em contrato, o faturamento

correspondente ao consumo de energia reativa, verificada por medição apropriada,

que exceder às quantidades permitidas pelo fator de potência de referência “fr”, será

calculado de acordo com a seguinte fórmula:

onde:

FER(p) = valor do faturamento, por posto horário “p”, correspondente ao consumo de

energia reativa excedente à quantidade permitida pelo fator de potência de

referência “fr”, no período de faturamento;

CAt = consumo de energia ativa medida em cada intervalo de 1 (uma) hora “t”,

durante o período de faturamento;


ft = fator de potência da unidade consumidora, calculado em cada intervalo “t” de 1

(uma) hora, durante o período de faturamento;

CF(p) = consumo de energia elétrica ativa faturável em cada posto horário “p” no

período de faturamento; e

TCA(p) = tarifa de energia ativa, aplicável ao fornecimento em cada posto horário

“p”.

3.3 FATOR DE POTÊNCIA COM BASE EM UNIDADES CONSUMIDORAS SEM

MEDIÇÃO INSTALADA

Para unidade consumidora faturada na estrutura tarifária convencional, enquanto

não forem instalados equipamentos de medição que permitam a aplicação das

fórmulas anteriores, a concessionária poderá realizar o faturamento de energia e

demanda de potência reativas excedentes utilizando as seguintes fórmulas:

(4)

(5)

onde:

FER = valor do faturamento total correspondente ao consumo de energia reativa

excedente à quantidade permitida pelo fator de potência de referência, no período

de faturamento;

CA = consumo de energia ativa medida durante o período de faturamento;


fm = fator de potência indutivo médio das instalações elétricas da unidade

consumidora, calculado para o período de faturamento;

TCA = tarifa de energia ativa, aplicável ao fornecimento;

FDR = valor do faturamento total correspondente à demanda de potência reativa


de faturamento;

DM = demanda medida durante o período de faturamento;

DF = demanda faturável no período de faturamento; e

TDA = tarifa de demanda de potência ativa aplicável ao fornecimento.

3.4 FATOR DE POTÊNCIA COM BASE EM UNIDADES CONSUMIDORAS COM

MEDIÇÃO INSTALADA

Havendo montantes de energia elétrica estabelecidos em contrato, o faturamento

correspondente ao consumo de energia reativa, verificada por medição apropriada,

que exceder às quantidades permitidas pelo fator de potência de referência “fr”, será

calculado de acordo com a seguinte fórmula:

onde,

FER = valor do faturamento total correspondente ao consumo de energia reativa


de faturamento;

(6)

CA = consumo de energia ativa medida durante o período de faturamento;


fm = fator de potência indutivo médio das instalações elétricas da unidade

consumidora, calculado para o período de faturamento;

CF = consumo de energia elétrica ativa faturável no período de faturamento; e

TCA = tarifa de energia ativa, aplicável ao fornecimento.

De posse dessas equações, é possível calcular o consumo de energia reativa dos

diversos tipos de consumidores atendidos em média e alta tensão do grupo A,

enquadrados na resolução nº 456 da ANEEL. Nesta problemática espera-se que

futuramente os consumidores atendidos em baixa tensão, ou seja, os consumidores

do tipo B, também possam se submeter e corroborar com as questões voltadas a

eficiência energética de suas instalações promovendo ações que possibilitem o

controle e gerenciamento do fator de potência de suas cargas que se encontram fora

dos padrões anteriormente evidenciados.

4 O CONTROLE DE FATOR DE POTÊNCIA

O controle de fator de potência que atualmente é empregado em instalações

elétricas de grande porte é praticamente indispensável, devido ao fato de que cargas

elevadas, principalmente em instalações industriais são acometidas geralmente de

um baixo fator de potência atrasado e que ocasiona uma série de transtornos,

relacionados ao gerenciamento de um sistema elétrico de distribuição.

Em aspectos gerais, adicionar componentes reativos capacitivos, na forma de

bancos de capacitores industriais, reduz a potência reativa indutiva total Q de uma

instalação elétrica, que em sua grande maioria encontra-se indutivo, devido às

características de grande parte das instalações de grande carga instalada.

A redução dos componentes reativos é necessária a melhoria do fator de potência,

ou seja, o indesejável é que ocorra defasagem entre as potências real P e aparente

S no sistema de corrente alternada senoidal. Assim o fator de potência pode ser

expresso como:

Do triângulo das potências vem:

Figura 4.1-O triângulo das Potências

Q

S

θω

P

FP= cos P (7) S

O objetivo é torná-lo o mais próximo da unidade (FP.=1), uma vez que nesta

situação, há um melhor aproveitamento da energia elétrica, pois o que se deseja é a

diminuição das potências aparentes S e reativas Q em detrimento do aumento de

consumo da potência ativa P, necessária para a ampliação da capacidade de

fornecimento de energia do sistema elétrico.

Segundo EDMINISTER (1993), Para considerações de potência industrial, uma

quantidade chamada potência reativa é sempre utilizada. Ela possui o símbolo Q e a

unidade é volt ampère reativo, cujo o símbolo é VAR. A potência reativa, que é

sempre chamada de vars, é definida como:

Para circuitos de dois terminais com uma tensão rms de entrada V e uma corrente

rms de entrada I. O Q é a potência reativa absorvida. O θ é o ângulo no qual a

tensão de entrada está adiantada da corrente de entrada - o ângulo do fator de

potência. O termo “sen θ” é chamado de fator reativo da carga e tem o símbolo FR.

Observe que ele é negativo para cargas capacitivas e positivo para cargas indutivas.

Uma carga que consome vars negativo é considerada como produzindo vars – isto

é, uma fonte de potência reativa.

Como feito para potência real P, outras fórmulas para Q podem ser encontradas

pela substituição a partir de V=IZ e I=XV em Q = VI sen θ. Essas fórmulas são:

Onde X é a retância ou parte imaginária da impedância de entrada e B é a

susceptância ou parte imaginária da admitância de entrada. (Lembre-se que B é o

inverso de X.) Além disso, se V é a tensão sobre o capacitor ou indutor com

Q = VI sen θ (8)

Q=I²X e Q=-V²B (9)

reatância X, então Q= V²/X. Assim, Q=V²/ωL para o indutor e Q=-ωCV² para um

capacitor.

Figura 4.2- Senóides da tensão e da corrente elétrica com a mesma fase inicial

Fonte: Artigo Correção ativa de fator de potência trifásico usando microcontrolador. .

Figura 4.3- Senóides da tensão e da corrente elétrica com a defasagem angular de Ф(natureza capacitiva)

Fonte: Artigo Correção ativa de fator de potência trifásico usando microcontrolador.

Figura 4.4- Senóides da tensão e da corrente elétrica com a defasagem angular de Ф(natureza

indutiva) Fonte: Artigo Correção ativa de fator de potência trifásico usando microcontrolador.

4.1 MÉTODOS DE CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA

4.1.1. Instalação de banco de capacitores.

O efeito de capacitores ligados em paralelo para a correção de fator de potência, em

corrente alternada, ligados em circuitos de baixa tensão tem sua eficiência

comprovada também em instalações de pequena potência, isto porque não existem

grandes diferenças entre estes tipos de circuitos e os circuitos de alta potência no

tocante a natureza das cargas,estas são verificadas apenas quanto a sua

magnitude.

Dentro desta linha, ALEXANDER e SADIKU (2006), apontam que para a correção

do fator de potência:

A maioria dos eletrodomésticos (como máquina de lavar, aparelhos de ar

condicionado e geladeiras) e cargas industriais (como motores de indução)

são indutivos e operam com um baixo fator de potência atrasado. Apesar de

a natureza indutiva da carga não poder ser alterada, podemos aumentar

seu fator de potência.

Alternativamente, a correção de fator de potência pode ser entendida como

a adição de um elemento reativo (normalmente um capacitor) em paralelo

com a carga para fazer o fator de potência aproximar-se do unitário (p.412).

Corroborando com a citação acima mostrada, e no contexto da correção do fator de

potência atrelado a uma visão alternativa de eficiência energética, vemos que é

possível a elaboração de projetos que contemplem os pequenos consumidores e os

façam se sentirem como responsáveis pela melhoria da qualidade da energia

elétrica das redes de distribuição, motivados ou pela questão econômica, ou pela

questão de preservação ambiental, diante do que já foi levantado.

4.1.2. Balanceamento dos componentes reativos;

Através do balanceamento dos componentes reativos, é possível reduzir a cobrança

por parte das concessionárias de energia elétrica, do excedente reativo contemplado

no capítulo 3 deste trabalho, ou seja, operar estas cargas dentro de uma estratégia

da empresa (ou consumidor) de modo que a seletividade destas não venha, em um

dado momento ultrapassar o excedente reativo para os limites firmados em contrato

com as contratantes deste referido setor. Para Watanabe e Aredes (2000,p.1):

O problema fundamental da teoria de potência ativa e reativa convencional

vem do fato de que esta foi desenvolvida inicialmente para circuitos

monofásicos e foi expandida para uso em circuitos trifásicos como se estes

fossem compostos por três sistemas monofásicos independentes. O

acoplamento entre as fases foi ignorado. Esta teoria seria válida se os

sistemas trifásicos fossem realmente compostos por três fases e três

neutros não interligados. Um outro problema nesta teoria convencional é

que o conceito de potência reativa nasceu em conexão direta com os

elementos indutivos e capacitivos, inclusive o nome “reativo” está

relacionado com o termo “reatância”. Para as cargas da época em que esta

teoria foi desenvolvida a idéia de que potência reativa estava relacionada

com a energia armazenada nos elementos reativos era perfeitamente

correta. Mas, se tomarmos um exemplo de um circuito muito simples e

comum como um controlador de lâmpada incandescente (“dimmer”) e sua

respectiva forma de onda de tensão e corrente, vemos que existe uma

defasagem entre a componente fundamental da corrente e a tensão apenas

por causa da operação dos tiristores, sem que existam elementos reativos

(armazenadores de energia).Além disto, a teoria convencional foi toda

derivada com base em fasores e valores eficazes o que caracteriza ser uma

técnica desenvolvida para uma freqüência apenas. Assim, ela não é

adequada quando mais de uma freqüência estão presentes no sistema.

Neste enfoque relacionado aos autores, dando seguimento a relação entre fator de

potência e freqüência, um controle deste, poderia ser implementado se fosse

possível variar a freqüência, já que pelas expressões:

(10)

-Isso porque pela expressão (9), pode-se observar que quanto menor for a reatância

capacitiva e conseqüentemente menor for a reatância indutiva, para o mesmo

sistema, desde que em limites definidos, melhor será o fator de potência, pois a

potência reativa Q (capacitiva) será maior para valores de correção. Mas, por outro

lado, seria inviável corrigir o fator de potência variando a freqüência da rede elétrica,

devido a fatores estruturais do sistema elétrico e fogem ao escopo principal deste

trabalho voltado aos subsistemas elétricos das unidades consumidoras.

4.1.3. Instalação de motores síncronos.

Os motores síncronos são máquinas de corrente alternada capazes de elevar o fator

de potência das instalações elétricas, isto porque o seu campo de excitação em

corrente contínua representa um aumento de carga com fator de potência unitário,

principalmente quando o mesmo encontra-se superexcitado, nesta linha, sobre os

motores síncronos, Merheb e Grabert Filho (2000) ressaltam que:

, Muitos sistemas de potência são baseados não somente em potência ativa

em KW fornecida, mas também no fator de potência na qual ela é fornecida.

Uma penalidade pode ser aplicada quando o fator de potência está abaixo

de valores especificados. Isto é devido ao fato de que baixo fator de

potência representa um aumento da potência reativa (KVAR) requerida e

conseqüentemente, num aumento dos equipamentos de geração e

transmissão. Plantas industriais geralmente possuem predominância de

cargas reativas indutivas tais como motores de indução de pequeno porte

ou de baixa velocidade de rotação as quais requerem considerável

quantidade de potência reativa (KVAR) consumida como corrente de

magnetização. Embora seja possível usar-se capacitores para suprir a

necessidade de potência reativa, havendo a possibilidade, é

freqüentemente preferível a utilização de motores síncronos para este

(11)

objetivo. Por causa da sua fonte separada de excitação, os motores

síncronos podem tanto aumentar o KW de base sem KVAR adicional como

não somente aumentar o KW de base, mas também fornecer o KVAR

adicional (motor com FP 1.0) como não somente aumentar o KW de base,

mas também fornecer o KVAR necessário (motor com FP 0.8 ou sobre-

excitado).

Além do que foi mencionado na citação anterior, cabe ressaltar que os motores

síncronos devem fazer parte de uma estratégia de correção de fator de potência

atrelado a instantes em que se deseja melhorá-lo e permanecer com este com valor

constante por longos períodos já que outras questões como demanda e

operabilidade deste tipo de carga deve ser criteriosamente avaliada.

4.2 APLICABILIDADE

4.2.1. Indústrias em geral;

Na indústria normalmente esta correção de fator de potencia é feita nas subestações

abrigadas com o seu banco de capacitores devidamente dimensionado e alinhado

às normas vigentes da ANEEL. Na maioria dos casos como já mencionado neste

trabalho anteriormente os contratos em quase totalidade prevêem por parte da

concessionária de energia elétrica que este fator permaneça indutivo durante o dia

em 0,92 e durante as 6 horas da madrugada (00h00minh até as 06h00minh)

capacitiva em 0,92.

4.2.2. Correção em linhas de transmissão e distribuição;

Em linhas de transmissão e distribuição, normalmente a correção do fator de

potencia e realizado com filtros ativos e passivos, estes equipamentos são

instalados ao longo da linha de distribuição para controle não só de fator de potencia

como de correntes e tensões harmônicas.

4.3 VANTAGENS E DESVANTAGENS

4.3.1 Vantagens:

Submergirá a sobretaxa cobrada nas contas de energia elétrica;

Melhora o aproveitamento da energia elétrica para geração de trabalho útil;

Diminui as variações de tensão (oscilações);

Melhora o aproveitamento dos equipamentos com menos consumo;

.Aumenta a vida útil dos equipamentos;

Os condutores tornam-se menos aquecidos, diminuindo as perdas de energia

elétrica na instalação.

4.3.2 Desvantagens:

Resistência a mudança de cultura por parte dos usuários do sistema;

Inexistência de normas aplicáveis a este tipo de rotina para usuários e

concessionárias do setor;

Definição quanto à responsabilidade relativa aos custos do projeto.

5 A ESTRATÉGIA DO CONTROLE

Todas as cargas de qualquer instalação elétrica podem ser representadas como

sendo um circuito RLC de corrente alternada, e é a partir deste, que decorrem todas

as análises que fundamentam o estudo de correção de fator de potência, onde, na

grande maioria dos casos, obtém-se um fator de potência satisfatório, apenas

acrescentando cargas capacitivas em paralelo com a instalação. Para isso se faz

necessário, que se conheça a magnitude das cargas instaladas nesta instalação e

sua natureza.

Nas instalações elétricas prediais urbanas predominantemente são encontradas

cargas de natureza indutivas e um baixo fator de potência indutivo além de

harmônicos e transitórios que serão apenas citados posteriormente por não fazerem

parte do escopo desse trabalho.

Na figura abaixo pode se observar um desenho de um circuito RLC de corrente

alternada básico, com todas as considerações acerca de sua modelagem.

.

Figura 5.1-Circuito RLC Paralelo Fonte: Creder, 2009, p.12.

5.1 MODELAGEM DO CIRCUITO RLC PARALELO

Temos inicialmente três tipos de equações, uma para cada tipo de carga, são elas:

R V

L C

IR IL IC

Itotal

5.1.1 A expressão da corrente elétrica em cargas resistivas

A corrente elétrica em um circuito de corrente alternada, que atravessa uma carga

puramente resistiva é descrita pela expressão:

5.1.2 A expressão da corrente elétrica em cargas indutivas


puramente indutiva é descrita pela expressão:

5.1.3 A expressão da corrente elétrica em cargas capacitivas


puramente capacitiva é descrita pela expressão:

(12)

(14)

(13)

5.1.4 A corrente total em um circuito RLC paralelo

A expressão para a corrente total do circuito será descrita conforma a expressão:

5.1.5 O circuito RLC paralelo no domínio do tempo Substituindo as expressões (12), (13) e (14) na expressão (15), finalmente tem-se a expressão: 5.1.6 A função de transferência (domínio da freqüência) Passando então ao domínio da freqüência função de transferência é:

Com a equação (17) é possível simular através do MATLAB®, como a variação da

função de transferência V(s)/I(s) – que é a impedância - interfere na resposta

natural do sistema, isso porque se observarmos trata-se de variação de impedância,

ou seja.

Itotal= IR+ IL+ IC (15)

Itotal= + + (16)

(17)

5.2 SIMULAÇÃO VIA MATLAB/ SIMULINK®

Para a análise do sistema proposto, foi utilizado o SIMULINK® como ambiente de

simulações. O diagrama elétrico utilizado para simular a resposta natural do sistema

é representado na Figura 5.2, para uma fonte de corrente elétrica alternada senoidal

do próprio software.

Figura 5.2- Ambiente de Simulação em MATLAB®/SIMULINK caracterizado pelo Circuito RLC Paralelo

V(s)= Z(s)

I(s) (18)


comportamento da corrente elétrica em Circuito RLC Paralelo Fonte: MATLAB®.

Figura 5.4- Ambiente de Simulação em MATLAB®/SIMULINK caracterizado pelo comportamento da tensão elétrica em Circuito RLC Paralelo

Fonte: MATLAB®.

5.3 ANÁLISE DA ESTABILIDADE DO SISTEMA O circuito RLC paralelo é um sistema de segunda ordem que apresenta consigo

todas as características para a verificação do comportamento deste em relação a

sistemas desta natureza. Deve se calcular as variáveis deste de modo a se obter

toda a característica deste em relação ao seu comportamento dinâmico além de se

verificar os critérios de estabilidade deste sistema.

Inicialmente deve se atribuir valores para a resistência R, a indutância L e a

capacitância C. deste modo pode se analisar o sistema de forma a detectar as

respostas do sistema em situações que podem caracterizá-lo em aspectos

suficientemente necessários a sua modelagem.

Assim, os valores foram escolhidos com base nos parâmetros calculados

anteriormente com o MATLAB® no prompt do referido software. Sendo estes R=

12,1Ω, L=3,2 H e C=1,09 µF. Nesta situação, reescrevendo a expressão (17) para os

referidos valores tem-se:

Que vem da forma canônica do sistema de segunda ordem desta forma (Ogata,

2003, p.259):

O estudo deste tipo de sistema é feito com base no circuito RLC sem fonte, onde são analisados aspectos do referido circuito, sem uma fonte de tensão ou corrente específicas (ALEXANDER e SADIKU, 2006, p.281)

(18)

(19)

Figura 5.5- Ambiente de Simulação em MATLAB®/SIMULINK caracterizado pelo comportamento do Circuito RLC Paralelo a resposta ao degrau

Fonte: MATLAB®.

Figura 5.6- Ambiente de Simulação em MATLAB®/SIMULINK caracterizado pelo comportamento do Circuito RLC Paralelo com relação aos pólos e zeros do sistema

Fonte: MATLAB®.

5.3 CONCLUSÕES

Pela análise das figuras 5.3 e 5.4 observa-se uma defasagem entre a fase inicial dos

gráficos representativos do comportamento da corrente e da tensão elétrica para

sistemas de corrente alternada quaisquer, de modo que este fenômeno é

característico de existência de fator de potência atrasado para a análise do sistema

proposto. Já nas simulações seguintes se obtêm respectivamente a resposta ao

degrau e a localização dos pólos complexos, com o intuito apenas de caracterizar o

sistema.

6 O PROTÓTIPO

O controle do fator de potência foi idealizado na forma de um protótipo que reuniu

toda a estratégia de um controle fomentado na realidade das cargas reativas

existentes na maioria das instalações elétricas prediais urbanas.

Figura 6.1-O protótipo (desenho elétrico) Fonte: PROTEUS®.

6.1 DESCRIÇÃO

O protótipo foi desenvolvido com a ajuda do software Proteus®. Como não foi

possível reproduzir a magnitude dessas cargas com o referido software foram

utilizados transformadores e capacitores da biblioteca deste software como uma

forma de simular as cargas indutivas e capacitivas que podem ser encontradas na

biblioteca do mesmo.

3

2

1

41

1

U1:A

LM324

BAT1

5V

BAT25V

R010k

R210k

3

2

1

41

1

U2:A

LM324

BAT0

5V

BAT3

5V

R110k

TR1

TRAN-2P2S

R310k

R6

1k

+88.8

AC Volts

D1

DIODE

D2

DIODE

1

2

3

U3:A

4081

R410k

D7

DIODE

TR2

TRAN-2P2S

R5330

TR3

TRAN-2P2S

R7330

V1

V3PHASE +88.8

Volts

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-4

RA4/T0CKI6

RA5/AN4/SS7

RE0/AN5/RD8

RE1/AN6/WR9

RE2/AN7/CS10

OSC1/CLKIN13

OSC2/CLKOUT14

RC1/T1OSI/CCP216

RC2/CCP117

RC3/SCK/SCL18

RD0/PSP019

RD1/PSP120

RB7/PGD40

RB6/PGC39

RB538

RB437

RB3/PGM36

RB235

RB134

RB0/INT33

RD7/PSP730

RD6/PSP629

RD5/PSP528

RD4/PSP427

RD3/PSP322

RD2/PSP221

RC7/RX/DT26

RC6/TX/CK25

RC5/SDO24

RC4/SDI/SDA23

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI15

MCLR/Vpp/THV1

U4

PIC16F877A

X1

CRYSTAL

C110p

C210p

+88.8

AC mV

C740uF

D7

14

D6

13

D5

12

D4

11

D3

10

D2

9D

18

D0

7

E6

RW

5R

S4

VS

S1

VD

D2

VE

E3

LCD1LM032L

v1

R22390

DL1LED-BIRY

+88.8

AC Volts

+88.8

Volts

A

B

C

D

R37

10k

g8

ERROR

TXD3

RXD2

CTS8

RTS7

DSR6

DTR4

DCD1

RI9

P1

COMPIM

R23390

R24390

D11LED-GREEN

R25390

D12LED-YELLOW

D10LED-BLUE

O levantamento do tipo de cargas do protótipo real e principalmente o valor do seu

fator de potência foi obtido, baseado na informação de catálogos de fabricantes,

quando não, foram estimadas e calculadas a partir de parâmetros específicos de

cada equipamento levando em conta suas características operacionais.

Para o protótipo real, na coleta da amostra de tensão foi utilizado um transformador

de 110V/6V, comumente utilizado em eletrônica que serve como um transformador

de potencial.

Neste trabalho o microcontrolador detecta, através de pulsos de onda quadrada,

gerados pelos sensores de tensão e de corrente elétrica as variáveis da rede

elétrica, necessárias para que se possa obter em tempo real o fator de potência da

instalação elétrica a qual o protótipo vier a ser instalado.

6.2 SENSOR DE TENSÃO

Para a construção deste tipo de sensor foi necessário a utilização de um

amplificador operacional na configuração mostrada a seguir, sendo que neste, ao

detectar a senóide da tensão da rede elétrica na entrada não-inversora, este a

reproduz na saída uma forma de onda com a mesma variação da entrada, porém

com o formato quadrado, compatível com o modo de captura deste tipo de sinal para

o microcontrolador.

Figura 6.2- Sensor de tensão


6.3 SENSOR DE CORRENTE

Para a construção deste tipo de sensor, também foi necessário a utilização de um

amplificador operacional na configuração mostrada a seguir, sendo que neste, ao

detectar a senóide da corrente elétrica da rede de alimentação na entrada inversora,

este a reproduz na saída uma forma de onda com a mesma variação da entrada,

porém com o formato quadrado, e com uma defasagem de 180º em relação à

variação da tensão, de modo que, quando não existe defasagem entre a tensão e a

corrente elétrica, a soma destes sinais retorna a um valor nulo.

Figura 6.3- Sensor de corrente elétrica


6.4 MEDIÇÃO E CONVERSÃO DOS SINAIS DE CORRENTE E TENSÃO

ELÉTRICA

As senóides da corrente elétrica e da tensão da rede elétrica são convertidas,

conforme a figura a seguir, em ondas quadradas para a posterior captura destes

sinais no módulo de comparação do microcontrolador. Através do módulo de

comparação captura e PWM, os sinais são capturados, tendo seus tempos de

duração mensurados e após esta etapa o programa codificado em linguagem C é

encarregado de, a partir destes dados, calcular todas as variáveis necessárias para

a obtenção do fator de potência medido a jusante do local de instalação do protótipo.

Figura 6.4-Conversão das ondas senoidais de tensão e corrente elétrica em onda quadrada


Figura 6.5-Conversão das ondas senoidais de tensão e corrente elétrica em onda quadrada Fonte: PROTEUS®.

As ondas da tensão e da corrente elétrica são simuladas no osciloscópio virtual do

PROTEUS® acima mostradas nas cores amarelo e azul respectivamente, seguidas

das ondas de defasagem na cor rosa, e da senóide da tensão da rede elétrica na cor

verde.

6.5 TESTE DA COMUNICAÇÃO VIRTUAL

Para o teste da comunicação serial via PROTEUS® foi utilizado um software

simulador de portas seriais, o VIRTUAL SERIAL PORTS EMULATOR 0.938.4.846®

que é responsável por capturar os sinais seriais enviado pelo PROTEUS®

simulando um terminal serial virtual na memória do PC que servirá para o software

de comunicação serial que é o TERMITE®, que é apresentado com detalhes no

capítulo 8. Abaixo a imagem da tela principal do software.

Figura 6.5- VIRTUAL SERIAL PORTS EMULATOR 0.938.4.846®

Fonte: http:www.eterlogic.com

7 MICROCONTROLADOR PIC

O microcontrolador PIC é um chip de lógica programável da Microchip® que tem a

capacidade de controlar pequenos processos lógicos, e um equipamento muito

utilizado em controladores dedicados em alguns processos industriais, para o

controle de variáveis tais como pressão, temperatura, vazão, entre outras.Para

Souza(2006,p.3):

Em poucas palavras poderíamos definir o microcontrolador como um

“pequeno” componente eletrônico, dotado de uma “inteligência”

programável, utilizado no controle de processos lógicos. Para entendermos

melhor esta definição, vamos analisá-la por partes:

O controle de processos deve ser entendido como o controle de periféricos,

tais como: led’s, botões display’s de segmentos, display’s de cristal líquido

(LCD), resistências, relês, sensores diversos (pressão, temperatura, etc.) e

muitos outros. São chamados de controles lógicos, pois a operação do

sistema baseia-se nas ações lógicas que devem ser executadas,

dependendo do estado dos periféricos de entrada e/ou saída.

O microcontrolador é programável, pois toda a lógica de operação de que

acabamos de falar é estruturada na forma de um programa e gravada

dentro do componente. Depois disso, toda vez que o microcontrolador for

alimentado, o programa interno será executado. Quanto à “inteligência” do

componente, podemos associá-la à Unidade Lógica Aritmética (ULA), pois é

nessa unidade que todas as operações matemáticas e lógicas são

executadas. Quanto mais poderosa a ULA do componente, maior sua

capacidade de processar informações.

Na nossa definição o microcontrolador ganhou ainda o adjetivo “pequeno”,

pois em uma pequena pastilha de silício encapsulada (popularmente

chamada de CI, ou CHIP), temos todos os componentes necessários ao

controle de um processo, ou seja, o microcontrolador está provido

internamente de memória de programa, memória de dados, portas de

entrada e/ou saída paralela, timer’s, contadores, comunicação serial,

PWM’s, conversores analógicos-digitais, etc. Esta é uma das características

fundamentais que diferencia os microcontroladores dos

microprocessadores, pois os últimos, apesar de possuírem uma ULA muito

mais poderosa, não possuem todos estes recursos em um a única pastilha.

Atualmente, muitos equipamentos de nosso uso diário, tais como:

eletrodomésticos, videocassetes, alarmes, celulares e brinquedos, entre

outros, utilizam microcontroladores para a execução de suas funções

básicas. Portanto, pode ser que você nem sabia, mas esses componentes

já fazem parte da sua vida há um bom tempo.

Neste trabalho, o microcontrolador utilizado foi o PIC16F877A, pois reúne todas as

características, pra que este atenda aos principais requisitos do projeto.

Figura 7.1 - A Pinagem do Microcontrolador

7.1 MÓDULO CCP

O módulo CCP é uma parte do microcontrolador que é acessada através de pinos

específicos do microcontrolador, e que variam conforme o modelo. Este módulo

reúne as funções de comparação captura e PWM no microcontrolador.

O PIC16F877A possui dois módulos: o CCP1 e o CCP2. Ambos foram utilizados

para a captura dos sinais de tensão e corrente elétrica da rede elétrica.

Segundo Sena (2009), o módulo CCP é um periférico que permite, ao programador,

controlar e medir o tempo de diversos eventos.

O Modo de Captura permite a medição do tempo de duração de um evento. Este

circuito monitoriza o estado do TMR1, que constantemente muda de valor.

O Modo de Comparação compara valores entre os registros do TMR1 e CCPR.

Também permite, ao programador, gerar um sinal quando um determinado tempo já

expirou.

Modo de PWM (Pulse Width Modulation), significa Modulação por Largura de

Impulsos - gera sinais de freqüência e Duty-Cycle variáveis.

7.2 TMR0(TIMER 0)

O TMR0 é um contador de 8 bits que pode ser acessado diretamente na memória,

tanto para leitura quanto para a escrita. A diferença entre ele e os demais

registradores é que seu incremento é automático e pode ser feito pelo clock da

máquina ou por um sinal externo. Vale lembrar que o estouro desse contador pode

gerar uma interrupção (SOUZA, 2006, p.22).

Reistrador:TMR0 Endereços:01h

Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W

Contador Automático de 8 Bits

Tabela 7.1 - Mapa de Registradores e Endereços do TMR0 (SOUZA, 2006, p.22)

7.2 COMUNICAÇÃO SERIAL

A comunicação serial entre microcontroladores é estabelecida através dos pinos Rx

e Tx, com o padrão RS232 (Recommended Standard) no modo half- duplex no caso

específico da programação em linguagem c a diretiva que configura o barramento

interno para a transferência de dados é declarada no compilador como:” #use rs232

(BAUD = taxa, XMIT = pinoTx, RCV = pinoRx, BITS = n )”.

Onde:

Taxa é a taxa de transferência de dados entre os dispositivos.

Pino Tx é o pino responsável pela transmissão dos dados.

Pino Rx é o pino responsável pela recepção dos dados.

BITS é o tamanho da Word a ser trabalhada (PEREIRA, 2007, p.96).

7.3 INTERRUPÇÕES

7.3.1 Interrupção externa

Essa interrupção é gerada quando um sinal externo ligado a uma porta especifica do

PIC, que no caso é a porta RB0, caso ela esteja configurada como entrada. Desta

maneira, podemos identificar e processar um sinal externo. Ela é utilizada para

diversas finalidades, como por exemplo, a comunicação entre micros, garantindo o

sincronismo, o reconhecimento de botão ou outro sinal do sistema que necessite de

uma ação imediata.

7.3.2 Interrupção de Timer 0

Essa interrupção acontece sempre que um contador de tempo interno, denominado

TMR0 (Timer 0), estoura, ou seja, como ele é um contador de 8 bits, sempre que ele

passar de 0xFF para 0x00. Ela é utilizada normalmente para a contagem de tempo.

Como pode acontecer a cada momento, a contagem de tempo fica precisa, não

dependendo de análises constantes durante o programa para garantir que o tempo

seja contado. O Timer 0 pode tanto ser incrementado internamente pelo clock da

máquina, como também por um sinal externo. Neste caso ele passa a ser um

contador de pulsos, podendo ser utilizado para outras finalidades (SOUZA, 2006,

p.12).

8 A COMUNICAÇÃO COM O COMPUTADOR

A comunicação com o computador foi viabilizada através da comunicação serial

RS232 conforme mencionado no capítulo anterior e é através deste tipo de

comunicação que o microcontrolador realiza a troca de dados com o computador,

conferindo assim mais versatilidade ao sistema e dinamismo, principalmente pela

possibilidade de acionamento remoto, visualização de dados em tempo real das

principais variáveis controladas e monitoradas neste projeto.

Para Pereira (2007, p.262) existem dois tipos de comunicação serial- a síncrona e a

assíncrona, a primeira mais limitada possui a desvantagem de paralisar a execução

do programa durante a troca de dados, enquanto que na segunda, através dos bits

de start e stop na transferência de dados, permite uma comunicação mais dinâmica

sem a utilização de interrupções para tal.

Existe uma gama de arquiteturas e protocolos de comunicação, dentre os quais

podemos citar – SPI, I2C, 1-WIRE, CAN, LIN entre outros, onde é sempre aplicável a

análise dos requisitos do projeto atrelados a relação custo - benefício à realidade do

projeto ao qual se deseja implementar.

8.1 SOFTWARE UTILIZADO

O software utilizado foi o aplicativo TERMITE 2.4®, devido a sua versatilidade e

simplicidade na troca de dados via RS232 ele é utilizado para monitorar o fator de

potência e acionar o banco de capacitores através do envio de caracteres

programados pela porta serial.

Outros aplicativos podem ser utilizados, e até mesmo podem ser desenvolvidos

outros a partir softwares como o C++ builder®, Delphi 7, entre outros bastando para

isso um protocolo capaz de se comunicar com as portas COM do PC. A seguir a

imagem da tela do TERMITE 2.4®, com informações do fator de potencia transmitido

via comunicação serial:

Figura 8.1 - A tela do TERMITE 2.4® com informações da rede elétrica

Fonte: TERMITE 2.4®.

8.2 DESCRIÇÃO DE OPERAÇÃO

Ao digitar os caracteres de 1 a 3 na tela do software na barra inferior conforme a

figura 8.2 e enviá-los na seqüência pela serial são selecionados os três bancos de

capacitores respectivamente, com a intenção de aumentar a potencia reativa

capacitiva do sistema, e finalmente aumentar o fator de potência da instalação, e

para retirá-los de operação basta digitar e enviar na seqüência, pela porta serial os

caracteres de 4 a 6. Combinações entre os três bancos, também podem ser feitas

totalizando uma combinação de 3!, ou seja 6 possibilidades de potencia reativa

capacitiva a serem adicionadas a rede elétrica, conforme a necessidade de

correção.

Figura 8.2 - A tela do TERMITE 2.4® com informações da rede elétrica e atualizações de correção de

fator de potência

Fonte: TERMITE 2.4®.

9 CONCLUSÃO FINAL

Através deste trabalho podemos observar que existem soluções a serem exploradas

nas questões relacionadas à eficiência energética, com projetos relativamente

baratos, desde que haja envolvimento da sociedade e empresas do setor elétrico

juntamente com profissionais de iniciativa e que de fato queiram colaborar com o

desenvolvimento do país mediante a criação de novas alternativas de

aproveitamento dos recursos energéticos existentes de maneira criativa, e com o

comprometimento necessário com o meio ambiente e com as futuras gerações, e

neste contexto é que o “controle de fator de potência aplicado a pequenos

consumidores em rede elétrica de distribuição” está inserido com a proposta de

melhorar a qualidade da energia elétrica das redes de distribuição e assim ampliar a

capacidade do sistema elétrico principalmente no momento atual que conduz a

incertezas, principalmente com os colapsos recentemente experimentados com

apagões, que geram prejuízos e transtornos a toda a sociedade brasileira.

10 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Para futuros trabalhos o objetivo é construir um protótipo de um controlador

automático de fator de potência que reúna características de controle de demanda,

com um algoritmo de controle que adéqüe à instalação elétrica ao contrato do cliente

com a concessionária de energia, não só voltada ao excedente reativo, como

também a demanda contratada e outros parâmetros que possam minimizar os

custos com a tarifação de energia elétrica.

O projeto do controlador pode ser adaptado para aplicação em web para ser

acessado de um computador remoto via comunicação ethernet ou wireless a partir

da captura dos dados deste, via dados que são fornecidos via comunicação serial,

que é a base da intercambio de dados do controlador com o mundo exterior. Cabe

ressaltar que para a realização desta etapa é necessário a inserção de um relógio

ao sistema do controlador ou vincular a captura dos dados ao horário dos servidores

que capturarem estes dados, para deste modo ser desenvolvidos relatórios para

serem confrontados com as informações da concessionária e assim elevar o poder

de barganha do cliente em relação às renegociações de contrato futuras.

Estas ampliações no projeto se tornam inviáveis ao escopo principal do projeto do

controlador, aos quais as referidas adaptações poderão ser implementadas a

consumidores diferenciados com instalações elétricas com dimensões maiores do

que as relatadas neste trabalho, ou seja, grandes edificações, indústrias, grandes

companhias entre outros.

REFERÊNCIAS

ALEXANDER,C.K e SADIKU M.N.O.. Fundamentos de circuitos elétricos, Bookman, Porto Alegre:2003. ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) – RESOLUÇÃO 456/2000 2000. AREDES, M. ; WATANABE, E. H. . Eletrônica de Potência ,Teoria de potência ativa e reativa instantânea e aplicações, Custom Power Technology. 2000. (Curso de curta duração ministrado/Extensão). Disponível em: http://www.cpdee.ufmg.br/~elt/docs/EltSep/Filtro_Ativo/aredes.pdf. Acesso em: 06 de novembro de 2010. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5410: Instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro, 2004. CREDER, Hélio. Instalações elétricas, Livros técnicos e científicos, Rio de Janeiro, 2009. EDMINISTER, Joseph A. Circuitos elétricos, Coleção Shawn. São Paulo: Mc Graw-Hill, 2003. MERHEB, Ney E. T.; GRABERT,A.F.. Notas técnicas motores, Copyright, 1997, 1998, 1999, 2000. GE-GEVISA S.A.. Disponível em: http://www.geindustrial.com.br/download/artigos/nt01.pdf. Acesso em: 31 de janeiro de 2011. NOLL, Valdir; FASSHEBER, Carlos J.; BONACORSO, Nelso g.; SCHMIDT, Ingo; SOUZA, Alberto A.. Correção ativa de fator de potência trifásico usando microcontrolador. Disponível em: http://florianopolis.ifsc.edu.br/vnoll/ArtigoCAFP.pdf. Acesso em: 17 de junho de 2010. Ogata K.Engenharia de Controle Moderno. 4ª Edição. Pearson Brasil, Rio de Janeiro, 2003.

PEREIRA, Fábio. Microcontroladores PIC: Programação em C, 7ª Edição, Editora Érica, São Paulo: 2007. SOUZA, David J. Desbravando o PIC, 7ª Edição, Editora Érica, 2004. SOUZA, Fabiana Pöttker de. Controle de 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, 2000.

ANEXO 1

Planilha de despesas com o protótipo

Despesas protótipo Itens Microcontrolador PIC 16F877A R$ 27,00

Transistores NPN BC-337 R$ 0,50

Amplificador operacional LM-324 R$ 6,00

Regulador de tensão L-7912/CT R$ 5,00

Regulador de tensão L-7812/CT R$ 5,00

Circuito integrado MAX-232 R$ 12,00

Capacitor eletrolítico 10 µF R$ 25,00

Cristal oscilador R$ 4,00

Capacitor cerâmico 15 pF R$ 0,05

Display LCD 16x2 R$ 40,00

Resistor 10KΩ R$ 0,10

Resistor 2K2Ω R$ 0,20

Resistor 600Ω R$ 0,10

Confecção de placa R$ 50,00

Capacitores C.a. 3µF/220v R$ 5,00

Outros

TOTAL R$ 179,95

ANEXO 2

PROGRAMA DE CONTROLE DE FATOR DE POTENCIA COM BANCO MANUAL DE ACIONAMENTO

/*****************************************************************************************/ /* Controle de FP.c FAMEC-Faculdade Metropolitana de Camaçari */ /* Disciplina:Projeto Final II */ /* Orientador: Prof º Me. Leonardo da Fonseca de Souza */ /* Autor:Renivan de Oliveira Machado */ /* Programa de Controle de fator de potência */ /* */ /* */ /****************************************************************************************/ #include <16F877A.h> #fuses XT,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,PUT #use delay(clock=4000000) #use rs232(baud=19200, xmit=PIN_C6, rcv=PIN_C7) #include <math.h> #include <lcd.c> #include <regs_16f87x.h> #define use_portd_lcd TRUE #define PI 3.1415926535897932384626433832795 /******************************************************************************/ float subida; // float descida; // float largura_pulso; //=========================>Variáveis globais float angle_rad; // float angle_degree; // float fi; // float isr_ccp_delta; // /******************************************************************************/ void led()//===============================>função de acender e apagar o led { output_high(pin_a0); delay_ms(250); output_low(pin_a0); } /******************************************************************************/

//BANCO DE CAPACITORES MANUAL /******************************************************************************/ void banco_capacitores() { if (kbhit()) // se uma tecla for pressionada { switch (getchar()) // verifica a tecla { case '1' : output_high(pin_a1); //LIGA BANCO DE CAPACITORES 1 break; case '2' : output_high(pin_a2); //LIGA BANCO DE CAPACITORES 2 break; case '3' : output_high(pin_a3); //LIGA BANCO DE CAPACITORES 3 break; case '4' : output_low(pin_a1); //DESLIGA BANCO DE CAPACITORES 1 break; case '5' : output_low(pin_a2); //DESLIGA BANCO DE CAPACITORES 2 break; case '6': output_low(pin_a3); //DESLIGA BANCO DE CAPACITORES 3 break; default : printf("\nBANCO DE CAPACITORES ATIVADO MANUALMENTE\n\n"); break; } } } /******************************************************************************/ void teste_fp() { if(angle_degree>=0) { printf("\ncos fi=%f INDUTIVO",fi ); } else if(angle_degree<=0) { printf("\ncos fi=%f CAPACITIVO",fi ); } } /******************************************************************************/ #int_ccp1

void ccp1_isr(void) { int16 current_ccp; static int16 old_ccp = 0; current_ccp = CCP_1; isr_ccp_delta = current_ccp - old_ccp;//====================>cálculo do período old_ccp = current_ccp; } /******************************************************************************/ #int_ccp2 void isr() { subida = CCP_1; descida = CCP_2; largura_pulso = descida - subida;//================>Cálculo da largura do pulso } /******************************************************************************/ void main() { start: { float current_ccp_delta;//=================>Período da senóide da rede elétrica float frequency;//======================>freqüência da senóide da rede elétrica int x=0;//===============>varíavel que proporciona a mudança de telas no display setup_ccp1(CCP_CAPTURE_RE); // Configura CCP1 para capturar a borda de subida setup_ccp2(CCP_CAPTURE_FE); // Configura CCP2 para capturar a borda de descida setup_timer_1(T1_INTERNAL); // inicia o timer 1 enable_interrupts(INT_CCP2); // configura interrupção na descida do sinal enable_interrupts(GLOBAL); //chama a rotina de interrupção para o timer 1 set_timer2(0); // inicia o timer 2 setup_timer_2(T1_DIV_BY_1,100,1); //=====>Configura o timer 2 para registrar a setup_ccp1(CCP_CAPTURE_RE); // borda de subida do sinal no CCP1

clear_interrupt(INT_CCP1); //apaga o Flag CCP1 para capturar a próxima borda enable_interrupts(INT_CCP1); //chama a rotina de interrupção para o CCP1 enable_interrupts(GLOBAL); //chama a rotina de interrupção para o timer 2 while(1) { disable_interrupts(GLOBAL); // desabilita as interrupções do bit GIE current_ccp_delta = isr_ccp_delta; //conversão de tipo de variáveis enable_interrupts(GLOBAL); //chama a rotina de interrupção para o timer 2 frequency = (1000000L / current_ccp_delta); /*calcula a freqüencia da REDE ELÉTRICA*/ angle_degree= (360*largura_pulso/current_ccp_delta);/*cálculo do angulo de defasagem*/ angle_rad=(angle_degree*PI/180);//conversão para radianos fi=cos (angle_rad); // **********CÁLCULO DO FATOR DE POTÊNCIA*************** if(input(pin_b1)==1)//=================================>Botão que muda as telas { x++; //incrementa a variável x if(x>>6)x=0;// limitação do incremento } /******************************************************************************/ /* */ /* A seguir são exibidas as telas que informam */ /* todas as variáveis da rede elétrica "capturadas" no protótipo. */ /* */ /* */ /******************************************************************************/ switch(x) { /******************************************************************************/ case 0 : lcd_init();

lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("***FAMEC 2011*****"); lcd_gotoxy(1,2); lcd_putc("*********************"); delay_ms(1000); led(); // TELA DE APRESENTAÇÃO lcd_init(); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("Engenharia de Contro"); lcd_gotoxy(1,2); lcd_putc("le e Automacao"); printf("FACULDADE METROPOLITANA DE CAMAÇARI" ); teste_fp(); printf("\nf=%f Hz\n\n",frequency ); delay_ms(1000); led(); banco_capacitores(); break; /******************************************************************************/ case 1 : lcd_init(); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("***FAMEC 2011*****"); lcd_gotoxy(1,2); lcd_putc("*********************"); delay_ms(1000); led(); // TELA DE APRESENTAÇÃO lcd_init(); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("Engenharia de Contro"); lcd_gotoxy(1,2); lcd_putc("le e Automacao"); printf("FACULDADE METROPOLITANA DE CAMAÇARI" ); teste_fp(); printf("\nf=%f Hz\n\n",frequency ); delay_ms(1000); led(); banco_capacitores(); break; /******************************************************************************/ case 2 : if(angle_degree>=0) { lcd_init(); lcd_gotoxy(1,1);

lcd_putc("Fator de Pot. Atual"); lcd_gotoxy(1,2); //TELA QUE EXIBE O FATOR DE POTENCIA SE INDUTIVO lcd_putc("cos fi="); printf(lcd_putc,"\ncos fi=%f INDUTIVO",fi ); } /******************************************************************************/ else if(angle_degree<=0) { lcd_init(); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("Fator de Pot. Atual"); lcd_gotoxy(1,2); //TELA QUE EXIBE O FATOR DE POTENCIA SE CAPACITIVO lcd_putc("cos fi="); printf(lcd_putc,"\ncos fi=%f CAPACITIVO",fi ); } printf("FACULDADE METROPOLITANA DE CAMAÇARI" ); teste_fp(); printf("\nf=%f Hz\n\n",frequency ); delay_ms(1000); led(); banco_capacitores(); break; /******************************************************************************/ case 3 : lcd_init(); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("Periodo de defasagem"); lcd_gotoxy(1,2); lcd_putc("T="); //TELA QUE EXIBE O PERÍODO DE DEFASAGEM TENSÃO & CORRENTE printf(lcd_putc,"\nTd=%fx10^-6 S",largura_pulso ); printf("FACULDADE METROPOLITANA DE CAMAÇARI" ); teste_fp(); printf("\nf=%f Hz\n\n",frequency ); delay_ms(1000); led(); banco_capacitores(); break; /******************************************************************************/ case 4:

lcd_init(); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("FREQUENCIA"); lcd_gotoxy(1,2); //TELA QUE EXIBE A FREQÜÊNCIA DA REDE ELÉTRICA lcd_putc("f="); printf(lcd_putc,"\nf=%f Hz",frequency ); printf("FACULDADE METROPOLITANA DE CAMAÇARI" ); teste_fp(); printf("\nf=%f Hz\n\n",frequency ); delay_ms(1000); led(); banco_capacitores(); break; /******************************************************************************/ case 5: lcd_init(); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("PERIODO"); lcd_gotoxy(1,2); //TELA QUE EXIBE O PERÍODO DA REDE ELÉTRICA lcd_putc("T="); printf(lcd_putc,"\nT=%fx10^-6 S",current_ccp_delta ); printf("FACULDADE METROPOLITANA DE CAMAÇARI" ); teste_fp(); printf("\nf=%f Hz\n\n",frequency ); delay_ms(1000); led(); banco_capacitores(); break; /******************************************************************************/ case 6: lcd_init(); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("ANGULO"); lcd_gotoxy(1,2); //TELA QUE EXIBE O ÂNGULO DE DEFASAGEM DA REDE ELÉTRICA lcd_putc("T="); printf(lcd_putc,"\nangulo=%f graus",angle_degree ); printf("FACULDADE METROPOLITANA DE CAMAÇARI" ); teste_fp(); printf("\nf=%f Hz\n\n",frequency ); delay_ms(1000); led(); banco_capacitores();

break; /*****************************************************************************/ default: x=0; /******************************************************************************/ goto start; } } } }

monografia renivan

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