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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

Implementação de um circuito de medição inteligente integrado ao LabVIEW

Daniel Galerani

Itajubá, outubro de 2017

UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

Daniel Galerani

Implementação de circuito de medição inteligente integrado ao LabVIEW

Monografia apresentada ao Instituto de Sistemas Elétricos e Energia, da Universidade Federal de Itajubá, como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Paulo F. Ribeiro Coorientador: Antonio Carlos Zambroni

Itajubá, outubro de 2017


3

Resumo

Motivado a partir de um projeto de pesquisa na Stanford University, este trabalho relata o desenvolvimento de um plugue inteligente para ser aplicado em estudos de modelos de cargas residenciais. O objetivo principal foi de construir um medidor para tensão e corrente que fosse simples e robusto, e que suportasse customização de acordo com as necessidades de laboratório. Com este intuito, a monografia apresenta todos os componentes escolhidos no processo de construção do circuito. Foram detalhados os motivos que levaram às decisões de cada parte e como o desempenho delas modificou o plano inicial. Além da construção do circuito foi desenvolvido uma interface no software LabVIEW para auxiliar na aquisição e processamento dos dados. O maior desafio foi encontrado na construção física da placa, que mesmo com correção de erros não pode ser concluída devido à dificuldade de encontrar alguns componentes no Brasil. Com isto, optou-se por simular a versão final do medidor em um software para a obtenção de resultados. Por fim, a simulação foi executada, levando em conta principalmente cargas alimentadas em corrente contínua. Os resultados foram expostos graficamente para análise de perfis de carga e validação do circuito. Dessa forma, confirmou-se a funcionalidade do medidor inteligente e concluiu-se que este pode ser um modelo confiável para se aplicar em estudos de modelo de cargas residenciais.

Palavras chave: Redes inteligentes; medidor inteligente; LabVIEW; Proteus.


4

Abstract

Driven by a research project which was started in Stanford University, this paper states the development of a smart plug to be applied in load model studies for residential consumers. The major purpose was to build a voltage and current measuring equipment that was simples and robust, and that could handle customization according to experimental needs. With this in mind, this paper presents all the components that were chosen to build the circuit. The reasons behind every choice were detailed and how the performance of each part modified the initial plan. Besides building a circuit, a LabVIEW interface was developed to help in the data acquisition and processing. The biggest challenge turned out to be assembling the physical circuit, because even with mistake corrections it could not be finished due to the difficulty to find some of the components in Brazil. Because of this, it was decided to simulate the final version of the smart plug in a software in order to get the results. In the end, the simulation was executed, with focus on continuous current loads. The results were graphically shown for load profile analysis and to validate the circuit. This way, the performance of the smart plug was confirmed and it conclusively became a trustworthy model to be applied in load models studies with residential loads.

Key words: Smart Grids; smart meter; LabVIEW; Proteus.


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Sumário

1 Introdução 62 Revisão da Literatura 93 Modelagem Teórica 22

3.1 SmartPlug 1.0 233.2 SmartPlug 2.0 243.3 SmartPlug 3.0 253.4 Principais componentes do SmartPlug 263.5 Fluxo de trabalho do SmartPlug 3.0 273.6 myDAQ e LabVIEW 29

4 Análise Experimental 326 Conclusão 41Referências 42


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1 Introdução Esta monografia é referente a um dispositivo de medição de grandezas elétricas

chamado SmartPlug. Seu desenvolvimento se iniciou como parte de um projeto na área de

redes inteligentes na Stanford University. O primeiro protótipo deste SmartPlug foi feito por

dois alunos de engenharia participantes do programa Ciência sem Fronteiras de maio a agosto

de 2016, em Stanford, com a coordenação de um aluno de doutorado.

O Powernet Project, projeto que motivou todo o desenvolvimento do plugue, objetiva

implementar um microssistema de potência inteligente numa base naval dos EUA ao longo de

3 anos de trabalho. Ele abrange geração de energia, controle de cargas, previsão de consumo e

operação independente. Para que seja factível, três componentes principais trabalham em

conjunto para a otimização da rede. Eles podem ser observados na Figura 1, a seguir:

Figura 1 – Powernet Project. Visão geral do projeto

Fonte: Autoria própria (2016).

O Cloud Coordinator (CC) monitora o sistema como um todo. Ele dá comandos para as

casas, baseado na análise do sistema em tempo real e do mercado de energia. O Home Hub

(HH), presente em cada casa, faz o gerenciamento individual da energia elétrica, controlando


7

a geração e o consumo do usuário a partir de suas preferências. Ele também faz previsões para

auxiliar o CC na tomada de decisões. Por fim, em cada subcircuito existirá um Smart Dim

Fuse (SF), que faz a regulação de tensão levando em conta os equipamentos que estão ligados

nele próprio.

Como parte da criação do SF, surgiu a necessidade de se ter um medidor de tensão e

corrente capaz de atender aos requisitos dos equipamentos. Para isso, o medidor deveria ser

simples e robusto, com boa exatidão e facilidade de manuseio ao longo dos testes. Ao analisar

as opções existentes no mercado, foi decidido desenvolver o próprio medidor, pois seria mais

flexível e passível de adaptações ao longo do estudo. Neste contexto, surgiu a primeira versão

do SmartPlug.

Sabe-se como os estudos relacionados a Smart Grids têm crescido na última década e da

importância deste tema no desenvolvimento da sociedade moderna. Após revisão na literatura,

é possível observar a tendência dos novos trabalhos em explorar esta área de redes

inteligentes numa forma macro e micro, e também que muitos focam na criação e estudo de

casas inteligentes. Como parte disto, a medição inteligente já é abordada com frequência nas

obras de engenharia, sendo aplicada na formulação de perfis de cargas elétricas de

consumidores, previsão de demanda e até controle do sistema. Nesse sentido há uma

reafirmação da relevância em se pesquisar sobre modelos de medidores no formato de plugue

a nível residencial.

Nesta monografia, serão abordados todos os passos para a criação deste dispositivo, bem

como aplicações que demonstram seu funcionamento. É esperado que, ao fim da pesquisa, se

chegue a um medidor que alie facilidade de implementação e qualidade nos dados obtidos.

Após isso, será ainda feita uma análise sobre modelos de cargas aplicando este medidor,

abrindo possibilidade para futuros estudos.

Olhando para a sequência de ações que tornará possível realizar este trabalho, começou-

se com as modificações do circuito original visando a otimização do sistema. Após os testes

iniciais, foi verificada a necessidade de mudar alguns componentes para garantir a

confiabilidade da placa, e isto será apresentado com mais detalhes no capítulo 3. Nele,

também será incluso o desenvolvimento do algoritmo no software LabVIEW, que participará

em conjunto com um dispositivo de aquisição de dados da National Instruments (NI) para

trazer os resultados esperados.


8

No capítulo 4 serão apresentados os testes realizados com o conjunto completo. O

procedimento de medição consistirá em conectar diversos aparelhos domésticos à rede elétrica

passando pelo medidor e monitorar a resposta através de um computador. Assim, é possível

extrair os dados de consumo de cada um destes aparelhos para analisar o comportamento para

traçar um perfil de carga.

A análise dos dados e o perfil de cada carga ficam para o capítulo 5 desta monografia.

Serão incluídos alguns gráficos relevantes para a discussão e também a avaliação de como

estes experimentos podem se relacionar com modelos de cargas já existentes. Ao final do

trabalho tem-se a conclusão no capítulo 6. Ela trará reflexões sobre a viabilidade deste

medidor e a sobre as informações que foram levantadas a partir da sua aplicação.


9

2 Revisão da Literatura

Nas últimas décadas foi presenciada uma mudança radical nos sistemas da engenharia

mundial. Eletrônica, microprocessamento e o universo digital vieram para transformar a

realidade como era conhecida. Os sistemas elétricos de potência não ficaram fora da

revolução, e mais do que isso, são hoje em dia peça fundamental para a continuidade deste

processo [1]. Sempre em busca de otimização nas áreas de geração, transmissão, distribuição,

comercialização e satisfação de consumidores, esta área se reinventa para atender as

necessidades do mercado. Não é por acaso que foi nomeada a inovação mais benéfica a

civilização no século 20, pela National Academy of Engineering1.

Com o crescimento da população e aumento das demandas energéticas, fica clara a

importância de se estudar o futuro da energia elétrica mundial. Inovações como carros

elétricos podem aumentar drasticamente a demanda, de modo que o setor ainda não está

pronto para recebê-las [2]. Consequentemente, foi previsto para o período 2007-2030 que há

uma necessidade de investimento global de 26,3 trilhões de dólares2 em energia. Além disso,

a Agência Internacional de Energia (EIA) estimou que a Europa deve investir 1,5 trilhões de

euros neste mesmo período para renovar o seu sistema elétrico e estar pronta para a transição.

Seguindo com a necessidade de evolução do sistema e as tendências que são

apresentadas, é consenso que o sistema elétrico de potência se aproximará cada vez mais da

chamada Smart Grid ou Rede Inteligente. (Figura 2) Uma Smart Grid é definida como

“sistema autossuficiente que consegue identificar soluções para problemas rapidamente em

uma dada estrutura de forma a reduzir o esforço de trabalho, e tem como objetivo uma

eletricidade sustentável, confiável, segura e de qualidade a todos os consumidores” [3].

Portanto, a Grid deve ter capacidade de autocura (self-healing), ser facilitadora na integração

de diferentes fontes de energia, prover energia elétrica com maior qualidade, entre outras.

1 Disponível em: < http://www.greatachievements.org >. Acesso em 18 de abril de 2017. 2 IEA (International Energy Agency). World Energy Outlook 2008. França: Paris, 2008.


10

Figura 2 - Representação de uma rede inteligente

Fonte: 3M Solutions - Smart Grid: Connected Efficient and Sustainable Energy (2017).

Os benefícios de tal sistema são [4] redução da probabilidade de apagões e

interrupções forçadas; diminuição no tempo necessário para a restauração e operações na

rede; redução das demandas de pico; aumento da integração de fontes de geração distribuída e

maior capacidade de utilização; aumento da segurança contra ataques à rede; melhora da

confiabilidade, disponibilidade e capacidade da energia elétrica devido a um melhor fluxo de

potência; novas opções para que consumidores administrem o uso e custo da eletricidade; e

benefícios ambientais devido ao uso mais otimizado dos recursos. Por isso é cada vez mais

comum encontrar mobilizações dos países nessa direção, firmando a necessidade e viabilidade

de existência de uma rede inteligente3.

Para que seja possível o desenvolvimento de uma Smart Grid, um dos primeiros

pontos a ser levado em consideração é a transmissão de dados. Considerando que todo o

controle será baseado nos dados coletados e vistos ao longo do tempo, deve-se garantir a

existência de um sistema capaz de se telecomunicar efetivamente por toda a estrutura da rede

inteligente. A Figura 3 explora os diversos componentes que são capazes de gerar, processar e

tomar ações baseado nas informações que forem disponibilizadas. Dentre os agentes

mostrados, a Geração se comunica com o Centro de Controle, Operador Regional do Sistema 3 DOE (U.S. DEPARTMENT OF ENERGY). The Smart Grid: An Introduction. EUA, 2008.


11

e Mercado de Energia. Logo, uma falha vista na Geração pelo Centro de Controle deve ser

imediatamente reportada para que o Operador Regional e o Mercado de Energia executem

tarefas afim de manter a continuidade do serviço. A Transmissão costuma estar sob o controle

do Operador Regional em conjunto com o Centro de controle, e assim por diante. Essa

estrutura explica a necessidade de estudar como serão definidos os meios de comunicação e

os protocolos implantados mais adequados a cada aplicação.

Figura 3 - Estrutura de comunicação de uma rede inteligente

Fonte: PARIKH P. P.; KANABAR M. G.; SIDHU T. S: Opportunities and challenges of wireless

communication technologies for smart grid applications (2010).

Dados os desafios iniciais de um sistema inteligente, um estudo [5] teve como

princípio a análise das tendências tecnológicas relacionados às Smart Grids. Além da

telecomunicação, este estudo expôs temas como densidade de carga, falhas, desordem nos

critérios da qualidade de energia e balanço entre geração e consumo. Com isso ele buscou

trazer soluções para diversos problemas que ocorrem no sistema de potência.


12

Outro estudo [6] sobre tendências das redes inteligentes analisou projetos realizados

na Europa nesta área. Todos eles estavam voltados para o sistema de baixa tensão ou dos

consumidores finais. Cabe aqui uma reflexão sobre a importância que esses consumidores têm

quando vistos pela cadeia de geração, transmissão e distribuição: uma variação no

comportamento destas unidades tem impacto direto na demanda e no mercado de energia. Foi

elaborada uma lista de tecnologias de comunicação existentes, dividida em “wired” (com fio)

e “wireless” (sem fio). Após isso, foram descritos alguns projetos implementados na Itália,

Reino Unido, Suécia e outros. O trabalho concluiu que existem mais de 50 projetos direta ou

indiretamente ligados a medição elétrica inteligente. Esses instrumentos são componentes

chave para o controle e economia de energia. Também foi visto que duas tecnologias

populares de comunicação entre um medidor e a central de comando são ZigBee e NB-PCL.

Considerando que a expectativa é de ter instalado até 2020 mais de 200 milhões de

dispositivos desse tipo [7], o tópico é muito relevante para a engenharia.

Um trabalho realizado em 2015 [8] também procurou analisar o cenário atual de Smart

Grids na Europa. Desta vez os autores viram as ações de forma macro, e concluíram que

existem em média 40 projetos sendo realizados por cada país da União Europeia. Apesar

dessa média, existe uma grande disparidade entre países, com França e Reino Unido sendo os

maiores investidores em termos de capital. A Figura 4 mostra o valor crescente de orçamento

dedicado à mudança do sistema elétrico na União Europeia. Através de diferentes métodos

numéricos, foi previsto que em 2017 ter-se-ia um aumento de 40 para 100 projetos focados

nas redes inteligentes.


13

Figura 4 – Investimento em Smart Grids feito por ano na Europa

Fonte: Smart grid projects in Europe: Current status, maturity and future scenarios (2015).

Ao olhar para o futuro dos sistemas de potência, uma das grandes mudanças que

devem ser observada é a do papel exercido pelos consumidores finais. Estas unidades

consumidoras deixarão de ser vistas como passivas pela rede, e passarão a ser identificadas

como centros autônomos e contribuidores ativos para a geração do sistema elétrico [9].

Supondo um sistema de casas que utilizam painéis fotovoltaicos para geração de energia e

baterias de Lítio para armazenar o que for produzido, cria-se uma nova perspectiva com

relação à autonomia destas casas. Elas passam a ter capacidade de operação independente,

fazendo análises em tempo real e tomando decisões automáticas. Em um evento de falta, elas

podem se desligar do alimentador externo e começar a operar gerenciando o seu potencial de

energia interno. Se ao invés de uma falta o sistema enfrentar uma demanda inesperada, estas

unidades consumidoras poderão fazer contribuições individuais e se compatibilizar com a

nova carga. Neste futuro em que consumidores passarão a desempenhar um papel ativo na

rede, as Smart Homes (SH) ou casas inteligentes são a denominação empregada.

O universo que abrange uma Smart Home é muito extenso. Desde os materiais

utilizados na construção de uma célula fotovoltaica até o protocolo de comunicação previsto

entre dois dispositivos eletrônicos, todo o desenvolvimento conta para a criação de uma SH

eficiente. Uma definição possível para ela é de “uma casa que estabelece comunicação entre

todos os dispositivos presentes nela, trazendo o controle, monitoramento e acesso remoto de


14

todas as aplicações e serviços do sistema de gerenciamento” [9]. Muitos avanços na ciência

ainda precisam ocorrer para que um patamar satisfatório de tecnologia seja atingido, e por isso

são necessários estudos como o apresentado neste trabalho. Ideias, alternativas e testes, todos

têm o potencial de acrescentar e quebrar barreiras até então estabelecidas.

O controle de um sistema como este deve ser realizado por centrais de gerenciamento

internos, utilizando os mais diversos métodos de análise e tomada de decisão. Prioriza-se que

eles administrem efetivamente o consumo total da casa, a geração distribuída e até a

participação de eventos de resposta à demanda na rede. A central também deve ser capaz de

reduzir a conta de energia enquanto mantém a operação com nível de conforto adequado. Por

fim, devem ser realizados algoritmos de machine learning que buscam otimizar e prever o

consumo, para terem o maior desempenho possível. Assim, as centrais de gerenciamento

funcionam como ponto focal em uma estrutura de casa inteligente.

Já existem diversos estudos que mostram o que pode ser feito numa SH em eventos de

resposta à demanda [9]. A desagregação de cargas é vista ao mesmo tempo como grande

desafio e meio de se conseguir um gerenciamento de energia mais eficiente. O conceito de

separar um subcircuito a nível de dispositivos é extremamente relevante para a análise de

desempenho e de comportamento do usuário. Com esta separação é possível identificar

dispositivos ineficientes, e mapear o uso de aparelhos como ar-condicionado, em busca de

previsão da demanda futura. O estudo que aqui está sendo citado mostra o comportamento de

um refrigerador em termos de potência para um período de 2 horas, tal como apresentado na

Figura 5.


15

Figura 5 – Perfil de carga de um refrigerador para um período de 2 horas

Fonte: FERNANDES, F.; MORAIS, H.; VALE, Z.; RAMOS, C: Dynamic load management in a smart

home to participate in demand response events (2014).

Este trabalho propôs um novo método para controle de cargas em uma casa como

resposta ao evento na rede. Ele sinaliza que a participação ativa de consumidores é chave para

o sucesso no sistema de potência e que existe muito espaço para a expansão de centrais de

gerenciamento nas casas. Por isso desenvolve e testa algoritmos de controle de cargas

dinâmicas nesse contexto. O estudo formula o método para priorizar a continuidade de serviço

em algumas cargas e limitar a potência de outras. Após isso, são feitos testes em dois cenários

diferentes com contingência na rede. Os resultados encontrados foram considerados

satisfatórios, com a ressalva de que o consumidor deve estar ciente das estratégias utilizadas

para manutenção do sistema, uma vez que aparelhos como máquina de lavar não deve ser

ligada por causa do seu alto consumo de potência.

Ampliando um pouco o escopo de Smart Homes, é importante que sejam feitas

pesquisas relacionadas ao comportamento macro de uma residência. Existem inúmeras

aplicações que podem ser exploradas uma vez que se tem representações adequadas de

comportamento de carga. Assim, em 2012 foi publicado um artigo [10] que amostrou dados

de 12 casas com escala de tempo em alta resolução durante certo período. Os autores

utilizaram discretização de 1 minuto ao longo de mais de 1 ano para divulgar o estudo no

Canadá. O foco foi na análise de cargas classificadas como non-HVAC, que em português

seriam as cargas que não estão relacionadas a aquecimento, ventilação e ar-condicionado.


16

Portanto, está incluído o consumo de todos os aparelhos domésticos, eletrônicos e iluminação

em residências. Segundo o Energy Use Handbook do Canadá4 esse tipo de carga representava

em 2011 mais de 16% do consumo do setor residencial no país. Portanto, evoluções

estruturais e melhorias na eficiência energética nesta área geram um impacto direto no sistema

elétrico de potência.

Dada a necessidade de se aprofundar no tema, foi identificado que hoje em dia existe

pouca informação com boa exatidão neste tipo de amostra. Segundo este artigo, estes dados

são de grande importância nas seguintes áreas:

● Estudo de desempenho de prédios Energia-zero

● Desenvolvimento de sistemas de conversão de energia inovadores, como

micro-cogeração e produção de energia renovável localmente;

● Melhoria nas simulações de análise do desempenho de prédios residenciais.

Portanto, estabeleceu-se a amostragem discretizada em períodos de 1 minuto para que

as metas fossem atingidas. Na Figura 6 pode ser verificado o impacto que diferentes escalas

de tempo causam na medição. Os picos de demanda começam a ficar muito mais aparentes

com esta taxa de amostragem, o que revela uma característica diferente para o sistema.

Figura 6 – Perfil de carga para diferentes escalas de tempo, divididas em 1 minuto, 5,

10 e 1 hora

4 NATURAL RESOURCES CANADA. Energy Use Data Handbook. Canadá: Ottawa, 2011.


17

Fonte: Electrical-end-use data from 23 houses sampled each minute for simulating micro-generation

systems (2017).

O artigo cumpriu o objetivo de aumentar o conhecimento existente sobre perfis de

consumo de energia em residências, através do novo método de medição proposto. Dentre as

avaliações foi possível verificar que o estilo de vida e hábitos dos moradores impactam

significativamente no consumo. Foi verificado que pode haver uma discrepância de consumo

duas vezes maior para duas casas com o mesmo porte e número de pessoas. Também, ao fazer

a comparação dos resultados medidos com modelos de perfis de carga sintéticos já existentes,

notou-se uma grande discrepância nos dados. Isto sinaliza que é necessário aplicar novas

medições para otimizar os modelos existentes.

No ano de 2014 foi publicado outro artigo [11] que deu continuidade ao citado acima.

Os autores mediram 11 casas com o mesmo padrão de amostragem de 1 minuto durante um

ano, e adicionaram aos dados já existentes para analisar o impacto. Com isso, eles

aumentaram a base de dados para estudos e demonstraram que há diferenças significativas

quando se expande o número de amostras de 12 para 23 casas. O resultado pode servir para

simulações de desempenho em conjuntos residenciais e para futura análise de cargas

desagregadas de acordo com a estação do ano, por exemplo.

Partindo para outro assunto que pode ser explorado dentro das Smart Homes,

forecasting (previsão) revela grande potencial de aplicação no futuro. Essa previsão pode ser

tanto de loads (cargas) quanto de power (geração de energia), e através algoritmos de

inteligência artificial buscam melhor estimar o comportamento futuro do sistema elétrico.

Dentre as vantagens de se antecipar os acontecimentos, é possível destacar o aumento de

flexibilização do sistema, aumento de confiabilidade e melhor aproveitamento do recurso no

mercado de energia.

Motivados pela perspectiva crescente na área de redes inteligentes, pesquisadores na

Turquia elaboraram o estudo [12] de casa experimental com o uso de previsão de geração de

energia através de fontes renováveis. Eles criaram uma casa inteligente fictícia e adicionaram

geração por turbina eólica e painéis fotovoltaicos, além de um banco de baterias para

armazenamento de energia. No trabalho foi detalhada a estruturação do sistema de

comunicação, escolha das cargas e do sistema de fornecimento de energia, bem como os

algoritmos desenvolvidos para previsão de potência, evidenciando que foi um dos pioneiros

nos testes para previsão.


18

A proposta era de desenvolver uma metodologia que promovesse a operação eficiente

de uma Smart Home com uso de microgeração de energia. Eles buscaram manter a casa

funcionando o máximo de tempo possível através das fontes renováveis independentes

utilizando a inteligência artificial e a análise da tarifa elétrica, para obter a operação mais

econômica que mantinha os níveis de conforto adequado. Assim, a economia no custo da

eletricidade no estudo ao longo de 1 ano foi de 2,93%, enquanto houve redução de 52,99%

das mudanças operacionais na residência, caracterizando mais conforto aos moradores.

Também houve uma diminuição considerável nos picos de energia, e abriu-se a perspectiva

para novos estudos relacionados a este tema.

Após uma extensa revisão dos tópicos relacionados a esta monografia, chega-se ao

escopo principal: o plugue de tomada inteligente. A Figura 7 exemplifica este produto, que no

caso é fabricado pela empresa canadense ecobee. Aqui, o dispositivo oferece o medidor de

potência consumida para 110 Vac e 15 A, com a capacidade de comunicação wireless em linha

com a IEEE802.15.4. Este padrão de comunicação também oferece a capacidade de ser ligado

e desligado remotamente.

Figura 7 – SmartPlug produzido pela empresa ecobee

Fonte: Ecobee Support – Smart Plug Specifications (2017).


19

O SmartPlug proposto neste trabalho se assemelha muito com o mostrado acima. Mas

conforme já foi dito, a plataformas comerciais costumam ser fechadas para modificações, o

que dificulta em muito os estudos que envolvem experimentos laboratoriais mais específicos.

E ainda que o fornecedor ofereça suporte e permita customizações não será comparável à

utilização de um dispositivo feito pelo próprio usuário.

A fim de demonstrar as oportunidades de estudo relacionadas ao medidor inteligente,

o artigo “nPlug: A Smart Plug for Alleviating Peak Loads” [13] traz uma aplicação

interessante sobre o tema. Em busca de soluções para reduzir faltas relacionadas a pico de

demanda no setor elétrico indiano, pesquisadores propuseram o intitulado nPlug. Existe a

preocupação com picos porque as previsões mostram que o setor elétrico da Índia não tem

capacidade de suprimento em determinadas condições 5. Como o país não suporta métodos

muitos sofisticados de controle de demanda devido aos custos associados, viu-se oportunidade

no plugue inteligente. Além do baixo custo, ele não depende de infraestrutura anterior do

sistema para ser implementado. Também não foi adotado sistema de comunicação para

baratear o produto, sendo assim o nPlug de operação independente na rede.

O artigo discorre sobre o desenvolvimento do plugue para que as expectativas da

proposta sejam cumpridas. Após implementar o circuito e os algoritmos que serão utilizados

para tomada de decisão, os autores prosseguem em realizar testes para comprovar a eficácia

do dispositivo. Por fim, eles conseguiram demonstrar que a tensão de linha é um bom

indicador do volume de cargas conectadas a rede e dissertaram sobre as técnicas para

identificar períodos de pico e fora de pico a partir dos dados obtidos. Os experimentos

comprovaram que os algoritmos utilizados foram eficazes na redução de picos de carga e em

manter a estabilidade do sistema. Para os trabalhos futuros, os autores pretendem aquisitar

dados coletados em um bairro residencial completo e analisar os impactos que uma operação

pode ter em outros locais. Além disso, mais está planejado para ser feito, bem como os

questionamentos relacionados a real implementação desse dispositivo com consumidores

finais.

Por outro, 4 pesquisadores realizaram um trabalho [14] de plugues inteligentes a nível

5 CENTRAL ELECTRICITY AUTHORITY. Load Generation Balance Report. India: New Delhi, 2016.


20

residencial nos Emirados Árabes. Dado que esta região possui um dos maiores consumos de

energia per capta, são feitos experimentos de monitoramento e controle para verificar os

benefícios que este sistema pode trazer aos usuários. Os autores desenvolveram um aplicativo

de celular que se comunica com a unidade de controle e gerencia o ecossistema; e depois

disso fizeram uma análise de satisfação juntos aos consumidores na nova metodologia.

O conjunto proposto é constituído de alguns plugues inteligentes posicionados por toda a

casa que se comunicam com um dispositivo mestre responsável por coordenar as atividades e

prover o acesso aos dados coletados. O protocolo ZigBee é utilizado na comunicação entre

eles. Para fazer outra parte da operação, o dispositivo central se conecta ao roteador da casa e

utiliza o Wifi para dar acesso aos usuários pelo aplicativo. A Figura 8 a seguir mostra a

disposição geral destes componentes.

Figura 8 – Disposição do conjunto com SmartPlugs e Unidade Mestre

(Em vermelho é representada a conexão ZigBee e em azul a comunicação Wifi)

Fonte: Smart plugs: Perceived usefulness and satisfaction: Evidence from United Arab Emirates (2016).

O plugue inteligente foi projetado de forma a suportar uma potência de 1512 W. Eles

instalaram um fusível de 6,3 A, que limita a corrente máxima neste valor antes de queimar.


21

Foram realizados testes de combinações entre lâmpadas e um ventilador para testar a exatidão

do equipamento. Segundo o artigo, o custo para desenvolvimento do dispositivo foi

R$160,006, e o erro reportado para as medições não passou de 5%. A integração dele com os

consumidores através do aplicativo de celular é uma característica que grande potencial de

exploração, pois incentiva o uso consciente dos usuários e garante o poder de ligar e desligar

cargas remotamente de maneira simples.

Após apresentar toda a metodologia empregada neste projeto e os algoritmos, foi feita

uma análise cautelosa a respeito da utilização com usuários e dos impactos que este sistema

causa no consumo final. Segundo o estudo, foi concluído que há um impacto positivo quando

se fala de preocupações ambientais e satisfação com o uso do aplicativo. Portanto, isto indica

que o sistema inteligente pode ser implementado para auxiliar na redução de consumo de

energia per capta nos Emirados Árabes.

Com isto, conclui-se os estudos de revisão para a monografia aqui apresentada.

Espera-se que ficou clara a motivação para estudar este tema, considerando que redes

inteligentes são ao mesmo tempo tendência e necessidade para os sistemas elétricos de

potência. Apesar de ser uma área de estudo muito ampla, escolheu-se trabalhar mais próximo

aos consumidores finais da cadeia, e ainda dentro desta, olhar especificamente para

tecnologias que integram os usuários interativamente. O último estudo mostrado se assemelha

muito com o SmartPlug desta monografia, e demonstra o potencial de aplicação deste

dispositivo no futuro energético que o planeta está caminhando.

6 180 dirhams (AED) = 159,41 reais (BRL). Disponível em: <http://aed.pt.fxexchangerate.com/>. Acesso em 22 de maio de 2017.


22

3 Modelagem Teórica O projeto do medidor começou em 2016 na Stanford University, como citado

anteriormente. Ele seguiu a premissa de desenvolver um dispositivo simples para auxiliar na

modelagem e medição de cargas residenciais. Dada a disponibilidade de um kit de

desenvolvimento da National Instruments no laboratório, foi decidido que o medidor seria

separado em duas etapas distintas. A primeira seria o circuito ligado à carga fazendo a leitura

dos valores de tensão e corrente. Os dados lidos passariam então ao equipamento myDAQ

ilustrado na Figura 9, formando a estrutura completa. Nesta segunda etapa, haveria a interface

dos dados aquisitados com o computador através do software LabVIEW. Deste modo seria

possível obter dados com baixa granularidade e analisá-los de acordo com a necessidade no

LabVIEW.

Figura 9 – myDAQ: kit de aquisição de dados para universidades da National

Instruments

Fonte: myDAQ University Kit – National Instruments (2017).


23

3.1 SmartPlug 1.0

Desde a primeira versão do medidor o objetivo era aquisitar valores de tensão e

corrente e estudá-los partindo deste ponto. A proposta envolvia um circuito mais flexível, que

pudesse ser lido por mais de uma plataforma. Por isso, foi decidido condicionar os dados de 0

a 5V para utilizar tanto o myDAQ quanto um Arduino, por exemplo. Ao se pesquisar a

respeito de métodos para leitura de tensão, foi encontrado um circuito integrado denominado

HCPL7520 que tinha sido usado em um projeto parecido com este. Assim, decidiu-se por usar

este componente para a leitura de tensão e um transformador de corrente do tipo janela para a

medição de corrente.

Formulou-se então a seguinte lógica de trabalho: o HCPL7520 recebe um sinal de

entrada qualquer e através de um ganho linear produz o sinal de saída isolado opticamente. O

CI, portanto, lê a diferença de potencial proveniente da carga, condiciona o sinal com um

ganho e offset (mudança de referência) e projeta na saída um valor de tensão diferencial

isolado. De forma semelhante, o transformador de corrente verifica a corrente induzida no fio

da carga e produz um sinal correspondente na entrada do HCPL7520. Este sinal tratado é lido

pelo dispositivo de aquisição de dados e fica disponível para análise. A Figura 10 ilustra o

funcionamento:

Figura 10 – Configuração simplificada da aquisição de dados pelo SmartPlug



24

Com a lógica de funcionamento e os principais componentes definidos, foi criado o

SmartPlug 1.0. Ao montar o circuito e realizar os primeiros testes, verificou-se os pontos

fortes e fracos do sistema. A extração de dados ocorreu como esperado, mas três barreiras

tornaram a aplicação inviável:

• O HCPL7520 se mostrou muito sensível, queimando por mais de uma vez nos

testes. Atribuiu-se as ocorrências aos picos de tensão no momento da

energização do circuito, uma vez que eram usadas duas fontes de tensão DC

independentes com erros associados.

• Ao utilizar um ventilador como carga, observou-se ruídos de alta frequência na

leitura de tensão quando o motor era chaveado rapidamente. Devido ao

esquema de ligação e a isolação óptica do HCPL7520, o fenômeno de

common-mode rejection causou o aparecimento dos ruídos.

• Foi observada uma discrepância considerável entre os valores do SmartPlug e

um dispositivo de medição de potência. Naturalmente, os ganhos do

transformador de corrente do CI não são exatos, e para uma aplicação

experimental é desejável diminuir os erros de leitura.

3.2 SmartPlug 2.0

As ponderações sobre o circuito anterior motivaram o desenvolvimento de uma nova

versão que garantisse mais robustez e maior qualidade nos dados. Para isso, foi necessário

modificar os dois componentes principais da versão 1.0 visando a corrigir os problemas

observados. Pensando no papel do HCPL7520, os amplificadores operacionais poderiam

substituí-lo para garantir a isolação entre os dois lados do circuito (carga X interface e análise

de dados) e corrigiriam a rejeição de modo comum.

Foi buscando circuitos integrados que atendessem a esses requisitos, que se descobriu

um componente da Texas Instruments denominado AMC1200B. Este componente é um

amplificador operacional com característica de isolação, e é recomendado para a medição de

grandezas elétricas em diversos sistemas de eletrônica de potência. Após analisar o

funcionamento deste componente e verificar que ele satisfazia a aplicação proposta, foi

decidido que ele substituiria ambos o HCPL7520 e o transformador de corrente. Com dois


25

AMC1200B seria possível realizar as medições de forma simplificada e garantindo a

qualidade nos resultados.

Além dessa modificação, na segunda versão também foi incluído um sistema de

alimentação mais direto para o circuito. Isto eliminou a necessidade de fontes DC ajustadas

para 5 V nos experimentos do SmartPlug. Com estes pontos ajustados foi apresentado um

novo esquemático aos pesquisadores de Stanford para que fosse dada continuidade no projeto.

3.3 SmartPlug 3.0 Após contextualizar os esforços realizados nas duas primeiras versões, neste tópico

está apresentada a versão 3.0 deste circuito, que foi desenvolvida exclusivamente para o TFG.

Partindo da análise dos componentes utilizados no esquemático 2.0, foram realizadas diversas

modificações no circuito para simplificar o projeto. Alguns componentes foram substituídos

por outros facilmente encontrados no Brasil. Já outros componentes mais específicos

necessitaram de importação dos Estados Unidos, como o amplificador de isolação

(AMC1200B). A Figura 11 mostra o esquemático do SmartPlug desenvolvido para este

trabalho:

Figura 11 – Esquemático do SmartPlug 3.0



26

Na Tabela 1 a seguir estão listados todos os componentes utilizados na construção deste

circuito:

Qtd. Componente Preço 1 VSK-S3-5U7 R$ 43,66 1 PDS1-S5-S5-S7 R$ 13,36 2 AMC1200BDWV7 R$ 36,35 1 CS5DR001E7 R$ 32,82 2 Conector de Protoboard R$ - 8 Resistores (12, 22,10k, 22k, 100k) [Ω] R$ 1,00 6 Capacitor cerâmico (330p, 0.1u) [F] R$ 2,00 2 Capacitor eletrolítico (22u, 150u) [F] R$ 3,00 1 LM358N R$ 3,00 1 Manufatura da placa R$ 65,00

Total R$ 200,19

Tabela 1 – Custos para a manufatura de um SmartPlug

3.4 Principais componentes do SmartPlug Nesta seção serão detalhados os principais componentes utilizados na criação do

SmartPlug 3.0. O objetivo é explicar porque cada parte do circuito foi projetada desta maneira

e o que se espera de resultado ao ter o conjunto montado.

● VSKSE-5U: Este componente funciona como fonte de alimentação para o circuito.

Ele é capaz de transformar tensões AC ou DC em um valor DC especificado na

saída. Especificamente o 5U aceita como entradas 85~264 Vac / 110~370 Vdc e

gera na saída 5 Vdc constantes. Na aplicação do SmartPlug ele é utilizado para

retificar o sinal de tensão de 127 ou 220 Vac para 5 Vdc. Isto retira a necessidade

de ligar fontes de alimentação externas e promove a portabilidade do medidor.

7 Estes componentes foram importados dos EUA e os valores originais são em dólar. Para fins de cálculo a seguinte conversão foi feita: 1 dólar comercial (U$) = 3,15 reais (BRL). Disponível em: <https://economia.uol.com.br/cotacoes/>. Acesso em 27 de agosto de 2017.


27

● PDS1-S5-S5-S: Este conversor DC/DC disponibiliza dois sinais de tensão isolados

eletricamente. Na aplicação do projeto existem componentes que precisam de duas

alimentações independentes, e por isso ele foi necessário. O PDS1-S5-S5-S recebe

um sinal de 5 Vdc na entrada e produz outro sinal de 5 Vdc isolado do primeiro.

● AMC1200B: Este componente é definido como amplificador de isolação e suas

características de funcionamento são iguais às dos amplificadores operacionais. A

grande diferença está na isolação a entrada e a saída do componente. Mais

especificamente, o AMC1200B garante isolação de 4 kV de pico entre a entrada e

a saída. Esta característica é fundamental para eliminar os ruídos diferenciais

existentes no SmartPlug 1.0. Dois AMC1200B foram escolhidos para atuar na

aquisição da tensão e da corrente.

● CS5DR001E: Para fazer a leitura da corrente que circula para a carga foi selecionado um resistor shunt. Este componente da série CS5 possui a especificação de 5 W, 0.001 Ω e 0,5% de erro.

● LM358N: O LM358 é um amplificador operacional de uso geral na eletrônica que

auxilia no condicionamento da corrente no projeto do SmartPlug. Como o resistor

shunt possui uma resistência de 0.001 Ω, o valor de corrente lido pelo amplificador

de isolação tem escala 1:1000. O arranjo deste amplificador traz um ganho de 10

vezes no valor da entrada e adequa o sinal para a saída de 0 a 5V.

3.5 Fluxo de trabalho do SmartPlug 3.0 Esta última seção sobre o desenvolvimento do circuito explica o projeto de forma mais

abrangente para explicitar a lógica de trabalho. Para isso, a Figura 12 a seguir divide o

esquemático do SmartPlug 3.0 em categorias numeradas e na sequência a Tabela 2 à

referencia:


28

Figura 12 – Análise do SmartPlug 3.0


Referência Descrição

1 Terminal de alimentação do circuito. Fisicamente é uma conexão à rede de baixa tensão (127 Vac) ligada diretamente à uma tomada.

2 Ligação paralela para alimentação do circuito. Este componente recebe os 127 Vac na entrada e converte para 5 Vdc, conforme detalhado anteriormente.

3 Alguns componentes necessitam de duas alimentações DC isoladas para o correto funcionamento. Portanto, neste ponto são estabelecidos 2 pontos de 5 Vdc isolados eletricamente, através do PDS1-S5-S5-S.

4

Divisor de tensão com escala 1000:1. A disposição escolhida faz com que haja uma tensão mil vezes menor nos terminais do resistor de 1kΩ. Assim, a diferença de potencial [V] nos terminais da carga é lida em [mV] pelo circuito.

5

Este AMC1200B, em conjunto com os filtros presentes na sua entrada, capta os valores de tensão vindos do divisor e promove uma mudança de escala e referência no valor de saída. É importante observar que ele necessita de duas alimentações DC independentes, e neste caso são de 5 Vdc. O sinal de saída para esta configuração está com 2,5 Vdc de referência e possui amplitude de 0 a 5 Vdc.

6 O valor da tensão é apresentado de forma diferencial para ser lido por algum sistema de aquisição de dados. O AMC1200B estabelece 2,5 Vdc e amplitude de 0 a 5 Vdc.

1 2

3

4

5

87

11

9

6

10


29

7 Esta referência mostra o resistor shunt de 0,001Ω que foi selecionado para realizar a medição da corrente do circuito. A combinação dele com o AMC1200B busca minimizar os efeitos do common-mode rejection.

8

Este componente é responsável pela medição dos dados de corrente. Ele trata o sinal de tensão da entrada e transmite ao próximo componente. Vale ressaltar que o AMC1200B apresenta um alto valor de isolação entre os terminais de entrada e saída, o que diminui a propagação de ruídos no sinal e melhora a qualidade da medição.

9 Devido ao valor do resistor shunt escolhido, é necessário aumentar a escala dos dados em dez vezes para entrar no padrão de leitura escolhido em V. Por isto, este amplificador operacional promove o ganho final do sinal.

10 Esta saída, em conjunto com o GND1 expõem os terminais de corrente para a medição. Semelhante a referência 6, os dados são aquisitados deste ponto em diante.

11 Este terminal representa a conexão da rede à carga. Todo o circuito de medição entra em paralelo com a carga, e portanto os valores lidos pelo circuito refletem diretamente a energia consumida por ela.

Tabela 2 – Descrição dos componentes do SmartPlug 3.0

3.6 myDAQ e LabVIEW

O circuito desenvolvido para a medição não possibilita, por si só, aquisição e a análise

dos dados. Por isso é necessário incluir algum outro dispositivo capaz de realizar a

interface com um computador. Como já foi explicado anteriormente, o primeiro

dispositivo utilizado foi o myDAQ da National Instruments. Dada a sua disponibilidade

no laboratório, a capacidade de aquisitar dados com alta frequência de amostragem, e a

existência de uma plataforma de análise com interface gráfica, a escolha do myDAQ foi

justificada.

No LabVIEW foi criada uma estrutura de diagrama de blocos para fazer a aquisição

dos dados. Na elaboração da estrutura foram levados em conta alguns recursos relevantes

ao projeto de pesquisa. Os recursos disponíveis no projeto do LabVIEW são: a leitura dos

dados de tensão e corrente, desenho de formas de onda diversas, cálculo de grandezas

RMS instantâneas, contagem de tempo de leitura e geração de arquivo .csv com tensão,

corrente e tempo para outras análises de interesse. A Figura 12 mostra o diagrama

desenvolvido:


30

Figura 12 – Diagrama de blocos do LabVIEW para medição.


Visando à interatividade do pesquisador com o circuito de medição, foi desenvolvido

também um painel frontal que facilitasse o uso. A Figura 13 demonstra o resultado deste

projeto:

Figura 13 – Interface do LabVIEW para medição.



31

Antes de iniciar a medição, o usuário deve inserir alguns parâmetros, que estão na

coluna à esquerda da Figura 13. São ele: a seleção dos canais de leitura, frequência de

amostragem, número de amostras por canal e calibração da medição, caso seja necessário.

Além disso, pode-se programar um contador de tempo para controlar o registro da atividade e

também habilitar a criação de arquivos .csv em local pré-estabelecido. Os quatro gráficos ao

centro da Figura são de tensão [V], corrente [A], tensão RMS [V] e potência ativa [W] ao

longo do tempo. Por fim, a barra no canto inferior mostra o valor calculado de outras

grandezas, que são tensão RMS [V], corrente RMS [A], potência ativa [W], potência aparente

[VA], fator de potência e defasagem angular.

O circuito de medição em conjunto com o myDAQ e LabVIEW foram os objetos de

teste deste trabalho.


32

4 Análise Experimental Após a construção do circuito no software Eagle chegou o momento de fabricá-la. Ao

terminar o processo de solda, a Figura 14 mostra o SmartPlug montado:

Figura 14 – O SmartPlug 3.0.


Com esta etapa finalizada, chegou o momento de testar o conjunto. Infelizmente, foi aí

que começaram a aparecer os problemas de layout da placa. Desde a dificuldade para soldar

alguns componentes a mão devido ao encapsulamento, até a malha de terra que foi incluída no

projeto, o circuito precisou sofrer algumas correções enquanto os testes ocorriam. Isso

originou alguns curto-circuitos e queima de componentes fundamentais para a operação. Com

as dificuldades de se testar o circuito por completo, em determinado momento optou-se por

criar ainda um novo layout que eliminasse todos os erros até então detectados.

Apesar de todos os esforços para corrigir e eliminar tipo qualquer falha na placa, por

três vezes se ligou o novo circuito a rede de 127V, e nas três vezes houve queima de

componentes. Na montagem houve algum curto-circuito não identificado que resultou na

perda de dois resistores de 12 Ω e por fim um dos AMC1200B. Como este último é

componente fundamental e não havia mais reservas, optou-se por simular o circuito em um


33

software e fazer simulações nele. Com isso, os resultados nesta monografia apresentados são

resultado de uma simulação do SmartPlug no software Proteus 8.

Dessa forma, a análise experimental consistiu na comprovação do funcionamento do

plugue inteligente com diversas cargas que simulariam a aplicação no mundo real. A Figura

15 mostra o circuito criado à luz do SmartPlug 3.0. Foi necessário fazer alterações devido à

inexistência de alguns componentes no software, mas a metodologia aplicada se manteve.

Figura 15 – Esquemático do SmartPlug no software Proteus 8.


Para que fosse possível realizar a simulação, separou-se o medidor em dois projetos

diferentes, que correspondem à tensão da rede e corrente na carga, respectivamente. Os


34

componentes OPA1632 e INA122 substituíram os AMC1200B para a aquisição dos dados. O

OPA1632 foi estabelecido para aquisição de tensão com ganho unitário. Para a aquisição de

corrente, a leitura é feita pelo resistor shunt com 0,1 Ω, que passa pelo INA122 com um ganho

de 10 vezes e o valor real é registrado no pino de saída. Nos resultados que serão apresentados

na sequência será explicitado os valores obtidos pelo mecanismo de simulação e desenho

gráfico existente no Proteus. Foram escolhidas algumas cargas afim de verificar o

comportamento do projeto.


35

5 Resultados e Discussão

Nesta seção estão demonstrados os diversos testes realizados no Proteus. Com isto foi

comprovar o funcionamento do circuito desenvolvido neste trabalho e promover um ponto de

partida para outros estudos que visam analisar modelos de cargas. O foco da análise está na

medição de corrente, pois presume-se que as distorções de tensão na rede devido a uma carga

de consumidor final (televisor, máquina de lavar roupa, laptop, etc.) são insignificantes.

O primeiro teste considera a alimentação de uma carga puramente resistiva com 40 Ω.

Este circuito está representado na Figura 15. Para todas as simulações foi colocada uma fonte

de tensão senoidal com 127 Vrms. Como este primeiro teste inclui apenas um resistor deduz-

se da lei de Ohm a corrente na carga como aproximadamente 3,17 A. Este valor pode ser

observado no amperímetro da Figura 16, e o pequeno erro de leitura pode ser atribuído a

tensão da fonte e aos resistores presentes no circuito de medição. Na Figura abaixo está

apresentado a forma de onda da corrente observada no pino 6 do INA122:

Figura 16 – Gráfico de corrente para uma carga puramente resistiva de 40 Ω.


Os próximos testes exploram o comportamento de cargas com alimentação em

corrente contínua. Sabe-se que a cada dia o número de componentes com esta característica

crescem na rede, e como eles correspondem por grande parte das distorções harmônicas, é de

grande relevância conhecê-los. Para tanto, uma ponte retificadora de onda completa a diodos


36

foi incluída na saída do gerador, e algumas combinações de carga foram formadas para se

realizar a análise gráfica.

A Figura 17 mostra o primeiro dos experimentos com tensão contínua. Uma carga de

400 Ω foi selecionada e medida. Em paralelo com a ponte retificadora foi incluído um

capacitor de 100 uF para deixar a tensão da saída mais constante. O valor de corrente lido no

amperímetro é de 0,41 A. Nas Figuras 18 e 19 as formas de onda correspondente são

apresentadas:

Figura 17 – Esquemático de ponte retificadora alimentando carga de 400 Ω.


Figura 18 – Formas de onda para carga de 400 Ω alimentada em tensão DC.



37

Figura 19 – Forma de onda da corrente para carga de 400 Ω com ponte retificadora.


Na Figura 18 é possível observar as formas de onda da tensão da fonte (em verde), da

tensão na carga (em vermelho) e ainda a corrente na carga (em azul). Para melhor visualizar a

corrente na carga, a amplitude do gráfico foi alterada, e na Figura 19 o resultado é mostrado.

O próximo experimento considerou uma carga resistiva/indutiva, com valores de 40 Ω

e 1200mH, respectivamente (Figura 20). As formas de onda resultantes deste circuito estão

mostradas nas Figuras 21 e 22:

Figura 20 – Esquemático para carga de 40 Ω e 1200mH com ponte retificadora.



38

Figura 21 – Formas de onda analisadas para carga de 40 Ω e 1200mH.


Figura 22 – Sinal de corrente na carga de 40 Ω e 1200mH e ponte retificadora.


Como no teste anterior, as formas de onda apresentadas são da tensão na fonte (em

verde), da tensão na carga (em vermelho) e da corrente na carga (em azul). É possível

observar o efeito transitório do indutor no momento que a carga passa a ser alimentada.

Vale ressaltar que em todos estes testes, foi possível analisar o comportamento dos

circuitos e confirmar a veracidade das simulações através da teoria de de Eletrônica de

Potência.


39

Para finalizar os experimentos com o SmartPlug decidiu-se testar uma última carga

que se assemelha mais a aplicações reais. Instalou-se um motor DC em conjunto com um

capacitor na saída da ponte retificadora. A tensão nominal do motor foi especificada com 127

Vdc, pensando em um circuito alimentado com a tensão da rede com a ponte retificadora.

Além disso, foram especificados 1000mH de indutância, 2000 RPM à vazio e carga de 80%

na simulação. A Figura 23 traz o circuito resultante:

Figura 23 – Circuito para medição de corrente de motor DC.


Na sequência vêm os gráficos de tensão e corrente nesta carga (Figuras 24 e 25):

Figura 24 – Formas de onda resultantes para um motor de corrente contínua.



40

Figura 25 – Forma de onda da corrente para circuito de motor de corrente contínua.


Através da Figura 24 é possível analisar os comportamentos transitório e em regime

permanente da carga, considerando a variação de carga do capacitor. Ao ligar o circuito o

capacitor começa a descarregar até que após o terceiro ciclo atinge nível estável de carga e

descarga. É neste exato momento que a corrente na carga se estabiliza e fica praticamente

constante, entrando assim no regime permanente.

Com todos os experimentos apresentados verifica-se que os amplificadores

operacionais aliados a resistores promovem um método simples e eficaz para a medição de

dados. Ao se incluir um método de aquisição de dados, como o desenvolvido neste trabalho

no LabVIEW, tem-se uma poderosa ferramenta para estudos e aplicações diversas no modelo

de cargas.


41

6 Conclusão Ao refletir sobre o trabalho desenvolvido nesta monografia, é possível afirmar que os

objetivos foram cumpridos. Por uma série de infortúnios listados ao longo do texto, não foi

possível construir o circuito fisicamente. Apesar disso, a simulação apresentada mostrou a

eficácia e potencial de aplicação do SmartPlug.

Com isso conclui-se o desenvolvimento de um medidor de tensão e corrente simples e

robusto, capaz de mapear diversas cargas residenciais e gerar dados com qualidade para

análise laboratorial. Espera-se que, com todo o embasamento e experiência relatados, o

conhecimento adquirido contribua para futuros estudos na área de Smart Grids. A interface

apresentada no LabVIEW para tratamento e visualização dos dados também apresenta diversas

vantagens. Dentre elas tem-se a aquisição de dados simplificada, com controles para o usuário

e análise de perfil de cargas em tempo real. Devido à quantidade de recursos que podem ser

adicionadas a esta plataforma, recomenda-se sua aplicação nos experimentos de laboratório.

Por fim, a simulação apresentada no software Proteus confirmou o funcionamento do

SmartPlug mesmo com a impossibilidade da montagem física. Os gráficos expostos na seção

de Resultados e Discussão demonstraram o desempenho do circuito em diversas condições de

carga. A partir deste ponto abre-se a oportunidade para utilizar o modelo de medição proposto

em diversos estudos, em busca de uma energia cada vez mais confiável, eficiente e acessível a

todos.


42

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