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Banco Capacitor com microcontrolador ATMEL

    1 INTRODUÇÃO   

    Muito tem se falado sobre a preocupação da sociedade em assuntos relacionados à economia de recursos naturais. A cada dia corrido depara-se mais com situações de escassez destes recursos, como por exemplo, a água.

  Água esta utilizada para impulsionar as turbinas de geradores nas usinas hidrelétricas, tem sido constantemente citada nos noticiários, no que se refere de sua disponibilidade abaixo do mínimo planejado para a geração de energia elétrica:


     Os profissionais do setor elétrico porém, tem constantemente procurado por meios alternativos de geração de energia elétrica, tais como Eólica, Solar, das Marés, Nuclear, Gás, dentre outras, tudo como expectativa de complemento para a geração hidrelétrica, a mais utilizada no Brasil, veja:



      Entretanto, para o suprimento da demanda do consumo populacional que cada vez mais cresce, meios alternativos de economia podem ser implementados no sistema elétrico atual, minimizando assim os custos de instalação de novas usinas geradoras de eletricidade, ou seja, meios de economia em massa podem ser implementados, aliviando a demanda nas usinas existentes com menor custo.

     Um dos meios possíveis de economia de energia elétrica apresentado neste trabalho é a chamada "Correção do Fator de Potência", que tem por objetivo corrigir as cargas (equipamentos) instalados em determinado imóvel para um Fator de Potência o mais próximo possível de 100% da potência útil disponível para trabalho. Ou seja, os equipamentos passam à utilizar toda ou quase toda potência útil real para o trabalho, diminuindo desta forma o consumo elétrico. Veja um exemplo de dispositivo disponível no mercado que faz o gerenciamento e correção do consumo de um motor elétrico:


     Corrigir o Fator de Potência de um equipamento (Ex: motor elétrico) é torná-lo mais econômico com relação ao consumo elétrico, sem alterar suas características básicas de funcionamento tais como torque, velocidade, segurança, dentre outros.

      Tendo base esta necessidade de economia e consumo consciente de energia elétrica este Trabalho apresentado adiante tem por finalidade o estudo e aplicação de melhoria no que se refere à medição e controle de Fator de Potência de motores elétricos para redução do consumo de potência elétrica reativa (sem trabalho útil), além de muitas outras vantagens ao sistema elétrico de distribuição, como estabilização do nível de Tensão da rede elétrica.

     O protótipo citado abaixo visa contribuir junto ao sistema elétrico local de distribuição de energia elétrica, quanto à diminuição de consumo, com base na correção de consumo reativo excedente dos motores elétricos, minimizando assim custos de adequação dos sistemas de distribuição elétrica.

      Popularizar junto aos usuários comerciais e industriais a importância deste assunto com base na Eficiência Energética, com equipamento simples e de baixo investimento melhorado à partir do protótipo desenvolvido, gerando assim economia tanto para o consumidor final quanto à concessionária de distribuição de energia elétrica que por sua vez pode priorizar outras necessidades do sistema elétrico devido à economia de consumo proporcionada pelo usuário que faz a correção do Fator de Potência.

      Diante à visão acadêmica, demonstrar que há possibilidade de desenvolvimento do protótipo, mesmo diante da dificuldade na criação de algoritmos de programação, cálculos com Séries de Fourier para sinais discretos e demais aspectos técnicos e de cálculos complexos realizados por instrumentos comerciais dedicados, sendo que estes mesmos cálculos podem ser realizados pelo protótipo desenvolvido e que se melhorado pode concorrer de igual aos dispositivos disponíveis no mercado.

1 PROBLEMA

      Motores elétricos operando à vazio ou com pouca carga são na sua grande maioria os vilões do baixo Fator de Potência.

      O problema fica mais evidente, quando na execução do projeto de correção, depara-se com o elevado custo de Banco Capacitores comercialmente disponíveis no mercado, necessários para a devida correção do Fator de Potência.

      Diante destes custos elevados de investimento para a devida correção do fator de potência, quais outros meios alternativos de tecnologia poderiam ser desenvolvidos?     
 
1.2 OBJETIVOS

     
1.2.1 Objetivo geral
      Analisar como ocorre a defasagem entre tensão e corrente elétrica nas cargas indutivas, a fim de elaborar um projeto para medição do Fator de Potência, bem como correção por meio de banco capacitores automáticos.     
1.2.2 Objetivos específicos ou secundários:
* Pesquisar sobre motores elétricos ao que se referem ao consumo reativo indutivo e capacitivo.
* Identificar meios para realizar a medição do Fator de Potência.
* Aplicar os conceitos obtidos, com construção de protótipo para concretização dos cálculos e pesquisas.        
     
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

      Este trabalho envolve estudos nas áreas de cálculo, eletrônica digital, eletrônica analógica e análise de sinais senoidais, sendo apresentado seus principais conceitos a seguir.     

2.1 SISTEMA ELÉTRICO CA

      O sistema elétrico CA (Corrente Alternada) conceitua-se na função matemática seno, sendo que a polaridade varia periodicamente em função do tempo (Figura 1). O eixo zero representa metade da função seno, acima do eixo o sinal tem polaridade positiva e abaixo do eixo o sinal tem polaridade negativa.


      Figura 1 - Forma de onda função seno       
       Fonte: Gussow (2009), p. 264.

      O sinal de corrente alternada é produzido por um gerador, denominado Alternador. Como exemplo (Figura 2) temos um gerador básico, cuja bobina condutora gira através de um campo magnético mantido por imãs permanentes. Durante o movimento giratório a bobina intercepta as linhas de força, induzindo tensão alternada. Uma volta completa da bobina corresponde à 360° ou seja, um ciclo.     


      Figura 2 - Gerador básico
   Fonte: Gussow, (2009), p.264.

      Uma onda senoidal CA é representada em função do tempo, pois seus valores instantâneos variam no tempo. Comumente é melhor representar os valores médios deste sinal como valor de pico, valor rms, valor médio e valor de pico a pico ( Figura 3).


      Figura 3 - Valores instantâneos da onda senoidal
Fonte: Gussow, (2009), p.271.

      O valor de pico é o valor máximo entre o eixo zero e o topo limite do sinal, enquanto o valor de pico a pico é o valor máximo entre o topo positivo ao topo negativo deste mesmo sinal.
    O valor médio corresponde à 0,637 vezes o valor de pico do sinal.
    O valor rms corresponde à 0,707 vezes o valor de pico deste mesmo sinal (GUSSOW, 2009). 

2.2 RELAÇÕES DE FASE

      Entre duas formas de onda senoidais de mesma frequência um ângulo de fase representa a diferença angular entre estes dois sinais.

      Conforme demonstra a Figura 4 o ângulo de fase entre a onda senoidal A e a onda senoidal B é de 90°. A onda B está adiantada em relação à onda A em 90°. Este ângulo de fase 90° repete-se durante o ciclo completo do sinal e também durante os demais ciclos sucessivamente.


Figura 4 - Ângulo de fase entre onda A e onda B     
       Fonte: Gussow, (2009), p.269.

      Este trabalho desenvolvido utiliza-se deste conceito de relação de fase para a realização da medição do ângulo cosseno e consequente correção do consumo reativo excedente presente nos sistemas elétricos.
   
2.3 POTÊNCIA E FATOR DE POTÊNCIA
      Em um sistema elétrico de corrente alternada, pode-se obter a potência instantânea pela equação:

      P = u . i         Equação 1
     
      , sendo P = watts, u = volts e i = corrente.

      Como pode-se verificar pela Figura 5, quando a senóide de tensão é positiva juntamente com a senóide de corrente (sem defasagem), a potência será positiva, havendo maior disponibilidade de potência útil ao trabalho.


      Figura 5 - Diagrama temporal tensão x corrente em fase     
       Fonte: Gussow, (2009), p.352.

      Analisando-se a Figura 6, verifica-se que se enquanto a senóide de tensão for positiva enquanto a senóide de corrente é negativa, parte do produto será potência negativa. Sendo que esta “potência negativa” não estará disponível para trabalho útil, voltando para a linha de alimentação, ou seja trata-se de energia Reativa.


      Figura 6 - Diagrama temporal tensão x corrente fora de fase     
       Fonte: Gussow, (2009), p. 352.

      Esta defasagem (teta) entre tensão e corrente (Figura 6), ao ser medida serve como variável para o cálculo da potência ativa e potência reativa do sistema elétrico sob teste.   

      Pode-se obter a potência ativa (watts) pela equação:
      P = u . i . cos     

          Pode-se obter a potência reativa (Var) pela equação:
      Q = U . I . sen      

          Bem como, obter-se a potência aparente (VA) pela equação:
      S = U . I           

      Estas potências, ativa, reativa e aparente, são representadas via trigonometria por um triangulo retângulo, Figura 7, para compreensão do cálculo utilizado.


Figura 7 - Triângulo de potências
Fonte: Gussow, (2009), p.353.

      O cos de um circuito elétrico é o fator de potência. O fator de potência determina que parcela da potência aparente é útil e varia de 0 à 1.

      Quando a senóide de corrente está atrasada em relação à senóide de tensão (ângulo teta), o fator de potência é indutivo.

      Quando a senóide de corrente está adiantada em relação à senóide de tensão (ângulo teta), o fator de potência é capacitivo.

      O cos é igual ao fator de potência, desde que os sinais amostrados de tensão e corrente sejam puramente senoidais.

      Na presença de harmônicos nestes sinais, o fator de potência não é igual ao cos. Envolvendo outro método de cálculo, onde a distorção harmônica total faz parte do cálculo. Este trabalho não considera a presença de harmônicos nos sinais amostrados. (GUSSOW, 2009).
      
2.4 CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA
      O fator de potência varia de 0 à 1, um fator de potência por exemplo com valor de 0,7 tem o mesmo significado que somente 70% da potencial útil do sistema elétrico está sendo utilizada, os 30% restantes são perdidos em forma de energia reativa ou seja, potência não utilizada para trabalho útil.

      Assim destaca-se a importância de realizar o controle do ângulo de defasagem ou mais especificamente o Fator de Potência em uma planta elétrica industrial, dotada de grupo de motores elétricos (carga reativas indutivas) para maior eficiência do consumo elétrico versus trabalho realizado.

       O fator de potência é 1 (unitário), quando tensão e corrente estão em fase, ou seja, passam pelo eixo X no mesmo instante, conforme Figura 5.

      Em uma planta industrial dotada de motores elétricos, haverá baixo fator de potência indutivo. Devido à características dos indutores de atrasar a corrente em relação à tensão (ângulo teta).

      Para isto, instala-se capacitores e paralelo ao circuito elétrico. Estes capacitores possuem como característica adiantar a corrente em relação à tensão (ângulo teta).

      Com a instalação de capacitor juntamente ao motor elétrico, estamos fornecendo energia reativa capacitiva necessária ao circuito, que por sua vez anula-se à energia reativa indutiva presente, fazendo com que o fator de potência esteja o mais próximo possível de 1 (unitário) (GUSSOW, 2009).
     
2.5 SENSOR DE CORRENTE
      Para a medição de corrente elétrica CA pode-se utilizar o método invasivo ou o método não invasivo.

      No método invasivo comumente utiliza-se de um componente elétrico chamado de shunt [transformador de corrente série] (Figura 8) instalado em série com o circuito elétrico. Devidamente dimensionado para a aplicação em questão, este componente utiliza-se da lei de ohm que por sua vez afirma que a diferença de potencial sobre o shunt é diretamente proporcional à corrente elétrica que circula pelo mesmo. Desta forma, mede-se a tensão sob os terminais do shunt e aplicando-se novamente a lei de ohm (BAPTISTA, 2004) com auxílio de um microcontrolador, obtém-se o valor da corrente elétrica presente no circuito sob medição.


      Figura 8 - Shunt para medição de corrente
Fonte: Parkey (2016).

      Já no método não invasivo, como o próprio nome sugere, não há necessidade de seccionamento do condutor elétrico do circuito sob medição.

      Neste método utiliza-se comumente transformadores de corrente (Figura 9), que possuem um primário (fio do circuito sob medição) e um secundário com várias espiras enroladas formando um núcleo toroidal. Este núcleo (transformador de corrente) por sua vez gera um diferença de potencial de amplitude proporcional à corrente elétrica que circula no primário (BAPTISTA, 2004), permitindo a medição e aplicação da lei de ohm para obtenção do valor indireto da corrente elétrica.


      Figura 9 - Transformador de corrente
Fonte: Nei (2016).

      Além do transformador de corrente pode-se ainda utilizar sensores de efeito hall (Figura 10) para a medição indireta da corrente elétrica. Este método foi descoberto por E.H. Hall em 1879 que durante ensaios constatou que submetendo um metal à um campo magnético perpendicular à direção da corrente elétrica verifica-se uma diferença de potencial nas laterais deste material (KASAP, 2012).


      Figura 10 - Sensor de corrente efeito Hall
Fonte: Usinainfo (2016).

      Um dispositivo sensor Hall constitui-se de uma placa de metal semicondutor com comprimento l, espessura t e largura w. Quando uma corrente elétrica passa por este semicondutor, uma tensão elétrica é gerada nos contatos laterais. Os sensores de efeito Hall combinam os geradores de tensão Hall juntamente à amplificadores de tensão, circuitos Schmitt e transistores num mesmo circuito integrado. Para funcionamento, o sensor Hall trabalha em conjunto com um anel de ferrite que tem como função concentrar o campo magnético do fio sob medição (HONEYWELL, 2016).
     
2.6 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL
      Um transformador de potencial (Figura 11) é utilizado para transformar valores de tensão alternada para um valor mais alto ou mais baixo, de acordo com a aplicação desejada.


Figura 11 - Transformador de potencial
Fonte: Eletrodex (2016).   

      Neste trabalho desenvolvido, o transformador de potencial é utilizado para diminuir a tensão à ser medida com auxílio de um kit Arduino.

      O transformador básico, consiste em duas bobinas isoladas entre si, denominadas de enrolamento primário e enrolamento secundário, enroladas sob um núcleo geralmente de aço laminado (Figura 12).


      Figura 12 - Transformador de potencial em corte
Fonte: Elétrica e suas dúvidas (2016).

      O transformador baseia-se no princípio de que a energia pode ser transformada, por indução, da bobina do primário(A) à bobina do secundário(B), devido à variação de fluxo magnético presente de quando o transformador está energizado.

      O fluxo Ø, chamado de fluxo mútuo, ao atravessar o circuito magnético constituído por um núcleo de ferro abraça as espiras da bobina de primário e secundário gerando assim diferença de potencial, variando de acordo com a tensão aplicada no primário e número de espiras do secundário.
     
2.7 MICROCONTROLADORES
      Microcontroladores são circuitos integrados, que possuem num mesmo invólucro processador, memória, portas lógicas, pinos de dados para envio e recebimento de sinais elétricos (BORGES, 2012).

      Devido sua grande popularização, os Microcontroladores são utilizados nas mais variadas funções em televisores, aparelhos de ar condicionado, portões eletrônicos, sistemas de automação residencial e demais áreas, dependendo apenas da capacidade técnica do projetista para criação de novos projetos. Por este motivo, este trabalho optou pelo estudo deste componente eletrônico, devido sua alta capacidade de processamento e alto volume de material didático disponível em livros e na Web.

          O funcionamento dos Microcontroladores baseia-se numa simples arquitetura, onde via código C programa-se a lógica de funcionamento. Cada modelo de microcontrolador possui características técnicas particulares como número de pinos, capacidade de processamento, memória disponível para o programa e memória RAM. (BORGES, 2012).


      Figura 13 - Exemplo código C
Fonte: Adaptado de Microcontroladores (2015).

      Para upload [carregamento] da programação no microcontrolador utiliza-se de um software fornecido pelo fabricante, neste caso da fabricante Atmel, utiliza-se o AVR Studio® (Figura 14), bem como pode-se utilizar o software IDE Arduino (BORGES, 2012).

      
      Figura 14 - Software AVR Studio
Fonte: Atmel (2016).


      Figura 15 - Software IDE Arduino
Fonte: Arduino (2016).

      O microcontrolador modelo ATmega 2560 de 8 bits da fabricante Atmel é atualmente utilizado na Plataforma de desenvolvimento Arduino Mega 2560 (Figura 16) para fins de estudos open Soure [código aberto], com baixo custo de aquisição e alta performance, demonstrando ser de grande utilidade no desenvolvimento de protótipos eletrônicos, como o desejado neste trabalho.


      Figura 16 - Plataforma Arduino Mega 2560
Fonte: Arduino (2016).

          Este microcontrolador possui 54 pinos que podem ser utilizados como saída ou entrada de dados, sendo 15 pinos para dados digitais (0 ou 5V), 16 pinos para dados analógicos e 4 portas de comunicação serial ( Figura 17).


      Figura 17 - Pinagem Arduino Mega 2560
Fonte: Arduino (2016).
      
     Trabalhando com alimentação em 5V, este microcontrolador pode facilmente ser alimentado por uma simples fonte DC ou até pela porta USB do computador.

     Seus pinos de dados também operam com valores de 0 à 5V, portanto os devidos cuidados devem ser tomados quanto à utilização de resistores “pull-up” de limitação de corrente de dreno (40mA), bem como valores de tensão acima de 5V não são tolerados por esta plataforma. (BORGES, 2012).

        A plataforma Arduino, base do microcontrolador ATmega 2560, possui um circuito integrado ATmega 16U (Figura 18), responsável pela comunicação serial via porta USB entre o Arduino e o computador à ser utilizado para a programação da lógica de funcionamento. Mais uma característica que torna o Arduino grande atrativo para o uso de protótipos de projetos, como neste trabalho desenvolvido, já que via dados serial é possível validar a lógica de programação em estudo com grande praticidade.


      Figura 18 - Circuito integrado 16U2 Fabricante Atmel
Fonte: Atmel (2016).
          
      3 METODOLOGIA
      Neste trabalho experimental que:
       “É o método usado nas ciências, que consiste em estudar um fenômeno da maneira mais racional possível, de modo a evitar enganos, sempre buscando evidências e provas para as ideias, conclusões e afirmações.”

           Utilizara-se também do método comparativo:
       “Estabelece procedimentos de comparação entre elementos, para evidenciar lhes as semelhanças e/ou as diferenças.” (TRIGUEIRO, 2014, p.66).

      Como método teórico de simulação, utiliza-se o módulo Simulink do software MATLAB (Figura 19), como ferramenta matemática. O software MATLAB permite a modelagem, simulação e análise de sistemas dinâmicos lineares e não lineares, ferramenta esta largamente utilizada pela Engenharia no ramo de desenvolvimento.


      Figura 19 - Software MATLAB
Fonte: O autor (2016).

      Simulações teóricas de circuitos eletrônicos são realizados no software Multisim (Figura 20), mediante desenvolvimento de diagramas elétricos, dimensionamentos de componentes e geração de gráficos, com o objetivo de comparação aos ensaios práticos posteriormente ou paralelamente realizados.

    
      Figura 20 - Software Multisim
Fonte: National Instruments (2016).

      Como referência normativa será adotado a Resolução nº. 414 de 09 de setembro de 2010 da Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL que estabelece que o Fator de Potência nas unidades consumidoras deve ser superior a 0,92 capacitivo durante 6 horas da madrugada e 0,92 indutivo durante as outras 18 horas do dia.

      Estas ferramentas teóricas serão utilizadas no Laboratório, sempre na presença total do grupo deste trabalho, visando o compartilhamento de conhecimento quanto uso destes softwares.

    Os dados à serem simulados teoricamente serão coletados em campo, mediante instrumentos de medição específicos, como por exemplo, alicate wattímetro, cuja função principal é a medição do Fator de Potência. Estes dados então serão simulados via software MATLAB e Multisim, sendo comparados com os dados obtidos em campo.

    Visando o método prático utilizou-se de uma bancada de simulação (Figura 21) dotada de Osciloscópio, Gerador de Funções, Fonte de Alimentação e motores. Pode-se mediante ensaio verificar o comportamento destas cargas no ambiente real de instalação, comparando-se a medições obtidas por aparelhos comerciais versus o protótipo à ser desenvolvido com a fundamentação teórica.

      
      Figura 21 - Bancada de ensaios
Fonte: O autor (2016).
     
 4 TRABALHO EXPERIMENTAL
      Este capítulo tem como objetivo a execução prática do protótipo desenvolvido, no que refere-se à lógica de programação do Firmware que roda na plataforma Arduino, bem como da lógica de acionamento do banco de capacitores que farão a correção do baixo Fator de Potência.
     
  4.1 PROGRAMAÇÃO
      Como referência de desenvolvimento da lógica de programação foi utilizado fragmentos do código aberto citado por Trystan (2016), (Figura 22). Este código proposto pelo autor originalmente proponha-se à medição de corrente, tensão, potência ativa, potência aparente e fator de potência rodando o firmware na plataforma Arduino.

      O código “Open Energy Monitor” foi desenvolvido pelo autor em linguagem C, via software IDE Arduino e utiliza-se do arquivo “voltage_and_current.ino” e bibliotecas desenvolvidas no software Atmel Studio, com arquivos “EmonLib.cpp” e “EmonLib.h”.


      Figura 22 – Código aberto do Open Energy Monitor
Fonte: O autor (2016).

      Com objetivo de verificar da eficiência deste código proposto por TRYSTAN (2016), o mesmo foi submetido a um teste comparativo, utilizando um instrumento comercial, ou seja, um Alicate Wattímetro, modelo ET-4080, fabricante Minipa. O Quadro 1 apresenta o resultado das medições (Figura 23).
    

      Figura 23 - Teste ET4080 Minipa x OpenEnergyMonitor
Fonte: O autor (2016).


      Figura 24 - Interface de comunicação Serial do Arduino IDE
Fonte: O autor (2016).

      Analisando a Tabela 1, constatou-se erro de 0,02 dígito por parte do código “OpenEnergyMonitor”. O erro de 0,02 ocorreu devido à presença de harmônicos na rede elétrica, constatados com o instrumento Minipa ET4080 (Figura 25), durante o teste comparativo (Figura 23). Conforme o capítulo Fundamentação Teórica, este trabalho não contempla o cálculo de harmônicos no protótipo elaborado, portanto o erro de medição mencionado já está previsto no protótipo.


      Figura 25 - Medição de THD (Distorção Harmônica Total) com ET4080 Minipa
Fonte: O autor (2016).

      Na fase seguinte, realizou-se pequenas implementações no código compartilhado, com o objetivo de calcular a energia capacitiva necessária para correção do Fator de Potência e acionamento dos capacitores de acordo com a lógica pré determinada no novo código parcial desenvolvido:
     
         aCos = acos (powerFactor) * 180 / PI; //convertendo cos rad em acos deg  
          if (aCos <= 15 ) // ajuste de escala de aCos
          {
          aCos = aCos - 2.4;
          }          
         Sen = sin (aCos * PI / 180); //convertendo o angulo obtido em seno    
         Var = (volt * Irms * Sen); //potência reativa     
     
      Utilizou-se da equação 5, para determinar a capacitância necessária para a correção do Fator de Potência. O princípio de lógica de acionamento dos capacitores dá-se por meio do cadastro do valor em Farad dos capacitores à serem utilizados. De acordo com a energia reativa capacitiva necessária o Arduino faz o cálculo por meio desta equação e analisa qual ou quais capacitores devem ser acionados para a correção do Fator de Potência medido.

      C = Var/(2.pi.F.U^2)      Equação 5
     
Sendo:
      C = Capacitância (Farad);
      Var = Potência reativa indutiva;
      U = Tensão (Volts).

      Este código C implementado foi submetido à mais uma fase de testes, desta vez com auxílio de um equipamento “Gerador de Funções”, modelo 4053 10Mhz, fabricante BKPrecision, cujo objetivo foi de gerar-se duas ondas senoidais de 60Hz defasadas entre si (Figura 26) e via auxílio de um equipamento “Osciloscópio”, modelo PDS 5022S, fabricante OWON (Figura 27), simular e comparar a lógica de acionamento dos capacitores, conforme a equação 5. Este procedimento assimila-se à um procedimento de Calibração de instrumentos de medição, onde utiliza-se de um instrumento calibrado e confiável para verificação de um instrumento sob análise, neste caso o protótipo desenvolvido.
     

      Figura 26 - Gerador de funções
Fonte: O autor (2016).


      Figura 27 - Osciloscópio de bancada OWON
Fonte: O autor (2016).

4.2 HARDWARE
      Considerando-se que a linguagem de programação à ser utilizada seria “C”, como plataforma física de desenvolvimento optou-se pelo Arduino devido sua compatibilidade com a linguagem de programação escolhida, bem como grande disponibilidade de informações em código aberto na Web e em livros técnicos. O Arduino trata-se de uma placa eletrônica que possui o microcontrolador ATMega 2560, resistores, fonte e demais componentes eletrônicos, que em conjunto compõe o hardware. O Hardware é a parte física utilizada para realizar a medidas elétricas, bem como os acionamentos dos capacitores via desenvolvimento de código em linguagem de programação C.

      Além da plataforma Arduino, realizou-se a montagem de um circuito eletrônico auxiliar, cujo objetivo é tratar o sinal de tensão à ser medido (Figura 28).


      Figura 28 – Circuito para tratamento do sinal de Tensão
Fonte: O autor (2016).


      Figura 29 - Protótipo em bancada
Fonte: O autor (2016).

      O protótipo desenvolvido é composto de um Transformador de potencial, cujo objetivo é transformar a tensão da rede elétrica 220VAC em 12VAC. Estes 12VAC por sua vez não podem ser conectados diretamente à entrada analógica do Arduino devido ser um sinal alternado (AC), para isso utiliza-se do circuito item 2 da Figura 29 para realizar o offset do sinal, afim de que, o sinal suba acima do eixo x, oscilando entre mínimo e máximo, sem alteração de polaridade e mínima distorção do sinal original da rede elétrica.

      Também é composto por um sensor de corrente elétrica ACS712 da fabricante Allegro (Figura 30), cujo objetivo é medir o fluxo de corrente elétrica na carga sob teste. Este circuito integrado, utiliza-se do efeito Hall, gerando um sinal contínuo ou oscilatório de acordo com o tipo de sinal medido. No caso da aplicação deste trabalho, o sinal de corrente alterada (AC) medido pelo circuito integrado, é transposto no pino 7 oscilando entre mínimo e máximo acima do eixo x, estando assim o sinal compatível para a conecção direta à entrada analógica do Arduino.


      Figura 30 - Circuito esquema do Sensor ACS712 Allegro
Fonte: Allegro (2016).
     
5 RESULTADOS
      Após a montagem definitiva do protótipo e utilizando-se o Alicate Wattímetro modelo ET 4080 do fabricante Minipa, foram realizados testes de medição do fator de potência, a fim de comparação entre o equipamento comercial pronto no mercado e o protótipo desenvolvido pelo grupo de trabalho (Figura 31).


Figura 31 - Alicate Wattímetro ET4080 Minipa em bancada
Fonte: O autor (2016).

      Foram utilizados diferentes tipos de cargas (motores) para os testes, bem como as leituras de fator de potência do protótipo foram realizadas via interface USB e software de comunicação Serial do IDE Arduino (Figura 32).


      Figura 32 - Ensaios do protótipo
Fonte: O autor (2016).

      Nos testes que referem-se ao acionamento dos capacitores, a lógica desenvolvida mostrou-se satisfatória. Cada estágio do banco capacitor (Figura 33) acionou corretamente de acordo com a energia reativa capacitiva necessária, corrigindo desta forma o baixo Fator de Potência de cada carga simulada (Figura 34).

     
      Figura 33 - Módulo de acionamento do Banco de Capacitores
Fonte: O Autor (2016).


Figura 34 - Fator de Potência corrigido - Analisador MAR-715 Megabrás
Fonte: O Autor (2016).

      Em um dos testes realizados, utilizou-se como carga modelo uma lavadora de roupas que originalmente consome 2.1A e FP=0.60. Com a utilização do protótipo o consumo caiu para 1.38A e Fator de Potência subiu para 0.93.

      Ou seja, o consumo reduziu em 0.72A totalizando economia de 34% no consumo elétrico.
 
6 CONCLUSÕES     
      Verificou-se por meio do capítulo Trabalho Experimental a viabilidade na utilização do protótipo apresentado, devido seu baixo custo de aquisição e para utilização semiprofissional no ambiente de campo na aplicação para correção de fator de potência em grupos de motores elétricos.

      O protótipo não tem como objetivo subestimar a capacidade de medição dos instrumentos profissionais já desenvolvidos e vendidos no mercado, mas tem como propósito demonstrar que o mesmo tipo de equipamento de medição pode ser desenvolvido por pequenos micro empreendedores, claro que com maior investimento em mão de obra na linguagem e lógica de programação e hardware para aperfeiçoamento do Hardware e Software.

      Durante a elaboração deste trabalho, meses de pesquisa foram necessários para o desenvolvimento do protótipo. Diversas dificuldades técnicas surgiram a cada etapa de desenvolvimento do projeto, porém tecnicamente contornadas e solucionadas até a obtenção do protótipo apresentado.

REFERÊNCIAS
      ALLEGRO. Microcontroladores. Disponivel em: <www.allegro.com>. Acesso em: 21 mai. 2016.
     ARDUINO. Plataforma Arduino. Disponivel em: <www.arduino.cc>. Acesso em: 26 Abr. 2016.
     ATMEL. Atmel Studio. Disponivel em: <www.atmel.com/microsite/atnel-studio>. Acesso em: 25 Abr. 2016.
   BAPTISTA, J. Sistema de Monitoração da Qualidade da Energia Elétrica Baseado em PC e desenvolvido em LABVIEW, Bragança/Portugal, 2004.
     BORGES, C. AVR e Arduino Técnicas de Projeto. [S.l.]: 2 Edição, 2012. 
DUVIDAS, E. E. S. Transformador de Potencial em corte. Disponivel em: <www.eletricaesuasduvidas.com.br>. Acesso em: 22 Abr. 3016.
  ELETRODEX. Transformador de Potencial. Disponivel em: <www.eletrodex.com.br>. Acesso em: 23 Abr. 2016.
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