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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE BAURU (FATEC)
HAROLDO LUIZ MORETTI DO AMARAL
INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS, TRANSITÓRIOS
E QUALIDADE DA ENERGIA: impacto nos equipamentos
eletromédicos e desenvolvimento de um gerenciador de
energia
BAURU - 2012
1
HAROLDO LUIZ MORETTI DO AMARAL
INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS, TRANSITÓRIOS
E QUALIDADE DA ENERGIA: impacto nos equipamentos
eletromédicos e desenvolvimento de um gerenciador de
energia
BAURU - 2012
Trabalho de Graduação apresentado à Faculdade de Tecnologia de Bauru – Curso de Tecnologia em Sistemas Biomédicos para a obtenção do título de Tecnólogo. Orientadora: Prof.ª M.ª Maria Goretti Zago
2
HAROLDO LUIZ MORETTI DO AMARAL
INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS, TRANSITÓRIOS
E QUALIDADE DA ENERGIA: impacto nos equipamentos
eletromédicos e desenvolvimento de um gerenciador de
energia
Orientadora:
__________________________________________________ Prof.ª M.ª Maria Goretti Zago – Docente da Fatec
Banca Examinadora:
___________________________________________________ Prof. M.e José Eduardo Alves de Oliveira – Docente da Fatec
___________________________________________________ Prof. Dr. André Nunes de Souza – Docente da Unesp Bauru
Trabalho de Graduação apresentado à Faculdade de Tecnologia de Bauru – Curso de Tecnologia em Sistemas Biomédicos para a obtenção do título de Tecnólogo. Bauru,___de ___________de______
3
DEDICO ESTE TRABALHO
Aos meus pais, Haroldo Padovan do Amaral e
Cleide Moretti por sempre estarem presentes,
incentivando e apoiando meus estudos e objetivos. Se
cheguei até aqui, foi por vocês!
4
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, pela saúde e força necessária nos momentos de dificuldade
durante estes anos.
A minha orientadora, Prof.ª M.ª Maria Goretti Zago pela orientação prestada,
oportunidades oferecidas e amizade.
A todos que de forma direta ou indireta me influenciaram e ajudaram no
desenvolvimento deste trabalho, dentre elas, Thalita Jordan que auxiliou e participou do
trabalho que desencadeou um aprofundamento nos estudos referentes ao tema qualidade da
energia, ao professor Dr. André Nunes da UNESP Bauru pelo convite para atuar como
pesquisador no laboratório LSISPOTI, ao mestrando Danilo Gastaldello pelo
companheirismo e auxílio no desenvolvimento, ao Ralf responsável pelo laboratório de
eletrônica da FATEC Bauru pela paciência nos diversos momentos em que necessitei do
laboratório, ao prof. Maurício Nakai pelo auxílio no desenvolvimento dos algoritmos para
cálculo de integrais discretas.
5
Nós podemos tomar o estado presente do universo como o efeito do seu
passado e a causa do seu futuro.
Pierre S. de Laplace
6
RESUMO
Qualidade da energia sempre foi foco de discussões, principalmente entre os
profissionais das áreas de energia. Com o advento da evolução tecnológica, novas
formas de controle elétrico e maior proximidade dos consumidores, este assunto
deixou de ser debatido somente por profissionais, estando presente também nos
meios de comunicação em massa gerando dúvidas e discussões na população. “O
que é qualidade da energia? Qual sua influencia?” Com a adoção das novas
tecnologias de controle de cargas, o sistema energético passou a sofrer intensa
degradação em suas características básicas, diminuindo os padrões da qualidade da
energia. Dentro dos distúrbios relacionados, as interferências eletromagnéticas
possuem grande importância, sendo responsáveis por instabilidades no
funcionamento de equipamentos mais sensíveis. Dentro deste grupo de
equipamentos mais sensíveis estão os equipamentos eletromédicos, onde defeitos
ou falhar no funcionamento podem colocar em risco a vida do paciente. Neste
contexto, o trabalho propõe a utilização de filtros passivos de linha visando minimizar
os impactos negativos causados pelas interferências eletromagnéticas conduzidas e
conjuntamente apresentar o projeto de um gerenciador de energia contemplando as
etapas de proteção, filtragem, além de um circuito microcontrolado para análise de
alguns parâmetros da energia. A metodologia foi baseada no estudo aprofundado
sobre o tema qualidade da energia, com foco principal nas interferências
eletromagnéticas e transitórios, além do posterior desenvolvimento do gerenciador
de energia. O filtro projetado atingiu os resultados esperados com grande eficácia na
atenuação das interferências eletromagnéticas, alcançando mais de 80dB de
atenuação acima da faixa dos 100kHz, com os resultados das simulações
computacionais e simulações práticas muito próximas. Através do levantamento
bibliográfico ficou evidente a importância do tema principalmente no ambiente
hospitalar onde defeitos ou falhas podem colocar em risco a vida dos pacientes e
também a viabilidade de controle destas interferências eletromagnéticas.
Palavras-chave: Filtro de Linha Passivo. Interferência Eletromagnética. Qualidade da Energia.
7
ABSTRACT
Power quality has always been the focus of discussions, especially among
professionals in the fields of energy. With the advent of technological evolution, new
forms of electrical control and more proximity of consumers, this issue left to be
discussed only by professionals, being present also in the mass media creating
questions and discussions in the population. "What is power quality? What are your
influences?" With the adoption of new technologies to control loads, the energy
system has come under intense degradation in its basic characteristics, reducing the
patterns of energy quality. Inside of the related disturbances, electromagnetic
interference has great importance, being responsible for instability in the operation of
more sensitive equipment. Within this group of equipments most sensitive are the
electromedical equipments, where defects or failure in the operation may endanger
the patient's life. In this context, the work proposes the use of passive line filters to
minimize the negative impacts caused by conducted electromagnetic interference
and also present the design of a power manager contemplating the stages of
protection, filtering, beyond a microcontrolled circuit for analysis of some parameters
of energy. The methodology was based on detailed study about power quality theme,
focusing primarily on electromagnetic interference and transients beyond the
posterior development of power manager. The filter designed reached the expected
results with great effectiveness in the attenuation of electromagnetic interference,
reaching more than 80dB of attenuation over the range of 100kHz, with the results of
computer simulations and practical simulations very close. Through a bibliographic
review was evident the importance of the theme especially in hospitals where defects
or failures can endanger patients' lives and also the viability of controlling these
electromagnetic interference.
Keywords: Passive Line Filter. Electromagnetic Interference. Power Quality.
8
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO 10
CAPÍTULO 1 – QUALIDADE DA ENERGIA
12
1.1 Energia Elétrica 17
1.1.1 Energia no Brasil e no Mundo 18
1.2 Normas e Legislações 20
1.3 Distúrbios Relacionados 22
1.3.1 Distorção Harmônica 24
1.3.2 Transitórios Eletromagnéticos 28
CAPÍTULO 2 – INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS E TRANSITÓRIOS 31
2.1 Introdução 31
2.2 Tipos e Propagação 33
CAPÍTULO 3 – EQUIPAMENTOS ELETROMÉDICOS 37
3.1 A Evolução 37
3.2 Padrões Atuais, o Tecnólogo e a Engenharia Clínica 38
3.3 Norma NBR IEC 60601 40
3.4 Impacto da Qualidade da Energia 41
CAPÍTULO 4 – FILTRAGEM DE LINHA 44
4.1 Tipos de Filtros 44
4.2 Proteção Contra Surtos e Transitórios 48
CAPÍTULO 5 – PROJETO DO GERENCIADOR DE ENERGIA 51
5.1 Introdução 51
5.2 Etapas de Proteção Adotadas 51
5.3 Topologia e Tipo de Filtro Escolhido 53
5.3.1 Tipo do Filtro 53
5.3.2 Ordem do Filtro e Frequência de Corte 55
9
5.3.3 Resposta de Frequência 56
5.3.4 Simulação do Filtro Idealizado 60
5.4 Circuito Microcontrolado Embarcado 63
5.4.1 A Escolha do Microcontrolador 63
5.4.2 Conversão Analógico/Digital e Multiplexação 64
5.4.3 Medição de Corrente e Tensão 65
5.4.3.1 Tipos de Transdutores de Corrente 65
5.4.3.2 Modelo Escolhido Para o Projeto 66
5.4.3.3 Medição da tensão 67
5.4.4 Funções Executadas Pelo Circuito 67
5.4.4.1 Medidas True rms 68
5.4.4.2 Corrente de Fase e Neutro 69
5.4.4.3 Frequência da Rede 70
5.4.5 Simulação do Circuito 71
5.5 Montagem do Protótipo 72
5.5.1 Confecção das Placas 72
5.5.2 Protótipo Montado 74
5.5.3 Testes em bancada e calibração 74
CAPÍTULO 6 – TESTE PRÁTICO DO GERENCIADOR MONTADO 76
6.1 Resultados de medição 76
6.2 Teste de Filtragem 77
CONCLUSÃO 80
REFERÊNCIAS 82
APÊNDICE A – Lista de Componentes 86
APÊNDICE B – Circuitos eletrônicos 88
APÊNDICE C – Códigos em Linguagem C 89
10
INTRODUÇÃO
A evolução tecnológica caminha paralelamente ao desenvolvimento de novas
tecnologias em equipamentos eletromédicos bem como aos avanços nos
procedimentos médicos. Grande parte dos equipamentos modernos tem seu
funcionamento baseado em processadores e microcontroladores que por sua vez
são muito sensíveis à qualidade da energia. Distorções na forma de onda,
interferências eletromagnéticas e transitórios podem passar da rede de distribuição
para o equipamento.
Somado ao padrão atual onde a alta tecnologia impera, existe a questão
relacionada à tecnodependência, ou seja, uma dependência cada vez maior do ser
humano em relação às máquinas, desde os trabalhos mais simples até os mais
complexos. No ambiente médico-hospitalar não é diferente. As máquinas tomaram a
frente da maioria dos processos e em virtude deste cenário volta à tona a qualidade
de energia, e sua interferência no funcionamento dos equipamentos eletromédicos.
Baixos padrões de qualidade da energia podem desencadear problemas no
funcionamento destes equipamentos eletromédicos colocando em risco a
credibilidade do diagnóstico, tratamento e em alguns casos, a vida do paciente de
maneira a justificar o desenvolvimento deste trabalho.
Outro fator importante é a realidade de grande parte das instituições
assistenciais de saúde que contam com um parque tecnológico antigo. Estes
equipamentos mais antigos, por sua vez mais sensíveis a qualidade na energia se
comparados a equipamentos mais modernos que obedecem a normas mais severas
e atuais da série NBR IEC 60601.
O objetivo deste trabalho foi propor um meio viável e eficaz de prevenir a
ação das interferências eletromagnéticas, bem como proteger os equipamentos de
surtos que porventura possam acontecer na rede elétrica.
Para que este objetivo fosse alcançado foi executado um amplo levantamento
bibliográfico que serviu como alicerce para o desenvolvimento do projeto, que foi
desenvolvido com base em simulações computacionais e também testes em
bancada.
Este trabalho contém seis capítulos. No primeiro capítulo é explicado o
conceito envolvido no tema qualidade da energia, assim como os distúrbios
11
relacionados, legislação e a realidade energética nacional e mundial. No segundo
capítulo são aprofundados os conhecimentos sobre as interferências
eletromagnéticas e os transitórios. O terceiro capítulo traça um breve histórico dos
equipamentos eletromédicos, situando-os na realidade atual, as principais normas
envolvidas e o impacto da qualidade da energia sobre estes equipamentos. No
quarto capítulo são abordados os circuitos de filtragem e proteção e suas
características. O quinto capítulo detalha o desenvolvimento do gerenciador de
energia, explicando a escolha das etapas de proteção, filtragem e a elaboração e
características do circuito microcontrolado embarcado. Por fim, o sexto capítulo
apresenta os resultados de simulações computacionais e as compara com
resultados de testes práticos em laboratório.
12
CAPÍTULO 1 – QUALIDADE DA ENERGIA
A qualidade da energia elétrica está relacionada a um enorme conjunto de
fatores que influenciam diretamente no funcionamento e desempenho dos
equipamentos eletroeletrônicos. As variações ou alterações nestes fatores são
responsáveis por grande parte dos problemas e falhas presentes nos equipamentos
mais modernos. Franco (s.d.) caracteriza: “Qualquer problema de energia
manifestado na tensão, corrente ou nas variações de frequência que resulte em
falha ou má operação de equipamentos de consumidores”. Lembrando que essas
anomalias podem acontecer em todas as partes dos sistemas, desde a geração,
transmissão e até dentro dos ambientes consumidores.
Academicamente, qualidade de energia está relacionada ao fornecimento de
uma energia elétrica de forma senoidal pura e sem variações de amplitude ficando
evidente tratar-se de um modelo ideal ou teórico, divergindo de certa forma da
realidade.
Anos atrás a realidade energética mundial e principalmente em nosso país era
muito diferente. O consumo de energia era pequeno comparado aos padrões atuais
e podia ser dividido basicamente entre os seguintes consumidores: a) residenciais;
b) comerciais; c) industriais. A distribuição dos tipos de consumidores continuou
basicamente a mesma, mas suas necessidades mudaram bastante com o passar
dos anos. Conjuntamente a evolução das tecnologias modificou o impacto gerado
pela sua utilização.
Até meados da década de 70, o consumo pesado de energia estava
concentrado no setor industrial. O consumidor residencial tinha como característica
principal a utilização basicamente de cargas lineares, em sua grande maioria
resistivas como lâmpadas, resistências de ferros de passar e chuveiros elétricos.
Essas cargas têm como característica possuírem as ondas de tensão e corrente
perfeitamente em fase.
Este tipo de carga geralmente não acarreta nenhum tipo de anomalia ao
sistema energético de maneira significativa, conforme pode ser visto na figura 1.
13
Figura 1 – Carga puramente resistiva.
Fonte: <http://www.eletrica.info/definicao-de-fator-de-potência/>.
Em menor quantidade no ambiente residencial, mas também presentes,
existiam as cargas indutivas, como o motor dos refrigeradores que por característica
atrasam a corrente em relação à tensão como pode ser visualizado na figura 2.
(BALTAZAR, 2010). Na figura a defasagem entre corrente e tensão é de 90º
indicando uma carga puramente indutiva, entretanto este valor pode ser menor de
acordo com a característica da carga.
Figura 2 – Carga puramente indutiva.
Fonte: <http://www.eletrica.info/definicao-de-fator-de-potência/>.
Existem ainda as cargas com características capacitivas, entretanto estas
eram muito mais incomuns para a época em questão. Estas cargas ocasionam o
atraso da tensão em relação a corrente. Seguindo a mesma lógica das cargas
indutivas, defasagens menores do que 90º entre as ondas indicam que a carga não
é puramente capacitiva. Na figura 3 pode ser visto um exemplo de carga puramente
capacitiva onde é possível visualizar a defasagem de 90° entre as ondas.
14
Figura 3 – Carga puramente capacitiva.
Fonte: <http://www.eletrica.info/definicao-de-fator-de-potência/>.
Esses dois últimos tipos de cargas são conhecidos como cargas reativas e
estão relacionadas ao que é denominado como “fator de potência”. Resumidamente
uma carga puramente resistiva possui somente potência ativa, ou seja, potência que
realmente é utilizada pelo circuito. Nas cargas com características reativas, sejam
elas indutivas ou capacitivas, existe uma porção de potência reativa (no caso de
cargas puramente reativas esta porção é 100%), que por sua vez não realiza
trabalho propriamente dito, sobrecarregando o sistema.
Potência ativa, reativa e aparente compõe o conhecido triângulo de potência,
conforme pode ser visto na figura 4.
Figura 4 – Triângulo de Potência.
Fonte: Editado de <http://www.bilcoreficience.es/?p=674>.
A relação entre potência ativa e potência aparente fornece o fator de potência
(FP). Quanto mais próximo do unitário (1,0) maior será a porção ativa.
15
Apesar de não ser o foco do trabalho, devemos considerar o fator de potência
como fator importante para a qualidade de energia. Fator de potência baixo indica
muita energia reativa e esta pode ser vista como uma energia armazenada e
transportada pelo sistema elétrico, sem executar trabalho propriamente dito. A
importância é tal que as concessionárias de energia cobram multas dos
consumidores industriais e condomínios residenciais/comerciais quando seu FP cai
abaixo de um limite pré-definido. Esta tática de cobrança ainda não acontece com
consumidores residenciais, sendo cobrada somente a energia ativa consumida por
eles. Entretanto, com a adoção gradativa das tecnologias de Smart Grid1 esta
cobrança poderá tornar-se realidade para os consumidores residenciais.
A resolução 456 da Agencia Nacional de Energia Elétrica (Aneel) determinou
que os clientes industriais podem atingir o limite mínimo de 0,92 para o fator
potência, caso menor o cliente será obrigado a pagar multa que varia em função do
FP. (VIEIRA, 2008). A multa pode ser calculada a partir da Equação 1.
(1)
Como exemplo, o Brasil passou por uma crise energética ou “apagão” que
ocorreu entre 2001 e 2002 onde a mídia divulgou amplamente sobre a substituição
de lâmpadas incandescentes por lâmpadas eletrônicas, ditas econômicas. Estas
lâmpadas quando de baixa qualidade possuem baixo fator de potência, ou seja, uma
lâmpada de 35W pode chegar a gastar 70W (potência aparente) na realidade, não
resolvendo o problema do excesso de cargas e gerando outros problemas como a
disseminação de interferências eletromagnéticas, distorção harmônica e formação
de picos de corrente.
Segundo Afonso e Martins (2004), em um contexto mais antigo a qualidade da
energia já era um assunto importante e debatido, entretanto, estava sumariamente
relacionada à continuidade no serviço de distribuição ou então, à frequência dos
cortes de energia, fatores que representam uma pequena parcela do assunto.
O desenvolvimento da sociedade gerou novos tipos de consumidores dentro
de uma mesma classe e o desenvolvimento da tecnologia possibilitou controles
impossíveis anteriormente. Cargas lineares começaram a ser substituídas por
cargas não-lineares principalmente dentro da eletrônica de potência, o que
1 Smart Grid – Rede inteligente
16
possibilitou uma melhoria no rendimento bem como um controle das cargas de modo
impar. Em contra partida estes equipamentos com comportamento não linear
consomem corrente de forma diferente, em muitos casos através de picos de
corrente poluindo a rede elétrica através da geração de harmônicos e interferências
eletromagnéticas.
Atualmente estes avanços não estão restritos somente ao setor de potência,
estando presentes também dentro de equipamentos como televisores, rádios,
computadores, lâmpadas eletrônicas e dentro dos equipamentos eletromédicos mais
recentes. A partir desta enorme demanda, a energia pode ser vista não como um
serviço, mas sim como um produto. E como todo produto é severamente analisado
através de dois itens básicos: qualidade e preço oferecido.
Mehl (s.d.) afirma:
As cargas elétricas comandadas eletronicamente possuem uma característica intrínseca que é a não-linearidade das mesmas, ou seja, não requerem a corrente elétrica constantemente, mas solicitam apenas picos de energia em determinados momentos. Dependendo da topologia do conversor eletrônico empregado, a corrente de entrada é disparada em determinado período ou ângulo da oscilação senoidal. Com isto, as cargas eletrônicas acabam por distorcer a forma de onda (tensão e corrente) que lhe é entregue e como consequência gerando uma „poluição‟ na rede de energia elétrica. Esta poluição é traduzida por diversos tipos de problemas ou distúrbios, [...]
Estas distorções geradas no ambiente consumidor, seja residencial, comercial
ou industrial são transmitidas de volta para a rede elétrica podendo afetar outros
consumidores, principalmente os mais próximos do ponto gerador. Um fato
interessante é que estes mesmos equipamentos responsáveis pela geração desta
poluição acabam tornando-se vítimas da má qualidade na energia. Equipamentos
microcontrolados e computadores comumente sofrem travamentos inesperados
decorrentes desse problema.
Esta diferença de comportamento entre cargas lineares e não lineares pode
ser analisada na figura 5.
17
Figura 5 – Tensão e corrente num sistema elétrico: a) carga linear; b) carga não linear.
Fonte: AFONSO; MARTINS, 2004.
Os prejuízos causados por alterações e problemas na qualidade de energia
elétrica são astronômicos, justificando ainda mais a busca por maneiras de
minimizar suas ocorrências e intensidades. Um relatório do “Electric Power Research
Institute” (EPRI) de julho de 2001 atribuiu aos problemas relacionados à qualidade
de energia prejuízo anual aos Estados Unidos da ordem de 120 mil milhões de
euros. (AFONSO; MARTINS, 2004).
1.1 Energia Elétrica
A energia elétrica é basicamente uma forma de energia baseada na geração
de diferenças de potencial entre dois pontos distintos, permitindo o surgimento do
que conhecemos como corrente elétrica. A energia elétrica pode ser produzida de
diversas maneiras como através da luz solar, calor, energia hidráulica entre outras.
Da mesma maneira a energia elétrica pode ser transformada em diversas outras
formas de energia como vemos nos equipamentos eletrônicos, gerando luz, calor,
movimento, som, etc.
Grande parte da energia elétrica que é produzida no Brasil provém de
hidroelétricas, devido ao grande potencial hídrico nacional e grande quantidade de
rios propícios a instalação de usinas e barragens. A força das águas é utilizada para
movimentar uma turbina, que será responsável por fazer funcionar um gerador, que
por sua vez irá produzir a energia elétrica.
18
Tradicionalmente utiliza-se uma analogia com sistemas hidráulicos facilitando
o entendimento do conceito envolvido na energia elétrica. Esta analogia é
amplamente difundida na literatura e pode ser observada em livros de física como os
de Halliday, Resnick e Walker (1994).
Desta maneira a água simboliza os elétrons, os canos são como os fios que
possibilitam o fluxo dos elétrons. A quantidade de água circulando por um cano
simboliza a corrente elétrica e para que exista corrente elétrica é necessária uma
diferença de potencial (ddp). Esta é representada pela diferença de nível entre a
água presente na caixa d‟água e a torneira, por exemplo. Esta analogia pode ser
vista na figura 6.
Figura 6 – Analogia entre energia elétrica e hidráulica.
Fonte: Adaptado de <http://geekdevteam.blogspot.com/2011/04/25-analogia-para-compreensao.html>.
1.1.1 Energia no Brasil e no Mundo
Mundialmente existem vários padrões adotados para a transmissão,
distribuição e comercialização da energia elétrica. Esta variação envolvem
características como tensão, tipo de corrente e frequência.
No Brasil os padrões adotados para transmissão são: 138kV e 230kV (Alta
tensão), 345kV e 440kV (Extra alta tensão) e também 500kV e 765kV (Ultra alta
tensão, utilizada em Itaipu, por exemplo). Para subtransmissão foram adotados os
padrões: 34,5kV; 69kV; 88kV e 138kV. A distribuição primária tem os seguintes
valores: 3,8kV; 6,6kV; 11,9kV; 13,8kV e 34,5kV e por fim a distribuição secundária
possui os níveis mais comuns em: 127/220V; 115/230V; 120/208V, 220/380V. Todos
estes padrões em corrente alternada e com frequência de 60Hz.
19
Estes valores variam de acordo com a região do país, podendo em cidades
próximas existir padrões diferentes. Algumas regiões, por exemplo, possuem tensão
entre fase e neutro de 127V como pode ser visto na figura 7 e 220V entre duas fases
distintas, já em outras regiões os 220V serão medidos entre fase e neutro existindo
a possibilidade de 380V entre duas fases distintas.
Figura 7 – Tensão alternada.
Fonte: Adaptado de <http://www.eletrica.info/definicao-de-fator-de-potência/>.
Os 127V informados referem-se a tensão eficaz da rede. Para o cálculo da
tensão de pico utiliza-se a Equação 2. Entretanto esta fórmula é válida somente em
ondas puramente senoidais.
√ (2) Onde: Vp = Tensão de pico. Vrms = Tensão eficaz.
Apesar das variações de tensão, a frequência é a mesma em todo território
nacional. Vários países da Europa e também nosso vizinho Paraguai adotam o
padrão 50Hz.
Devido a todos estes padrões os consumidores devem tomar cuidado na hora
de adquirir novos equipamentos, principalmente se importados diretamente de
outros países.
Além de todos esses padrões de transmissão em corrente alternada (CA), nas
últimas décadas atingiu-se a viabilidade de transmissão da energia em corrente
contínua (CC), mais especificamente corrente contínua de alta tensão (CCAT). A
utilização deste padrão traz vários benefícios como desacoplamento entre os
sistemas e principalmente economia no cabeamento utilizado e consequentemente
na estrutura das torres de transmissão. Em contra partida o investimento necessário
com as estações conversoras (retificadoras e alternadoras) é muito elevado,
limitando um pouco a utilização deste sistema atualmente. É um sistema muito
20
utilizado em linhas de transmissão submarinas. Uma esquematização dos dois
sistemas esta presente na figura 8.
Um exemplo “próximo” de utilização deste sistema é utilizado na usina de
Itaipu. Itaipu é uma usina binacional resultado de um acordo comercial entre os
governos do Brasil e do Paraguai, sendo metade das turbinas de posse de cada
nação. A metade brasileira utiliza frequência de 60Hz e a paraguaia 50Hz. Como o
consumo energético do Paraguai é muito inferior ao do Brasil, parte da energia é
vendida para o Brasil. Devido à diferença de frequência a energia paraguaia
depende deste processo de transmissão em CC para poder ser utilizada no Brasil. A
energia vendida pelo Paraguai é retificada e transmitida em CCAT através de duas
linhas de ±600kV até Ibiúna/SP onde é novamente convertida em CA com
frequência de 60Hz para integrar parte do sistema sudeste de transmissão.
Figura 8 – Transmissão em Corrente Contínua de Alta Tensão e Corrente Alternada de Alta Tensão.
Fonte: JARDINI, s.d.
1.2 Normas e Legislações
Para assegurar padrões mínimos e seguros de operação são seguidos
padrões normativos que ditam as diretrizes a serem seguidas pelas concessionárias
de energia (geradores e transmissores) e porque também não dizer pelos
consumidores.
Juntamente a essas normas existem as agências reguladoras responsáveis
pelo controle do serviço prestado e sua qualidade.
21
A norma adotada na Europa é considerada a mais avançada em relação à
qualidade de energia, sendo adotada em vários países fora da região, esta norma é
a EN501602.
Os efeitos da globalização interferem diretamente no que diz respeito à
normatização, criando uma tendência de tentar adequar às normas nacionais ao
padrão internacional já existente e amplamente utilizado, criando assim
compatibilidade entre padrões.
Um dos órgãos mais conhecidos mundialmente é a Comissão Internacional
de Eletrotécnica (IEC), responsável pela publicação de padrões internacionais
relacionados às áreas de tecnologias eletrônicas, elétricas e áreas próximas.
Outro órgão é o “Institute of Electrical and Electronics Engineers” (IEEE),
responsável por desenvolver normas utilizadas no setor de telecomunicações, seja
na produção de produtos e equipamentos ou na prestação de serviços. Embora de
caráter estadunidense, suas recomendações são aceitas mundialmente tornando-se
um padrão.
Alguns exemplos de normas e organizações internacionais:
EN50160: nova norma que abrange distúrbios relacionados à tensão na
rede como flicker, inter-harmônicas, desvios/variações de tensão, e muito
mais;
IEC61000-4-15: norma relacionada à medição de flicker com
especificações para medidores;
IEC61000-4-7: técnica padrão para medição de harmônicos;
IEEE519 (1992): prática recomendada pela IEEE, utilizada principalmente
por concessionárias de energia nos EUA. Descreve níveis aceitáveis de
harmônicos aos consumidores;
IEEE1159 (1995): prática recomendada pela IEEE para monitoramento e
interpretação correta dos fenômenos que causam problemas de qualidade
de energia;
CBEMA3: A CBEMA tornou-se ITI em 1994. A conhecida curva CBEMA
define os limites de suportabilidade dos equipamentos de acordo com a
2 Normas Europeias
3 Computer and Business Equipment Manufacturers Association
22
magnitude do distúrbio e sua duração. Distúrbios com níveis fora da curva
podem causar danos aos equipamentos;
ITI4: Grupo trabalha para defender os interesses da indústria de
informática.
Segundo Baltazar (2007): A energia elétrica é um serviço considerado de utilidade pública, portanto de interesse do conjunto da população. Seu fornecimento exige quantidade, qualidade e preço acessível. Por ser serviço de utilidade pública, cabe ao governo, responsável pela concessão deste serviço, sua regulamentação e consequente fiscalização, em função do interesse público envolvido nesta atividade.
Algumas dessas normas são seguidas na íntegra em nosso país e outras são
adaptadas de acordo com a necessidade ou realidade de maneira a não prejudicar
principalmente os consumidores. (DECKMANN; POMILIO, s.d.).
1.3 Distúrbios Relacionados
São vários os tipos de fenômenos que afetam diretamente a qualidade da
energia. Como mencionado anteriormente eles podem surgir em todas as etapas do
circuito, desde a geração até o consumidor.
A avaliação da qualidade de energia envolve vários aspectos a serem
analisados, dentre os mais graves e aparentes podemos listar as interrupções no
fornecimento de energia que afetam diretamente todos os consumidores.
“Dentro dos distúrbios referentes às oscilações de tensão, tem-se os distúrbios
tipo impulso, oscilações transitórias, variações no valor eficaz (de curta ou longa
duração), desequilíbrio de tensão e distorções na forma de onda.” (MEHL, s.d.).
Apesar das falhas no fornecimento de energia serem predominantes, existem
outros fatores de grande importância influenciando diretamente no padrão de
qualidade de energia vigente. Segundo AFONSO e MARTINS (2004) são eles:
Distorção harmônica: distorção na forma de onda senoidal da rede elétrica
originada principalmente no funcionamento de cargas não lineares
podendo atingir formas de tensão e/ou corrente;
4 Information Technology Industry Council
23
Ruído (interferência eletromagnética): sinais eletromagnéticos de alta-
frequência produzidos no funcionamento dos circuitos eletrônicos;
Inter-harmônicos: surgem quando há componentes de corrente que não
tem relação direta com a componente fundamental – não é múltiplo inteiro;
podendo ser produzidas por fornos a arco ou por cicloconversores;
Variações de tensão de curta duração: podendo ser classificadas como
instantâneas, momentâneas, ou temporárias de acordo com a duração;
Variações de tensão de longa duração: podendo ser classificadas como
interrupções, subtensões ou sobretensões sustentadas;
Subtensão momentânea (voltage sag): afundamentos de tensão de curta
duração, podendo ser provocado por um curto-circuito momentâneo em um
alimentador distinto do mesmo sistema elétrico;
Sobretensão momentânea (voltage swell): elevação de tensão
momentânea;
Flutuação da tensão (flicker): variações periódicas na tensão da rede
devido a alterações intermitentes em certas cargas, efeito comumente
observado através de uma cintilação na iluminação, principalmente do tipo
fluorescente;
Micro cortes de tensão (notches): afundamentos bruscos de tensão que se
repetem periodicamente na forma de onda de tensão, é resultado de
cargas que consomem grandes quantidades de corrente com variações
bruscas no valor, como nos retificadores com filtro capacitivo ou indutivo;
Transitórios: podem ser classificados como impulsivos ou oscilatórios,
podem ter origem em fenômenos naturais ou no funcionamento dos
dispositivos ou componentes eletrônicos;
Desequilíbrios de tensão: originados principalmente pela má distribuição de
cargas monofásicas entre as três fases;
Variações da frequência do sistema: alterações no valor nominal da
frequência padrão, variando entre 50 ou 60Hz de acordo com o país.
As representações gráficas desses distúrbios podem ser vistas a seguir:
24
Figura 9 – Distúrbios elétricos.
Fonte: AFONSO; MARTINS, 2004.
Estes fenômenos acontecem geralmente de forma aleatória de acordo com a
atuação das cargas ativas no sistema elétrico local ou de acordo com a ocorrência
de fenômenos naturais imprevisíveis, podendo ocorrer de forma individual ou ainda
ocorrendo simultaneamente influenciando ainda mais na qualidade de energia.
1.3.1 Distorção Harmônica
Fora as interrupções no fornecimento de energia, outros grandes causadores
de problemas no sistema elétrico são as distorções na forma de onda, ou distorção
harmônica (DH).
O novo padrão de cargas não lineares é o principal motivo do aparecimento
deste distúrbio. Um exemplo comum são os dimmers, dispositivos utilizados para
controlar a luminosidade de lâmpadas introduzindo distorções na forma de onda.
Esta distorção na forma de onda acarreta outros problemas tais como:
25
Perdas devido ao aquecimento, levando a diminuição da vida útil de
transformadores;
Ruído audível;
Panes e funcionamento inadequado em sistemas microcontrolados,
controladores lógicos programáveis (CLP) e computadores;
Falsos disparos em sistemas de proteção;
Aumento na corrente circulante nos condutores elétrico forçando um
superdimensionamento dos condutores utilizados;
Aumento nas perdas em condutores relacionados ao efeito pelicular ou
efeito skin;
Erros de medição em equipamentos eletrônicos como multímetro que não
possuem tecnologias “true rms”.
A Universidade Estadual de São Paulo (UNESP) possui vários grupos de
estudo da qualidade de energia, um desses grupos na cidade de Ilha Solteira
desenvolveu estudos sobre o impacto da qualidade de energia no funcionamento
dos equipamentos e da interferência que alguns equipamentos introduzem no
sistema energético. Um desses estudos foi realizado com as lâmpadas eletrônicas
convencionais. Principalmente as mais baratas são grandes vilãs do sistema
energético devido a grande quantidade de harmônicas introduzidas por seu circuito e
também devido a seu baixo fator de potência. A figura 10 mostra um circuito básico
utilizado no reator eletrônico convencional e a quantidade total de distorção
harmônica (THD) induzida por esta carga. A figura 11 mostra os resultados obtidos
em testes com reatores eletromagnéticos, atualmente em desuso e também reatores
eletrônicos. A distorção na forma de onda do reator eletromagnético é muito menor
se comparada ao reator eletrônico. Os valores ficam mais alarmantes ao se analisar
o fator de potência dos dois tipos de reatores. Os prejuízos causados pelos reatores
eletrônicos de baixa qualidade são extremamente maiores do que os causados
pelos reatores eletromagnéticos. Ambas as figuras foram retiradas de apresentação
desenvolvida pelo grupo de estudos da UNESP de Ilha Solteira. (UNESP -
QUALIENRGI, s.d.).
26
Figura 10 – circuito resumido de um reator eletrônico, forma de onda analisada: em verde tensão; em
vermelho corrente, análise do THD do circuito. Fonte: UNESP - QUALIENRGI, s.d.
Figura 11 – Resultado de testes com reatores eletromagnéticos e reatores eletrônicos de lâmpadas
compactas. Fonte: UNESP - QUALIENRGI, s.d.
Segundo Pinheiro (2009), a distorção harmônica total (DHT ou TDH) é a razão
entre o valor eficaz (rms) do conteúdo harmônico pelo rms do conteúdo fundamental.
Pode ser medido com relação a onda de corrente ou tensão e expressa o fator de
distorção percentual. O ideal deste valor é estar o mais próximo possível de zero.
O cálculo é dado pela equação 3:
(
√∑
) (3)
A figura 12 ilustra as ondas (harmônicas) e a onda resultante em função de f(x)
presente na equação 4:
27
(4)
Figura 12 – Harmônicos e onda resultante.
Fonte: PINHEIRO, 2009.
A equação 5 demonstra a resolução da equação demonstrada anteriormente
indicando o valor do THD total.
√(
)
(
)
(
)
(5)
Realizando-se a decomposição de um sinal elétrico através da série de Fourier
é possível a análise do mesmo no domínio da frequência de maneira a mensurar
individualmente cada componente harmônico presente conforme pode ser visto na
figura 13. (MAGNUS, 2001).
Figura 13 – Decomposição de série harmônica.
Fonte: MAGNUS, 2001.
Como citado anteriormente o FP pode ser calculado a partir da equação 6:
(6)
Onde: P – Potência Ativa. S – Potência Aparente.
28
Entretanto, esta fórmula é válida somente para ondas senoidais puras. Quando
o formato da onda esta distorcido é necessário levar em consideração o THD para
obter-se o FP. (SOUZA, 2000).
A equação 7 é considerada universal podendo ser aplicada para sinais
puramente senoidais ou para sinais com incidência de THD.
√ (7)
Onde: cosφ ou fator deslocamento – cosseno da defasagem entre as
fundamentais das ondas de corrente e tensão. THD – distorção harmônica total.
1.3.2 Transitórios Eletromagnéticos
Outro fenômeno importante são os transitórios, fenômenos eletromagnéticos
originados por alterações súbitas nas condições normais de operação de um
sistema energético. Podem ser classificados como impulsivos ou oscilatórios. Os
impulsivos têm como característica uma variação inesperada com polaridade
unidirecional relacionada a onda de tensão, corrente ou as duas simultaneamente.
Os transitórios impulsivos podem afetar os circuitos de maneira a desencadear
transitórios oscilatórios.
Os termos interferência eletromagnética (EMI) e compatibilidade
eletromagnética (EMC) estão intimamente relacionados, entretanto possuem
diferenças que serão explicadas posteriormente.
Abaixo serão listadas algumas tabelas classificando os fenômenos, principais
causas e principais equipamentos afetados. Foram coletadas no material de
qualidade da energia elétrica produzido por Alves (2010) junto a PUC Minas.
Tabela 1 – Categorias e características típicas.
Categoria Componente Espectral Típico
Duração Típica Amplitude de Tensão Típica
Transiente
Impulsivo Nano Segundo 5ns (subida) <50ns Micro Segundo 1us (subida) 50ns – 1ms Milissegundo 0,1ms (subida) >1ms Oscilatório Baixa Frequência <5kHz 0,3 – 50ms 0 – 4pu Média Frequência 5 – 500kHz 20us 0 – 8pu Alta Frequência 0,5 – 5MHz 5us 0 – 4pu
29
Variação de Curta Duração
Instantânea Afundamento de Tensão 0,5 – 30 ciclos 0,1 – 0,9pu Salto de Tensão 0,5 – 30 ciclos 1,1 – 1,8pu Momentânea Interrupção 0,5 ciclos – 3s <0,1pu Afundamento de Tensão 30 ciclos – 3s 0,1 – 0,9pu Salto de Tensão 30 ciclos – 3s 1,1 – 1,4pu Temporária Interrupção 3s – 1min <0,1pu Afundamento de Tensão 3s – 1min 0,1 – 0,9pu Salto de tensão 3s – 1min 1,1 – 1,2pu
Variação de Longa Duração
Interrupção Sustentada >1min Subtensão >1min 0,8 – 0,9pu Sobretensão >1min 1,1 – 1,2pu
Distorção de Forma de Onda
Componente CC Regime 0 – 0,1% Harmônico 0 – 100º harmônico Regime 0 – 20% Inter-harmônicos 0 – 6kHz Regime 0 – 2% Notch – Corte Regime Ruído (EMI) Banda de espectro Regime 0 – 1%
Flutuação de Tensão <25Hz Intermitente 0,1 – 7%
Variação de Frequência <10s
Fonte: IEEE1159, 1995.
Tabela 2 – Principais fenômenos com base na IEEE 1159
Categoria Principais Causas
Transitórios
Impulsivos Descargas atmosféricas Oscilatórios Energização de banco de capacitores
Variações de Curta Duração
Afundamento de Tensão Faltas, chaveamento de cargas pesadas, partida de grandes motores
Salto de Tensão Curto circuito fase-terra provocando elevação da tensão na fase sem falta
Interrupção Faltas, falhas em equipamentos, disfunção de controle
Variações de Longa Duração
Interrupção Sustentada Falhas de natureza permanente que necessitem de intervenção manual para sua restauração
Subtensões Ligação de grandes cargas Sobretensões Desligamento de grandes cargas
Desequilíbrio de Tensão Desbalanceamento ocasionado por cargas
Distorção na Forma de Onda
Nível de CC Distúrbios geomagnéticos, retificação de meia onda Harmônicos Utilização de cargas não lineares Cortes Acionamento de dispositivos de eletrônica de potência
Ruído Dispositivos eletrônicos, circuitos de controle, equipamento a arco, retificadores de estado sólido, fontes chaveadas.
Flutuações de Tensão Fornos a arco
Variações de Frequência Saída de um grande bloco de cargas ou perda deum grande gerador
Fonte: IEEE1159, 1995.
Tabela 3 – Causa e equipamentos afetados
Causas Associadas ao Consumidor
Causas Associadas à Concessionária
Equipamentos afetados
Aterramento Indevido / 28% Afundamento de 55% Computadores e 43%
30
Surtos tensão microprocessadores Defeitos em Equipamentos
28% Perda de Tensão 13% Acionamento de velocidade variável
13%
Afundamento e Salto de Tensão
24% Aterramento 10% Iluminação – Flicker 8%
Harmônico 17% Surtos 6% Motores 5% Surtos 3% Outros 16% Relés 1% Outros 30%
Fonte: RIBEIRO, P. Workshop on Power Quality. II SBQEE, 1997.
Mediante a todos estes fenômenos é muito importante monitorar
constantemente as linhas energéticas como forma de detectar os problemas
ocorridos possibilitando sua correção o quanto antes.
Equipamentos especializados neste tipo de trabalho armazenam os dados
referentes à tensão, corrente, forma de ondas, THD e outros fatores possibilitando
assim uma análise posterior. Geralmente equipamentos deste gênero são caros e
encontrados em laboratórios de pesquisas e empresas relacionadas ao setor
energético.
Fotografia 1 – Analisador de qualidade de energia, Laboratório LSISPOT-UNESP onde os testes e
calibrações foram executados. Fonte: Arquivo Pessoal.
Segundo Deckmann e Pomilio (s.d.) os equipamentos de medição devem
seguir requisitos básicos como: a) taxa amostral de pelo menos 16 amostras por
ciclo; b) conversor analógico / digital (ADC) com pelo menos 12 bits (possibilitando
4096 níveis diferentes de tensão coletados pelo ACD). Para análise de THD deve
ser consideradas desde a fundamental até pelo menos a vigésima quinta ordem
harmônica (hmin = 25).
31
CAPÍTULO 2 – INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS E
TRANSITÓRIOS
2.1 Introdução
Quando se pensa em proteção elétrica e qualidade de energia os principais
assuntos abordados são os surtos de tensão, interrupções e mais atualmente os
harmônicos, deixando-se de lado a importância das interferências eletromagnéticas
no pleno funcionamento dos equipamentos, principalmente os mais avançados
dotados de um alto nível de eletrônica digital embarcada.
Sabe-se que parte destas interferências são provenientes de fenômenos
naturais como as descargas atmosféricas, entretanto, a grande maioria delas são
geradas nos circuitos dos equipamentos eletrônicos. Ambientes industriais são
grandes disseminadores desse tipo de interferência devido ao controle utilizado nas
cargas, como por exemplo, o acionamento de motores através de circuitos para
controle de ângulo de fase ou chaveamento rápido. De forma geral, todo circuito
produz um campo magnético podendo ser considerado uma fonte de interferências.
(PINHEIRO, 2004a). Um exemplo corriqueiro é a interferência no áudio e vídeo dos
televisores, gerada quando um liquidificador é ligado.
O termo EMC diz respeito à compatibilidade eletromagnética do equipamento,
ou seja, quanto de EMI ele produz e também quanto de EMI ele pode aceitar
mantendo seus padrões normais de funcionamento.
Quando vários dispositivos conseguem trabalhar harmoniosamente em um
mesmo ambiente pode-se dizer que existe compatibilidade eletromagnética. O nível
de compatibilidade energética varia de equipamento para equipamento de acordo
com sua sensibilidade ou susceptibilidade eletromagnética. Alguns equipamentos
possuem maior sensibilidade a distúrbios eletromagnéticos podendo vir a sofrer
problemas durante o funcionamento, outros já possuem certa imunidade
funcionando sem problemas mesmo quando a qualidade energética é inferior aos
padrões estabelecidos. A coexistência de diferentes equipamentos em um mesmo
ambiente dificulta encontrar um ponto de equilíbrio e para isso foram criadas normas
específicas visando minimizar e controlar este problema.
32
São várias as fontes de EMI o que dificulta a manutenção de um nível mínimo
de compatibilidade eletromagnética. Não se deve pensar que a compatibilidade no
ambiente se limita aos equipamentos de uma mesma sala ou setor já que as EMI
tem grande facilidade de propagação. Por exemplo, um motor pode interferir no
funcionamento da central de processamento de dados (CPD) da empresa mesmo
estando fisicamente distante, principalmente se os dois compartilharem do mesmo
circuito elétrico.
O Instituto Brasileiro de Ensaios de Conformidade Ltda. (IBEC) apresenta
alguns termos relacionados ao cotidiano do tema EMI em seu documento
denominado “Apresentação do Laboratório de EMC & de Segurança Elétrica
(telecom.)” Alguns deles estão relacionados a seguir: (IBEC, s.d.).
Compatibilidade eletromagnética (EMC): esta relacionada ao nível de
sensibilidade de um equipamento ao seu ambiente eletromagnético, o
quanto emite ou quanto pode receber;
Perturbação eletromagnética: fenômeno eletromagnético que altera o
desempenho de um equipamento;
Interferência eletromagnética (EMI): perda de desempenho ou falhas em
um equipamento ou canal de transmissão - produzido por uma perturbação
eletromagnética;
Interferência por radiofrequência (RFI): degradação no funcionamento
originado por um sinal de radiofrequência.
Os transitórios ou transientes são fenômenos eletromagnéticos originados em
alterações súbitas nas condições normais de operação de um sistema energético de
maneira inesperada podendo ser classificados como impulsivos ou oscilatórios. Têm
como característica uma variação instantânea de grande amplitude na tensão da
rede. São difíceis de ser detectados e medidos por equipamentos convencionais
devido amostragem limitada. (ZEVZIKOVAS, 2004).
A partir destes problemas fica clara a necessidade de adoção de filtros de
linha que consigam minimizar ou praticamente extinguir as interferências
eletromagnéticas, aumentando o nível de EMC e consequentemente qualidade da
energia. Estes filtros basicamente serão responsáveis por impedir que interferências
externas penetrem no circuito eletrônico e também impedir que interferências
33
geradas nos equipamentos sejam disseminadas através da rede elétrica.
Conjuntamente faz-se necessário a adoção de etapas de proteção contra surtos e
transitórios minimizando os danos durante a ocorrência de algum destes eventos de
maneira a garantir a integridade do equipamento.
2.2 Tipos e Propagação
As interferências eletromagnéticas, também conhecidas como ruído ou noise,
estão relacionadas à distorção da característica senoidal do sinal pela sobreposição
de um sinal de alta frequência sobre a fundamental da rede elétrica, conforme pode
ser visto na figura 14. Geralmente estes ruídos são da ordem de kHz ou MHz.
Podem ser visualizados com ajuda de um osciloscópio através de um
engrossamento do traçado.
Figura 14 – Característica de uma EMI.
Fonte: Adaptado de AFONSO; MARTINS, 2004.
Podem ser classificadas em dois tipos: a) modo comum: ruídos que se
propagam simultaneamente através das linhas de fase e neutro - diferença de
tensão que ocorre entre fase/neutro e terra; b) modo normal ou diferencial: ruído que
tem como característica propagar-se somente através do condutor de fase fechando
circuito com o condutor de neutro - diferença de tensão entre fase e neutro.
Cerca de 80% dos ruídos estão relacionados ao modo comum de
propagação. (PINHEIRO, 2004b). Desta maneira destaca-se a importância da
existência de aterramento eficiente visto que esta será a via de escoamento para os
ruídos de modo comum dentro de um filtro de linha. É importante salientar que a
34
função principal de um aterramento não se limita ao escoamento destas
interferências, mas sim, na proteção das pessoas envolvidas na utilização de
equipamentos eletroeletrônicos, evitando que fugas de corrente ou tensões
indevidas e perigosas venham ocasionar riscos aos operadores. A propagação dos
ruídos em modo comum e diferencial, bem como uma das formas de supressão,
pode ser vistas na figura 15 e figura 16.
Figura 15 – Ruído modo diferencial.
Fonte: BELTRAME et al, 2012
Figura 16 – Ruído modo comum.
Fonte: BELTRAME et al, 2012
A propagação das EMI pode acontecer basicamente de duas maneiras: a)
irradiada – onde o ruído é propagado pelo ar através de ondas eletromagnéticas não
dependendo de meio físico; b) conduzida – onde o ruído é propagado através de
cabeamentos, materiais condutivos ou estruturas metálicas.
Qualquer estrutura metálica no caminho das interferências irradiadas pode
transformar-se numa antena em potencial conduzindo estes sinais, inclusive os
condutores utilizados na instalação elétrica. Esse fenômeno pode ocorrer desde o
ambiente residencial onde os prejuízos geralmente não são grandes, até
estabelecimentos assistenciais de saúde (EAS), podendo interferir no funcionamento
de equipamentos e consequentemente colocando vidas em risco caso esta
interferência não seja devidamente filtrada.
Uma maneira muito eficaz de evitar a captação de interferências
eletromagnéticas irradiadas em circuitos eletrônicos sensíveis, ou mesmo evitar sua
35
emissão para fora do equipamento é a utilização de carcaças e estruturas metálicas
devidamente aterradas que proverão uma barreira física a estes sinais. Seu
funcionamento baseia-se no princípio da Gaiola de Faraday. Neste caso novamente
coloca-se em evidência a importância e necessidade do aterramento.
A figura 17 ilustra algumas fontes de EMI e as formas de propagação.
Figura 17 – Propagação das EMI.
Fonte: KRZESAJ, T. EMCRF – Compatibilidade Eletromagnética e Radiofrequência. s.d. Disponível em: <http://www.wirelessbrasil.org/thomas_krzesaj/emcrf.html>.
As interferências eletromagnéticas conduzidas em sua grande maioria tem
origem dentro da própria instalação em função das cargas nela conectadas e da
tecnologia empregada em seu controle. Atualmente grande parte dos equipamentos
eletroeletrônicos, inclusive os eletromédicos são dotados de fontes chaveadas
devido aos seus benefícios, embora estes circuitos sejam grandes geradores de
interferências eletromagnéticas.
Segundo BARBOSA (2009), a literatura que trata especificamente de
interferências eletromagnéticas conduzidas é reduzida em comparação aos estudos
existentes com interferências irradiadas. Existe a carência de uma obra que sirva
como referência nos conceitos básicos relacionados a este problema, principalmente
quando tratamos de equipamentos eletromédicos onde o assunto torna-se mais
alarmante por estar lidando-se com vidas.
Com relação à classificação básica dos fenômenos transitórios, os impulsivos
têm como característica uma variação inesperada com polaridade unidirecional,
podendo afetar os circuitos de maneira a desencadear transitórios oscilatórios. Por
sua vez os transitórios oscilatórios também têm como característica uma alteração
repentina, mas com valores de polaridade positivos e negativos, como pode ser visto
36
na figura 18, sendo classificados de acordo com seu conteúdo espectral. Os
transitórios oscilatórios podem ser desencadeados pelo chaveamento de bancos de
capacitores, energização de linhas e até mesmo por transitórios impulsivos. Em
ambos os tipos a frequência do fenômeno é maior do que a frequência característica
da rede.
Figura 18 – Característica de um transitório oscilatório.
Fonte: Adaptado de AFONSO; MARTINS, 2004.
37
CAPÍTULO 3 – EQUIPAMENTOS ELETROMÉDICOS
3.1 A Evolução
É fantástica a evolução da medicina nos últimos 100 anos, importantes
mudanças aconteceram na forma de entender o ser humano, o funcionamento de
seus organismos e como trata-lo para aumentar significativamente a qualidade de
vida e expectativa de vida das pessoas. Conjuntamente temos a evolução
tecnológica que caminhou lado a lado, ora sendo coadjuvante nos avanços da
medicina, ora sendo a força motriz que incentivava ou possibilitava novos tipos de
estudos e tratamentos.
Segundo a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), o avanço
tecnológico sentido atualmente possibilitou a melhoria na qualidade de vida através
da criação de novas técnicas e produtos – equipamentos. A evolução de vários
ramos da ciência como física nuclear, ótica, informática, mecânica de precisão,
eletrônica, entre outros possibilitou o surgimento de técnicas cada vez menos
invasivas, diminuindo os riscos e melhorando os resultados gerais.
Cinco séculos antes de Cristo, Hipócrates, hoje considerado o pai da medicina,
registrou: "Examinar o corpo não é fácil. Requer visão, audição, olfato, tato e
paladar". No século XIX, o médico francês René Laënnec desenvolveu o
equipamento que hoje conhecemos como estetoscópio com o objetivo de facilitar a
ausculta dos batimentos cardíacos de uma paciente obesa, de maneira que não
necessitasse encostar seu ouvido no colo da paciente, evitando constrangimento.
(LOPES, 2007).
Esta realidade mudou muito, principalmente nos últimos anos, em função do
desenvolvimento tecnológico. Antigamente o paciente chegava ao consultório e um
dos poucos equipamentos a vista eram o estetoscópio e o termômetro de mercúrio.
O paciente era analisado com base em poucos equipamentos e muito da
experiência e sabedoria do médico. Atualmente esta realidade é vista quase que
somente em pequenas cidades do interior onde a carência de equipamentos é uma
realidade.
38
3.2 Padrões Atuais, o Tecnólogo e a Engenharia Clínica
Equipamentos como os ventiladores pulmonares, monitores
multiparamétricos, carrinhos de anestesia, bombas de infusão, máquinas de
hemodiálise, ultrassom, tomógrafos e ressonância magnética ilustram o atual quadro
tecnológico e a mudança do “simples” para o “tecnológico”. Em consequência disso
o corpo clínico de maneira geral, tornou-se mais condicionado e dependente dos
resultados apresentados pelos equipamentos médico hospitalares (EMH). Pode-se
dizer que existem dois lados, um positivo onde estes equipamentos possibilitam
resultados mais precisos, melhorando a qualidade de vida do paciente e outro
negativo onde depende-se mais e mais da qualidade e estabilidade dos sistemas,
visto o risco que podem significar à vida dos pacientes. Falhas devem ser
minimizadas próximo do zero.
Nesta realidade de grandes parques tecnológicos presentes nas EAS, surge
então a necessidade de profissionais especialmente capacitados para gerir todos
estes recursos tecnológicos bem como funcionar como ponte entre o setor técnico e
o setor dos profissionais que lidam diretamente com os pacientes, sejam médicos,
enfermeiros ou qualquer outro. Como profissionais mais preparados para esta
função temos os Tecnólogos em Sistemas Biomédicos e os profissionais com
especialização em Engenharia Clínica.
O início da implementação do profissional em questão e do conceito de
engenharia clínica no Brasil aconteceu em meados dos anos 80, já com grande
defasagem em relação ao Estados Unidos, onde na década de 60 começaram a
surgir os primeiros profissionais como resposta à necessidade decorrente da
proliferação de novas tecnologias médicas. O problema da mão de obra qualificada
começou a ser suprimido com a criação de cursos específicos, entretanto, ainda em
pequena quantidade com relação a real necessidade do profissional.
Segundo o ACCE5, “O Engenheiro Clínico é o profissional que aplica e
desenvolve os conhecimentos de engenharia e práticas gerenciais às tecnologias de
saúde, para proporcionar uma melhoria nos cuidados dispensados ao paciente”.
Entretanto no Brasil a grande maioria dos hospitais conta somente com Engenheiros
Eletricistas ou Civis para gerenciar este parque tecnológico, além dos técnicos em
5 American College of Clinical Engineering
39
mecânica e elétrica para realizar as manutenções. Em alguns casos este cargo é
suprido por administradores que não conhecem a realidade das instituições e
buscam somente diminuição dos custos sem analisar o impacto que isso pode
acarretar na qualidade dos procedimentos.
O projeto de um hospital deve ser minunciosamente estudado de acordo com
as necessidades locais pela equipe especializada. Este processo de planejamento
evitará transtornos como um bisturi elétrico vir a interferir nos traçados do monitor
multiparâmetro, ou seja, todos os padrões mínimos de qualidade da energia devem
ser seguidos.
Emissão de EMI e também a compatibilidade dos equipamentos devem ser
levados em consideração evitando eventos adversos. A figura 19 ilustra algumas
fontes de EMI dentro do ambiente hospitalar e formas de transmissão.
Figura 19 – EMI e EMC no ambiente hospitalar.
Fonte: ZEVZIKOVAS, 2004.
O projeto dos equipamentos comercializados é um ponto muito importante
para garantir a qualidade de seu funcionamento. Segundo Zevzikovas (2004), os
limites registrados nas normas IEC e NBR-IEC devem ser levados em consideração
e respeitados pela equipe responsável pelo projeto de maneira a evitar a emissão
exagerada de EMI e também garantir a compatibilidade dentro de um ambiente fora
40
do ideal. Os equipamentos devem conter filtros de linha na entrada da fonte de
alimentação evitando a propagação das EMI.
Existe um contraste muito grande onde equipamentos novos e modernos são
adquiridos e instalados em instituições que possuem instalações antigas, em alguns
casos fora dos padrões mínimos. Inúmeras vezes equipamentos novos apresentam
problemas intermitentes devido a problemas na instalação física. O problema torna-
se mais grave em regiões mais carentes onde instalações precárias unem-se a
equipamentos antigos e com gerenciamento inexistente (manutenções corretivas por
equipes especializadas, preventivas, testes de calibração, etc.). Neste contexto, o
desenvolvimento de equipamentos e ferramentas para melhoria da qualidade na
energia de forma viável, torna-se muito interessante, aumentando a confiabilidade
no sistema como um todo e também diminuindo os riscos.
Segundo Barbosa (2009), devem ser desenvolvidos protocolos de
investigação de defeitos e mal funcionamento que possibilitem a obtenção dados
que traduzam os acontecimentos no estabelecimento. Os padrões do que é
considerado mau funcionamento deve ser decidido de acordo com as necessidades
locais, facilitando a identificação desta condição no dia-a-dia dos profissionais
envolvidos.
3.3 Norma NBR IEC 60601
As normas NBR-IEC da série 60601 formam as principais regras a serem
seguidas pelos fabricantes de equipamentos eletromédicos e também pelas
instituições no que diz respeito a instalações dos equipamentos, sua operação e
testes qualitativos. São publicadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas
(ABNT) com base na IEC internacional.
É dividida em: a) NBR-IEC 60601-1 – Norma Geral; b) NBR-IEC 6060-1-xx –
Normas colaterais; c) NBR-IEC 60601-2-xx – Normas Particulares; d) NBR-IEC
60601-3-xx – Normas de Desempenho.
A versão mais atual é a ABNT NBR IEC 60601-1:2010, idêntica a IEC 60601-
1 Ed. 3.0b, publicada em 25/10/2010 com validade a partir de 01/01/2012. Na
ausência de normas nacionais para determinada situação deverão ser adotadas as
normas internacionais vigentes.
41
A aplicação da norma depende da aplicação de outras normas
complementares assegurando em vários níveis a qualidade dos serviços prestados.
Uma lista completa das normas necessárias pode ser encontrada no site6 da ABNT.
Segundo Zevzikovas (2004), a norma IEC 60601-1-2/2001 informa que todo
equipamento deve possuir comportamento seguro cumprindo seu desempenho
essencial. Este desempenho essencial deve ser verificado caso a caso através de
uma análise de risco. Durante ensaios executados em equipamentos não são
aceitáveis: a) mudanças nos parâmetros programados; b) reset do equipamento; c)
alarmes falsos; d) mudanças no modo de operação; e) erro em valores numéricos
apresentados em displays que apresentem risco ao paciente; entre outros.
3.4 Impacto da Qualidade da Energia
Os problemas desencadeados por baixos níveis de qualidade da energia
podem ser classificados basicamente entre defeitos ou falhas. Os defeitos estão
relacionados a alterações na característica básica de funcionamento que
desencadearão possíveis resultados incorretos, podendo estar associados à falta de
manutenção, ou no caso específico deste trabalho, a qualidade da energia.
Interferências eletromagnéticas e distorções na forma de onda são os grandes
causadores dos defeitos. As falhas representam um ponto mais grave onde o
equipamento não consegue mais desempenhar seu papel, necessitando de sua
paralisação para correção ou então em casos extremos a desativação. (ARAGAKI;
SCARPI; LINZMAYER, 2004).
Todos os EMH necessitam de padrões mínimos relacionados à qualidade da
energia de maneira a garantir seu pleno funcionamento. Todos os requisitos
relacionados à qualidade da energia são de suma importância, entretanto neste
trabalho enfatizou-se sobre as interferências eletromagnéticas e transitórios que
geralmente são menos abordados se comparados aos estudos relacionados ao
impacto do THD ou mesmo interrupções no fornecimento.
Segundo Barbosa (2009), a literatura relacionada aos problemas decorrentes
das EMI é escassa e focada na identificação das EMI e suas respectivas fontes
geradoras, ficando de lado a quantificação dos riscos que estes representam, o que
6 http://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=80437
42
facilitaria a identificação de defeitos ou falhas bem como a implantação de medidas
preventivas que evitem seu surgimento. O impacto das EMI dependerá muito do
contexto em questão, mas será sempre negativo. Por exemplo, alterações na
programação de uma bomba de infusão e consequentemente, alteração da
quantidade de fármaco infundido representarão maior grau de risco a um paciente
que estiver recebendo quimioterápicos, ou mesmo pacientes neonatos quando
comparados a pacientes que estão recebendo soro glicosado.
A prevenção das EMI depende basicamente do controle das fontes emissoras
e no outro extremo, tornar o receptor o menos sensível possível. Para isso são
utilizadas algumas técnicas como a blindagem do equipamento, isolação elétrica,
aterramento dos circuitos, utilização de circuitos de filtragem, além de adequação do
projeto das placas minimizando a possibilidade de captação ou emissão de EMI.
Tanto as interferências eletromagnéticas irradiadas como as conduzidas
podem desencadear problemas no funcionamento de equipamentos conectados a
rede. Quando ocorre uma degradação no funcionamento destes é possível afirmar
que pelo menos um dos equipamentos próximos não atendem aos requisitos
mínimos relacionados a emissão de EMI. Um problema crescente devido à evolução
tecnológica podendo ser tratado como poluição ambiental. (MAGNUS, 2001).
Equipamentos como as bombas de infusão, carrinhos de anestesia, máquinas
de hemodiálise e cardioversores são exemplos de EMH que colocam a vida dos
pacientes diretamente em risco no caso de defeitos ou falhas. Objetivamente são os
casos onde a ocorrência de problemas técnicos torna-se mais graves, necessitando
de monitoramento contínuo visando larga diminuição nas ocorrências.
Existem também os equipamentos que podem colocar a vida do paciente
indiretamente em risco. O monitor multiparamétrico é um exemplo onde a
visualização de parâmetros incorretos pode gerar diagnósticos errados e
consequentemente, tratamentos indevidos.
Os transitórios por sua vez acarretam maior prejuízo direto aos equipamentos
devido à variação brusca e de grande amplitude na tensão da rede. Seu impacto vai
desde o surgimento de dados falsos, devido a interferência nos circuitos e no
processamento dos dados. Nos casos de maior intensidade podem provocar danos
físicos como a queima dos circuitos eletrônicos devido à alta tensão aplicada.
Representam grande risco a pacientes que dependem de EMH que estejam
diretamente conectados a eles e à rede elétrica. A inexistência de etapas de
43
proteção, ou mesmo circuitos de proteção mal projetados/dimensionados pode
possibilitar que tensões perigosas cheguem ao corpo do paciente.
De maneira geral estes fenômenos podem afetar somente a fonte de
alimentação, ou então ultrapassa-la, vindo a interferir nos circuitos nela conectados.
Isto ocorre porque as fontes possuem filtros projetados para filtrar somente o ripple7
de baixa frequência, não conseguindo filtrar ruídos de alta frequência. Um dos
distúrbios mais comuns é denominado Electrical Fast Transient (EFT) que devido a
sua alta frequência atravessa as fontes podendo afetar principalmente circuitos
digitais gerando dados ou comandos incorretos. (Zevzikovas, 2004).
A figura 20 ilustra um teste de EFT envolvendo uma bomba de infusão. Como
pode ser avaliado, os distúrbios ocasionam variações de até 90% no fluxo
instantâneo infundido, alteração que não foi indicada ou alarmada pelo equipamento.
Figura 20 – Teste de EFT em uma bomba de infusão.
Fonte: ZEVZIKOVAS, 2004.
Nos estudos realizados por Zevzikovas (2004), 17 dos 26 EMH considerados
críticos sofreram alterações de funcionamento durante os testes de EFT-burst
desencadeando: a) Perda do ritmo de ventilação em ventiladores pulmonares e
máquinas de anestesia; b) balões intra-aórticos que perderam sincronismo com o
traçado; c) bombas de seringa com alterações súbitas na taxa de infusão.
7 Ondulação presente na tensão entregue por fontes de corrente contínua.
44
CAPÍTULO 4 – FILTRAGEM DE LINHA
4.1 Tipos de Filtros
A filtragem surge do simples conceito de separar dois ou mais itens que
estejam juntos. Assim como fisicamente é possível separar grãos grandes de grãos
pequenos através de uma peneira, também é possível a separação de sinais
elétricos através de circuitos adequados.
Os filtros de sinais elétricos podem ser classificados basicamente como
passivos ou ativos de acordo com as características intrínsecas dos componentes
empregados em sua construção.
“Os filtros são basicamente compostos por impedâncias interligadas (redes) e
o comportamento destes circuitos depende do valor das resistências, capacitâncias
e indutâncias envolvidas e da maneira como são interligadas.” (MUSSOI, 2004).
Os filtros passivos utilizam em sua construção somente componentes
eletrônicos passivos, ou seja, que não necessitam de uma fonte de alimentação para
desempenharem sua função, um exemplo de filtro passivo pode ser visto na figura
21.
Figura 21 – Filtro RC passivo.
Fonte: <http://cadeiras.iscte-iul.pt/cse//Folhas/Filtros/Filtros_files/image017.gif>
Os componentes comumente utilizados são: a) resistor; b) capacitor; c)
indutor. Sabe-se que cada um destes componentes tem um comportamento
específico de acordo com a frequência do sinal aplicado, conforme pode ser visto na
figura 22.
45
Figura 22 – Curva característica dos componentes.
Fonte MUSSOI, 2004.
Através da análise da curva característica, fica evidente o comportamento
diferente de cada componente.
O resistor possui uma característica linear com resistência fixa independente
da frequência do sinal aplicado. Sua resistência ou impedância8 pode ser obtida a
partir da lei de Ohm, conforme a equação 8. A unidade da resistência é dada em
Ohm (Ω).
(8)
Onde: V – Tensão I – Corrente
O indutor ou bobina também possui comportamento linear, entretanto, sua
impedância aumenta conforme o aumento da frequência (f) do sinal aplicado, sendo
denominada como reatância indutiva (XL). Para frequências muito altas pode ser
considerado como uma chave aberta. Pode ser calculada através da equação 9. A
unidade da indutância é dada em Henry (H) e a reatância indutiva em Ohm (Ω).
(9)
O capacitor por sua vez difere dos componentes anteriores não apresentando
comportamento linear. Sua reatância capacitiva (XC) diminui conforme o aumento da
frequência do sinal aplicado. Para frequências muito altas o capacitor atua como um
curto-circuito. A unidade de medida para a capacitância é o Farad (F) e a unidade da
reatância capacitiva também é dada em Ohm (Ω) e pode ser calculada em função da
equação 10.
8 Termo utilizado quando trabalha-se com fontes alternadas.
46
(10)
Os filtros passivos geralmente são utilizados para frequências altas, pois para
filtragem passiva de baixas frequências geralmente são necessários indutores
grandes e com altos valores inviabilizando seu uso.
Já os filtros ativos são mais versáteis sendo facilmente configuráveis para
trabalharem em um amplo espectro de frequências. Por utilizarem componentes
ativos como transistores ou mais tradicionalmente amplificadores operacionais
(AmpOp), necessitam de alimentação adicional. Um exemplo de filtro ativo pode ser
visto na figura 23.
Figura 23 – exemplo de configuração RC em um filtro ativo.
Fonte: <http://wiki.sj.ifsc.edu.br/wiki/index.php/Arquivo:Fitro_RC_ativo.jpg>
Existem ainda os filtros digitais, estes baseados no funcionamento de
microprocessadores e cálculos matemáticos, entretanto dependem da digitalização
de um sinal analógico para sua utilização.
Outra importante classificação dos filtros é com relação a sua atuação sobre o
espectro de frequências. Os tipos básicos são: a) passa-baixa (low pass filter); b)
passa-alta (high pass filter); c) passa-faixa (band pass filter). Outros tipos podem ser
obtidos com base nestes filtros básicos.
O filtro passa-baixa tem como característica permitir a passagem de sinais
com frequência menor do que a frequência de corte (fc), atenuando os sinais acima
desta frequência de corte. Já o passa-alta permite a passagem dos sinais acima da
fc, atenuando gradativamente os sinais abaixo desta. A utilização de ambos os tipos
origina o filtro passa-faixa, onde os sinais entre a frequência de corte superior e
inferior são mantidos, e os sinais com frequência fora desta faixa são atenuados.
Para filtragem de EMI presentes na energia elétrica são utilizados filtros
passa-baixa. Um filtro passa-baixa ideal possui ganho unitário abaixo de sua
frequência de corte e acima da frequência de corte seu ganho é sempre zero.
47
Entretanto é impossível se obter uma resposta exatamente como citada por tratar-se
de um modelo ideal. A resposta de curva ideal e da curva real de um filtro passa-
baixa pode ser vista na figura 24. A curva real dependerá dos valores dos
componentes adotados no circuito de filtragem bem como sua ordem.
Figura 24 – Resposta ideal (esquerda) e resposta real (direita).
Fonte. Adaptado de MUSSOI, 2004.
A ordem do filtro define a exatidão do corte realizado, de modo geral, quanto
maior a ordem, mais complexo e caro será um filtro. Em filtros passivos a ordem está
relacionada ao número de conjuntos de elementos passivos presentes, em filtros
ativos a ordem é dada pelo número de circuitos RC presentes. (ROBERT, s.d.).
O aumento na ordem de um filtro acentua sua curva de atenuação,
melhorando e estreitando sua resposta de maneira a evitar que interfira em
frequências adjacentes inadequadamente. Um exemplo de curva característica pode
ser visto na figura 25.
Figura 25 – Exemplo de curvas características relacionadas à ordem.
Fonte: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Filtro_Butterworth>.
48
Existem vários tipos de projetos de filtros relacionados com a forma de
construção como o Butterworth, Bessel, Chebyshe, Com, Elíptico, entre outros,
contudo foge ao escopo deste trabalho o estudo aprofundado dos mesmos e de
suas peculiaridades.
4.2 Proteção Contra Surtos e Transitórios
Os dispositivos e componentes de proteção contra surtos e transitórios são de
suma importância na confecção de filtros de linha sólidos, evitando que incidentes
na rede elétrica causem danos aos equipamentos nela conectados.
Sua função será limitar os picos presentes na rede elétrica, em valores
inferiores ao limite aceito pelos equipamentos conforme pode ser visto na figura 26.
Figura 26 – Esquerda – Surto na rede; Direita – Surto suprimido.
Fonte: ARAUJO et al, 2008.
Centelhadores a gás, também conhecidos como dispersores a gás ou Spark
Gaps são dispositivos de proteção comumente utilizados na área de
telecomunicações para proteção de linhas telefônicas, sinais de televisão, entre
outros, devido a sua baixa capacitância9, não interferindo em sinais de alta
frequência. Sua principal característica é a grande capacidade de dispersão de
corrente após disparo, podendo chegar a ordem de 100kA. Tradicionalmente são
fabricados em versões com dois ou três10 eletrodos separados por elementos de
cerâmica, em seu interior existe a presença de um gás com elemento ionizador. É
um componente com acionamento dependente da tensão. Após atingida a tensão de
9 Valores típicos entre 0,5 e 2 pico-Farad (pF)
10 Os modelos com três eletrodos propiciam proteção em modo comum e diferencial simultaneamente. Os
eletrodos das extremidades são conectados entre fase-fase ou fase-neutro e o central é conectado ao terra.
49
disparo é formado um arco-voltaico entre seus eletrodos, oferecendo um caminho de
baixa impedância para a corrente, desviando o fluxo excedente. (STANDLER, 2002).
Fotografia 2 – Tipos mais comuns de centelhadores a gás.
Fonte: ARAUJO et al, 2008.
Este componente possui duas desvantagens que devem ser levadas em
consideração no projeto, baixa velocidade de acionamento e também dificuldade de
cessar o arco voltaico depois que o mesmo inicia-se. Entretanto, estas
características podem ser contornadas através da adição de outros componentes de
proteção. Uma maneira efetiva para controlar o arco-voltaico é através da utilização
de fusíveis que interromperão o fluxo após sua ruptura ou então através da
colocação de varistores em série com o centelhador de maneira a cessar o arco
assim que a tensão chegar a níveis inferiores aos de disparo de ambos.
Outro componente importante na proteção contra surtos são os varistores.
Este componente possui uma resistência variável em função da tensão e corrente,
não obedecendo uma linearidade em relação a lei de Ohm. A sigla varistor11 é
utilizada genericamente para todos os componentes com este tipo de
comportamento, entretanto seu emprego esta geralmente relacionado com o
componente metal-oxide varistor (MOV). Sua resistência diminui com o aumento da
tensão ou corrente.
Fotografia 3 – Tipos de varistores.
Fonte: <http://image.made-in-china.com/2f0j00nSEtZiuJHTkU/5D-60D-MOV-Varistor-for-Surge-Protection.jpg>
Enquanto a tensão de operação for inferior a tensão de disparo a corrente
conduzida será ínfima, após ultrapassada a tensão de disparo o componente age
11
Voltage Dependent Resistor
50
como um curto-circuito conduzindo altas correntes por um curto espaço de tempo.
(ARAUJO et al, 2008). A figura 27 demonstra uma curva característica de um MOV.
Figura 27 – Curva característica de um MOV em escala logarítmica.
Fonte: STANDLER, 2002.
Além da grande capacidade de dissipação, na ordem de até 80kA, possui
rapidez no acionamento passando a conduzir em tempos da ordem de nano
segundos (ns). Na área de telecomunicações seu uso é bem limitado devido a sua
alta capacitância12 quando comparado aos centelhadores a gás.
A vida útil do varistor é um fator a ser considerado e monitorado. A cada
atuação deste componente, mesmo que em baixas intensidades, ocorre um
desgaste inerente do material e consequentemente, diminuição de sua capacidade
de atuação. Nos casos de grandes surtos o varistor pode não suportar a carga e ser
danificado totalmente, entretanto nestes casos é fácil a identificação do problema
visto que apresentará sinais característicos como manchas pretas devido ao
aumento da temperatura, ou mesmo a destruição de seu invólucro. Durante breves
atuações estes sinais não serão visíveis tornando-se necessário a substituição dos
varistores de tempos em tempos mesmo que nenhum grande surto seja detectado,
garantindo sua atuação quando necessário.
12
Valores típicos entre 40 e 2000pF
51
CAPÍTULO 5 – PROJETO DO GERENCIADOR DE ENERGIA
5.1 Introdução
Diante dos efeitos negativos e imprevisíveis produzidos pelas interferências
eletromagnéticas e alterações nos padrões relacionados à qualidade da energia,
bem como a tecnodependência cada vez mais presente não somente na medicina,
mas em todos os setores da sociedade, surge a ideia de desenvolvimento de um
dispositivo que minimizasse os impactos ocasionados por essas interferências de
uma maneira simples e com elevado custo benefício.
Alternativas viáveis do ponto de vista econômico são extremamente
interessantes, principalmente em uma realidade onde grande parte do parque
tecnológico presente nas EAS pode ser considerado como antigo e a falta de verbas
para investimento e substituição por tecnologias mais novas são constantes.
É importante salientar que seus benefícios não estariam restritos somente a
equipamentos mais antigos, mas a todos os níveis de tecnologia, mesmo os mais
novos, assegurando padrões de qualidade e garantindo sua segurança.
O dispositivo proposto e desenvolvido recebeu o nome de “gerenciador de
energia” contando com etapas para filtragem de interferências eletromagnéticas
conduzidas, proteção contra surtos e transitórios e um circuito microcontrolado que
possibilitasse o monitoramento contínuo de alguns dados referentes a energia
elétrica.
5.2 Etapas de Proteção Adotadas
As etapas de proteção são compostas por varistores, centelhadores a gás,
fusíveis e fusíveis térmicos protegendo tanto os equipamentos conectados ao
gerenciador, como a linha elétrica de falhas que possam a vir ocorrer durante o
funcionamento de algum equipamento, como um curto-circuito inesperado.
Estas etapas de proteção poderiam ser projetadas com caráter genérico,
atuando tanto em redes elétricas onde a tensão nominal é 127V como em redes
220V, seja entre fase/neutro como fase/fase. Este tipo de projeto traz o benefício da
versatilidade, adequando-se a maioria das redes convencionais, entretanto, perde-
52
se muito da eficiência quando conectado em redes com 127V. Por este motivo o
projeto foi desenvolvido para utilização em redes 127V sendo possível sua
modificação para utilização em outras redes.
O centelhado tripolar de 350Vac está conectado o mais próximo da rede
elétrica, antes dos varistores devido a sua característica intrínseca de conduzir maior
quantidade de energia e também por ter um acionamento atrasado em relação aos
varistores.
A figura 28 apresenta o esquema elétrico referente.
Figura 28 – Esquema elétrico. Proteção + Filtro.
Fonte: Arquivo pessoal.
A proteção foi dividida em duas etapas. Na primeira contendo o fusível geral,
o centelhador a gás e 3 varistores, sendo 1 entre fase/neutro, 1 entre fase/terra e 1
entre neutro/terra. Esta etapa entrará em atuação mesmo quando a chave
“liga/desliga” estiver interrompendo o circuito. Neste caso o aumento repentino de
corrente gerado pela atuação dos varistores e centelhadores poderia vir a acionar o
disjuntor responsável pelo circuito elétrico e também romper o fusível geral.
Após a chave “liga/desliga” existem mais 6 varistores, sendo 2 entre
fase/neutro, 2 entre fase/terra e 2 entre neutro/terra. Este arranjo utilizando n
varistores em paralelo aumenta a capacidade de absorção de surtos. Para proteção
da rede e principalmente dos varistores são utilizados fusíveis térmicos de 10A/92ºC.
Parte do surto é dissipada na forma de calor. Durante um surto de maior
intensidade, tanto o calor dissipado, como o aumento da corrente serão
responsáveis por romper o fusível térmico desconectando a linha elétrica.
O circuito deste trabalho foi desenvolvido para redes 127Vac. Dois valores de
varistores são adotados; todos os varistores utilizados entre fase/neutro e fase/terra
possuem tensão de acionamento de 150Vac e os varistores entre neutro/terra
53
tensão de acionamento de 75Vac. A adoção de um valor menor para proteção do
neutro baseia-se no princípio de que o neutro será tido como referencial zero,
apresentando 0V idealmente. A menor tensão do varistor garantirá um acionamento
antecipado caso ocorra aumento de tensão em virtude de algum surto que atingiu o
neutro, ou mesmo uma queda de uma linha primária sobre o neutro da secundária,
desta maneira aumentando o grau de proteção.
Por estas características a conexão deste circuito em redes 220V ou mesmo
redes 127V em que condutores de fase e neutro estejam invertidos nas tomadas
ocasionará o acionamento dos dispositivos de proteção. Desta maneira é
interessante a checagem das tomadas com relação a sua padronização e correta
conexão dos condutores.
A fotografia 4 demonstra um varistor totalmente danificado após um surto
atmosférico atingir a rede de distribuição, com o excesso de energia metade do
invólucro externo foi arrancado.
Fotografia 4 – Varistor danificado em descarga atmosférica.
Fonte: Arquivo Pessoal.
A presença do aterramento é de suma importância por servir como proteção
para os operadores, entretanto a falta de aterramento não inviabilizará a utilização
do gerenciador de energia, mas diminuirá a eficiência de seu funcionamento com
relação a proteção e também a filtragem de linha.
5.3 Topologia e Tipo de Filtro Escolhido
5.3.1 Tipo do Filtro
Tendo em vista o foco de desenvolvimento de uma alternativa viável foi
adotada a utilização de um filtro passivo aliando o desempenho, facilidade de
construção e baixo custo.
54
As EMI têm como característica serem sinais de altas frequências, desta
maneira sua atenuação é possível através da implementação de um filtro passa
baixa. O filtro seria responsável por atenuar sinais de alta frequência sem interferir
negativamente no sinal principal, neste caso sem interferir negativamente na energia
elétrica.
Para o desenvolvimento do filtro, escolha da topologia e valores dos
componentes utilizou-se o software Filter Solutions. Este software possibilita o
desenvolvimento de filtros passivos, ativos e digitais de várias topologias além da
análise prévia da resposta de frequência, defasagem e outros parâmetros.
É importante salientar que a atuação deste filtro será basicamente sobre as
EMI e transitórios não atuando sobre problemas como afundamentos de tensão,
variações de frequência e alterações na forma de onda por alta incidência de
distorção harmônica. Para solução destes problemas faz-se necessário a adoção de
outras tecnologias como nobreaks senoidais online ou mesmo filtros ativos.
Filtros passivos também podem ser utilizados na filtragem de componentes
harmônicos de corrente. São relativamente mais simples de serem desenvolvidos se
comparados a outras soluções para o problema de distorção harmônica de corrente
como os filtros ativos, entretanto possuem algumas desvantagens, dentre elas a
necessidade de serem sintonizados especificamente para o conteúdo harmônico e
cargas presentes na rede, sensibilidade a variações de frequência da rede além da
grande interferência da impedância de rede sobre a filtragem. (ANTUNES; SOUZA;
DOMINGOS, 2009).
Os filtros ativos tem seu funcionamento tradicionalmente baseado em
circuitos microprocessados de alto desempenho que analisam a energia elétrica
fornecida. A partir da análise é possível a correção em tempo real utilizando-se
eletrônica de potência. Com este tipo de filtro torna-se possível a correção da forma
de onda obtendo-se níveis de THD próximos a zero, evitando a contaminação da
rede elétrica.
Os filtros ativos de potência paralelos são as alternativas mais utilizadas
atualmente para diminuir os problemas decorrentes do funcionamento de cargas não
lineares. (VAZ, 2006).
55
5.3.2 Ordem do Filtro e Frequência de Corte
A ordem do filtro interferirá diretamente sobre a inclinação da curva de
atenuação dos sinais, ou seja, quanto maior a ordem maior a inclinação negativa e
consequentemente, maior a atenuação dos sinais de uma mesma frequência – um
filtro de quarta ordem atenuará mais uma mesma faixa de frequência do que um
filtro de terceira ordem. Entretanto, quanto maior a ordem do filtro maior a
complexidade em seu desenvolvimento.
Levando-se em conta a complexidade, valores comerciais para os
componentes e desempenho do filtro, foi escolhido um filtro de quarta ordem. Como
consequência foi possível a utilização de uma baixa quantidade de componentes
passivos.
Um dos principais pontos no desenvolvimento de filtros é a escolha da
frequência de corte (fc). De acordo com o tipo de filtro empregado esta região
indicará o limite entre os sinais permitidos e os sinais que serão gradativamente
atenuados. Na topologia empregada a fc representa o ponto onde ocorre uma
atenuação de aproximadamente 3 deciBel (dB) no sinal, o que equivale a multiplicar
o sinal original por 0,707, ou seja, o sinal com frequência igual ao da fc teria seu
valor reduzido a 70% do valor original. (LOPES, 2008).
A frequência de corte escolhida para o projeto foi de 5kHz, algo que pode ser
considerado como um diferencial frente aos filtros presentes no mercado.
Tradicionalmente os filtros de linha comercializados possuem frequência de corte
sintonizada na casa das dezenas ou centenas de kHz, atuando efetivamente nos
sinais de altíssima frequência. A escolha desta fc possibilita atenuação de
interferências de menor frequência e mesmo uma maior atenuação de sinais de alta
frequência aumentando substancialmente sua eficiência.
Não somente a ordem do filtro interfere sobre os valores dos componentes,
mas também a frequência de corte. O conjunto da escolha possibilitou um baixo
número de componentes impactando diretamente no custo/benefício. Com relação a
fc, é possível o desenvolvimento de um filtro de linha com um corte mais baixo,
entretanto seria necessária a utilização de indutores maiores dificultando a
confecção do mesmo.
56
A figura 29 apresenta o filtro adotado com os respectivos valores de
componentes necessários.
Figura 29 – Esquema do filtro desenvolvido no software Filter Solution – padrão numérico americano.
Fonte: Arquivo Pessoal.
No esquema anterior as resistências de 1Ω representam a impedância da
rede elétrica, este valor já é adotado por padrão dentro do software sendo possível
alterá-lo de acordo com a necessidade. O resistor de 50Ω representa a carga
conectada a saída do filtro de linha.
Os 4 indutores são montados duplamente em dois núcleos toroidais de ferrite.
Desta maneira o campo magnético gerado nas bobinas gera um cancelamento de
fase entre as EMI. Existem enrolamentos diferentes específicos para atenuação de
ruídos modo diferencial e ruídos modo comum. No caso deste projeto adotou-se
num primeiro estágio o filtro para modo diferencial e no segundo estágio para modo
comum, este tendo sua eficiência dependente da presença de um bom aterramento.
Apesar de o esquema apresentar somente 1 capacitor de 6,8nF foram
utilizados 2 capacitores formando o filtro de modo comum – os dois capacitores
ligando fase e neutro ao aterramento como é possível verificar na figura 29
apresentada anteriormente.
É importante citar que os capacitores utilizados são classificados como classe
X e Y. Estes componentes passam por testes mais rigorosos suportando maiores
limites de tensão antes de sofrerem danos.
5.3.3 Resposta de Frequência
Após escolha dos valores ótimos para o circuito foi possível visualizar o
comportamento esperando do filtro em algumas situações.
57
A figura 30 apresenta a resposta de frequência do filtro apresentado
anteriormente.
Figura 30 – Resposta de frequência do filtro passivo. Carga de 50Ω.
Fonte: Arquivo Pessoal.
Pela análise da figura é visível a linearidade do filtro dentro de sua banda
passante até atingir a fc e após este ponto, a constante atenuação do sinal,
chegando a aproximadamente 90dB de atenuação em 100kHz. O quadro 1
demonstra os valores referentes a frequência, ganho e deslocamento de fase.
Quadro 1 – Dados relativos ao filtro – Carga de 50Ω
Frequência (Hz) Ganho (dB) Fase (grau)
50 -1,33.10-4
-1,29
60 -1,92.10-4
-1,54
120 -7,74.10-4
-3,11
501 -1,25.10-2
-12,94
1008 -4,01.10-2
-25,97
2505 3,34.10-2
-66,14
4527 -1,63 -141,24
4959 -3,13 -157,59
5684 -6,22 -179,46
10118 -22,22 130,84
20025 -40.59 107,64
40241 -58,95 94,90
80864 -77,27 84,96
98494 -82,48 81,97
Fonte: Arquivo Pessoal.
Através da tabela fica evidente a atenuação de sinais de altas frequências,
bem como uma mínima atuação na região dos 60Hz da rede elétrica, praticamente
não atenuando a tensão e não gerando deslocamento de fase significativo.
Através da equação 11 é possível converter a atenuação na escala de dB
para escala de tensão tornando mais fácil o entendimento da real proporção de
atenuação.
58
(11)
Onde: V1 – Tensão de entrada V2 – Tensão de saída
Através do cálculo obtém-se a relação de 1.10-9 entre as tensões de entrada
saída. O quadro 2 apresenta o ganho em dB e sua relação de tensão.
Quadro 2 – Relação dB e ganho tensão
Ganho (dB) V1/V2
10 3,16
6 2
3 1,414
0 1
-3 0,707
-6 0,5
-10 0,316
-20 0,1
-30 0,0316
-60 0,001
-120 0,000001
Fonte: Arquivo Pessoal.
Para melhor entendimento do funcionamento do filtro, alterou-se o valor da
carga para valores menores do que 50Ω e foram obtidos os gráficos presentes nas
figuras 31 e 32.
Figura 31 – Resposta de frequência do filtro passivo. Carga de 25Ω.
Fonte: Arquivo Pessoal.
59
Figura 32 – Resposta de frequência do filtro passivo. Carga de 12Ω.
Fonte: Arquivo Pessoal.
Através das figuras é possível verificar um comportamento de perda na
linearidade de resposta de frequência dentro da banda passante e também uma
queda antecipada no deslocamento de fase, ambas relacionadas ao aumento da
corrente na carga. Em um primeiro momento isto pode aparentar uma característica
negativa, mas analisando mais profundamente o gráfico e os valores dele retirados
percebe-se que a alteração na linearidade não será prejudicial sobre a região dos
60Hz da rede. O quadro 3 apresenta alguns valores referentes a resposta do filtro
com a carga de 12Ω.
Quadro 3 – Dados relativos ao filtro – Carga de 12Ω
Frequência (Hz) Ganho (dB) Fase (grau)
50 -2,71.10-2 -4,68
60 -4,01.10-2 -5,70
323 -1,00 -28,05
659 -3,13 -47,96
1345 -7,01 -68,06
3242 -11,03 -89,09
5514 -4,93 -166,19
6226 -10,34 138,13
10118 -31,47 102,23
20025 -51,61 94,64
98494 -93,79 88,12
Fonte: Arquivo Pessoal.
Conforme pode ser visto na figura 32, o aumento da corrente de carga
ocasiona uma atenuação antecipada dentro da região de banda passante, voltando
ao valor de aproximadamente -3dB na região da fc. Após a frequência de corte a
atenuação torna-se mais acentuada ultrapassando 90dB acima dos 100kHz.
60
5.3.4 Simulação do Filtro Idealizado
Para simulação do comportamento do filtro foi utilizado o software Proteus
ISIS conforme pode ser visto na figura 33. Este software possibilita a simulação de
circuitos analógicos e digitais obtendo resultados de seu funcionamento antes da
montagem de um protótipo, facilitando e agilizando muito o processo de
desenvolvimento de circuitos.
Figura 33 – Circuito simulado no Proteus ISIS.
Fonte: Arquivo Pessoal.
Para simulação foram utilizadas duas fontes de tensão AC em série
interligadas ao circuito, uma sinalizada como “AC” representando a tensão de
127V/60Hz da rede e a outra sinalizada como “NOISE” referente aos ruídos de
EMI/transitórios. Esta segunda fonte teve seu valor de tensão fixado em 10V para
facilitar a visualização dos resultados, entretanto, em uma situação real as EMI
dificilmente alcançariam este valor estando normalmente na ordem de milivolts (mV).
Nesta segunda fonte variava-se o valor referente à frequência de maneira a verificar
o sinal após a filtragem.
Após a montagem do circuito iniciou-se a fase de simulação e verificação dos
resultados. Em todas as simulações a onda vermelha representa a tensão presente
na entrada do filtro e a onda azul representa a saída do filtro, ou seja, o sinal já
filtrado.
Em um primeiro momento verificou-se a defasagem e atenuação originada
pelo filtro no sinal puro da rede AC conforme pode ser visto na figura 34. A
defasagem entre as ondas e atenuação foram mínimas, como desejado.
61
Figura 34 – Defasagem gerada.
Fonte: Arquivo Pessoal.
Após a análise da defasagem introduziu-se a fonte de ruído. A frequência
desta fonte foi variada de maneira a possibilitar a análise da resposta do filtro em
diferentes frequências.
A figura 35 mostra as ondas da rede AC e um ruído de 10kHz sobreposto,
bem como a saída do filtro. Na figura 36 é visível a atenuação do ruído, entretanto o
mesmo ainda é perceptível na saída, algo esperado conforme a curva de resposta
de frequência apresentada anteriormente. Como mencionado, os ruídos
normalmente situam-se na faixa de centenas de kHz, servindo somente como base
de teste.
Figura 35 – Em vermelho: AC mais ruído de 10kHz. Em azul: saída do filtro.
Fonte: Arquivo Pessoal.
62
Figura 36 – Vista ampliada dos sinais.
Fonte: Arquivo Pessoal.
A figura 37 mostra os resultados da simulação utilizando um ruído com
frequência de 15kHz e a figura 38 os resultados utilizando-se uma frequência de
100kHz. Através da figura 37 é possível verificar uma pequena ondulação na saída
do filtro indicando o alto grau de atenuação gerado, mesmo a um sinal de 15kHz.
Figura 37 – Em vermelho: AC mais ruído de 15kHz. Em azul: saída do filtro.
Fonte: Arquivo Pessoal.
63
Figura 38 – Em vermelho: AC mais ruído de 100kHz. Em azul: saída do filtro.
Fonte: Arquivo Pessoal.
5.4 Circuito Microcontrolado Embarcado
Além das etapas de proteção e filtragem foi desenvolvido um circuito
microcontrolado que possibilitasse um monitoramento contínuo da rede elétrica em
seus parâmetros básicos, apresentando os resultados de forma simples e direta.
Esta característica facilitaria o trabalho dos profissionais de campo, em alguns
casos, dispensando a utilização de multímetros e outras ferramentas utilizadas nas
análises iniciais do estado da instalação elétrica, desta maneira aumentando a
eficiência do serviço de manutenção.
5.4.1 A Escolha do Microcontrolador
De maneira resumida microcontroladores podem ser vistos como
computadores inteiros encapsulados dentro de uma única pastilha. Desde os
modelos mais simples até os mais avançados a característica em comum é que
todos possuem uma unidade central de processamento (CPU), memórias RAM13
e/ou ROM14 além de dispositivos de entrada e saída. Modelos mais avançados
podem conter conversores analógico/digital (A/D), conversores digital/analógico
(D/A), comparadores, amplificadores operacionais com ganho ajustável, módulos
13
RAM – Random Access Memory 14
ROM – Read Only Memory
64
PWM15 e núcleos de processamento normalmente de 8, 16 ou 32bits, variando muito
de acordo com o modelo e fabricante.
São diversos os fabricantes bem como os modelos de microcontroladores,
dentre os mais comuns estão INTEL – 8051, ATMEL – 8051, AVR, Microchip - PIC,
Texas Instruments - MSP430, entre muitos outros. Cada um com suas
características diferenciadas de hardware, periféricos, instruções, capacidade de
processamento e clock16.
Para o projeto foi escolhido o modelo AT89S52 da ATMEL, uma linha com
núcleo de instruções 8051 de 8bits, com 8K bytes de memória flash para
armazenamento do programa desenvolvido, 256 bytes de memória RAM. Apesar de
ser uma tecnologia antiga ainda é encontrada constantemente em equipamentos
eletromédicos e outros eletroeletrônicos que necessitem uma baixa carga de
processamento. O fator principal para escolha do mesmo foi um prévio
conhecimento sobre a programação e hardware do mesmo, facilitando o
desenvolvimento.
Devido às características intrínsecas dos dispositivos, a utilização de somente
um microcontrolador limitaria a amostragem dos sinais, não atingindo o resultado.
Para contornar este obstáculo utilizou-se um segundo microcontrolador idêntico,
evitando gargalos de processamento.
O microcontrolador principal ficou responsável por controlar o display de lcd
16x2, botões de acionamento e por obter a frequência da rede elétrica.
Já o segundo microcontrolador ficou responsável por comandar o conversor
A/D, realizar os cálculos brutos e enviar os resultados prontos ao microcontrolador
principal.
5.4.2 Conversão Analógico/Digital e Multiplexação
Os microcontroladores e circuitos digitais em geral funcionam basicamente
através de níveis lógicos conhecidos por bits – 1 ou 0. Entretanto grande parte dos
sinais que precisam ser processados estão na forma analógica. Desta maneira
existe a necessidade de converter os sinais analógicos em digitais e em alguns
casos o caminho inverso, converter dados digitais em sinais analógicos.
15
PWM – Pulse Width Modulation 16
Sinal gerado por um oscilador controlando a execução das instruções programadas
65
Para este projeto os sinais analógicos que necessitavam ser convertidos são
referentes a corrente e tensão da rede elétrica.
Existem várias tecnologias empregadas no desenvolvimento de conversores
A/D, entretanto fogem ao escopo deste trabalho.
O modelo escolhido foi o ADC0804, um conversor A/D de 8 bits. Os 8 bits
possibilitam 256 níveis diferentes para o sinal a ser amostrado. Novamente os
fatores decisivos para escolha do mesmo foram facilidade de obtenção e custo. Vale
ressaltar que quanto maior a resolução em bits, maior será a precisão das amostras
em relação ao sinal analógico.
Para conversão de diversos sinais diferentes faz-se necessária a utilização de
um conversor que possua múltiplos canais como o ADC0808 que possui 8 canais ou
então a utilização de um multiplexador responsável por intercalar os sinais a serem
amostrados.
O multiplexador adotado no projeto foi o CD4051, um multiplexador
analógico/digital com 8 canais sendo que somente 3 destes canais foram utilizados
durante o desenvolvimento.
5.4.3 Medição de Corrente e Tensão
As principais grandezas a serem medidas pelo circuito são a tensão e
corrente da rede elétrica. Para isto foram utilizados transdutores responsáveis por
adequar os níveis de tensão ou mesmo transformar corrente elétrica em tensão para
posterior digitalização.
5.4.3.1 Tipos de Transdutores de Corrente
Existem várias técnicas para medição de corrente elétrica, dentre as mais
utilizadas destacam-se utilização de resistor shunt, utilização de transformador de
corrente (TC), utilização de bobinas toroidais ou bobinas de Rogowski e transdutores
baseados no efeito Hall. (TEIXEIRA, 2009).
A técnica do resistor shunt baseia-se em utilizar em série com o circuito um
resistor de valor conhecido. O fluxo de corrente ocasionará uma queda de tensão no
resistor e através da lei de Ohm será possível calcular qual a corrente circulante.
66
A bobina de Rogowski é formada por um indutor toroidal com um certo
número de espiras, o condutor por onde ocorre o fluxo de corrente é passado por
dentro desta bobina de maneira que o campo eletromagnético induza uma tensão
nos terminais desta bobina.
Por último temos os transdutores de efeito Hall, estes baseiam-se na força de
Lorentz. Aproximando-se um sensor de efeito Hall de um condutor, o campo
eletromagnético produzido por este tende a alinhar as cargas elétricas produzindo
um diferença de potencial na saída do transdutor.
5.4.3.2 Modelo Escolhido Para o Projeto
Para o desenvolvimento do projeto utilizou-se um transdutor de efeito Hall,
mais especificamente o ACS712-20A da Allegro. Este componentes especialmente
desenvolvido para medição de corrente possui uma tensão quiescente de 2,5V em
sua saída e uma variação proporcional de 100mV/A, permitindo medidas de até
±20A de pico, ou aproximadamente 14,14A em corrente alternada.
O Componente já vem calibrado de fábrica, garantindo os resultados das
medidas. Possui uma largura de banda máxima de 80kHz com possibilidade de
acionamento de um filtro passa-baixa através da adição de um capacitor em um pino
específico, limitando a banda passante a valores menores que 80kHz. Um esquema
de utilização pode ser visto na figura 39.
Figura 39 – Esquema de utilização do ACS712.
Fonte: <http://www.allegromicro.com>.
Um ponto que chama muito atenção é o tamanho do componente em virtude
da quantidade de corrente suportada, conforme pode ser visto na fotografia 5.
Segundo o manual, o componente suporta sobrecorrentes de até 5 vezes o valor
nominal. Uma vista interna está presente na figura 40. Além disso garante isolação
67
de 5kV entre os terminais de passagem de corrente (1 a 4) e os terminais de
alimentação e sinal (5 a 8).
Fotografia 5 – ACS712 montado em uma placa.
Fonte: < http://www.sparkfun.com>.
Figura 40 – Vista interna do componente, o condutor de corrente e o sensor hall embutido destacado
no círculo. Fonte: <http://www.allegromicro.com>.
5.4.3.3 Medição da tensão
A medição de tensão pode ser considerada como menos complexa,
necessitando somente de uma adequação ao nível suportado pelo conversor A/D.
Para isto utilizou-se um dos secundários do transformador que alimenta o circuito.
Este secundário foi ligado a um trimpot formando um divisor de tensão de maneira a
possibilitar a calibração do sistema, principalmente no caso da necessidade de
substituir o transformador. Como as tensões no secundário variam de transformador
para transformador é necessária a re-calibração do circuito, abordada mais a frente.
Também existem sensores de efeito Hall para medição de tensão, entretanto
são difíceis de serem obtidos no comércio especializado.
5.4.4 Funções Executadas Pelo Circuito
As funções executadas pelo circuito são a medição da: a) tensão da rede; b)
corrente de fase; c) frequência da rede; d) potência; e) corrente de neutro.
68
5.4.4.1 Medidas True rms
Quando trabalhamos com formas de onda senoidais é possível calcular seu
valor eficaz ou rms através da equação 12.
√
(12)
Entretanto esta regra vale somente para ondas puramente senoidais.
Atualmente os equipamentos mais utilizados não podem ser consideramos
como cargas lineares, vindo a consumir corrente através de picos. Desta maneira
ocorre uma deformação na forma de onda. Esta deformação na forma de onda faz
com que equipamentos de medição que não possuam tecnologia true rms
apresentem medidas incorretas quando utilizados em cargas onde a forma de onda
não é senoidal.
Para realização da real medida é necessária a integralização do sinal de
maneira a possibilitar obter o seu correto valor.
A equação 13 representa a equação utilizada para o cálculo da integral com
os valores em sua forma discreta através da conversão A/D.
√
∑
(13) Onde: N – número de amostras x – valor discreto da amostra
Para isto foi introduzido um algoritmo true rms que calcula a integral das
amostras adquiridas dentro de um ciclo completo da rede elétrica, apresentando o
real valor da corrente ou tensão independente da forma de onda.
O algoritmo basicamente recebe os valores obtidos pelo conversor A/D e
eleva-os ao quadrado, cada nova amostra sofre este processo e posteriormente é
somada com o resultado anterior formando o somatório. Após a coleta de todas as
amostras dentro de um ciclo, o resultado do somatório é divido pela quantidade de
amostras coletadas. Ao final deste processo é empregada a raiz quadrada no
resultado da divisão anterior.
69
A linguagem de programação utilizada foi o C. Nesta linguagem existe uma
biblioteca matemática padrão com várias funções, incluindo a raiz quadrada.
Entretanto sua utilização limitou a amostragem pois o tempo necessário para o
cálculo da raiz quadrada era maior do que o intervalo entre a amostragem do sinal.
Para resolver este problema utilizou-se um algoritmo baseado no método de
Newton para aproximação de raiz quadrada de um número n. A equação 14 é a
base de cálculo utilizada para o algoritmo.
(14)
Quanto maior o número de recursões à fórmula, maior será a precisão e
consequentemente menor o erro. Este erro pode ser calculado a partir da equação
15, possibilitando que seja desenvolvido um algoritmo interativo onde o erro será
controlado para qualquer valor de n. No caso do algoritmo utilizado o número de
repetições foi fixado independente do valor pois o erro não prejudica os resultados,
já que internamente os resultados são armazenados na forma de números inteiros.
(15)
Onde: ak – resultado obtido pela ultima interação n – número inicial
5.4.4.2 Corrente de Fase e Neutro
A medição da corrente permite um monitoramento contínuo do consumo de
um equipamento em específico ou de um grupo deste. Valores fora do comum ou do
indicado pelo fabricante podem indicar algum defeito. Este monitoramento também
permite evitar exceder o limite suportado pelo gerenciador de energia, no caso deste
projeto apesar do limite do transdutor ser de 14,14A para ondas senoidais o limite
geral foi limitado através dos fusíveis e fusíveis térmicos de 10A.
Devido a limitação do conversor A/D implementado as leituras de corrente
ocorrem em incrementos de 190mA, ou seja, correntes menores que este valor não
serão interpretadas pelo circuito.
Neste projeto foram implementados dois transdutores possibilitando medidas
simultâneas das correntes de fase e neutro. Este monitoramento possibilita
70
indicação de possíveis fugas de corrente já que idealmente a corrente de fase deve
ser igual a corrente de neutro.
5.4.4.3 Frequência da Rede
Outro parâmetro monitorado é a frequência da rede elétrica.
Segundo Junior (2011), em todo o território nacional a frequência padrão é
60Hz obedecendo normalmente os limites entre 59,9Hz e 60,1Hz não podendo
superar 66Hz ou 56,5Hz em condições extremas.
É um parâmetro pouco discutido, embora variações neste parâmetro podem
causar sérios danos nas cargas conectadas a rede, desde aquecimento indevido de
transformadores, alteração no funcionamento de motores ou mesmo queima de
circuitos mais sensíveis.
Para a medição da frequência da rede foi desenvolvido um circuito de
detecção de passagem pelo zero da rede, mais conhecido como zero crossing.
Basicamente este circuito baseia-se em um amplificador operacional funcionando
como comparador. O semiciclo da rede gera pulso positivo (5V) e semiciclo negativo
gera níveis de tensão 0V. A inversão de um estado para outro indica o cruzamento
pelo zero da rede. O circuito desenvolvido e as formas de onda podem ser vistos na
figura 41.
Figura 41 – Circuito de zero crossing e formas de onda.
Fonte: Arquivo pessoal.
71
Este sinal gerado dispara uma interrupção do microcontrolador principal
possibilitando obter o tempo de cada ciclo da rede e consequentemente a
frequência.
5.4.5 Simulação do Circuito
Novamente para simulação foi utilizado o Proteus ISIS, possibilitando simular
o funcionamento dos sensores e principalmente do software embarcado no
microcontrolador antes da montagem em uma matriz de contatos (protoboard).
Uma visão geral da simulação esta presente na figura 42.
Figura 42 – Simulação dos circuitos de medição.
Fonte: Arquivo pessoal.
A figura 43 apresenta o diagrama em blocos geral do gerenciador
Figura 43 – Diagrama em blocos geral
Fonte: Arquivo pessoal.
72
5.5 Montagem do Protótipo
Após simulação em ambiente computacional do funcionamento dos circuitos
desenvolvidos, algoritmos e medições executadas os circuitos foram montados em
uma matriz de contato permitindo adequações aos componentes reais além de
correção de erros não encontrados durante a simulação computacional.
Por questão de segurança o circuito referente a etapa de filtragem e proteção
não foi montado na matriz de contato, sendo montado diretamente na placa, devido
às tensões envolvidas bem como tamanho dos componentes. A fotografia 6
apresenta os circuitos em etapa de montagem e teste na matriz de contatos.
Fotografia 6 – Testes na matriz de contatos.
Fonte: Arquivo Pessoal.
5.5.1 Confecção das Placas
Todos os circuitos foram divididos em 4 placas: a) filtro; b) fonte de
alimentação; c) main board – placa principal; d) sensor board.
A placa filtro contem todos os componentes referentes às etapas de proteção
e filtragem comentadas anteriormente. A fonte de alimentação possui a entrada para
o secundário do transformador, ponte retificadora e reguladores de tensão. Para
garantir a estabilidade e suprir necessidade futuras foram adotados dois
reguladores, um 7809 gerando uma linha de alimentação de 9Vdc e nesta linha foi
conectado um regulador LM317, este possuindo saída ajustável através de um
73
trimpot garantindo 5Vdc necessários para alimentação dos circuitos analógicos e
digitais desenvolvidos.
A main board contém os dois microcontroladores e o conversor analógico
digital além das conexões com as outras placas necessárias.
Por fim, a sensor board contem os transdutores de corrente, a entrada de
tensão alternada do segundo tap do secundário do transformador, circuitos de
condicionamento e calibração e o multiplexador.
Para montagem das placas os circuitos montados no Proteus ISIS foram
carregadas no Proteus ARES possibilitando o roteamento das mesmas. Com os
circuitos totalmente roteados foi possível sua confecção de maneira artesanal
através do método da impressora laser, onde as trilhas são impressas em uma folha
de papel glossy utilizando-se uma impressora laser, após impressão o circuito é
transferido para as placas através de calor, utilizando-se uma prensa térmica ou
mesmo um ferro de passar roupas. Utilizou-se o mesmo processo para obtenção do
silk dos componentes na camada superior.
Após as placas estarem prontas e com os componentes soldados foi aplicado
verniz vitral para evitar oxidação das mesmas. As figuras a seguir comparam o
circuito 3D gerado pelo software com o real produzido.
Figura 44 – Fonte de alimentação.
Fonte: Arquivo Pessoal.
Figura 45 – Main Board. Fonte: Arquivo Pessoal.
74
Figura 46 – Sensor Board. Fonte: Arquivo Pessoal.
5.5.2 Protótipo Montado
Após todo o processo de prototipagem as placas foram individualmente
testadas e posteriormente interconectadas para um teste geral de funcionamento e
calibração conforme pode ser visto na fotografia 7 a seguir.
Fotografia 7 – Placas testadas e interconectadas.
Fonte: Arquivo Pessoal.
5.5.3 Testes em bancada e calibração
Com os circuitos devidamente montados, foi possível a execução dos testes
de funcionamento, calibração dos mesmos e comparação dos resultados obtidos
pelo circuito desenvolvido com os resultados de um analisador de qualidade. Para
isto uma parceria com o Laboratório de Sistemas de Potência e Técnicas
75
Inteligentes da Unesp Bauru possibilitou a utilização do analisador de qualidade
Instrutherm AE-200.
Através da chave de calibração é possível habilitar o menu de calibração que
auxilia no processo de ajuste dos sensores utilizados, garantindo a precisão na
medição. São apresentados 4 valores decimais: a) If – corrente de fase; b) In –
corrente de neutro; c) V – tensão; d) Sr – Amostragem.
Para devida calibração deverão ser desconectados os condutores de fase e
neutro e também a entrada de tensão alternada obtida no secundário. Através dos
três trimpots multivoltas (azuis) é possível o ajuste do nível quiescente de cada
canal, de maneira que cada um deles indique “127”. Conectando-se novamente o
secundário será possível avaliar a quantidade de amostras em um ciclo da rede
elétrica, sendo 46 o valor típico para frequência de 60Hz – uma amostragem total de
aproximadamente 2,8kHz. Com a chave de calibração desativada e com os
condutores de corrente e do secundário desconectados aparecerão no display os
valores 00V e 00,0A indicando a correta calibração.
Com secundário conectado é realizado a calibração do ganho de tensão, para
este procedimento faz-se necessário um instrumento de medição utilizado como
base de comparação, neste caso foi utilizado o analisador de energia devido a sua
precisão. Com base nos valores medidos deve-se ajustar o trimpot cinza
responsável pelo ganho, até que o valor mostrado seja igual ou o mais próximo
possível do verificado com o equipamento de referência. Devido às limitações do
conversor A/D os incrementos mínimos de tensão são de aproximadamente 1,5V. A
figura 47 mostra o menu de calibração.
Figura 47 – Menu de calibração.
Fonte: Arquivo Pessoal.
76
CAPÍTULO 6 – TESTE PRÁTICO DO GERENCIADOR MONTADO
6.1 Resultados de medição
Para validação dos resultados obtidos foi montada uma bancada de testes
utilizando-se lâmpadas compactas eletrônicas e incandescentes como cargas. As
lâmpadas incandescentes simulando cargas lineares e de maior potência, e as
eletrônicas cargas não lineares.
Os resultados obtidos foram comparados com os fornecidos pelo analisador de
qualidade conforme pode ser visto na fotografia 8 e no quadro 4.
Fotografia 8 – Comparação dos resultados.
Fonte: Arquivo Pessoal.
Quadro 4 – Comparação de medições
Tensão (V) Corrente (A) Pot. Aparente (VA) Frequência (Hz)
AE-200 132,1 2,367 311 60,1
Circuito desenvolvido 133 2,35 313 60,10
Fonte: Arquivo pessoal.
A comparação valida a precisão dos circuitos e algoritmos adotados. Conforme
a tabela observa-se que o circuito desenvolvido apresentou resultados muito
próximos ao analisador de qualidade, apresentando desvios maiores somente em
77
cargas de baixa potência conforme era esperado no projeto devido as limitações do
conversor A/D.
6.2 Teste de Filtragem
Para verificar o funcionamento do gerenciador e validar os resultados foram
realizados alguns testes em laboratório.
O primeiro teste envolveu a utilização do analisador de qualidade de energia
verificando o comportamento da energia na entrada do filtro e simultaneamente na
saída do mesmo. Foram coletados dados em quatro simulações de cargas. Para
cada carga foram coletadas diversas amostras formando um banco de dados, que
posteriormente originou um único valor através do cálculo da média para facilitar as
análises.
O quadro 5 apresenta os dados coletados para cada tipo de carga onde: a)
Ensaio 1 – 4 lâmpadas incandescentes; b) Ensaio 2 – 2 lâmpadas incandescentes e
2 compactas; c) Ensaio 3 – 1 lâmpada incandescente e 3 compactas; d) Ensaio 4 –
4 lâmpadas compactas. Os dados apresentados são tensão de entrada, tensão de
saída, corrente de entrada, corrente de saída, ângulo de entrada e ângulo de saída
respectivamente.
Quadro 5 – Ensaios realizados
Carga Vin Vout Iin Iout Φin Φout
Ensaio 1 128,23 127,75 3,098 3,1 -1,45 -1,43
Ensaio 2 128,10 127,84 1,6 1,6 1,53 1,58
Ensaio 3 127,72 127,56 0,9 0,9 6,09 5,96
Ensaio 4 129,01 129,14 0,3 0,3 40,48 41,19
Fonte: Arquivo Pessoal.
Os resultados deste teste comprovam que o filtro não interfere negativamente
na energia fornecida, garantindo sua atuação somente contra EMI e transitórios,
colaborando com os resultados obtidos durante a etapa de simulação computacional
executada anteriormente.
As figuras 48 e 49 apresentam as formas de ondas obtidas durante os ensaio 1
e 4 respectivamente também parte do conteúdo harmônico.
Onde: Amarelo – Vin Laranja – Vout Verde – Iin Azul – Iout
78
Figura 48 – Formas de onda ensaio 1, lâmpadas incandescentes.
Fonte: Arquivo Pessoal.
Figura 49 – Formas de onda ensaio 4, lâmpadas compactas.
Fonte: Arquivo Pessoal.
O segundo teste foi realizado de maneira semelhante ao realizado durante a
simulação computacional do filtro, dois geradores de função foram ligado em série
simulando a rede elétrica e as interferências eletromagnéticas.
79
Através do osciloscópio foram obtidas as formas de onda de tensão na entrada
e na saída, representadas nas cores azul e amarelo respectivamente. Para efeito de
comparação foram escolhidas as mesmas frequências aplicadas durante a
simulação computacional, 10kHz, 15kHz e 100kHz respectivamente. Os resultados
são apresentados nas figuras 50, 51 e 52.
Figura 50 – simulação da rede 60Hz + EMI de 10kHz.
Fonte: Arquivo Pessoal.
Figura 51 – simulação da rede 60Hz + EMI de 15kHz.
Fonte: Arquivo Pessoal.
Figura 52 – simulação da rede 60Hz + EMI de 100kHz.
Fonte: Arquivo Pessoal.
Os resultados são coerentes com os obtidos durante o desenvolvimento do
filtro e simulação garantindo que os resultados da simulação são pertinentes aos
reais valores.
80
CONCLUSÃO
Através do estudo desenvolvido foi confirmada a necessidade de controle das
interferências eletromagnética, assim como de todos os parâmetros relacionados ao
tema qualidade da energia. Este controle torna-se ainda mais crítico dentro do
ambiente hospitalar, onde um defeito ou falha no mais simples equipamento
eletromédico pode desencadear ações indiretas ou mesmo diretas que colocam em
risco a vida de paciente e/ou operadores.
Grande parte da literatura encontrada trata de interferências eletromagnéticas
irradiadas, deixando de lado a importância das interferências eletromagnéticas
conduzidas e seus efeitos.
Foi alcançado o objetivo de aprofundamento no tema bem como o
desenvolvimento de um filtro de linha com etapa de proteção eficiente e viável.
Também foi alcançado o objetivo de desenvolver um circuito microcontrolado
responsável pelo monitoramento da rede elétrica. Ambos os circuitos juntos
formando o conceito do gerenciador de energia.
O filtro desenvolvido pode ser visto como uma interface bidirecional,
impedindo que interferências presentes na rede elétrica cheguem aos
equipamentos, ou o inverso, que as interferências e ruídos gerados durante o
funcionamento dos equipamentos seja disseminada na rede elétrica interferindo no
funcionamento de equipamentos próximos ou mesmo outros consumidores.
Entretanto, o ideal seria minimizar e combater estas interferências durante o próprio
projeto dos equipamentos garantindo um alto nível de compatibilidade
eletromagnética.
Através do protótipo montado surgem possibilidades de trabalhos futuros
envolvendo testes de segurança elétrica do circuito de filtragem, testes destrutivos
envolvendo as etapas de proteção e filtragem, além da implementação de um novo
circuito microcontrolado dotado de tecnologias mais recentes, aumentando
significativamente a precisão das medidas bem como possibilitando a adição de
novos recursos, como armazenamento contínuo dos dados recolhidos permitindo
análise posterior, comunicação com o computador, introdução de novos parâmetros
como medição de fator potência, visualização das formas referentes a corrente de
fase, corrente de neutro e tensão.
81
Devido ao amplo levantamento e aos resultados obtidos, este trabalho poderá
ser utilizado como fonte de consulta a profissionais da área bem como estudantes,
servindo também como base para desenvolvimento de outras pesquisas e projetos.
82
REFERÊNCIAS
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APÊNDICE A – Lista de Componentes
Componentes - Filtro de Linha
Componentes Quant. Preço Unit. Sub Total
Borne triplo 2 R$ 0,37 R$ 0,74
Capacitor 1000nF Classe X2 1 R$ 5,19 R$ 5,19
Capacitor 6,8nF Classe X2/Y2 2 R$ 1,52 R$ 3,04
Centelhados a Gás 1 R$ 2,81 R$ 2,81
Fio Esmaltado AWG 18 4 R$ 3,00 R$ 12,00
Fusível Térmico 10A/92º 3 R$ 0,81 R$ 2,43
Núcleo Toroidal de ferrite* 2 R$ - R$ -
Placa Fenolite 10x20 cm 1 R$ 10,00 R$ 10,00
Varistor 150V 6 R$ 1,49 R$ 8,94
Varistor 75V 3 R$ 2,39 R$ 7,17
Total R$ 52,32
* Componente retirado de sucata eletrônica – fontes chaveadas de computador
Componentes - Circuitos de Medição
Componentes Quant. Preço Unit. Sub Total
ACS712-20A 2 R$ 11,32 R$ 22,64
ADC0804 1 R$ 6,78 R$ 6,78
AmpOp 741 1 R$ 0,53 R$ 0,53
AmpOp MCP6004 1 R$ 1,67 R$ 1,67
AT89s52 2 R$ 8,00 R$ 16,00
Borne duplo 7 R$ 0,29 R$ 2,03
Capacitor 1000uF/35V 3 R$ 0,31 R$ 0,93
Capacitor 100nF 3 R$ 0,08 R$ 0,24
Capacitor 10uF/50V 4 R$ 0,10 R$ 0,40
Capacitor 2200uF/25V 1 R$ 0,88 R$ 0,88
Capacitor 330nF 1 R$ 0,45 R$ 0,45
Capacitor 33pF 15 R$ 0,08 R$ 1,20
Capacitor 470uF/25V 2 R$ 0,50 R$ 1,00
CD4051 1 R$ 0,80 R$ 0,80
Cristal 11,0592MHz 1 R$ 0,89 R$ 0,89
Cristal 25MHz 1 R$ 0,89 R$ 0,89
Diodo 1N4007 6 R$ 0,07 R$ 0,42
Display LCD 16x2 1 R$ 16,26 R$ 16,26
HEF4093 1 R$ 0,59 R$ 0,59
led 2 R$ 0,30 R$ 0,60
Malha resistiva 10k 2 R$ 0,37 R$ 0,74
Placa Fibra Vidro 10x10 cm 3 R$ 4,00 R$ 12,00
Regulador 7809 1 R$ 1,08 R$ 1,08
Regulador LM317 1 R$ 1,80 R$ 1,80
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Resistor 10k 17 R$ 0,08 R$ 1,36
Resistor 330 2 R$ 0,08 R$ 0,16
Resistor 4,7k 2 R$ 0,08 R$ 0,16
Soquete 14 pinos 2 R$ 0,11 R$ 0,22
Soquete 16 pinos 1 R$ 0,11 R$ 0,11
Soquete 20 pinos 1 R$ 0,13 R$ 0,13
Soquete 40 pinos 2 R$ 0,43 R$ 0,86
Soquete 8 pinos 1 R$ 0,09 R$ 0,09
Transformador 127/220:12+12 400mA 1 R$ 10,93 R$ 10,93
Trimpot 10k 2 R$ 1,19 R$ 2,38
Trimpot 1k 1 R$ 1,19 R$ 1,19
Trimpot 20K 3 R$ 1,19 R$ 3,57
Total R$ 111,98
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APÊNDICE B – Circuitos Eletrônicos
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APÊNDICE C – Códigos em Linguagem C
Main Code Microcontrolador 1 - Principal
#include <REG8252.H> #include "delay.h" #include "delay.c" #include "lcd.h" #include "lcd.c" #define constante_tempo 1.08506944e-6 #define valor_bit_adc 0.01960784 #define inteiro 0 #define flutuante 1 #define sinaliza_interrupcao P3_4 #define chave_calibracao P1_2 int end_char_lcd; float frequencia=1; float periodo_frequencia=1; float resultado_real=0; float x_converte_real=0; float resultado_tensao=0; float x_converte_tensao=0; float potencia; float tensao_real; float corrente_real; unsigned char dd; unsigned char sinalizacao=0; volatile unsigned int contador_conversoes=0; volatile unsigned int media_adc_recebida=0; volatile unsigned int corrente_fase=0; volatile unsigned int corrente_neutro=0; volatile unsigned int tensao=0; volatile unsigned int media_corrente_fase=0; volatile unsigned int media_corrente_neutro=0; volatile unsigned int media_tensao=0; int led_func=0; unsigned char calibra_fase, calibra_neutro, calibra_tensao; void config_interrupt() EX1=1; IT1=1; PX1=1; EA=1; void configura_timer2() PT2=1; CP_RL2=1; C_T2=0; EXEN2=1; EXF2=0; TR2=1; ET2=1; void convert_lcd_float(float var_convf, bit tipo_numero) float variavelf; unsigned char cent, dec, uni, variavel, f1, f2;
90
LCD_SET_ADDR(end_char_lcd); cent=var_convf/100; if(cent!=0) lcd_wr_reg(DATA_REG,cent+48); variavel=var_convf-(cent*100); dec=variavel/10; lcd_wr_reg(DATA_REG,dec+48); uni=variavel%10; lcd_wr_reg(DATA_REG,uni+48); if (tipo_numero==flutuante) lcd_wr_reg(DATA_REG,44); variavelf=var_convf-(cent*100+dec*10+uni); f1=variavelf/0.1; lcd_wr_reg(DATA_REG,f1+48); variavelf=(variavelf/0.1)-f1; f2=variavelf/0.1; lcd_wr_reg(DATA_REG,f2+48); void converte_real(unsigned char var_conv_real) x_converte_real=var_conv_real*valor_bit_adc; x_converte_real=x_converte_real/0.1; resultado_real=x_converte_real; void converte_tensao(unsigned char var_conv_tensao) x_converte_tensao=var_conv_tensao*valor_bit_adc; x_converte_tensao=x_converte_tensao/10e-3; resultado_tensao=x_converte_tensao; void calcula_potencia() potencia=tensao_real*corrente_real; void zerocrossing_timer2() interrupt 5 TL2=0; TH2=0; EXF2=0; TF2=0; sinaliza_interrupcao=1; sinaliza_interrupcao=0; for (dd=0; dd<5; dd++); sinaliza_interrupcao=1; void interrupcao_externa1() interrupt 2 sinalizacao=P1&0xf0; if (sinalizacao==0x20) contador_conversoes=P0; else if (sinalizacao==0x40) corrente_fase=P0; else if (sinalizacao==0x50) corrente_neutro=P0; else if (sinalizacao==0x60)
91
tensao=P0; else if (sinalizacao==0x70) media_corrente_fase=P0; if(media_corrente_fase>250) media_corrente_fase=0; else if (sinalizacao==0x80) media_corrente_neutro=P0; else if (sinalizacao==0x90) media_tensao=P0; else if (sinalizacao==0xA0) calibra_fase=P0; else if (sinalizacao==0xB0) calibra_neutro=P0; else if (sinalizacao==0xC0) calibra_tensao=P0; void main() config_interrupt(); configura_timer2(); P0=0xff; P1=0xff; P2=0; P3=0xff; sinaliza_interrupcao=1; lcd_init(); while(1) periodo_frequencia=(RCAP2H*256)+RCAP2L; periodo_frequencia=periodo_frequencia*constante_tempo; frequencia=1/periodo_frequencia; if(frequencia>100) end_char_lcd=0xC8; else LCD_SET_ADDR(0xC8); wrt_string(" "); end_char_lcd=0xC9; convert_lcd_float(frequencia, flutuante); LCD_SET_ADDR(0xCE); wrt_string("Hz"); converte_real(media_corrente_fase); corrente_real=resultado_real; end_char_lcd=0xC0; convert_lcd_float(corrente_real, flutuante); if(resultado_real<100) LCD_SET_ADDR(0xC5); wrt_string("A"); else LCD_SET_ADDR(0xC6);
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wrt_string("A"); converte_tensao(media_tensao); tensao_real=resultado_tensao; end_char_lcd=0x80; convert_lcd_float(tensao_real, inteiro); LCD_SET_ADDR(0x83); wrt_string("V"); calcula_potencia(); if(potencia<1000) if(potencia<100) LCD_SET_ADDR(0x88); wrt_string(" "); end_char_lcd=0x89; convert_lcd_float(potencia, flutuante); LCD_SET_ADDR(0x8E); wrt_string("VA"); else end_char_lcd=0x88; convert_lcd_float(potencia, flutuante); LCD_SET_ADDR(0x8E); wrt_string("VA"); else potencia=potencia/1000; end_char_lcd=0x88; convert_lcd_float(potencia, flutuante); LCD_SET_ADDR(0x8D); wrt_string("kVA"); while(chave_calibracao==0) LCD_SET_ADDR(0x80); wrt_string("If In V Sr"); end_char_lcd=0xC0; convert_lcd_float(calibra_fase, inteiro); end_char_lcd=0xC4; convert_lcd_float(calibra_neutro, inteiro); end_char_lcd=0xC8; convert_lcd_float(calibra_tensao, inteiro); end_char_lcd=0xCC; convert_lcd_float(contador_conversoes, inteiro); delay_ms(100); lcd_clear(); delay_ms(200); P1_0=~P1_0;
Main Code Microcontrolador 2 - Amostragem
93
#include <REG8252.H> #define CS P1_0 #define RD P1_1 #define WR P1_2 #define imput_ad P0 #define ac_dc P1_3 #define inteiro 0 #define flutuante 1 #define sinaliza_interrupcao P1_3
unsigned char i; unsigned char valor_adc; unsigned char contagem_conv=0; unsigned char memoria_contagem; bit conversao_iniciada=0; signed char byte_signed_integral; unsigned char contagem_canal=0; volatile unsigned char contador_integral1=0; volatile unsigned long var_integral1=0; volatile unsigned int corrente_fase=0; volatile unsigned long integral_long_fase=0; volatile unsigned long resultado_integral_fase=0; volatile unsigned long integral_long_neutro=0; volatile unsigned long resultado_integral_neutro=0; volatile unsigned char contador_integral2=0; volatile unsigned int corrente_neutro=0; volatile unsigned long integral_long_tensao=0; volatile unsigned long resultado_integral_tensao=0; volatile unsigned char contador_integral3=0; volatile unsigned int tensao=0; unsigned int media_1=0; unsigned char contador_media_1=0; unsigned char resultado_media_corrente_fase=0; unsigned int media_2=0; unsigned char contador_media_2=0; unsigned char resultado_media_corrente_neutro=0; unsigned int media_3=0; unsigned char contador_media_3=0; unsigned char resultado_media_tensao=0; unsigned char w; long recorre; unsigned char calibra_fase, calibra_neutro, calibra_tensao; void configura_int() EX0=1; IT0=1; EX1=1; IT1=1; EA=1; void config_timer() TMOD=0x01; TH0=0xFE; TL0=0x00; ET0=1; TR0=0; IP=0x01; void Delay(int y)
94
for (i=0;i<y;i++); void canal_0() P3_5=0; P3_6=0; P3_7=0; void canal_1() P3_5=1; P3_6=0; P3_7=0; void canal_2() P3_5=0; P3_6=1; P3_7=0; void inicia_conversao_adc() if(contagem_canal==0) canal_0(); Delay(2); if(contagem_canal==1) canal_1(); Delay(2); if(contagem_canal==2) canal_2(); Delay(2); CS=0; WR=0; Delay(2); WR=1; long raiz_quadrada (float numero) recorre = numero; for (w=0; w<9; ++w) recorre = recorre/2 + numero/(2*recorre); return(recorre); void calcula_media_corrente_fase() if (contador_media_1<3) media_1=media_1+corrente_fase; contador_media_1++; else resultado_media_corrente_fase=media_1/(contador_media_1); media_1=0; contador_media_1=0; void calcula_media_corrente_neutro()
95
if (contador_media_2<3) media_2=media_2+corrente_neutro; contador_media_2++; else resultado_media_corrente_neutro=media_2/(contador_media_2); media_2=0; contador_media_2=0; void calcula_media_tensao() if (contador_media_3<3) media_3=media_3+tensao; contador_media_3++; else resultado_media_tensao=media_3/(contador_media_3); media_3=0; contador_media_3=0; void calcula_integral_fase(unsigned char byte_integral) byte_signed_integral=byte_integral-126; var_integral1=byte_signed_integral; var_integral1=var_integral1*var_integral1; if (contador_integral1<contagem_conv) integral_long_fase=integral_long_fase+var_integral1; contador_integral1++; void finaliza_integral_fase() if ((contador_integral1+contador_integral2+contador_integral3)>=contagem_conv) TR0=0; integral_long_fase=integral_long_fase/(contador_integral1); corrente_fase=raiz_quadrada(integral_long_fase); integral_long_fase=0; void calcula_integral_neutro(unsigned char byte_integral) byte_signed_integral=byte_integral-126; var_integral1=byte_signed_integral; var_integral1=var_integral1*var_integral1; if (contador_integral2<contagem_conv) integral_long_neutro=integral_long_neutro+var_integral1; contador_integral2++; void finaliza_integral_neutro() if ((contador_integral1+contador_integral2+contador_integral3)>=contagem_conv) integral_long_neutro=integral_long_neutro/(contador_integral2); corrente_neutro=raiz_quadrada(integral_long_neutro); integral_long_neutro=0;
96
void calcula_integral_tensao(unsigned char byte_integral) byte_signed_integral=byte_integral-126; var_integral1=byte_signed_integral; var_integral1=var_integral1*var_integral1; if (contador_integral3<contagem_conv) integral_long_tensao=integral_long_tensao+var_integral1; contador_integral3++; void finaliza_integral_tensao() if ((contador_integral1+contador_integral2+contador_integral3)>=contagem_conv) integral_long_tensao=integral_long_tensao/(contador_integral3); tensao=raiz_quadrada(integral_long_tensao); integral_long_tensao=0; contador_integral1=0; contador_integral2=0; contador_integral3=0; integral_long_fase=0; integral_long_neutro=0; integral_long_tensao=0; resultado_integral_fase=0; resultado_integral_neutro=0; resultado_integral_tensao=0; TH0=0xFE; TL0=0x00; conversao_iniciada=0; void envia_contagem_conversao() P2=memoria_contagem; P1_4=0; P1_5=1; P1_6=0; P1_7=0; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_corrente_fase() P2=corrente_fase; P1_4=0; P1_5=0; P1_6=1; P1_7=0; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_corrente_neutro()
97
P2=corrente_neutro; P1_4=1; P1_5=0; P1_6=1; P1_7=0; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_tensao() P2=tensao; P1_4=0; P1_5=1; P1_6=1; P1_7=0; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_media_corrente_fase() P2=resultado_media_corrente_fase; P1_4=1; P1_5=1; P1_6=1; P1_7=0; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_media_corrente_neutro() P2=resultado_media_corrente_neutro; P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=1; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_media_tensao() P2=resultado_media_tensao; P1_4=1; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=1; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0;
98
P1_6=0; P1_7=0; void envia_calibra_fase() P2=calibra_fase; P1_4=0; P1_5=1; P1_6=0; P1_7=1; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_calibra_neutro() P2=calibra_neutro; P1_4=1; P1_5=1; P1_6=0; P1_7=1; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void envia_calibra_tensao() P2=calibra_tensao; P1_4=0; P1_5=0; P1_6=1; P1_7=1; Delay(10); P1_4=0; P1_5=0; P1_6=0; P1_7=0; void conversao_ad() interrupt 0 RD=0; Delay(4); valor_adc=imput_ad; RD=1; CS=1; contagem_conv++; if(contagem_canal==0) calibra_fase=valor_adc; calcula_integral_fase(valor_adc); if(contagem_canal==1) calibra_neutro=valor_adc; calcula_integral_neutro(valor_adc); if(contagem_canal==2) calibra_tensao=valor_adc;
99
calcula_integral_tensao(valor_adc); if (contagem_canal<2) contagem_canal++; else contagem_canal=0; void rotina_timer0 () interrupt 1 TH0=0xFE; TL0=0x00; inicia_conversao_adc(); void interrupcao_externa_1() interrupt 2 if (conversao_iniciada==0) inicia_conversao_adc(); TR0=1; conversao_iniciada=1; contagem_conv++; else if(TR0!=0) memoria_contagem=contagem_conv; contagem_conv=0; inicia_conversao_adc(); void main() configura_int(); config_timer(); imput_ad=0xFF; P1=0x00; P2=0x00; P3=0xFF; CS=1; RD=1; WR=1; sinaliza_interrupcao=1; while (1) finaliza_integral_fase(); finaliza_integral_neutro(); finaliza_integral_tensao(); Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_contagem_conversao(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_corrente_fase(); sinaliza_interrupcao=1; calcula_media_corrente_fase();
100
Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_media_corrente_fase(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_corrente_neutro(); sinaliza_interrupcao=1; calcula_media_corrente_neutro(); Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_media_corrente_neutro(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_tensao(); sinaliza_interrupcao=1; calcula_media_tensao(); Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_media_tensao(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_calibra_fase(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_calibra_neutro(); sinaliza_interrupcao=1; Delay(10); sinaliza_interrupcao=0; envia_calibra_tensao(); sinaliza_interrupcao=1; P3_0=~P3_0;
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