SENSOR PARA MONITORAMENTO DE NÍVEIS DE TENSÃO EM

SENSOR PARA MONITORAMENTO DE NÍVEIS DE TENSÃO EM
SISTEMAS TRIFÁSICOS DE BOMBEAMENTO HIDRÁULICO(1)
Marconi S. Giacomini(2), Jefferson Pires(3), José Wagner Kaehler(4), Natalia Braun
Chagas(5)
(1) Trabalho
Vinculado ao Grupo de Pesquisa EIRE – Exploração Integrada de Recursos Energéticos;
bolsista; Fundação Universidade Federal do Pampa; Alegrete, RS; [email protected];
(3) Estudante, bolsista; Fundação Universidade Federal do Pampa; Alegrete, RS; [email protected];
(4) Orientador; Fundação Universidade Federal do Pampa;
(5) Co-orientadora; Fundação Universidade Federal do Pampa;
(2) Estudante,
Palavras-Chave: sensor, microcontrolador, processamento de sinais, amostragem de sinais, valor RMS.
INTRODUÇÃO
Um levante eletro-hidráulico constitui-se num conjunto motor-bomba utilizado para a irrigação de
lavouras de arroz, empregando como força motriz um motor elétrico trifásico de indução de alta potência.
Esse motor, para seu correto funcionamento, deve operar em rede balanceada, ou seja, em que as tensões
de fase sejam idênticas. Caso essas tensões sofram variações, o motor pode superaquecer e vir a queimar.
Entretanto, é definido um limite de variação para as tensões de fase, em que, dentro desse limite, é
assegurado que o motor não sofra danos. Dados de medições feitas em levantes da área rural de Alegrete –
RS mostram que esses limites são facilmente ultrapassados no fornecimento de energia, e que muitos
equipamentos dos quadros de comando, são danificados devidos a essas oscilações (CANCIO, 2016).
A construção de um sensor de tensão trifásico para o sistema então se faz necessário, de modo que
seja possível analisar a tensão elétrica da rede, e fazer uma atuação antes de que uma significativa variação
de tensão possa vir a danificar o motor e seu respectivo quadro de comando. Assim, é garantida a integridade
do sistema de acionamento, bem como a do próprio motor, evitando a ocorrência de perdas na lavoura devido
a uma irrigação deficiente causada pela má qualidade da energia elétrica.
METODOLOGIA
Uma linha de transmissão possui dois modos de condução de corrente: modo comum e modo
diferencial. O modo diferencial diz respeito à tensão a que a carga ligada a essa linha está sujeita, ou seja, a
diferença das tensões dos condutores (CASSIOLATO, 2016). O modo comum diz respeito as tensões de linha
que são iguais em amplitude para ambos os condutores em que a carga está ligada, com referência à terra.
Tensões de modo comum são geradas por fontes de ruído como descargas atmosféricas e fontes chaveadas.
Ao aferir a tensão da linha, somente deve-se ler a tensão de modo diferencial, pois esta é a que faz circular
corrente pela carga. O circuito de aferição portanto deve ser imune a tensão de modo comum. Um circuito
bem estudado e que possui tais características é o amplificador diferencial (MAXIM, 2003).
A tensão de saída do amplificador diferencial, na amostragem da tensão da rede, é uma senóide
composta pela onda fundamental de 60Hz e as harmônicas da rede. A amplitude negativa da onda pode
danificar o processador de sinal que fará a leitura do respectivo sinal de tensão, contudo não pode ser anulada
pois é necessária ao cálculo da tensão. A solução obtida foi somar um offset (tensão DC) a onda senoidal.
Deste modo temos exatamente o mesmo sinal, porém agora somente com valores positivos.
O tipo de leitura utilizada para a tensão é True RMS, pois esta leva em consideração a forma de onda
lida e não somente seus valores máximos e mínimos, tendo assim uma melhor representação da tensão.
Assim, após o tratamento do sinal e posterior leitura pelo processador de sinal, aplicou-se a fórmula para
cálculo RMS da onda. Todos os valores de tensão lidos são armazenados em um servidor, o qual fica conjunto
a placa principal do sistema. Esses valores são enviados a plataforma web desenvolvida para mostrar ao
usuário, os níveis de tensão aferidos.
O processador de sinal, decide quando deve atuar no desligamento do motor, baseando-se nos valores
calculados. Caso o valor de tensão ao fazer a partida do motor esteja fora de tolerância, não será permitida a
partida do motor, pois o mesmo, se partir, poderá vir a queimar por operar em uma rede elétrica com níveis
de tensões não permitidos para operação constante.
Constituiu-se então, o medidor trifásico. A placa medidora de tensão possui 3 sensores de tensão, um
para cada fase da rede. Após a fresagem da mesma, foram soldados os componentes e iniciados os testes,
para avaliação de precisão e condições de operação. Para avaliar a precisão, utilizou-se uma fonte de tensão
AC variável trifásica, modelo FCATH 450-38-50 da empresa Supplier. O teste começou em 85 Volts e terminou
em 220 Volts, com um intervalo de 15 Volts entra cada medição, tendo uma frequência nominal de 60Hz. Para
Anais do 8º Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão – Universidade Federal do Pampa
avaliação de precisão em função da frequência do sinal foi realizado um teste com tensão nominal de 100
Volts para frequências desse 50Hz até 500Hz, com intervalo de 50Hz.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os dados de identificação do sensor tiveram como base os dados aferidos nos testes. Foi notado um
erro pequeno devido a retirada do offset (tensão DC) em código, pois essa tensão nunca se anula totalmente
por consequência do conversor analógico-digital presente no processador de sinal possuir valores limitados
em função da sua quantidade de bits. A qualidade da fonte de tensão utilizada na alimentação do sensor
também obteve impacto na medição. Para fontes com muito ruído, o sensor apresentou degradação na
precisão. Na tabela 1, estão as tensões medidas para uma frequência nominal de 60Hz e na tabela 2
encontram-se as tensões medidas em função da frequência do sinal amostrado. A equação (1) é a equação
para o cálculo do valor RMS de uma onda e foi utilizado para cálculo da tensão nas amostragens.
1
𝑁
𝑉𝑅𝑀𝑆 = √ ∑𝑁
𝑖=1 𝑥𝑖 2
(1)
Tabela 1 – Tensão Aferida pelo Sensor para Várias Tensões do Gerador
Valor Nominal (V)
85
100
115
130
145
Frequência (Hz)
160
175
190
205
220
60
Valor de Referência (V)
85,0
100,0
115,0
130,1
145,2
160,3
175,4
190,6
205,9
221,2
Valor Amostrado (V)
83,8
98,5
113,3
128,2
143,2
158,3
173,1
188,1
203,2
218,2
Erro (%)
1,4
1,5
1,5
1,5
1,4
1, 3
1,3
1,3
1,3
1,3
Fonte: Elaborado pelo autor.
Tabela 2 – Tensão Aferida pelo Sensor em Função da Frequência do Gerador
Valor Nominal (V)
100
Frequência (Hz)
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Valor de Referência (V)
100,0
100,1
100,0
99,9
99,7
99,5
99,2
99,0
98,6
98,2
Valor Amostrado (V)
98,6
98,6
98,5
98,4
98,2
97,9
97,5
97,2
98,0
96,9
Erro (%)
1,4
1,5
1,5
1,5
1,5
1,6
1,5
1,8
0,6
1,3
Fonte: Elaborado pelo autor.
De acordo com a tabela 1, percebe-se um leve incremento com o aumento da tensão e também uma
não linearidade do sensor para a faixa de frequência lida. Em relação a tabela 2, percebe-se o aumento do
erro em frequências mais altas e o surgimento de anormalidades na leitura, como o surgimento de leituras de
alta precisão em conjunto com de baixas precisão, o que pode indicar que a frequência de amostragem deve
ser maior.
CONCLUSÕES
O sensor desenvolvido apresentou uma boa resposta aos desafios que foram propostos. Com um erro
máximo de 1,8%, ficou dentro do esperado obtendo em alguns casos, resultados superiores. Um dos grandes
fatores de erro presentes na leitura foi a tensão de offset, a qual registrou a presença de ruídos, devido ao
regulador de tensão utilizado, o LM7805 da Texas Instruments. Portanto, tendo como base os fatos
pertinentes, faz-se necessário a eliminação de ruídos da tensão de offset, bem como a calibração do sensor
de tensão para a leitura de valores mais precisos.
REFERÊNCIAS
CANCIO, L. D. Avaliação da eficiência energética em sistemas de irrigação mecanizados nas lavouras
de arroz da Fronteira Oeste. Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Elétrica. Alegrete, 2016.
CASSIOLATO, César, Aterramento, blindagem, acoplamentos, ruídos, seus efeitos e como minimizálos em instalações industriais; Revista Intech, Edição 157, 2016
INTEGRETED, MAXIM. Understanding Common-Mode Signals; Disponível em:
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/2045>. Acesso em 18 out, 2016.
Anais do 8º Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão – Universidade Federal do Pampa