uma proposta de condicionador de sinais para aquisição de dados

UMA PROPOSTA DE CONDICIONADOR DE SINAIS PARA AQUISIÇÃO DE
DADOS EM UM INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO DA QUALIDADE DA
ENERGIA ELÉTRICA
Ivan Nunes Santos, Arnaldo José Pereira Rosentino Júnior
Universidade Federal de Uberlândia
Av. João Naves de Ávila, 2160, Sala 1E18, CEP 38408-100, Uberlândia - M G
Brasil
e-mails: [email protected], [email protected]
Resumo – Este artigo trata da descrição de uma nova
proposta de circuito condicionador de sinais a ser usado
na etapa de aquisição de dados de um instrumento de
medição e análise da qualidade da energia elétrica
desenvolvido pelo grupo de “Qualidade e Racionalização
da Energia Elétrica” da Universidade Federal de
Uberlândia.
Palavras-Chave – Aquisição de Dados, Condicionador
de Sinais, Qualidade da Energia Elétrica, Qualímetro.
A PROPOSAL OF SIGNAL CONDITIONING
FOR DATA ACQUISITION OF A
MEASUREMENT DEVICE OF POWER
QUALITY
Abstract – This article shows a description of a new
proposal of signal conditioning which will be used to
stage for data acquisition of a power quality analysis and
measurement instrument developed by the team of
“Power Quality and Rationalization” at the Federal
University of Uberlandia.
1
Keywords – Data Acquisition, Power Quality, Quality
Meter, Signal Conditioning.
I. INTRODUÇÃO
A busca pela qualidade e pelo melhor aproveitamento da
energia elétrica tem sido alvo de grandes preocupações tanto
por parte de estudiosos da área como por concessionárias,
consumidores e setores governamentais. Isto se justifica,
dentre outros motivos, pelo aumento contínuo de cargas com
características especiais conectadas aos sistemas de potência
e pelas exigências cada vez maiores de um bom nível para a
qualidade da energia consumida. Diante disto, grupos
envolvendo consumidores, concessionárias, instituições de
ensino e pesquisa e órgãos responsáveis pela legislação
pertinente, têm desenvolvido trabalhos no sentido de
normatizar e regulamentar a chamada “Qualidade da Energia
Elétrica”.
Uma grande parte dos instrumentos hoje disponíveis no
mercado para análise da qualidade da energia elétrica
apresenta limitações de cunho financeiro (por serem
“Artigo publicado na IV Conferência de Estudos em Engenharia Elétrica (IV
CEEL) realizada no período de 22 a 25 de Novembro na Universidade
Federal de Uberlândia, Uberlândia MG.”
relativamente caros) ou limitações técnicas (ausência ou
imperfeição na medição de algum fator de qualidade). Assim
sendo, o grupo de “Qualidade e Racionalização da Energia
Elétrica” da Universidade Federal de Uberlândia, através do
projeto SIDAQEE (Sistema Integrado para Diagnóstico e
Análise da Qualidade da Energia Elétrica) [1] [2] [3],
procurou desenvolver um equipamento de tecnologia
nacional, com baixo custo, englobando a análise dos
principais fenômenos de qualidade, ou seja, variações de
tensão de longa e curta duração, desequilíbrios, flutuações,
harmônicos de tensão e corrente, etc.
É neste contexto que o estudo realizado no presente artigo
se insere, pois tem por meta o aperfeiçoamento da estrutura
de hardware do projeto SIDAQEE, através do
desenvolvimento de um novo circuito condicionador de
sinais, possibilitando-se, assim, uma melhor aquisição dos
sinais de tensão e corrente a serem analisados.
O sistema de aquisição do SIDAQEE consiste de 4 canais
para medição de tensão (através de pontas de prova) e 4
canais para corrente (através de alicates de corrente),
totalizando 8 canais de entrada, sendo que estes últimos
recebem, em verdade, sinais de tensão proporcionais às
correntes aferidas e não diretamente os sinais de corrente.
Em cada canal é realizado um condicionamento do sinal de
entrada, que posteriormente os dados são enviados para um
microcomputador, por meio de um cartão de aquisição PCCARD-DAS16/16-AO da Computer Boards (EUA), que, por
sua vez, realiza o processamento dos dados recebidos. Por
não corresponder aos objetivos deste artigo, não serão
realizados maiores comentários sobre o método de
transferência de dados via cartão de aquisição, assim como
seu processamento no micro.
A aquisição de dados do SIDAQEE é contínua, realizada
numa freqüência de 7680 Hz por canal (que equivale a 128
pontos por ciclo de 60 Hz), tendo uma freqüência total de
amostragem de 61440 Hz e uma resolução de 16 bits.
É importante ressaltar que apesar do cartão de aquisição
possuir apenas um conversor analógico/digital, não será
necessário a implementação de um multiplexador de canais
nesta estrutura de aquisição, porque o mesmo já se encontra
presente internamente no cartão.
Tem-se na figura 1, que se segue, um organograma geral
da estrutura de aquisição de dados do SIDAQEE, com os 8
canais de entrada, os respectivos condicionadores de sinais, o
cartão de aquisição e o microcomputador, conforme já
descrito acima.
um bom nível de isolação galvânica entre a rede elétrica e os
circuitos eletrônicos de aquisição, além disto, a utilização
deste arranjo de entrada permite que os sinais de entrada
possam ser ligados tanto na configuração estrela como na
delta.
Fig. 1. Organograma geral da estrutura de aquisição de
dados do SIDAQEE.
As pontas de prova podem ser conectadas diretamente em
um sistema elétrico de baixa tensão ou em um barramento de
alta tensão por meio de TP’s (Transformadores de Potencial).
Enquanto os alicates de corrente são sensores capazes de
gerar uma tensão de saída em função da corrente existente no
primário.
II. CONDICIONADOR DE SINAIS PROPOSTO
O circuito condicionador de sinais nesta nova proposta
pode ser dividido em 3 partes: amplificador de
instrumentação, filtro anti-aliasing e circuito sample/hold
(amostragem/retenção).
A seguir serão apresentadas de forma detalhada cada uma
das 3 partes, supramencionadas, do circuito condicionador de
sinais.
A. Amplificador de Instrumentação
O amplificador de instrumentação é a primeira etapa do
condicionador de sinais, o qual consiste de um amplificador
INA111/AP da Burr-Brown, apresentando como principais
característica uma elevada impedância de entrada
(aproximadamente 10² ? ), reduzida corrente de polarização
(10pA), baixo tempo de resposta (em torno de 4µs), alta
rejeição de ruído em modo comum (próximo de 106dB),
reduzida tensão de offset (menor que 500µV) e tensão de
suprimento variando de +/-6V à +/ -18V. Maiores
informações sobre o INA111/AP podem ser encontradas na
página www.burr-brown.com ou em seu data sheet.
Como os sinais advindos das pontas de prova (de algumas
dezenas de volts) possuem amplitudes bem maiores que
aqueles gerados pelos alicates de correntes (de alguns poucos
milivolts) demandou-se a adoção de diferentes circuitos de
entrada para adaptação destes sinais. Essa diferenciação entre
os circuitos ocorre, basicamente, pela omissão de dois
resistores de entrada, que será esmiuçado a seguir.
1) Canais de Tensão – Primeiramente foi feito um duplo
divisor de tensão, usando um resistor de 2,2 M? em série
com um de 3,3 K? , o que nos fornece uma atenuação de
cerca de 667,67 vezes. Posteriormente foi desenvolvido um
estágio de amplificação deste sinal atenuado por meio do
INA111/AP, conforme pode ser visto na figura 2. O elevado
valor de 2,2 M? da resistência do divisor de tensão garante
Fig. 2. Circuito do amplificador de instrumentação para
os canais de tensão.
A regulação do valor final de atenuação/amplificação é
realizada pelo ajuste do potenciômetro de 10 k? , o qual varia
o ganho do INA111/AP.
2) Canais de Corrente – A única diferença deste módulo
para o de tensão é a ausência dos dois resistores de 2,2 M?
de atenuação, devido à baixa tensão encontrada no
secundário dos alicates de corrente (em torno de milivolts). O
circuito do amplificador de instrumentação dos canais de
corrente pode ser visto na figura 3.
Fig. 3. Circuito do amplificador de instrumentação para
os canais de corrente.
Em relação à isolação entre a rede elétrica e os circuitos
eletrônicos de aquisição nos canais de corrente, ela é dada
pelos próprios alicates de corrente, uma vez que os mesmos
na presença de sobrecorrentes saturam, protegendo-se, assim,
os circuitos do condicionador de sinais.
OBSERVAÇÕES: Estão sendo usados capacitores de 0,1
µF junto às entradas de suprimento do INA111/AP, que são
para filtrar possíveis ruídos, conforme sugerido no data sheet
do mesmo. A tensão de suprimento adotada para o
INA11/AP é de +/-9V.
Colocando-se o potenciômetro de ajuste de ganho próxima
aos 8 k? de resistência, teremos um ganho para o
INA111/AP de aproximadamente 7,25 vezes, dado pela
equação (1) abaixo.
G =1 +
50kΩ
RG
(1)
Onde:
G
RG
- Ganho de tensão.
- Resistência de ajuste do potenciômetro.
B. Filtro Anti-Aliasing
Um teorema definido por Nyquist [4] estabelece que a
taxa de conversão mínima de um sistema de aquisição deve
ser igual à pelo menos duas vezes a freqüência da máxima
componente harmônica a ser analisada. Isto garante que o
sinal a ser analisado seja bem representado. Em nosso caso
específico, o medidor tem que ser capaz de analisar
harmônicas de 50ª ordem de 60 Hz (ou seja, 3000 Hz),
conseqüentemente a taxa de amostragem segundo Nyquist
deverá ser no mínimo de 6000 Hz. Contudo o SIDAQEE
trabalha com uma amostragem de 7680 Hz, que representa
um valor 28% acima do mínimo estabelecido.
A violação deste teorema poderá produzir uma
superposição ou aliasing destas freqüências “superiores” na
faixa de freqüência desejada. Na prática o aliansing está
sempre presente devido a ruídos ou a existência de energia
do sinal fora da banda de interesse. A solução deste problema
ocorre pela implementação de um filtro anti-aliasing, ou seja,
um filtro passa-baixa capaz de promover atenuação para
freqüências acima da freqüência de Nyquist.
Em nosso caso foi projetado um filtro de configuração
Butterworth passa-baixa [5], de 2 pólos, utilizando o
amplificador operacional CA3140A da Intersil, o qual
corresponde às expectativas do circuito. Este filtro é capaz de
prover um corte no ganho de 40 dB por década a partir da
freqüência de corte que será de aproximadamente 6000 Hz.
O ganho de tensão do mesmo é fixo em 1,586 para que se
tenha uma resposta satisfatória, conforme equação (2)
abaixo.
Onde:
1,586 =
R1
R2
R1
+1
R2
(2)
Onde:
fC
R
C
- Freqüência de corte do filtro.
- Resistência do filtro.
- Capacitância do filtro.
Caso C = 180 nF, sendo fC = 6 kHz, teremos R = 147,4 ? ,
que pode ser aproximado para 150 ? (um valor de resistor
comercialmente encontrado).
A figura 4 apresenta o filtro anti-aliasing de configuração
Butterworth passa-baixa de 2 pólos.
Fig. 4. Circuito do filtro anti-aliasing.
Nota-se que é colocado um potenciômetro de 10 k? entre
os pinos 1, 4 e 5 para ajuste da tensão de offset do CA3140A,
sendo o valor típico da mesma 2mV. Todas as informações
sobre este amplificador operacional podem ser encontradas
em seu data sheet ou na página www.intersil.com.
C. Circuito Sample/Hold
O sample/hold é a última etapa do condicionador de sinais
analisado. Ele se justifica no SIDAQEE por dois motivos,
primeiramente porque os conversores analógicos/digitais
necessitam de um sinal de entrada estável para realizarem a
conversão e, em segundo lugar, para que haja uma
simultaneidade na amostragem de todos os canais, pois a
digitalização ocorre em um canal por vez, conforme já dito
anteriormente, contudo o circuito sample/hold é disparado
simultaneamente para todos os canais, evitando-se, assim, o
defasamento dos sinais de um canal para o outro.
O circuito sample/hold, em questão, utiliza o integrado
LF398 da National, conforme esquematizado na figura 5.
- Resistor entre a saída do CA e a porta inversora.
- Resistor entre a porta inversora do CA e o terra.
Se R2 = 10 k?, então R1 = 5,86 k?. Utilizaremos o valor
padrão mais próximo que é de 5,6 k? para se ter uma
resposta maximamente plana.
Este filtro anti-aliasing tem a freqüência de corte dada
pela equação (3).
fC =
1
2π RC
(3)
Fig. 5. Circuito sample/hold.
Este circuito integrado possui um offset de tensão típico
de 2mV que pode ser corrigido através do ajuste do
potenciômetro de 1 k? colocado no pino 2, em série com o
resistor de 12 k? . Já o capacitor conectado ao pino 6 tem o
papel mais importante no ajuste do LF398, pois ele é
responsável pelo passo de retenção (hold step) em volts e
também pelo tempo de aquisição, conforme pode ser visto
em seu data sheet ou na página www.national.com. Para um
capacitor de 10 nF, temos um passo de retenção de 0,5 mV e
um tempo de aquisição de 20 µs, que se encontram em
conformidade com o projeto.
O controle de disparo de sample/hold é realizado por meio
do pino 8 do LF398, sendo o sinal de controle proveniente do
cartão de aquisição, que não será detalhado.
III. CONCLUSÕES
No presente artigo foi apresentada uma nova proposta de
circuito condicionador de sinais, onde procurou-se, com
detalhamento de cada um de seus estágios, expor de forma
clara as especificações dos diversos componentes dos
circuitos constituintes, contribuindo-se, portanto, para o
aperfeiçoamento do hardware do projeto SIDAQEE e para o
estudo acerca da monitoração dos itens de qualidade da
energia elétrica.
AGRADECIMENTOS
Este artigo conta com o auxílio de bolsa de mestrado
financiada pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal
de Nível Superior (CAPES).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] A. L. A. Vilaça, Uma Proposta de Instrumento para
Medição da Qualidade da Energia Elétrica, Dissertação
(Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade
Federal de Uberlândia), Uberlândia, 2001.
[2] C. M. M. Queiroz, Desenvolvimento de um Instrumento
para a Monitoração da Qualidade da Energia Elétrica,
Dissertação (Faculdade de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Uberlândia), Uberlândia, 1998.
[3] E. G. Silva, Desenvolvimento de Softwares Aplicativos
para Análise da Qualidade da Energia Elétrica,
Dissertação (Faculdade de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Uberlândia), Uberlândia, 1998.
[4] A. V. Oppenheim, A. S. Willsky, Signal & Systems,
Prentice Hall, 2ª Edição, New Jersey, 1997.
[5] A. P. Malvino, Eletrônica Volume II, Makron Books, 4ª
Edição, São Paulo, 1997.
DADOS BIOGRÁFICOS
Ivan Nunes Santos, nascido em 13/07/1979 em Prata-MG é
engenheiro eletricista (2005) e mestrando em Engenharia
Elétrica pela Universidade de Federal de Uberlândia, tendo
como orientador o Prof. José Carlos de Oliveira, PhD.
Arnaldo José Pereira Rosentino Junior, nascido em
08/05/1984 em Uberlândia-MG é graduando do curso de
Engenharia Elétrica e aluno de iniciação científica do grupo
de Qualidade de Energia Elétrica pela Universidade Federal
de Uberlândia.