Estudo do impacto da variação da tensão de alimentação no

Estudo do impacto da variação da tensão de alimentação no
consumo de equipamentos eletroeletrônicos (1).
Clóvis Antônio Petry(2); Daniel Nunes Corrêa da Silva(3); João Vitor da Cunha Nazaré
Bastos(4); Pedro Pivatto Cavilha (5).
Resumo Expandido
Trabalho executado com recursos do Edital de Pesquisa PIBIC-EM N o 27/2012/PRPPGI, da Pró-Reitoria de Pesquisa,
Pós-Graduação e Inovação.
(2)
Professor; Instituto Federal de Santa Catarina; Campus Florianópolis, DAELN; Florianópolis, Santa Catarina;
[email protected]. (3) Estudante; Instituto Federal de Santa Catarina; Campus Florianópolis, DAELN; (4) Estudante;
Instituto Federal de Santa Catarina; Campus Florianópolis, DAELN; (5) Estudante; Instituto Federal de Santa Catarina;
Campus Florianópolis, DAELN.
(1)
RESUMO: Este projeto consiste em estudar o impacto da variação da tensão de alimentação no consumo
de equipamentos eletroeletrônicos e apontar formas de redução deste consumo pelo emprego de
estabilizadores de tensão alternada. Alguns objetivos específicos do projeto são estudar o padrão de
consumo de energia elétrica em residências típicas; realizar ensaios com equipamentos eletroeletrônicos
pré-selecionados; avaliar o padrão de consumo dos equipamentos com a variação da tensão de
alimentação; estudar formas de estabilizar a tensão para os equipamentos pré-selecionados. Assim, neste
artigo são apresentados os resultados obtidos no desenvolvimento do projeto, conforme os objetivos
especificados para o mesmo. As conclusões obtidas apontam que para determinadas cargas é possível
reduzir o consumo de energia controlando a tensão de alimentação.
Palavra Chave: consumo de energia elétrica, estabilizadores de tensão, eletroeletrônicos.
INTRODUÇÃO
O consumo de energia elétrica tem aumentado ao
longo das últimas décadas, em decorrência do
maior acesso a equipamentos eletroeletrônicos. Isso
ocorre na indústria, no comércio e nas residências
das pessoas, pelo uso intensivo de diversos
equipamentos, sejam eletrodomésticos, ferramentas
elétricas e principalmente, pelo uso cada vez mais
intenso
de
equipamentos
de
informática,
telecomunicações e de entretenimento (HINRICHS,
2011).
A perspectiva de aquisição de mais equipamentos
eletroeletrônicos pelas pessoas de todas as faixas
de renda é crescente, pois a produção em larga
escala e a nível mundial tem reduzido
significativamente o custo de produção e o valor
final de venda destes equipamentos.
Assim, a pesquisa, desenvolvimento e venda de
produtos visando a redução do consumo de energia
elétrica tem sofrido aumento perceptível nos últimos
anos (BOSE, 2000). Do mesmo modo, a área de
energias renováveis também tem sido foco de
estudos e investimentos em larga escala em alguns
países, que visam diversificar sua matriz energética,
inclusive o Brasil (PETRY, 2006). Assim, os
4º Seminário de Pesquisa, Extensão e Inovação do IFSC
investimentos públicos e privados na área de
geração de energia elétrica tem
aumentado,
impactando
financeiramente
na
economia dos países, o que também justifica a
busca por redução no consumo final, visando a
redução dos custos para construção de novas
usinas geradoras e linhas de transmissão e
distribuição da energia gerada. Neste contexto, o
problema desta pesquisa pode ser elaborado como
segue: Tem a variação da tensão de alimentação
influência significativa no consumo de energia de
equipamentos eletroeletrônicos? A hipótese central
deste trabalho pode ser enunciada por: A
estabilização da tensão de entrada de equipamentos
eletroeletrônicos reduz seu consumo de energia.
Além disso, podem-se apontar hipóteses
secundárias, quais sejam:
• A redução no consumo de energia de
equipamentos
eletroeletrônicos
compensa
financeiramente a instalação do equipamento para
estabilização da tensão;
• Equipamentos operando com tensão estabilizada
podem ser otimizados para diminuir ainda mais seu
consumo de energia;
ISSN 2357-836X
• A vida útil de um equipamento eletroeletrônico
operando com tensão estabilizada é superior à de
um equipamento operando diretamente com tensão
da rede.
Assim, o objetivo geral deste trabalho é estudar o
impacto da variação da tensão de alimentação no
consumo de equipamentos eletroeletrônicos e
apontar formas de redução deste consumo pelo
emprego de estabilizadores de tensão alternada.
Deste objetivo geral podem ser derivados os
seguintes objetivos específicos:
• Estudar o padrão de consumo de energia elétrica
em residências típicas;
•
Realizar
ensaios
com
equipamentos
eletroeletrônicos pré-selecionados;
• Avaliar o padrão de consumo dos equipamentos
com a variação da tensão de alimentação;
• Estudar formas de estabilizar a tensão para os
equipamentos pré-selecionados.
Neste contexto, o presente artigo descreve o
estudo realizado com diversos equipamentos,
visando a identificação de seu padrão de consumo e
potencial redução com o uso de estabilizadores de
tensão.
METODOLOGIA
A metodologia para desenvolvimento do projeto
de pesquisa consistiu no desenvolvimento de
atividades de estudo, de formação da equipe técnica
envolvida, realização de ensaios de laboratório,
elaboração de documentação referente às etapas
desenvolvidas e de materiais de divulgação,
proposição de soluções tecnológicas para
estabilização de tensão, simulação de circuitos e
construção de protótipos.
Em síntese, as atividades técnicas do projeto
seguiram as fases clássicas de desenvolvimento de
projetos eletroeletrônicos, que consistem em
estudos, realização de simulações numéricas em
softwares específicos, montagens intermediárias em
matrizes de contatos, desenhos de placas de
circuitos impressos e construção de protótipos e a
realização de ensaios com os mesmos.
Perpassando todas estas grandes etapas, tem-se
a elaboração de relatórios, artigos científicos,
banners e outros materiais pertinentes ao projeto.
Para tornar possível a execução dos estudos e
ensaios com equipamentos em laboratório, fez-se
necessário
um
estudo
prévio
para
o
desenvolvimento do método de obtenção e analise
de medidas e para caracterização dos diferentes
comportamentos de equipamentos eletroeletrônicos
em resposta à variação de tensão em sua
alimentação.
4º Seminário de Pesquisa, Extensão e Inovação do IFSC
A partir deste estudo de métodos de obtenção de
medidas, propôs-se a utilização do método
apresentado abaixo, na Figura 1:
Figura 1 - Método desenvolvido para obtenção de
medições.
Como pode-se observar na Figura 1, para
possibilitar a variação de tensão de alimentação
para os ensaios, utilizou-se um Varivolt,
equipamento que, atrás de um sistema de
autotransformador, disponibiliza em sua saída a
forma de onda aplicada à sua entrada, porém com
amplitude controlada.
À saída do Varivolt, acopla-se a carga (neste
caso, o equipamento eletroeletrônico) para que
possa executar-se o estudo de sua resposta quando
alimentado com a tensão ajustada no Varivolt.
Com este arranjo, é possível manipular a tensão
alternada que se deseja aplicar à carga estudada.
Para coletar os dados e assim verificar o consumo
de energia do equipamento em teste, utilizou-se de
um osciloscópio digital. Este osciloscópio é ligado
em paralelo à carga, do mesmo modo que um
multímetro convencional para medição da tensão de
alimentação e, utilizando-se uma ponteira para
medição e corrente por meio de campo magnético, é
acoplado a um dos fios que liga a carga ao Varivolt.
Assim, utilizando a função de multiplicação de
canais de entrada do osciloscópio (tensão x
corrente), é possível calcular a potência de consumo
medida na carga.
Respeitando a tolerância dos equipamentos
testados, estabeleceu-se uma variação de tensão de
alimentação padrão de 10% do valor nominal de
tensão do equipamento em questão, resultando em
uma variação entre 198 V e 242 V para
equipamentos com tensão nominal de alimentação
de 220 V. Buscando-se uma resolução aceitável
para análise e uma facilitação na execução dos
ensaios, decidiu-se praticar esta variação com
intervalos de dois volts entre as medições
executadas.
ISSN 2357-836X
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Tendo como objetivo principal dos ensaios a
caracterização da resposta em potência relativa à
variação de tensão na alimentação de equipamentos
eletroeletrônicos, utilizou-se as medidas obtidas
nestes mesmos ensaios para elaboração de estudos
gráficos e assim, observação da tensão de
alimentação necessária para obter-se a menor
potência consumida por um equipamento.
Para exemplificação, pode-se observar o gráfico
da resposta da potência consumida em função da
tensão de alimentação obtido através do ensaio com
uma televisão apresentado na Figura 2.
com o qual executou-se um ensaio resultando na
seguinte resposta em potência (Figura ).
Figura 3 - Gráfico de resposta da potência em função
da tensão de alimentação aplicada ao secador de
cabelos.
Figura 2 - Gráfico de resposta da potência consumida
em função da tensão de alimentação aplicada à
televisão.
Pode-se notar, através da observação do gráfico
apresentado na Figura 2, que existem diferentes
níveis de consumo para cada um dos valores de
tensão aplicadas à alimentação do equipamento
testado, destacando-se o mínimo valor de potência
de 137,8 W, referente à alimentação do televisor
com cerca de 218 V de tensão. Este tipo de
resposta (com vales acentuados em tensões
específicas) caracteriza o comportamento de
eletroeletrônicos que buscou-se durante a etapa de
ensaios deste projeto.
É importante ressaltar que durante os ensaios
realizados, observou-se que existem equipamentos
que não apresentam este tipo de resposta em
potência, mas sim uma curva linear crescente da
potência em relação à tensão de alimentação. Este
tipo de resposta deve-se às características
específicas
de
equipamentos
de
carga
predominantemente resistiva, os quais, em sua
maioria, possuem seu nível de funcionalidade
diretamente proporcional à potência consumida,
como é o caso do equipamento secador de cabelos
4º Seminário de Pesquisa, Extensão e Inovação do IFSC
A partir da análise dos resultados obtidos com os
ensaios realizados com diferentes equipamentos
passa-se a estudar o comportamento necessário
para se aproveitar os vales de potência observados
nos equipamentos alvo. O intuito básico de um
equipamento que aproveite estas características, é
ser capaz de verificar a existência destes vales e
estabilizar a tensão de alimentação em um valor
correspondente à um baixo consumo de energia.
Com esta finalidade, foi desenvolvido, um circuito de
controle de tensão por corte em ângulo de fase,
como mostrado na Figura 4.
Para o tipo de controle de tensão que escolheu-se
usar neste projeto, o sinal de controle ativa ou
desativa o corte de condução em certo ângulo de
onda em relação ao instante que a onda cruza a
tensão zero, conduzindo apenas parte da forma de
onda e assim alterando o valor de tensão eficaz
disponível na saída do circuito.
Para atuar como controle do circuito de ajuste da
tensão, a nível de prototipagem utilizou-se a
plataforma de desenvolvimento livre Arduino com
uma lei de controle para ativar o corte de onda
baseado no valor de tensão que apresente a menor
potência consumida. Para identificar o valor
específico em que seja gasto menos energia, o
protótipo foi programado para executar uma
varredura nos valores de tensão dentro da tolerância
de cada equipamento, registrando valores de tensão
ISSN 2357-836X
e corrente para cada ponto de medição e assim
calculando a potência para estes mesmos pontos.
Figura 4 - Esquemático do circuito de controle de
tensão por corte em ângulo de fase.
Com o protótipo montado e com ambas as partes:
controle e potência testadas, executou-se outro
ensaio para determinar o comportamento do circuito
e a precisão dos dados obtidos a partir deste
mesmo. Para este ensaio, adicionou-se ao protótipo
uma biblioteca de comunicação serial para assim
tornar possível a observação dos valores calculados
e validação destes comparando-os com os valores
obtidos com um osciloscópio digital através do
modelo de obtenção de medidas previamente
apresentado.
Também observou-se a forma de onda obtida
após a atuação do circuito de corte por ângulo de
fase com o intuito de verificar a aplicabilidade deste
sinal
para
alimentação
de
equipamentos
eletroeletrônicos. Na Figura 5 observa-se a forma de
onda obtida na saída do circuito de controle de
tensão por corte em ângulo de fase com um ângulo
de corte de cerca de 85°.
CONCLUSÕES
Analisando os resultados obtidos durante o
desenvolvimento deste projeto é possível validar a
utilização dos métodos de economia propostos na
prévia justificativa, porém ainda pode-se avançar
com o desenvolvimento e maturação destas
propostas,
aumentando
sua
eficiência
e
aplicabilidade.
Encontraram-se dificuldades na aplicação deste
circuito para cargas com baixo consumo de energia,
fazendo com que seja uma solução imediatamente
mais viável para ambientes de alto consumo de
energia e de utilização de grandes potências, como
indústrias e centros empresariais.
O resultado obtido e mesmo a pura validação dos
métodos propostos gratificam a equipe que vos traz
este projeto, porém são conhecidas as deficiências
e defasagens deste mesmo e espera-se que o
trabalho executado seja fonte de instrução ou
inspiração para soluções que busquem sanar a
problemática envolvida neste projeto.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao IFSC e ao CNPq
pelo suporte financeiro ao projeto por meio de
bolsas de iniciação científica e equipamentos de
laboratório.
REFERÊNCIAS
Figura 5 - Forma de onda obtida através do circuito de
controle de tensão por corte em ângulo de fase.
ABINEE - Associação Brasileira da Indústria Elétrica e
Eletrônica. Disponível em:
http://www.estabilizador.abinee.org.br/.
Acesso
em:
23/02/2006
AKAGI, H. Trends in power electronics and motor
drives. The Fifth International Conference on Power
Electronics and Drive Systems. Vol. 1 , 17-20, Nov.
2003.
BLAABJERG, Frede; CONSOLI, Alfio et al. The future of
electronic power processing and conversion. IEEE
Transactions on Industrial Applications – Vol. 41, No 01,
Jan.-Feb. 2005.
BOSE, Bimal K. Energy, Environment, and Advances in
Power Electronics. IEEE
Transactions on Power
Electronics – Vol. 15, No 04, July - 2000.
HINRICHS, Roger A. et all. Energia e Meio Ambiente.
São Paulo, Cengage Learnin, 2011.
MOHAN, N., UNDELAND, T. M., ROBBINS, W. P. (1995),
Power Electronics,
Converters, Applications and
Design. Second edition, 1995.
Através deste ensaio, também observou-se que o
circuito prototipado apresenta um comportamento
confiável para maiores valores de carga, devido as
características do comportamento indutivo do
transformador utilizado em sua saída.
PETRY, C. A. (2006). Estabilizadores de Tensão
Alternada Para Alimentação de Cargas Não-Lineares:
Estudo de Variações Topológicas e Métodos de
Controle. Florianópolis, SC – Brasil, 2006. Tese
(Doutorado em Engenharia Elétrica) – Centro
Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina.
4º Seminário de Pesquisa, Extensão e Inovação do IFSC
ISSN 2357-836X