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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ
ESCOLA POLITÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA
ANDREZA MARIA DA SILVA
EVELYN MARILIA DE ALCANTARA PRADO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
SISTEMA DE SINCRONISMO TENSÃO-CORRENTE PARA MEDIÇÃO DE
TANGENTE DELTA E CAPACITÂNCIA EM BUCHAS CONDENSIVAS DE
TRANSFORMADORES
Orientador: Prof. Me. Ivan Jorge Chueiri
Coorientador: Prof. Dr. Vóldi Costa Zambenedetti
_____________________________ _____________________________
Ivan Jorge Chueiri Vóldi Costa Zambenedetti
4º BIMESTRE
2018
ANDREZA MARIA DA SILVA
EVELYN MARILIA DE ALCANTARA PRADO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
SISTEMA DE SINCRONISMO TENSÃO-CORRENTE PARA MEDIÇÃO DE
TANGENTE DELTA E CAPACITÂNCIA EM BUCHAS CONDENSIVAS DE
TRANSFORMADORES
Trabalho Final de Graduação como parte integral para a conclusão do curso de Graduação em Engenharia Eletrônica. Orientador: Prof. Me. Ivan Jorge Chueiri Coorientador: Prof. Dr. Vóldi C. Zambenetti
CURITIBA
2018
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Aspecto construtivo de uma bucha capacitiva ........................................... 7
Figura 2 – Transformador com buchas condensivas ................................................... 8
Figura 3 – Medição de corrente em uma bucha capacitiva ....................................... 13 Figura 4 – Sensor para medição da corrente ............................................................ 13 Figura 5 – Sistema de monitoramento ...................................................................... 14 Figura 6 – Sensor de corrente acoplado na bucha capacitiva ................................... 15 Figura 7 – Diagrama de blocos do projeto ................................................................ 17 Figura 8 – Diagrama de blocos do projeto para aquisição de tensão ........................ 18 Figura 9 – Diagrama de blocos do projeto para aquisição de corrente ..................... 19 Figura 10 – Placa de tensão utilizada em subestação .............................................. 19 Figura 11 – Diagrama elétrico da giga de teste ......................................................... 21
Figura 12 – Diagrama de blocos da comunicação via fibra óptica ............................ 22 Figura 13 – Diagrama elétrico da placa de fibra óptica ............................................. 22
Figura 14 – Arduino UNO .......................................................................................... 23
Figura 15 – Conversor TLV 2541 .............................................................................. 24 Figura 16 – Porta NAND 74F3037D .......................................................................... 24
Figura 17 – Acopladores para fibra ........................................................................... 25 Figura 18 – Fibra plástica .......................................................................................... 25 Figura 19 – Conector HFBR para fibra óptica ........................................................... 25 Figura 20 – Conexão da fibra entre as placas ........................................................... 26 Figura 21 – Giga de teste para geração de sinais trifásicos ...................................... 27
Figura 22 – Shields para comunicação via fibra óptica ............................................. 28
Figura 23 – Aliasing ................................................................................................... 29
Figura 24 – Sinal pente ............................................................................................. 30
Figura 25 – Amostragem no software MatLab ........................................................... 31 Figura 26 – Sinal de uma senoide com gerador de funções em 60Hz ...................... 32 Figura 27 – Sinal de duas senoides com gerador de funções em 60Hz ................... 33
Figura 28 – Circuito grampeador ............................................................................... 33
Figura 29 – Espduino 32 ........................................................................................... 34 Figura 30 – Sinais de entrada ................................................................................... 36
Figura 31 – Ondas provenientes do Plotter Serial ..................................................... 36
Figura 32 – Processing ............................................................................................. 37 Figura 33 – Planilha excel ......................................................................................... 37 Figura 34 – Técnica de detecção de defasagem Zero Crossing ............................... 38
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Cronograma ........................................................................................... 43
SUMÁRIO
RESUMO..................................................................................................................... 6
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................... 7
2 DETALHAMENTO DO PROBLEMA ............................................................ 10
2.1 FALHAS ........................................................................................................ 11
2.2 BUCHAS NOVAS ......................................................................................... 11
2.3 PARÂMETROS MAIS SENSÍVEIS PARA BUCHAS DEFEITUOSAS .......... 12
2.4 MEDIDA DE TENSÃO .................................................................................. 12
2.5 MEDIDA DE CORRENTE ............................................................................. 12
2.6 ÂNGULO DE DEFASAMENTO .................................................................... 14
2.7 SISTEMA DE MONITORAMENTO ............................................................... 14
3 ESTADO DA ARTE ...................................................................................... 16
4 TRABALHO A SER DESENVOLVIDO ........................................................ 17
4.1 HARDWARE ................................................................................................. 18
4.2 ESQUEMÁTICOS ELÉTRICOS ................................................................... 20
4.2.1 Giga de teste ............................................................................................... 20
4.2.2 Shield para comunicação entre Arduinos ................................................ 21
5 TECNOLOGIAS QUE SERÃO UTILIZADAS ............................................... 23
6 PROCEDIMENTOS DE TESTE E VALIDAÇÃO DO PROJETO ................. 27
6.1 TESTE EM CAIXA PRETA ........................................................................... 28
6.2 TESTE EM CAIXA BRANCA ........................................................................ 28
6.3 TESTES REALIZADOS ................................................................................ 29
6.3.1 Amostragem dos sinais da rede................................................................ 29
6.3.1.1 Amostragem de sinais utilizando Arduino ..................................................... 31
6.3.1.2 Resultados obtidos em laboratório ............................................................... 32
6.3.2 Espduino 32 ................................................................................................ 34
6.3.3 Coleta de dados .......................................................................................... 35
6.3.4 Zero Crossing ............................................................................................. 37
6.3.5 Método dos Mínimos Quadrados .............................................................. 38
7 ANÁLISE DOS RISCOS .............................................................................. 41
8 CRONOGRAMA DO PROJETO .................................................................. 42
9 CONCLUSÃO............................................................................................... 44
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 45
ANEXO A .................................................................................................................. 47
ANEXO B .................................................................................................................. 52
ANEXO C .................................................................................................................. 56
6
RESUMO
O seguinte trabalho é parte de um projeto maior que está sendo desenvolvido
entre a COPEL-T&D e a PUCPR através do CISEI - Centro de P&I em Sistemas
Elétricos Inteligentes - denominado “Sensor de Baixa Corrente para Buchas de
transformadores em Subestações de Transmissão, Etapa Cabeça de Série”, conforme
resolução ANEEL para P&D no setor elétrico. Tem por objetivo criar um sistema de
monitoramento de capacitância e de fator de potência de buchas capacitivas de
transformadores, a fim de garantir o bom funcionamento das mesmas, dentro dos
requisitos de segurança. Enquanto os sistemas atuais se preocupam apenas com a
medição da corrente de fuga nas buchas, o trabalho desenvolvido é capaz de controlar
a defasagem entre a tensão aplicada à bucha e a corrente circulante na derivação
principal. Uma vez que as buchas são construídas com material capacitivo, este
degenera-se com o tempo, devido as condições de trabalho, exigindo assim um
monitoramento frequente. Para buchas desassistidas, faz-se necessário verificações
periódicas, costume que demanda tempo e mão de obra para manutenção, além de
provocar a interrupção do funcionamento do transformador. Portanto, o
desenvolvimento de um sistema que possa controlar o desempenho das buchas todo
o tempo evita interrupções e gastos, sendo capaz de acompanhar o envelhecimento
das buchas e as alterações do material capacitivo. A comunicação do sistema será
realizada via fibra óptica até a interface de aquisição. Um microcontrolador fará a
aquisição de dados a partir de conversores e tomará decisões para o cálculo do fator
de potência, permitindo saber a verdadeira condição de trabalho da bucha.
Palavras-chave: Sensor de Baixa Corrente; Buchas Capacitivas; Fator de Potência;
Fibra Óptica.
7
1 INTRODUÇÃO
As buchas capacitivas, também conhecidas como condensivas, fazem a
ligação entre o transformador e a linha de transmissão, subestação ou barra de
transmissão, tendo, portanto, caráter isolador. São constituídas de material cerâmico
e papel impregnado com resina, podendo ser aplicadas na geração, transmissão ou
distribuição de energia. Seu corpo é constituído de diversas camadas isolantes
cilíndricas concêntricas. A camada mais interna pode estar eletricamente conectada
ao condutor principal, de forma a aumentar o raio e diminuir o campo elétrico nessa
região. A camada mais externa é conectada à flange da bucha que vai a terra. As
camadas condutoras intermediárias permanecem isoladas [1]. Esse conjunto se
encontra envolvido por uma camada de porcelana como mostra a Figura 1:
Figura 1 – Aspecto construtivo de uma bucha capacitiva
Fonte: www.treetech.com.br, 2018.
Com o tempo e com as condições de trabalho, as buchas sofrem
envelhecimento e alterações em elementos como capacitância e fator de potência,
podendo ocasionar faltas e explosões na subestação [2].
Grande parte dos acidentes, envolvendo buchas capacitivas de
transformadores em subestações, ocorre devido às más condições de funcionamento
dos equipamentos, que, em geral, são submetidos a falhas na isolação principal [3].
Ocorre um aumento na condutividade e no fator de potência da região, causando calor
excessivo, que pode ser destrutivo para o material que constitui a bucha. O fator de
potência se mostra então um dos fatores mais sensíveis para a detecção de falhas e
é ele que será analisado.
8
A Figura 2 mostra o posicionamento das buchas no transformador localizado
em uma subestação.
Figura 2 – Transformador com buchas condensivas
Fonte: Autoria própria, 2018.
O envelhecimento do isolamento principal provoca o aumento de perdas de
energia e, por consequência, o aumento da temperatura. O valor de capacitância
medida determina se houve avarias entre as camadas que constituem a bucha. Um
aumento acima de 10% no valor da capacitância torna-se perigoso. Então, a
importância do trabalho desenvolvido se dá pelo fato de que o monitoramento de
buchas capacitivas evita danos. Além disso, serve como prova de conceito para a
utilização em um projeto maior. Tem como vantagem permitir a leitura de tensões e
correntes de forma simultânea.
Para efeitos de testes em laboratório, será desenvolvida uma giga capaz de
gerar sinais trifásicos de tensão e corrente. Os sinais gerados devem ser
encaminhados para conversores AD e, em seguida, os dados serão coletados por um
microcontrolador. Toda a comunicação de transmissão e recepção será feita via fibra
óptica para evitar interferências e ruídos. Atualmente, não se utiliza mais cabos
convencionais nas subestações. Isso permite a diminuição de custos associados a
eles.
9
A estrutura deste documento referente ao projeto físico está subdividida em
seções, totalizando treze. A primeira faz uma descrição sobre os problemas que
podem surgir em buchas condensivas, além de mencionar as falhas detectadas,
características de buchas novas e seus parâmetros mais sensíveis quando tornam-se
defeituosas, medição de tensão e corrente, ângulo de defasagem e como é constituído
o sistema de monitoramento. A segunda seção aborda o motivo de se ter escolhido
este projeto, por se tratar de algo que ainda não foi desenvolvido. O fato de não utilizar
o sincronismo nas medições atuais é apresentado na terceira seção. Na quarta, tem-
se o diagrama de blocos ilustrando a visão geral do sistema a ser desenvolvido. A
quinta seção apresenta as tecnologias que serão utilizadas. A etapa de testes para
validação do projeto encontra-se na sexta seção, bem como os resultados obtidos. A
sétima trata da análise de riscos aos quais o projeto está sujeito. Na oitava seção
encontra-se o cronograma previsto para as etapas constituintes e as atividades que
foram desenvolvidas. A nona apresenta a conclusão sobre o projeto desenvolvido. As
referências bibliográficas estão na décima seção. E, finalmente, as três últimas seções
correspondem aos anexos A, B e C.
10
2 DETALHAMENTO DO PROBLEMA
Devido as políticas praticadas pelas concessionárias que objetivam a
maximização de lucros, e devido a diminuição de técnicos especializados no ramo de
energia, as concessionárias apresentam relutância em desenergizar equipamentos
elétricos [3]. Portanto, uma revisão baseada em condições de funcionamento dos
equipamentos é muito mais vantajosa do que ser baseada em tempos de operação,
pois permite a previsão de faltas súbitas e a redução dos custos envolvidos na
manutenção.
Para transformadores de potência energizados, pode-se aplicar a técnica
conhecida como “Análise de Gases Dissolvidos em Óleo”. Essa técnica é baseada na
liberação de gases, dentro da unidade, ocasionada pela deterioração do material
dielétrico ao longo do tempo, devido a esforços térmicos, elétricos e mecânicos. O tipo
de falha está ligado à distribuição dos gases, que podem indicar uma taxa de
severidade. Essa técnica é utilizada mundialmente pelas concessionárias de energia
e apresenta bom desempenho. No entanto, os equipamentos apresentam outros
componentes vitais que não podem ser avaliados pelo método dos gases quanto ao
seu estado de funcionamento [3]. As buchas são um exemplo disso.
Em média, 10% das falhas em transformadores são ocasionadas por buchas.
Estudos apontam que as buchas são consideradas os elementos mais fracos de um
transformador e podem ser responsáveis por 30% de todas as falhas de grandes
transformadores de potência [3]. As falhas geradas por buchas são muitas vezes de
natureza catastrófica, levando a explosões e avarias.
Normalmente as buchas costumam apresentar defeitos típicos que estão
relacionados ao seu envelhecimento, em torno de 10 a 12 anos de operação em 80%
destas. Outro problema que provoca falhas no núcleo da bucha é a presença de
umidade naquelas que não são seladas ou nas que são seladas e apresentam falhas
na vedação, já que o núcleo é composto por camadas de papel celulose impregnado
com óleo, além de camadas responsáveis pelo controle do campo elétrico que podem
ser condutoras ou semicondutoras [4].
Uma falha típica acontece por desimpregnação do papel celulose devido à falta
de pressão do óleo quando as buchas permanecem por longo tempo armazenadas.
Em buchas de classe de tensão 230 a 750kV há menos problemas no núcleo do que
os relatados a descargas externas, sobre aquecimentos e descargas no óleo. A
11
deterioração da qualidade do óleo isolante na região do pé da bucha provoca
descargas. Já o sobre aquecimento está relacionado com o envelhecimento da bucha
[4].
Monitorar a corrente nas buchas evita-se que danos maiores aconteçam. A
explosão de uma bucha pode provocar a projeção de cacos de porcelana em alta
velocidade e a destruição do equipamento ao qual ela está associada, além de
interromper a rede naquele ponto.
Os transformadores por si só já criam um campo eletromagnético. Por isso,
para evitar a geração de mais campos eletromagnéticos, evita-se a utilização de cabos
elétricos na subestação, sendo substituídos por fibra óptica.
2.1 FALHAS
A natureza da falha, não importando a sua origem, pode ser descrita pela
ionização da região de isolação devido ao estresse elétrico excessivo. Haverá assim
um aumento da condutividade e do fator de potência da região deteriorada da
isolação, seguida de calor excessivo e queima de papel. O fator de potência irá
crescer, sem alterar muito a capacitância nessa etapa. O problema irá evoluir até
causar o curto circuito de mais camadas (capacitância isolação deteriorada igual a
zero). Daí em diante, o fator de potência volta aos valores anteriores à falha, mas a
capacitância principal diminui e a corrente de fuga aumenta [3].
Os passos seguintes à falha são: mudança do fator de potência da isolação
principal, alterações das perdas dielétricas, alteração da capacitância principal devido
ao curto das camadas semicondutoras, alteração da corrente de fuga, alteração da
soma das correntes de fuga das três buchas [3].
2.2 BUCHAS NOVAS
De acordo com a IEC (1984), uma bucha considerada livre de defeitos
apresenta, entre outras características [4]:
• Papel celulose bem impregnado com óleo;
• Óleo isolante limpo e seco, com baixas perdas dielétricas, resistente ao
envelhecimento;
12
• Capacitância quase constante com relação à temperatura;
• FP de 0.3 a 0.5% para t ≤ 90 ºC.
A norma IEC especifica os seguintes parâmetros:
• FP de potência de isolação: <= 70%;
• Uma sobre-elevação do FP < 30% com a tensão.
As alterações são maiores ou menores dependendo da área danificada. Um
exemplo disso é para uma bucha com 20 camadas. A capacitância, nesse caso,
variaria em 5%. Já o fator de potência seria proporcional ao volume da região
deteriorada [4].
2.3 PARÂMETROS MAIS SENSÍVEIS PARA BUCHAS DEFEITUOSAS
• Alterações do FP da isolação principal;
• Alterações nas perdas em Watts;
• Alteração da soma das correntes em circuito trifásico ou no valor do
módulo de corrente de fuga relativa;
• Alteração da capacitância.
Os parâmetros anteriores dependem da área danificada da isolação principal
[4].
2.4 MEDIDA DE TENSÃO
A medida de tensão é realizada na subestação.
2.5 MEDIDA DE CORRENTE
A corrente deve ser medida diretamente na bucha. Em geral, a medida é feita
com a ajuda de um sensor inserido entre a derivação de ensaio e o flange aterrado.
O sensor apresenta um caminho de baixa impedância para a corrente, com potência
13
suficiente para medir correntes de até 200mA. São inseridos alguns componentes
como centelhador, varistor, indutor, a fim de proteger o sensor e a própria derivação
de ensaio [3].
A medida de corrente é feita de acordo com a Figura 3.
Figura 3 – Medição de corrente em uma bucha capacitiva
Fonte: Chueiri, 2004, p.7.
As conexões entre os sensores e os equipamentos de comando são feitos via
fibra óptica. O sensor a seguir apresenta boa funcionalidade e fácil acoplamento como
pode ser visto na Figura 4:
Figura 4 – Sensor para medição da corrente
Fonte: Chueiri, 2004, p. 3.
14
2.6 ÂNGULO DE DEFASAMENTO
Para que a medida do ângulo de defasamento entre tensão e corrente seja
significativa, é preciso que as medições aconteçam de forma simultânea. Técnicas
digitais e algoritmos matemáticos auxiliam na detecção de variações no FP.
2.7 SISTEMA DE MONITORAMENTO
O sistema de monitoramento consiste em permitir a visualização das variáveis
medidas, e obter, de forma indireta, o valor de capacitância e o fator de potência por
meio dos valores obtidos para tensão e corrente em cada uma das fases [3]. A Figura
5, mostra a disposição do sistema:
Figura 5 – Sistema de monitoramento
Fonte: Chueiri, 2004, p.9.
15
Para medição da tensão, não existem taps nas proximidades da bucha,
enquanto as medidas de corrente vêm direto da bucha, como mostra a Figura 6:
Figura 6 – Sensor de corrente acoplado na bucha capacitiva
Fonte: Autoria própria, 2018.
16
3 ESTADO DA ARTE
Geralmente, os trabalhos de monitoramento existentes atualmente tendem a
se preocupar apenas com as correntes capacitivas das buchas. A avaliação das
correntes ocorre em cada uma das três fases do sistema. Portanto, os parâmetros
buscados como capacitância e fator de potência vêm dos desequilíbrios apresentados
entre as fases [5].
Sensores inteligentes são inseridos entre os taps das buchas e o aterramento.
São basicamente elementos de baixa resistência que oferecem um caminho para as
correntes e podem medir até 200mA [4].
Existe também outra técnica de medição que conta com uma ponte de
Schering, necessitando assim da inserção de elementos externos ao circuito. Um
capacitor é colocado em paralelo com a bucha e serve como referência para as
medições. Essa técnica aumenta os custos de operação e é pouco prática [6] .
Portanto, de acordo com pesquisas realizadas em meios acadêmicos e
científicos, não existe nenhuma tentativa de criar um sistema de sincronismo tensão-
corrente para os propósitos estabelecidos nesse trabalho.
17
4 TRABALHO A SER DESENVOLVIDO
Para que um sistema de monitoramento seja eficiente, alguns critérios devem
ser levados em consideração, tais como resolução suficiente de modo a poder
detectar pequenas variações de parâmetros e capacidade de funcionamento em
ambientes com elevada interferência eletromagnética. Atendendo aos requisitos
necessários, a Figura 7 define a construção do projeto proposto:
Figura 7 – Diagrama de blocos do projeto
Fonte: Autoria própria, 2018.
O cálculo do fator de potência será realizado por um algoritmo complexo
embarcado em um sistema de processamento. O algoritmo será capaz de realizar a
aquisição de dados e fará o seu processamento adequado.
A interface de recepção de dados tratará as informações de forma digital.
A comunicação óptica será do tipo full-duplex, permitindo enviar um sinal de
sincronismo para a aquisição das grandezas elétricas pela primeira fibra óptica e
retornando os valores das tensões convertidas enviadas pela segunda fibra óptica.
O hardware contará com processadores iguais, um em cada extremidade do
sistema para enviar e receber dados.
O fator de potência buscado é o cosseno do ângulo entre tensão e corrente. Ao
ser multiplicado por 100 a medida é dada em porcentagem. A expressão 1 é utilizada
para o cálculo deste:
𝐹𝑃% = cos(∅) ∗ 100 (1)
18
Conforme a expressão 2, a capacitância é calculada por meio dos parâmetros
de tensão e corrente considerados para a medição do ângulo de defasagem. O valor
de frequência corresponde à 60 Hz.
𝐶 =𝐼𝑅𝑀𝑆
2𝜋 ∗ 𝑓 ∗ 𝑉𝑅𝑀𝑆
(2)
4.1 HARDWARE
Os hardwares que serão utilizados para obter as medições tanto de tensão
quanto de corrente, são estruturados da mesma forma.
Na entrada do circuito, encontra-se um bloco que é responsável por realizar a
proteção do mesmo. Constituído por varistor, centelhador, capacitor, potenciômetro,
resistores e diodos, tem como funcionalidade proteger os demais blocos de um
possível surto e manter a integridade dos demais componentes. Na sequência, tem-
se um filtro passa-baixas composto por resistores e capacitores cuja função é filtrar
as altas frequências que podem surgir, provocando interferências, e deixar passar
somente as baixas. O terceiro bloco é responsável por realizar a conversão dos dados
analógicos, obtidos por meio da medição, em informações digitais que podem ser
processadas pelo microprocessador. Enfim, a última parte do hardware está
relacionada à comunicação, via fibra óptica, em que estão dispostos os circuitos
referentes à transmissão e recepção com seus respectivos conectores. A Figura 8
apresenta o diagrama referente à constituição do circuito:
Figura 8 – Diagrama de blocos do projeto para aquisição de tensão
Fonte: Autoria própria, 2018.
19
De forma semelhante ao circuito de aquisição de tensão, tem-se o diagrama
apresentado na Figura 9, referente à aquisição de corrente:
Figura 9 – Diagrama de blocos do projeto para aquisição de corrente
Fonte: Autoria própria, 2018.
A placa utilizada na subestação é apresentada na Figura 10 e compreende
apenas o circuito de tensão:
Figura 10 – Placa de tensão utilizada em subestação
Fonte: Autoria própria, 2018.
20
4.2 ESQUEMÁTICOS ELÉTRICOS
4.2.1 Giga de teste
O presente projeto é uma prova de conceito para ser utilizado em um outro
maior. Não sendo possível realizar os testes em uma subestação de fato, foi
necessária a elaboração de uma giga de teste que gera os sinais de tensão e corrente
trifásicos com o devido ângulo de defasamento, possibilitando assim a medição do
fator de potência.
O primeiro circuito da giga de teste, que pode ser localizado na Figura 11,
envolve um amplificador operacional (IC4A), resistores e capacitores e trata-se de um
oscilador sinusoidal que opera na frequência de 60 Hz, sendo esta a frequência da
rede elétrica. Este sinal gerado simula a tensão de alimentação medida na
subestação. O próximo amplificador (IC4B) é um buffer, que foi inserido no circuito
para fornecer a corrente necessária para os demais componentes. Na sequência,
encontra-se o primeiro circuito defasador, constituído por um amplificador operacional
(IC5A), dois resistores que fornecem o ganho do circuito, além de um capacitor e um
potenciômetro que é responsável por ajustar o ângulo de defasagem entre o sinal de
entrada e o sinal de saída do amplificador. Da mesma forma acontece com o último
estágio do circuito que compõe o bloco do sinal de tensão. As defasagens entre os
sinais são de 120º.
O circuito apresentado na parte inferior do diagrama, mostrado na Figura 11,
corresponde ao sinal de corrente. O amplificador operacional (IC6A), associado aos
demais componentes, compreende um circuito defasador que tem a função de prover
a diferença de fase entre o sinal de corrente e tensão. O amplificador que está
posicionado na sequência (IC6B) é um buffer, que foi incorporado ao circuito com o
mesmo propósito do outro mencionado no circuito de tensão. Os circuitos
defasadores, presentes nos dois últimos estágios, têm a finalidade de fornecer os
sinais de corrente que serão utilizados em sincronia com os sinais de tensão.
Foram inseridos pontos de medição em ambos os circuitos, com a finalidade
de obter mais facilmente as informações pretendidas. Para o bloco de tensão, estes
correspondem às letras A, B e C, e para a corrente são D, E e F. Entre um ponto e
outro temos os sinais com diferença de fase de 120º.
21
Figura 11 – Diagrama elétrico da giga de teste
Fonte: Autoria própria, 2018.
4.2.2 Shield para comunicação entre Arduinos
Para aperfeiçoar os testes de comunicação com fibra óptica foi confeccionado
um shield, utilizado no microcontrolador Arduino, possibilitando observar as medições
obtidas por meio da giga de testes.
Os sinais serão destinados a um PORT do microcontrolador e um algoritmo de
comunicação irá definir o momento em que a leitura deverá ocorrer para garantir a
sincronia entre elas.
É necessária a utilização de dois Arduinos, sendo um deles o mestre e o outro
o escravo. Por esse motivo, dois shields iguais irão compor esta etapa do projeto. A
placa mestre será a da corrente, e a escravo a tensão. Na Figura 12, é possível
visualizar como é estruturada esta etapa:
22
Figura 12 – Diagrama de blocos da comunicação via fibra óptica
Fonte: Autoria própria, 2018.
O circuito apresentado na Figura 13 é constituído pela parte de transmissão do
sinal (superior) e pela de recepção (inferior).
Figura 13 – Diagrama elétrico da placa de fibra óptica
Fonte: Autoria própria, 2018.
23
5 TECNOLOGIAS QUE SERÃO UTILIZADAS
O projeto é constituído por diversas etapas, e cada uma apresenta suas
particularidades, de acordo com a complexidade. As tecnologias descritas a seguir
incluem desde a fase de testes até a conclusão do projeto, visando a obtenção do
resultado pretendido.
Microcontroladores:
• Arduino UNO: É constituído pelo microcontrolador ATMEL ATMEGA328,
um dispositivo de 8 bits da família AVR, com arquitetura RISC avançada
e com encapsulamento DIP28. A placa Arduino UNO opera em 16 MHz,
que corresponde à frequência do cristal externo que está conectado aos
pinos 9 e 10 do microcontrolador. Dos 28 pinos que possui, 23 deles
podem ser utilizados como I/O [7].
Na Figura 14 encontra-se o hardware do Arduino UNO:
Figura 14 – Arduino UNO
Fonte: http://aiaaocrocketry.org, 2018.
• Kit altera (se necessário);
• Atmega 16 (se necessário).
Conversor AD:
• Qualquer conversor ADC pode ser utilizado. O conversor de precisão
TLV 2541, 12 bits, por exemplo, se baseia na conversão por
aproximação sucessiva e trabalha em uma faixa de 2.7V a 5.5V [8].
24
A Figura 15 apresenta o encapsulamento do conversor que será
utilizado:
Figura 15 – Conversor TLV 2541
Fonte: http://www.ti.com, 2018.
Porta NAND:
• Na placa de fibra óptica, faz-se necessária a utilização de algumas
portas NAND. Escolheu-se o CI 74F3037D para esta funcionalidade. O
tempo de propagação de cada porta é de 2ns, o consumo de corrente
total é próximo de 16mA e a tensão de alimentação será de 5V [9].
O circuito integrado correspondente pode ser visto na Figura 16:
Figura 16 – Porta NAND 74F3037D
Fonte: Autoria própria, 2018.
O trabalho também contará com o uso de fibras ópticas (full duplex). A placa
constituída pelos acopladores para fibras foi disponibilizada pelo orientador e pode ser
visualizada na Figura 17. Serão utilizados os conectores preto e azul de cada placa
correspondente à recepção e à transmissão, respectivamente [10].
25
Figura 17 – Acopladores para fibra
Fonte: Autoria própria, 2018.
Na fase inicial de testes para comunicação serão utilizadas fibras plásticas
(Figura 18) que se encaixam nos conectores da Figura 17.
Figura 18 – Fibra plástica
Fonte: Autoria própria, 2018.
Posteriormente, os testes serão realizados com a fibra óptica em uma outra
placa que possui o conector específico HFBR 14XX (transmissor) e HFBR 24XX
(receptor). O respectivo componente é apresentado na Figura 19:
Figura 19 – Conector HFBR para fibra óptica
Fonte: Autoria própria, 2018.
26
Outro detalhe que precisa ser mencionado é que as fibras serão ligadas em
crossover, ou seja, irão estar cruzadas entre as placas. A fibra de transmissão de uma
delas estará conectada à recepção da outra, como pode ser visto na Figura 20:
Figura 20 – Conexão da fibra entre as placas
Fonte: Autoria própria, 2018.
27
6 PROCEDIMENTOS DE TESTE E VALIDAÇÃO DO PROJETO
Inicialmente, para gerar sinais trifásicos defasados em 120°, é necessária a
criação de uma giga de teste, contendo um oscilador de 60Hz, e circuitos defasadores
em cascata. A Figura 21 mostra a giga criada e testada em laboratório:
Figura 21 – Giga de teste para geração de sinais trifásicos
Fonte: Autoria própria, 2018.
Em seguida, para comprovar a comunicação de dados, via fibra óptica, dois
microcontroladores serão utilizados, sendo dois Arduinos se relacionando como
mestre e escravo. Para esta etapa foram confeccionados dois shields que se
conectam aos pinos adequados do Arduino Uno, conforme a Figura 22.
O layout das placas é o mesmo permitindo a padronização com relação a
utilização dos pinos do conversor AD e de comunicação. A conexão entre o
transmissor e o receptor será feita por meio do cruzamento dos cabos de fibra óptica.
28
Figura 22 – Shields para comunicação via fibra óptica
Fonte: Autoria própria, 2018.
Devido a utilização de conversores AD, será necessário realizar também testes
de conversão de dados.
Outros testes como rigidez dielétrica e ensaio de tipo também podem ser
pensados. No entanto, não é possível realizar esse tipo de procedimento nas
dependências da PUCPR, sendo preciso meios para realização dos testes no instituto
de pesquisa LACTEC.
6.1 TESTE EM CAIXA PRETA
Esse teste consiste em verificar se os valores de capacitância e do fator de
potência estão sendo transmitidos pela porta serial para a tela do computador. Refere-
se à interatividade do usuário com o sistema que está sendo monitorado.
6.2 TESTE EM CAIXA BRANCA
Serve para analisar se as medições estão acontecendo de forma sincronizada,
com o menor tempo de delay possível, por meio de um osciloscópio.
A finalidade é garantir o funcionamento da comunicação via fibra óptica.
29
6.3 TESTES REALIZADOS
6.3.1 Amostragem dos sinais da rede
Os sinais analógicos trifásicos gerados pela rede elétrica precisam passar por
um processo de amostragem e digitalização, para que o sincronismo entre as leituras
e os cálculos possam ser executados adequadamente. Para isso, deve-se levar em
consideração a taxa de amostragem dos sinais, respeitando o Teorema de
amostragem de Nyquist. De acordo com o referido teorema, o sinal amostrado pode
ser recuperado de forma perfeita a partir de uma sequência de amostras, se a taxa de
amostragem for pelo menos duas vezes a frequência do sinal original, ou seja:
𝐹𝑠 ≥ 2 ∗ 𝐹𝑚𝑎𝑥 (4)
A prática do teorema leva a entender que ocorre aliasing quando o sistema de
amostragem não satisfaz os critérios do teorema. O aliasing provoca falsa informação
na amostragem da onda, deturpando o resultado final [11]. A Figura 23 demonstra
esse resultado:
Figura 23 – Aliasing
Fonte: https://www.qsl.net/py4zbz/teoria/digitaliz.htm, 2018.
30
Quanto maior for a frequência de amostragem, mais fácil se torna a
recuperação do sinal. Contudo, pode haver desperdício de banda ocupada. Por isso,
o tempo de captura das amostras deve ser bem escolhido, e isso deve ser lembrado
na implementação da amostragem com o microcontrolador.
A amostragem precisa ser feita em intervalos de tempos iguais e bem definidos
como se uma chave pudesse interromper o sinal por breves instantes de tempo na
cadência de amostragem. Para um sinal de 60Hz, a frequência de amostragem se
torna 120Hz. Então a interrupção ocorre 120 vezes por segundo, ou seja, a cada
8.33ms. Mas deve-se lembrar também que um período da senoide de 60Hz
corresponde a 16.667ms. Portanto, a amostragem deve acontecer a cada 138us, ou
seja, com frequência de 1/138us.
O sinal de amostragem é constituído por pulsos com frequência 𝐹𝑆, também
conhecido como sinal pente [11]. O espectro desse sinal contém raias de mesmo nível
e frequência, múltiplos de 𝐹𝑚𝑎𝑥, como mostra a Figura 24:
Figura 24 – Sinal pente
Fonte: https://www.qsl.net/py4zbz/teoria/digitaliz.htm, 2018.
A quantificação do sinal amostrado fica a cargo do conversor AD. Cada amostra
é transformada em uma quantidade de n bits, conforme a capacidade do conversor.
Para 10 bits, os valores variam entre 0 e 1023.
Para detalhar melhor o processo de amostragem, com o auxílio do MatLab é
possível gerar uma onda senoidal de 60Hz e fazer a amostragem como mostra a
Figura 25.[12]
31
Figura 25 – Amostragem no software MatLab
Fonte: Autoria própria, 2018.
A frequência de amostragem escolhida para a plotagem foi de 7200Hz, para
120 pontos/ciclo. Foi escolhido mostrar somente 1 ciclo da onda. A ideia, portanto,
será estendida para o Arduino, pois ele será o encarregado de receber os sinais e
fazer o serviço de amostragem.
6.3.1.1 Amostragem de sinais utilizando Arduino
Os sinais trifásicos provenientes da giga de teste serão aplicados no port A
de cada Arduino (comunicação mestre e escravo). Todos os sinais precisam ser
amostrados. Para facilitar a execução, aplica-se o conceito de amostragem para um
único sinal e depois basta estender o conceito para os demais sinais.
Um sinal aplicado ao pino analógico do Arduino é lido com o auxílio da função
analogRead( ). Fazendo uso de um timer, é possível fazer a captura das amostras em
intervalos de tempo definidos. Sem uma temporização adequada, as amostras
colhidas podem ser provenientes de qualquer ponto do ciclo, ou até mesmo de
qualquer ponto de outros ciclos mais adiante. Assim, o conjunto final de amostras
exibido na porta serial, quando plotado, com o auxílio de uma ferramenta gráfica, não
32
corresponde exatamente ao sinal original. Além disso, cada vez que o programa for
executado, amostras aleatórias são colhidas, de pontos e semiciclos diferentes, não
respeitando a frequência de amostragem de Nyquist, e gerando formas de onda
diferentes e deformadas a cada carregamento de código. Por consequência, há
variação de frequência, período e defasagem (quando se trata de duas senoides
sendo lidas), coisas que não podem ocorrer para os propósitos finais desse trabalho.
6.3.1.2 Resultados obtidos em laboratório
A Figura 26 mostra a digitalização obtida para um sinal senoidal com uma
frequência de 60Hz com o auxílio de um gerador de funções.
Figura 26 – Sinal de uma senoide com gerador de funções em 60Hz
Fonte: Autoria própria, 2018.
A Figura 27 mostra a digitalização de dois sinais defasados, que representam
a corrente e a tensão, respectivamente.
33
Figura 27 – Sinal de duas senoides com gerador de funções em 60Hz
Fonte: Autoria própria, 2018.
Os sinais utilizados foram provenientes de geradores de funções, que
possuem a capacidade de deslocar o sinal acima do eixo horizontal através do offset.
Isso é necessário para evitar a saturação do sinal. Quando o sinal é saturado, o
Arduino não é capaz de ler os semiciclos completos, mas somente a metade deles,
provocando o corte da senoide.
Para a utilização da giga de teste é necessário, portanto, a criação de um
circuito externo que permita o deslocamento dos sinais. O circuito que proporciona o
deslocamento do sinal acima do eixo é conhecido como grampeador e é indicado na
Figura 28:
Figura 28 – Circuito grampeador
Fonte: Autoria própria, 2018.
34
6.3.2 Espduino 32
Durante a realização dos testes de comunicação entre os Arduinos, foi possível
perceber que a utilização de um dos Arduinos não se mostrou adequada para os
propósitos do projeto. O problema de execução ocorreu na comunicação entre as
placas via serial.
Os Arduinos foram capazes de amostrar os sinais analógicos presentes nas
entradas corretamente e separadamente, um em cada computador, como mostraram
as imagens anteriores. No entanto, no momento do envio de dados de uma placa para
a outra, o sinal enviado não se mostrou fiel na recepção devido a limitações de
velocidade da serial. A função serial exige um tempo de execução em ms que é maior
do que o tempo permitido para a transferência do sinal amostrado. Por causa do atraso
da serial, o sinal de chegada não correspondeu com o sinal de envio, ficando
comprometidos dessa forma parâmetros como defasagem, frequência, valor de pico,
valor de pico a pico. Para corrigir esse problema optou-se por substituir o Arduino
responsável por receber os dados e realizar os cálculos por um Esp 32, ou
Espduino32, que apresenta compatibilidade com o Arduino comum e possui maior
capacidade de processamento e memória.
O Espduino [13] é baseado no modulo Wi-Fi Esp32. Possui Bluetooth, Ethernet,
mapa em tempo real e outras funções. Conta com 32bits e é dual core. Portanto é
mais poderoso para realizar as tarefas de recepção e processamento dos dados das
senoides. O modelo é apresentado na Figura 29:
Figura 29 – Espduino 32
Fonte: http://www.raspberrypiwiki.com/index.php/ESPDUINO-32, 2018.
35
Os códigos de transmissão e recepção precisaram ser readequados. Para
permitir a transferência de dados de forma mais eficiente, utilizou-se uma biblioteca
chamada EasyTransfer [14], que foi projetada exclusivamente para facilitar a
comunicação entre dois hardwares. Ela abstrai os pontos mais finos da comunicação
serial, facilitando o uso e o entendimento. A biblioteca usa Struct para armazenar os
dados juntos na memória. Quando solicitado o envio, a biblioteca irá fazer uma soma
de verificação para evitar erros de transferência. A recepção irá verificar a validade da
transferência e irá copiar os dados em sua estrutura, que é idêntica a estrutura do
transmissor.
Essa biblioteca elimina a preocupação de ter que criar um protocolo de
comunicação próprio e sincronizar ou retransmitir erros. Muitas aplicações são
possíveis, desde que respeitado o tamanho máximo da estrutura de 255 bytes. O
EasyTransfer está relacionado com Hardware Serial.
6.3.3 Coleta de dados
Para permitir a coleta de dados provenientes dos cálculos, uma linguagem de
programação de código aberto foi utilizada (Processing) [15]. O Processing permite
ler o que o sketch do Arduino está mandando e armazena as informações em uma
planilha do Excel.
A interface do Processing se parece muito com a IDE do Arduino. Um algoritmo
a parte é necessário para fazer a comunicação com a serial. É possível gerar um
executável de forma que a interface com o usuário seja facilitada. Basta rodar o
executável com a porta COM selecionada e será possível ler os dados necessários.
Automaticamente uma planilha é gerada com todos os dados salvos, constando data
e hora das medições.
Neste trabalho optou-se por armazenar os dados em uma planilha local. Mas
com um pouco mais de trabalho, seria possível enviar os dados para a nuvem de
forma que pudessem ser acessados a qualquer momento e em qualquer lugar.
A Figura 30 mostra as senoides injetadas nos microcontroladores com o auxilio
do osciloscópio.
36
Figura 30 - Sinais de entrada
Fonte: Autoria própria, 2018.
A Figura 31 apresenta os sinais digitalizados obtidos por meio do Arduino e do
Espduino 32. A onda em azul representa a corrente pois foi medida na placa de
recepção e a onda em laranja representa a tensão enviada pela placa de transmissão
via serial.
Figura 31 – Ondas provenientes do Plotter Serial
Fonte: Autoria própria, 2018.
37
A Figura 32 apresenta a tela de aquisição dos dados obtidos via Processing.
Figura 32 – Processing
Fonte: Autoria própria, 2018.
O Processing permite salvar os dados em uma planilha local em tempo real.
Figura 33 – Planilha Excel
Fonte: Autoria própria, 2018.
6.3.4 Zero Crossing
Da forma como o projeto foi implementado até aqui, a fidelidade das medições
não é garantida, visto que existe uma variação de leitura na defasagem entre os sinais.
Isso acontece porque o código não é capaz de detectar o momento exato de
cruzamento das senoides por zero.
38
Uma maneira de detectar a defasagem entre as ondas (e também a frequência)
de forma fiel é pela técnica do Zero Crossing. Considerando que no Arduino o sinal
de entrada varia de 0 a 5V, a senoide nunca passara por zero de fato. Portanto é
preciso encontrar a metade da senoide e considera-la como sendo o “eixo zero”.
Dessa forma pode ser obtida a diferença dos tempos de passagem de subida e
descida da onda pelo eixo zero.
Porém, por mais que as amostras sejam igualmente espaçadas, quase nunca
coincidem na passagem por zero [17]. Dessa forma as detecções de passagem
sempre ficarão prejudicadas. A Figura 34 ilustra o que acontece:
Figura 34 – Técnica de detecção de defasagem Zero Crossing
Fonte:
repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/608/1/CT_CPGEI_M_Gabriel%2c%20Janio%20Denis_
2013.pdf, 2018.
O tempo de amostragem é conhecido, mas o tempo das amostras antes e
depois do eixo não é conhecido. Para obter valores de frequência e defasagem com
o mínimo erro possível, é preciso estimar esses tempos.
6.3.5 Método dos Mínimos Quadrados
Uma forma de corrigir o problema mencionado anteriormente é através do
método dos mínimos quadrados [17]. As amostras antes e depois da passagem pelo
39
eixo podem ser linearizadas através de uma reta. Com a equação da reta é possível
encontrar o tempo exato onde a função é igual a zero.
Para encontrar a equação da reta pode-se utilizar o método dos mínimos
quadrados. O objetivo do método é encontrar a função da reta a partir dos valores
coletados de x e y [17]:
𝑦𝑖 = 𝛼 + 𝛽 . 𝑥𝑖 + 𝑒𝑖 (3)
Onde:
𝑦𝑖: amplitude da i-ésima amostra
𝑥𝑖: tempo no qual a i-ésima amostra aconteceu
𝛼: constante da reta
𝑒𝑖: erro
𝛽: coeficiente angular da reta
Isolando o termo 𝑒𝑖 da equação anterior e efetuando a soma dos quadrados
dos elementos dos dois lados, tem-se que:
∑ 𝑒𝑖
𝑛−1
𝑖=0
= ∑(𝑦𝑖
𝑛−1
𝑖=0
− 𝛼 − 𝛽. 𝑥𝑖)² = 𝑆(𝛼, 𝛽)
A minimização acontece ao se derivar o termo 𝑆(𝛼, 𝛽) em relação a 𝛼 e 𝛽 e
igualar as derivadas a zero. Derivando a equação em relação a α:
𝛿𝑠
𝛿𝛼= −2 ∑(𝑦𝑖
𝑛−1
𝑖=0
− 𝛼 − 𝛽. 𝑥𝑖)² = 0
Da mesma forma, derivando em relação a β:
𝛿𝑠
𝛿𝛽= −2 ∑(𝑦𝑖
𝑛−1
𝑖=0
− 𝛼 − 𝛽. 𝑥𝑖)² = 0
Deve-se encontrar dessa forma α e β e substituir na equação inicial. Assim,
encontra-se x onde y(x) = 0.
Na implementação do algoritmo pode-se considerar uma janela móvel de 4
pontos para cima e 4 pontos para baixo do eixo por exemplo, ou a quantidade de
pontos que for mais conveniente. A partir daí o algoritmo deve realizar o cálculo dos
mínimos quadrados para encontrar o ponto exato de cruzamento.
40
O cálculo de frequência irá depender diretamente do método dos mínimos
quadrados, assim como o cálculo do FP. Portanto, o valor de capacitância depende
exclusivamente do sucesso do método dos mínimos quadrados no código embarcado.
41
7 ANÁLISE DOS RISCOS
Os riscos existentes na realização desse trabalho podem atrasar o cronograma
pré-definido das atividades, e até inviabilizar determinadas escolhas.
Risco 01 – Atraso no prazo de entrega de materiais
Probabilidade
de ocorrência Baixa Impacto Alto Severidade Alta
Prevenção Ficar atento ao cronograma
Contingência Substituir parte do projeto
Risco 02 – Problemas nos testes de desempenho
Probabilidade
de ocorrência Média Impacto Alto Severidade Alta
Prevenção Ficar atento ao cronograma
Contingência Utilização de outras tecnologias
Risco 03 – Danificar componentes durante o desenvolvimento
Probabilidade
de ocorrência Média Impacto Médio Severidade Média
Prevenção Ter mais de um componente disponível
Contingência Substituir o componente danificado
42
8 CRONOGRAMA DO PROJETO
O projeto é constituído por diversas etapas que estão previstas para serem
realizadas de acordo com o cronograma abaixo.
▪ Março/2018 a Abril/2018: Confecção da giga de testes para geração de sinais
trifásicos.
▪ Abril/2018 a Maio/2018 e de Julho/2018 a Novembro/2018: Etapa de
comunicação via fibra óptica.
▪ Maio/2018 a Julho/2018: Desenvolvimento de hardware do shield para
utilização em Arduino.
▪ Julho/2018 a Novembro/2018: Firmware do algoritmo de comunicação.
▪ Agosto/2018 a Novembro/2018: Teste de validação.
▪ Novembro/2018: Confecção da placa de fibra óptica, conclusão e entrega
final do projeto.
43
Quadro 1 - Cronograma
Concluído
Fonte: Autoria própria, 2018.
Atividades Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro
Fase
Inic
ial
Ideia Geral
Proposta Inicial
Definição Final da Proposta
Pes
qu
isa
Tecnologias Utilizadas
Plano de Projeto
Projeto Físico
Relatório Final
Imp
lem
enta
ção
Hardware – Confecção da Giga de Teste
Comunicação via fibra óptica
Hardware – Confecção dos Shields para Arduino
Hardware – Confecção da placa de fibra óptica
Firmware – Criação do algoritmo de comunicação
Testes de Validação
Atualização do relatório
44
9 CONCLUSÃO
O principal objetivo deste projeto consistiu em realizar a medição de tensão e
corrente de maneira sincronizada e, a partir do armazenamento dos dados coletados,
efetuar o cálculo do fator de potência e de capacitância de buchas de transformadores.
A solução propõe a utilização de cabos de fibra óptica em substituição dos cabos
blindados.
Para isto foram utilizados microcontroladores para o processamento das
informações, conversor analógico digital, além de outros componentes para construir
os circuitos necessários. Os riscos aos quais o projeto esteve sujeito referiram-se ao
atraso no prazo de entrega dos materiais, aos danos que poderiam ser causados aos
componentes ao longo do desenvolvimento das atividades, além de dificuldades nos
testes de desempenho. Em todas as situações existiram medidas de contingência.
A viabilidade do projeto continua válida, visto que se trata de algo que ainda
não foi feito e que possui grande importância ao avaliar os danos que podem surgir
sem o devido monitoramento das buchas condensivas. No entanto, para se obter um
desempenho mais adequado e eficiente, algumas modificações podem ser
adicionadas ao algoritmo embarcado, como é o caso da análise matemática pelo
método dos mínimos quadrados. Esta análise pode trazer maior confiabilidade para o
sistema.
A comunicação via fibra óptica apresentou problemas devido a impedância de
entrada do Arduino. É preciso realizar um casamento de impedâncias nos pinos que
serão utilizados para comunicação, para que seja possível realizar a transmissão dos
sinais sem que haja interferência do Arduino.
45
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] TREETECH. Sistema de Monitoração On-line de Capacitância e Tangente
Delta de Buchas Condensivas. Disponível em :
<http://treetech.com.br/artigos/artigos-transmissao/sistema-de-monitoracao-on-line-
de-capacitancia-e-tangente-delta-de-buchas-condensivas> Acesso em: 30 de abril de
2018.
[2] RAMBO, Marcos Vinicio Haas. CHUEIRI, Ivan J. KRAUSS, Carlos Cesar.
JASINSKI, Roberto. Monitoramento em Tempo Real de Buchas Capacitivas, GSE.
Edição do Autor, 2007.
[3] CHUEIRI, Ivan J. et al. Sistema de Monitoração de Fator de Potência e
Capacitância de Buchas Energizadas. Edição do Autor, 2004.
[4] CHUEIRI, Ivan J. et al. Sistema de Sensoriamento de Baixa Corrente Para
Buchas Capacitivas de Transformadores. Edição do Autor, 2004.
[5] ALVES, Marcos E.G. SILVA, Jorge C. Sistema de Monitoração On-line de
Capacitância e Tangente Delta de Buchas Condensivas. Edição do Autor, 2007.
[6] UFRJ. Monitoramento e Diagnóstico de Buchas de Alta Tensão. Disponível em:
<http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10000389.pdf> Acesso em: 30
de abril de 2018.
[7] DATASHEET. Arduino Uno Revision 3 Board. Disponível em:
<http://aiaaocrocketry.org/AIAAOCRocketryDocs/SPARC2014/Arduino%20Uno%20
Overview.pdf> Acesso em: 30 de abril de 2018.
[8] TEXAS INSTRUMENTS. TLV2541. Disponível em:
<http://www.ti.com/product/TLV2541> Acesso em: 30 de abril de 2018.
[9] FUTURLEC. 74F3037. Disponível em:
<http://www.futurlec.com/74F/74F3037D.shtml> Acesso em: 18 de junho de 2018.
[10] CHUEIRI, Ivan J.; KLECHOWICZ, Josimar; GIELOW, Rodrigo. Manual de fibra
Óptica. Edição do Autor, 2002.
[11] QSL. Digitalização de Um Sinal Analógico. Disponível em:
<https://www.qsl.net/py4zbz/teoria/digitaliz.htm> Acesso em: 27 de setembro de 2018.
[12] USP. Análise de Sinais Usando MatLab. Disponível em:
<https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4094245/mod_resource/content/3/Instrume
nta%C3%A7%C3%A3oAnaliseSinais.pdf> Acesso em: 27 de setembro de 2018.
[13] Raspberrypiwiki. Espduino 32. Disponível em:
46
<http://www.raspberrypiwiki.com/index.php/ESPDUINO-32> Acesso em: 16 de
novembro de 2018.
[14] Billporter. EasyTransfer Arduino Library. Disponível em:
<http://www.billporter.info/2011/05/30/easytransfer-arduino-library/> Acesso em: 16
de novembro de 2018.
[15] Processing. Processing. Disponível em:
<https://processing.org/> Acesso em: 17 de novembro de 2018.
[16] Sourceforge. G4P. Disponível em:
<https://sourceforge.net/projects/g4p/> Acesso em: 17 de novembro de 2018.
[17] UTFPR. Desenvolvimento de um protótipo de um rele digital para geração
distribuída com integração para redes inteligentes. Disponível em: <
repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/608/1/CT_CPGEI_M_Gabriel%2c%20
Janio%20Denis_2013.pdf> Acesso em: 18 de novembro de 2018.
47
ANEXO A
Código Rx: (Espduino)
//placa Espduino
#include <Arduino.h>
#include <EasyTransfer.h>
#include <HardwareSerial.h>
#include "wiring_private.h"
#include "esp_adc_cal.h"
#include "driver/i2s.h"
#include <driver/adc.h>
#define BUFF_SIZE 120
HardwareSerial mySerial(2); // RX, TX
//create object
EasyTransfer ET;
struct RECEIVE_DATA_STRUCTURE
{
//put your variable definitions here for the data you want to receive
//THIS MUST BE EXACTLY THE SAME ON THE OTHER ARDUINO
uint16_t vector[BUFF_SIZE];
};
//give a name to the group of data
RECEIVE_DATA_STRUCTURE mydata;
uint16_t vector[BUFF_SIZE];
uint8_t completed = 0;
}
48
void setup()
{
Serial.begin(115200);
mySerial.begin(115200, SERIAL_8N1, 16, 17);
//start the library, pass in the data details and the name of the serial port. Can be
Serial, Serial1, Serial2, etc.
ET.begin(details(mydata), &mySerial); //inicia ET, que está relacionado a biblioteca
EasyTransfer
//configurações ADC do ESP
adc1_config_channel_atten(ADC1_CHANNEL_6, ADC_ATTEN_11db);
adc1_config_width(ADC_WIDTH_BIT_10);
adcAttachPin(34);
analogReadResolution(10);
analogSetAttenuation(ADC_11db);
adc_set_clk_div(128);
}
double mapfloat(double x, double in_min, double in_max, double out_min, double
out_max)
{
return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
}
void loop()
{
//check and see if a data packet has come in.
if (ET.sync)
{
ET.sync = 0;
byte u, l;
49
uint8_t i = BUFF_SIZE;
uint32_t time = 0;
uint32_t finalTime = micros();
uint32_t start = micros();
while (i > 0)
{
if (finalTime - time >= 137)
{
vector[i] = analogRead(34);
//vector[i] = adc1_get_raw(ADC1_CHANNEL_6);
i--;
time = finalTime;
}
finalTime = micros();
}
uint32_t end = finalTime;
/*Serial.println("Tempo: " + String(end - start));*/
for (uint8_t i = 0; i < 120; i++) {
Serial.println(vector[i]);
}
}
if (ET.receiveData())
{
//this is how you access the variables. [name of the group].[variable name]
//since we have data, we will blink it out.
for (uint8_t i = 0; i < 120; i++)
{
Serial.print((int)vector[i]); //senoide interna
50
Serial.write(',');
Serial.println((int)mydata.vector[i]); //senoide recebida
}
uint8_t cross = 0;
uint8_t rising;
uint8_t changed = 0;
if (vector[1] >= 512) {
rising = 0;
}
else
{
rising = 1;
}
vector[0] = vector[1];
for (uint8_t i = 0; i < BUFF_SIZE; i++)
{
if (rising) {
if (vector[i] >= 512) {
cross = i;
break;
}
}
else
{
if (vector[i] <= 512 && changed == 0) {
changed = 1;
}
else if (vector[i] >= 512 && changed == 1) {
cross = i;
break;
51
}
}
}
double angle = mapfloat((double)cross, 0, 119, -180, 180);
angle += 110.06;
float rad = (angle*3.141593)/180;
double fp = cos(rad);
//Serial.printf("C: %d, Angulo: %.2f\n",cross, angle);
Serial.printf("%.2f\n", angle);
Serial.printf("%f\n", fp);
}
//you should make this delay shorter then your transmit delay or else messages could
be lost
}
52
ANEXO B
Código Processing:
import g4p_controls.*;
//import the required libraries
import processing.serial.*;
Serial mySerial = null;
Table table;
String filename;
void setup()
{
//set mySerial to listen on COM port 10 at 9600 baud
//mySerial = new Serial(this, "COM10", 9600);
size(800, 400); // size always goes first!
background(255, 255, 255);
table = new Table();
//add a column header "Data" for the collected data
table.addColumn("Data");
//add a column header "Time" and "Date" for a timestamp to each data entry
table.addColumn("Time");
table.addColumn("Date");
createGUI();
}
int lastTime = millis();
int selectedSerialportIdx = 0;
String lastComName = "";
boolean selectedSerialPort = false;
53
void draw()
{
//variables called each time a new data entry is received
int d = day();
int m = month();
int y = year();
int h = hour();
int min = minute();
int s = second();
if (mySerial != null) {
if (mySerial.available() > 0)
{
//set the value recieved as a String
String value = mySerial.readString();
println(value);
label3.setText("Ângulo: " + value);
label3.setTextBold();
//check to make sure there is a value
if (value != null)
{
//add a new row for each value
TableRow newRow = table.addRow();
//place the new row and value under the "Data" column
newRow.setFloat("Data", float(value));
//place the new row and time under the "Time" column
newRow.setString("Time", str(h) + ":" + str(min) + ":" + str(s));
//place the new row and date under the "Date" column
newRow.setString("Date", str(d) + "/" + str(m) + "/" + str(y));
}
}
}
54
if (millis() - lastTime >=1000) {
lastTime = millis();
int portNumber = Serial.list().length;
if (portNumber>0) {
String[] serialList = Serial.list();
dropList1.setItems(serialList, selectedSerialportIdx);
}
if (selectedSerialPort == false) {
changeSerialPort(dropList1);
selectedSerialPort = true;
}
}
background(255, 255, 255);
}
void changeSerialPort(GDropList source) {
String comName = source.getSelectedText();
selectedSerialportIdx = source.getSelectedIndex();
println("change");
if (mySerial == null) {
mySerial = new Serial(this, comName, 115200);
println("Serial port " + comName + " opened");
} else
{
println("Serial port " + lastComName + " closed");
mySerial.stop();
mySerial.dispose();
55
mySerial = new Serial(this, comName, 115200);
println("Serial port " + comName + " opened");
}
label2.setText("Porta selecionada: " + comName);
lastComName = comName;
}
56
ANEXO C
Código TX (Arduino):
#include <EasyTransfer.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#include "wiring_private.h"
SoftwareSerial mySerial(10, 11); // RX, TX
//create object
EasyTransfer ET;
struct SEND_DATA_STRUCTURE {
//put your variable definitions here for the data you want to send
//THIS MUST BE EXACTLY THE SAME ON THE OTHER ARDUINO
uint16_t vector[120];
};
//give a name to the group of data
SEND_DATA_STRUCTURE mydata;
void setup() {
Serial.begin(115200);
mySerial.begin(115200);
//start the library, pass in the data details and the name of the serial port. Can be
Serial, Serial1, Serial2, etc.
ET.begin(details(mydata), &mySerial);
randomSeed(analogRead(A1));
ADCSRA = 0;
ADCSRA |= (1 << ADEN) | (1 << ADPS1) | (0 << ADPS0);
}
57
void loop() {
//this is how you access the variables. [name of the group].[variable name]
int x;
do {
x = analogRead(A1);
}
while ( x >= 512);
do {
x = analogRead(A1);
}
while ( x <= 512);
uint32_t times = micros();
byte u, l;
mySerial.end();
for (uint8_t i = 0; i < 120; i++)
{
// analogRead(A1);
sbi(ADCSRA, ADSC);
while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC));
l = ADCL;
u = ADCH;
mydata.vector[i] = (u << 8) | l;
delayMicroseconds(134);
}
mySerial.begin(115200);
//send the data
ET.sendData();
Serial.println("Data sent");
delay(1000);
}