pontifÍcia universidade catÓlica do paranÁ escola

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


http://www.raspberrypiwiki.com/index.php/ESPDUINO-32

37

A Figura 32 apresenta a tela de aquisição dos dados obtidos via Processing.

Figura 32 – Processing


O Processing permite salvar os dados em uma planilha local em tempo real.

Figura 33 – Planilha Excel


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


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);

}

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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);

}

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