Objetos de Aprendizagem Para Laboratório Remoto em Atividades de EaD
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- Ilda Aveiro Beltrão
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1 Objetos de Aprendizagem Para Laboratório Remoto em Atividades de EaD E.V. de Morais L. C. O. de Oliveira R. A. N. de Oliveira L.F Bovolato Universidade Estadual Paulista Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira FEIS/UNESP - Ilha Solteira, SP - Brazil Abstract Ao longo das últimas décadas, a constante evolução da Internet tem viabilizado a criação e utilização de novas ferramentas corporativas direcionadas para a educação em diversas áreas do conhecimento. Particularmente, para a Educação a Distância (EaD) na área das engenharias, eclodiram novos recursos de apoio ao ensino, denominados Laboratórios Remotos em Ambientes Virtuais de Aprendizagem (AVA). Tais recursos surgiram, principalmente, com o intuito de solidificar os conceitos teóricos veiculados através de sistemas de EaD e concretizar a aplicação prática dos mesmos. Para tanto, apresenta-se neste trabalho as atividades relacionadas à criação de objetos de aprendizagem para uso em Laboratórios Remotos na área de estudos da Qualidade da Energia Elétrica. keywords Ensino à distância, laboratórios remotos, objetos de aprendizagem I. INTRODUÇÃO Os ambientes de Educação a Distancia (EaD) são reconhecidos atualmente como ferramentas úteis na construção do conhecimento, pois favorecem de forma contextualizada a capacidade de cognição por parte do aluno. Contando com a flexibilidade de horário, o aluno pode construir gradativamente seu conhecimento de acordo com seu perfil, articulando os conteúdos na busca de uma aprendizagem significativa, orgânica e sistêmica [1]. Um dos grandes obstáculos enfrentados pelos estudantes de engenharia elétrica é o elevado grau de abstração com o qual são solicitados a trabalhar. Neste contexto, são particularmente importantes as atividades experimentais no sentido de transpor a barreira que separa o conceito teórico e abstrato da sua aplicação prática. Para o ensino de graduação, os laboratórios remotos podem ser uma ferramenta muito útil neste seguimento, pois além de promover a solidificação dos conceitos teóricos, viabilizam também o uso dos recursos experimentais por um maior espaço de tempo e de forma compartilhada [2], [3], [4]. Por outro lado, há de se destacar também as potencialidades dos laboratórios remotos nos ambientes de investigação científica na pósgraduação. Neste caso, é comum se deparar com a necessidade de equipamentos específicos, sofisticados e de alto custo. A racionalização dos recursos financeiros na implantação de laboratórios de apoio à pesquisa, pode ser efetivada com o uso coorporativo dos mesmos equipamentos pelos diferentes grupos e/ou instituições de pesquisa, [3]. Particularmente, no tocante às atividades de ensino, a concretização das atividades laboratoriais se faz através de objetos de aprendizagem. Estes conteúdos experimentais devem ser cuidadosamente articulados no sentido de promover uma correlação adequada entre o conceito teórico tratado e as práticas experimentais propostas. Neste trabalho, apresentam-se as atividades realizadas no desenvolvimento e implantação de objetos de aprendizagem, no âmbito de um laboratório remoto direcionado para a área de estudos da qualidade da energia elétrica. II. LABORATÓRIO REMOTO DE QUALIDADE DA ENERGIA Com o objetivo de atender as demandas experimentais nos cursos de graduação e pós-graduação o Grupo de Estudos da Qualidade de Fornecimento da Energia Elétrica, da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira (FEIS-UNESP), vem sistematicamente capacitando o seu Laboratório Remoto de Qualidade da Energia Elétrica (LRQEE). Trata-se de um ambiente de acesso remoto via web, destinado a realização de experimentos práticos para apoio didático às disciplinas Qualidade da Energia Elétrica ministrada nos cursos de graduação e pós-graduação da FEIS/UNESP. Na sua configuração atual, é possível realizar vários experimentos à distância visando à compreensão e constatação dos principais fenômenos físicos envolvendo a Qualidade da Energia Elétrica. Entre os equipamentos disponíveis destacam-se: duas fontes de alimentação programáveis, sendo uma com saída trifásica e outra monofásica, ambas produzidas pela California Instruments. A versão trifásica, modelo 6000L é controlada por um gerador e analisador de harmônicas (HGA). Possui potência nominal de 6 kva, frequência base ajustável entre 47 e 66 Hz e variação da tensão terminal de 0 a 240 V (RMS). Através desta fonte é possível configurar tensões trifásicas com diferentes formas de onda, fixandose individualmente as amplitudes e respectivos ângulos de fase de cada componente harmônica do sinal em cada fase e de forma independente. A fonte monofásica, modelo 5001i, tem potência nominal de 5 kva e permite a variação da tensão terminal de 0 a 240 V (RMS). Com esta fonte é possível impor diferentes tipos de distúrbios na tensão gerada, tais como afundamentos e elevações de tensão, definindo-se suas amplitudes, tempos de duração e sequenciamento de ocorrências, além da possibilidade de programação da forma de onda de saída, como no caso anterior. O LRQEE dispõe também de um sistema de aquisição de dados modelo Wavebook-Iotech com 8 entradas analógicas, conversão digital em 16 bits à 1.0 Msample. Os sinais de corrente são captados através de nove transdutores de corrente de efeito Hall, para até 50 A (RMS). As tensões são captadas por 8 transdutores e condicionadores para até 300 V (RMS).
2 As Figs. 1 e 2 ilustram, respectivamente, a configuração da plataforma experimental básica e a foto do local onde o LRQEE se encontra atualmente instalado. Figura 1 Plataforma experimental para acesso remoto. Figura 2 Vista parcial do Laboratório Remoto de Qualidade de Energia Elétrica (LRQEE). Para o apoio computacional, o LRQEE dispõe dos aplicativos LabView Student Edition e DasyLab 2. Estes aplicativos são utilizados no processamento de sinais envolvendo diferentes ferramentas, tais como, integradores, diferenciadores, somadores, filtros digitais, transformada de Fourier. São também utilizados no controle das fontes de alimentação e do sistema de aquisição de dados. III. OBJETOS DE APRENDIZAGEM Problemas de má operação de equipamentos, perdas de energia e sobretensões relacionadas com a presença de componentes harmônicas não são recentes, mas o que tem despertado a atenção dos pesquisadores é o aumento da severidade dos mesmos. Pode-se identificar claramente três fases de abordagem do problema. A primeira fase foi representada pela atuação de um grande pesquisador na engenharia elétrica, Steinmetz, que encontrou uma solução para minimizar os efeitos causados pelas terceiras harmônicas resultantes da magnetização das máquinas elétricas e transformadores. Por volta de 1900, Steinmetz sugeriu a utilização de transformadores conectados em delta e estrela não aterrada para bloquear o fluxo de correntes de terceira harmônica pelo sistema. O problema foi satisfatoriamente resolvido até meados de 1930, a partir do qual tem início a segunda fase de abordagem dos problemas associados à Qualidade da Energia Elétrica. Esta foi caracterizada pelas inúmeras ocorrências associadas à interferência nos sistemas de comunicação. As áudio interferências causadas por harmônicas neste período se manifestavam em larga escala devido ao crescimento desordenado das redes elétricas de potência e redes telefônicas, ocupando, muitas vezes, lugares físicos próximos. Tais problemas ocorreram devido ao acoplamento indutivo entre os diferentes circuitos, causando ruído excessivo nas redes telefônicas. Estas harmônicas eram geradas principalmente pelos transformadores. Nesta fase os problemas foram parcialmente resolvidos através da utilização de filtros, melhoria da qualidade das chapas magnéticas utilizadas na confecção dos transformadores e definição de limites toleráveis para as correntes magnetizantes. Apesar de todos os esforços para reduzir as componentes harmônicas provenientes da energização de transformadores, os problemas relacionados com seus efeitos permanecem até os dias atuais. Desta forma, é muito importante que na formação dos futuros profissionais da área de engenharia elétrica esteja assegurado um conhecimento sólido destas questões. Para o caso de transformadores trifásicos, existem situações operacionais em que o tipo de conexão empregada na interligação dos seus enrolamentos altera significativamente seu comportamento como fonte geradora de harmônicas. Tal fato está diretamente relacionado com as formas de circulação das componentes harmônicas múltiplas de três, denominadas também de triplens. Estas componentes harmônicas possuem características homopolares, ou seja, idealmente possuem apenas componentes em sequência zero. Visando o estudo detalhado das condições de geração de harmônicas por transformadores trifásicos, optou-se pela criação de objetos de aprendizagem focados neste tema. Particularmente nesta etapa do trabalho, os objetos de aprendizagem foram direcionados para o estudo do comportamento de transformadores trifásicos constituídos por arranjos de unidades monofásicas. Para tanto, foram criados cinco objetos de aprendizagem contemplando as formas de conexões usuais dos enrolamentos primário e secundário dos transformadores. As diretrizes básicas de cada um dos módulos de aprendizagem implantados são ilustradas nas Figs. de 3 a 7. Para cada Módulo apresenta-se a conexão física dos enrolamentos primário, secundário e terciário, bem como as principais atividades a serem executadas durante a realização do experimento. Módulo 01 Constatar a característica senoidal do fluxo e das tensões; Figura 3. Conexões utilizadas e metas do módulo de aprendizagem 1.
3 Módulo 02 Módulo 05 Constatar a presença de componentes harmônicas homopolares; Constatar a característica senoidal do fluxo e das tensões; Verificar a composição harmônica da corrente no neutro; Figura 4. Conexões utilizadas e metas do módulo de aprendizagem 2. Módulo 03 Constatar a característica distorcida do fluxo magnético; Constatar a característica distorcida das tensões induzidas; Figura 5. Conexões utilizadas e metas do módulo de aprendizagem 3. Constatar a característica senoidal do fluxo e das tensões induzidas; Composição harmônica da corrente no enrolamento terciário; Figura 7. Conexões utilizadas e metas do módulo de aprendizagem 5. IV. PLATAFORMA EXPERIMENTAL Para executar a proposta experimental, utilizou-se três unidades transformadoras monofásicas conforme a Tabela I: Tabela I - Características físicas das unidades monofásicas. Potência nominal: 1 kva Tensão nominal das bobinas: 55 V Número de bobinas : 8 Número de espiras da bobina: 90 Nas montagens efetuadas neste trabalho foram utilizadas apenas quatro entre as oito bobinas disponíveis. A Fig. 8 ilustra o modelo simplificado (a) e a foto do equipamento real (b), com destaque para as bobinas efetivamente utilizadas. Módulo 04 a) modelo b) equipamemto real Figura 8 Unidade Monofásica. Constatar a característica senoidal do fluxo e das tensões induzidas; Observar as assimetrias nos fluxos e nas tensões; Figura 6. Conexões utilizadas e metas do módulo de aprendizagem 4. Objetivando a configuração automática dos diferentes arranjos trifásicos a serem investigados, as unidades monofásicas foram interligadas através de relés eletromagnéticos, conforme diagrama ilustrado na Fig. 9. Nesta Fig., destaca-se o conjunto de bobinas pertencentes a uma das unidades monofásica utilizadas. Os transdutores utilizados na captação dos sinais de corrente e tensão, ilustrados no diagrama esquemático da Fig. 9, são visualizados com detalhes nas fotos apresentadas na Fig. 10. Na Fig. 11 apresenta-se a foto do módulo de relés eletromagnéticos contendo 16 unidades de chaveamento, os quais são operados remotamente através de uma interface de acionamento. A Fig. 12 ilustra os detalhes das conexões físicas das unidades
4 monofásicas, as quais são automaticamente configuradas pelo acionamento remoto dos respectivos relés, conforme Tabela II. A vista geral da montagem experimental é apresentada na Fig. 13, onde podem ser identificados os seus principais componentes. Figura 13 Foto da montagem experimental. Figura 9 Interligação das unidades monofásicas, sensores e atuadores. (TPi transdutores de tensão / TCi Transdutores de corrente ) (a) corrente (b) tensão Figura 10 Transdutores e condicionadores. Figura 11 Foto do módulo de relés eletromagnéticos. Figura 12 Foto da interligação das unidades monofásicas. Tabela II Configuração física dos experimentos. Módulos Arranjo Configuração dos relés Experimentais Elétrico K1 K2 K3 K4 Módulo Módulo Módulo Módulo Módulo posição de repouso do relé Para o controle da interface de chaveamento, aquisição de dados e da fonte de alimentação programável, foi desenvolvido um aplicativo baseado na plataforma de processamento de sinais DasyLab. As Figs.14 e 15 apresentam as principais telas da interface interativa geradas no ambiente DasyLab. A partir dos ícones disponíveis na tela ilustrada na Fig. 14 é possível selecionar o modulo de aprendizagem desejado. Na Fig. 15 apresenta-se a tela para realização das atividades experimentais relacionadas ao módulo de aprendizagem selecionado. Através dos botões de atalho disponíveis na tela é possível ajustar o nível da tensão aplicada e iniciar o experimento. Nesta tela apresentase também a visualização das correntes e tensões associadas aos transdutores devidamente identificados e estrategicamente localizados no circuito. Ao concluir cada módulo experimental o aplicativo envia os resultados para o do usuário, previamente cadastrado no momento da sua habilitação, através do botão de controle ENVIAR RESULTADOS. A análise dos resultados experimentais é realizada Off-line pelo usuário através do aplicativo computacional de ANALISE, desenvolvido no âmbito deste trabalho. Este aplicativo é disponibilizado para o usuário, na forma de planilha eletrônica, no momento do seu cadastro no LRQEE. Tal aplicativo fornece, além da representação gráfica das grandezas, os resultados para a distribuição harmônica dos sinais e suas respectivas composições sequenciais. Estas grandezas são obtidas através de metodologias de cálculo de DFT (transformada discreta de Fourier) e transformada de Fortescue, respectivamente. A Fig. 16 ilustram as telas do aplicativo ANÁLISE onde são apresentadas as formas de onda dos sinais, suas componentes harmônicas e sequenciais. A título de ilustração, apresenta-se na Tabela III os resultados processados para os sinais captados pelos transdutores de tensão TP1, TP2 e TP3 e pelos transdutores de corrente TC1, TC2 e TC3 processados. Baseados nos resultados colhidos no âmbito do aplicativo ANALISE, é possível realizar uma análise criteriosa do comportamento do transformador trifásico constituído por unidades monofásicas sob a ótica da geração de harmônicas, considerando-se as particularidades das diferentes conexões dos enrolamentos.
5 Figura 14 Tela de acesso e seleção de experimentos. Figura 15 Tela de controle e visualização do experimento. Figura 16 Telas gráficas geradas pelo aplicativo ANALISE.
6 Tabela III Tabelas geradas pelo aplicativo ANALISE. V. CONCLUSÕES A Internet associada às novas tecnologias da informação e comunicação abriu novos horizontes para o ensino da engenharia, e tornou possível o desenvolvimento de recursos complementares para apoio na educação à distância. Particularmente, no ensino da engenharia elétrica, os estudantes são solicitados a trabalhar com um elevado grau de abstração. Neste cenário, as atividades experimentais são fundamentais para ajudar transpor a barreira que separa o conceito teórico e abstrato da sua aplicação prática. Neste seguimento, os laboratórios remotos podem ser uma ferramenta muito útil no ensino de graduação de engenharia elétrica, pois além de promover a solidificação dos conceitos teóricos, viabilizam também o uso dos recursos experimentais por um maior espaço de tempo. Os pretensos usuários podem ter acesso à distância a aplicativos computacionais e equipamentos, racionalizando recursos e evitando a duplicidade de itens de alto custo. O Laboratório Remoto de Qualidade da Energia Elétrica (LRQEE) da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira (FEIS) é uma ferramenta criada inicialmente para apoio às atividades de educação à distância na área de qualidade da energia elétrica. Seus objetivos fundamentais baseiam-se na disseminação da ideia de utilização da Internet nas atividades de educação à distância, particularmente no que se refere à realização de estudos experimentais. Na forma como está configurado, é possível a realização de vários experimentos, aqui denominados Módulos de Aprendizagem, visando à compreensão e constatação experimental de alguns fenômenos envolvendo a qualidade da energia elétrica, bem como a verificação, e compreensão, das discrepâncias entre os resultados teóricos esperados e os encontrados na prática. Neste trabalho, apresenta-se a proposta pedagógica e desenvolvimento de cinco módulos de aprendizagem relacionados a geração de harmônicas por transformadores trifásicos. São particularmente destacadas: a fundamentação teórica, os objetivos de cada módulo, os arranjos físicos e suas respectivas implementações experimentais. AGRADECIMENTOS O presente trabalho foi realizado com o apoio do CNPq, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - Brasil. REFERENCIAS [1] Schnaid, F.; Timm, M. I; Zaro, M..Considerações sobre uso de modelo construtivista no ensino de Engenharia: disciplina de projeto com graduandos e mestrandos. Centro Interdisciplinar de Novas Tecnologias na Educação, CINTED-UFRGS, V. 1 Nº 1, Fevereiro, 2003 Porto Alegre, Rio Grande do Sul. [2] Oliveira, D.N.; Cunha Jr,H.; Teixeira, V.S.C. Modelagem Bond Graph E O Ensino De Engenharia Elétrica - Representação Das Máquinas Elétricas. Anais do XXXIV Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, COBENGE. Passo Fundo, Minas Gerais, Setembro de ISBN [3] Marchezan, A.R.; Chella, M.T.; Ferreira, E.C. Laboratório Remoto aplicado ao Ensino de Engenharia Eletrônica. Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação (FEEC) - Departamento de Eletrônica e Microeletrônica (DEMIC) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) [4] Röring, C.; Jochheim, A. The Virtual Lab for Controlling Real Experiments via Internet. IEEE International Symposium on Computer Aided Control System Design. Kohala Coast-Island of Hawai, USA, 1999.
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