Controle de Fator de Potência no Secundário (Lado da Carga) de um Transformador Trifásico

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1 0 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU Controle de Fator de Potência no Secundário (Lado da Carga) de um Transformador Trifásico Monografia de Graduação em Engenharia de Controle e Automação DAVI LEITE DA SILVA Ouro Preto, 2009

2 1 DAVI LEITE DA SILVA CONTOLE DE FATOR DE POTÊNCIA NO SECUDÁRIO (LADO DA CARGA) DE UM TRANSFORMADOR TRIFÁSICO Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Prof. Dr. Paulo Marcos de Barros Monteiro Co-orientador: Prof. Dr. Agnaldo José de Rocha Reis Ouro Preto Escola de Minas UFOP Dezembro/2009

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4 3 AGRADECIMENTOS Aos meus pais, pela compreensão e por terem me dado a oportunidade de estudar. Aos meus parentes e amigos, por tornarem a minha vida bem mais feliz. Em especial ao professor Paulo Monteiro, pela dedicação, paciência. Ao professor Ríspoli, pelo apoio e incentivo. Ao Robson Dal Col e o Fernando dos Santos Alves Fernandes pela disposição e ajuda nas etapas práticas deste projeto. E, sobretudo, a Deus, pela vida.

5 4 RESUMO Este trabalho apresenta um estudo de correção de fator de potência, através da instalação de capacitores no secundário de um transformador trifásico. A importância de se corrigir o fator de potência, e a relevância deste controle nas indústrias de médio e grande porte no Brasil, objetivando otimizar. O uso da energia elétrica usada no pais, para proporcionar o crescimento da industria sem que afete as leis ambientais, descreve o sistema de controle usando sensores de tensão e corrente e um microcontrolador utilizado para calcular o tempo de defasagem entre a tensão e a corrente da rede elétrica, um CLP que após obtido o tempo calcula o fator de potência e aciona o banco de capacitores com o objetivo de corrigir automaticamente o fator de potência. Conforme a demanda em tempo real, o sistema de controle mantém o fator de potência dentro dos limites estabelecidos pela concessionária de energia elétrica. A validação do controle proposto se dá por meio da realização de simulações que utiliza o pacotes computacionais como Proteus e Proficy Machine. Palavras chaves: CLP, Microcontrolador, Fator de Potência.

6 5 ABSTRACT This work presents a study of correction of power factor, through the installation of capacitors in the secondary of a transformer, it shows the importance of correcting the power factor, and the relevance of this control in the industries, aiming to optimize the use of the electric power used on country, to provide the growth of the it elaborates without it affects the environmental laws, it describes the control system using sensors and a microcontroller used for calculates time between tension and current, a CLP that obtain this time calculates the power factor. According to the demand in real time, the control system maintains the power factor inside of the established limits for the electric power dealership. The validation of the proposed control is realized by simulations that uses the packages like Proteus and Proficy Machine. Keywords: CLP, Microcontroller, Power Factor.

7 6 LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 Tensão(V) e Corrente (I) 14 Figura 3.2 Triângulo de Potência 17 Figura 3.3 Diagrama dos Tipos de Instalação 20 Figura 4 Seção do cabo em Função do Fator de Potência 22 Figura 5 Diagrama de Pinagem do Microcontrolador 24 Figura 6.1 Pirâmide de Automação 28 Figura 6.2 Estrutura básica de um CLP 31 Figura 6.3 Rede de Comunicação 36 Figura 7.1 Esquema de Ligação dos Componentes 40 Figura 7.2 A Maquete 41 Figura 7.3 Transformador Acoplado ao Sensor de Corrente 43 Figura 7.4 Transformador Acoplado ao Sensor de Tensão 44 Figura 7.5 Sinal da Saída do Sensor de Tensão 45 Figura 7.6 Circuito Com Sensores e PIC 46 Figura 7.7 Sinal de Defasagem entre a Tensão e a Corrente 47 Figura 7.8 Cálculo do Fator de Potência 49 Figura 7.9 Faixa de Alocação dos Capacitores 50

8 7 LISTA DE SIGLAS Siglas CLP IHM IEC CNC FET SET-POINT SCADA MAP CPU LCD MSSP CCP PID PWM Significado Controlador Lógico Programável Interface Homem Máquina International Electronical Comission Comando Numérico Computadorizado Transistor de Efeito de Campo Valor desejado Supervisory Control and Data Acquisition Manufactoring Automation Protocol Unidade Central de Processamento Display de Cristal Liquido Master Synchronous Serial Port Compare, Capture e PWM Proporcional, Integral e Derivativo Modulação por largura de Pulso

9 8 LISTA DE NOTAÇÕES Todas as notações ou símbolos utilizados no documento em ordem alfabética, em separado as letras gregas. Variáveis Descrição Unidade U Tensão Volts [V] I Corrente Elétrica Ampére [A] C Capacitância Faraday [F] Ângulo de defasagem Graus Constate L Indutância Henry [H] Ns Np Numero de espira Secundário Numero de espiras Primário P Potência Ativa Watts [W] Vp Tensão no primário Volts [V] VS Tensão no secundário Volts [V] Ip Corrente no primário Ampére[A] Is Corrente no secundário Ampéres[A] Q Potência Reativa Volts Ámpere [VA] S Potência Aparente Watts [W] VCA Corrente Alternada Volts VCC Corrente Continua Volts FP Fator de Potência F Freqüência [Hz] Pp Potência no Primário Watts[W] Ps Potência no Secundário Watts[W]

10 9 SUMÁRIO AGRADECIMENTOS... 2 RESUMO... 4 ABSTRACT... 5 LISTA DE FIGURAS... 6 LISTA DE SIGLAS... 7 LISTA DE NOTAÇÕES INTRODUÇÃO Generalidade Objetivo Geral Objetivo Especifico PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSFOMADOR Relação de transformação Transformador Abaixador Transformador Elevador Transformador de Isolação Relação de Potência nos Transformadores FATOR DE POTÊNCIA Conceitos Básicos Meios de Controle de Fator de Potência Onde Corrigir o Fator de Potência Com o Fator de Potência elevado para 0.92 ou mais, isto faz com que Potência Total Potência Ativa Potência Reativa... 19

11 Localização dos Capacitores para Correção de Fator de Potência CAUSAS E CONSEQUÊNCIA DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA Perdas nas Instalações Queda de Tensão Subutilização da Capacidade instalada Principais Conseqüências Causa do baixo Fator de Potência MICROCONTROLADOR PIC Comunicação Serial Portas Interrupções Módulo CCP Módulo Compare Módulo Capture Módulo PWM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Sensor,Transdutor e Atuador Sensor Transdutor Atuador Arquitetura da Automação Industrial O Controlado Lógico Programável (CLP) Estrutura Básica de um CLP Unidade Central de Processamento Processador Entradas Saídas Fonte de Alimentação Sistema Scada... 35

12 Componentes Físicos Componentes Lógicos de um Sistema SCADA Software Supervisório Linguagem de Programação PRÓTOTIPO DE DESENVOLVIMENTO PARA CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA Metodologia A Maquete Os Sensores Principio de funcionamento do sensor de Corrente Principio de funcionamento do sensor de Tensão Princípio de Funcionamento do Circuito A programação do CLP e a Correção do fator de Potência A programação da lógica do Fator de Potência RESULTADOS EXPERIMENTAIS CONCLUSÃO E SUGESTOES PARA TRABALHOS FUTUROS Conclusão Sugestões para trabalhos Futuros Implementação da Comunicação : PIC para CLP Entrada dos Capacitores Teste e Verificação dos transformadores de Isolação... 55

13 12 1. INTRODUÇÃO 1.1 Generalidade A energia elétrica, nos dias atuais é indispensável à vida humana, De natureza complexa, qualquer erro por parte dos profissionais que lidam com ela, pode resultá em prejuízos amplos, que vão desde os desastres ambientais até a perda de recursos financeiros expressivos. No entanto, a necessidade da criação de mecanismo, que possibilitem a utilização racional de energia elétrica é de extrema importância. Muitos estudos têm sido feitos sobre estes assuntos, tanto por parte das universidades quanto pela indústria de modo geral. A utilização da energia elétrica no Brasil movimenta elevadas cifras de reais por ano, sendo que grande parte desse dinheiro é perdido pela má utilização da mesma. Isso acontece por razões como falta de planejamento, dimensionamentos incorretos de instalações, uso em horários mais onerosos e até mesmo por contratos mal feitos junto às concessionárias de energia. Vários especialistas do setor elétrico dizem que o Brasil tem um grande espaço para aproveitar melhor a energia já existente, e a desinformação sobre esse assunto é notável. A preocupação quanto á possibilidade da falta de suprimento de energia elétrica remete á necessidade de se avaliar de que forma esse tipo de energia vem sendo utilizado. Isso torna evidente que o problema não se limita apenas a necessidade de gerar cada vez mais energia, mas, primeiramente, a eliminar desperdícios, buscando o máximo desempenho com o mínimo de consumo, segundo a empresa ELETROBRÁS (1998). O aquecimento da economia implica diretamente na ampliação do parque industrial brasileiro, notoriamente reconhecido como o grande setor consumidor de energia elétrica. Do total da energia consumida no país, estima-se, segundo a Empresa de Pesquisa Energética - EPE (2007), que aproximadamente a metade (44%) é consumida pelo setor industrial. De acordo com Garcia (2003) os motores destacam-se dentre as cargas elétricas de uma indústria representando até 60% do total de energia elétrica consumida na mesma..

14 Objetivo Geral Este trabalho faz parte de um trabalho mais amplo envolvendo o desenvolvimento de um sistema supervisório para correção do fator de potência e balanceamento de cargas de um sistema trifásico realizado simultaneamente pelos alunos Davi Leite, Rodrigo Guedes e Robson Lage, todos do Curso de Engenharia de Controle e Automação da Escola de Minas de Ouro Preto. 1.3 Objetivo Especifico Desenvolver um sistema de controle e automação para fazer o controle do fator de potência no secundário de um transformador trifásico, e o controle do acionamento de bancos de capacitores, de tal forma, que mantenha o fator de potência dentro de limites estabelecido em lei e reduzir a sobrecarga de energia reativa no sistema elétrico, proporcionando o aumento da vida útil dos equipamentos ligados ao secundário do transformador.

15 14 2. PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSFOMADOR O principio básico de funcionamento de um transformador é o fenômeno conhecido com indução eletromagnética: quando um circuito é submetido a um campo magnético variável, aparece nele uma corrente cuja intensidade é proporcional as variações do fluxo magnético. Os transformadores, na sua forma mais simples, consistem de dois enrolamentos de fio (o primário e o secundário), que geralmente envolvem os braços de um quadro metálico (o núcleo). Uma corrente alternada aplicada ao primário produz um campo magnético proporcional á intensidade dessa corrente e ao número de espiras do enrolamento (número de voltas do fio em torno do braço metálico). Através do metal, o fluxo magnético quase não encontra resistência e, assim, concentra-se no núcleo, em grande parte, e então, a indução eletromagnética: no secundário surge uma corrente elétrica, que varia de acordo com a corrente do primário e com a razão entre os números de espiras dos dois enrolamentos. 2.1 Relação de transformação Relação de transformação é o nome dado a relação entre tensão induzida no secundário e tensão aplicada no primário. Como esta relação depende fundamentalmente do número de espiras do primário e secundário, pode-se escrever: Relação de transformação (2.1) A partir desta relação podemos classificar os transformadores em três tipos diferentes. São eles: Transformador Abaixador, transformador elevador e transformador de isolação. 2.2 Transformador Abaixador São transformadores que reduzem a tensão de entrada em relação á de saída, ou seja, recebem certo valor de tensão no primário e transformam para um valor menor no secundário.

16 Transformador Elevador São transformadores que aumentam o valor da tensão de entrada em reação á saída, ou seja, recebe certo valor de tensão no primário e transformam para um valor maior no secundário. 2.4 Transformador de Isolação São transformadores que não variam a tensão de entrada, ou seja, recebe certo valor de tensão no primário e mantém este valor no secundário. 2.5 Relação de Potência nos Transformadores Desconsiderando as perdas por aquecimento no transformador (da ordem de 10%) pode-se dizer que o primário absorve da rede a mesma potência que o secundário fornece á carga, ou seja, a potência do primário é a mesma potência do secundário. (2.2) Esta igualdade acima pode ser apresenta como: O produto da tensão do primário pela corrente do primário é igual ao produto da tensão do secundário pela corrente do secundário. (2.3) Logo podemos deduzir a partir destas equações e da relação de transformação apresentada antes que: (2.4)

17 16 3. FATOR DE POTÊNCIA 3.1 Conceitos Básicos A maioria das cargas das unidades consumidoras consome energia reativa indutivas, tais como: motores, transformadores, reatores para lâmpadas de descarga, fornos de indução, entre outros. As cargas indutivas necessitam de campo eletromagnético para o seu funcionamento, por isso sua operação requer dois tipos de potência como veremos mais adiante. O fator de potência é um valor pré-determinado pela Agência Nacional de Engenharia Elétrica, que é um órgão do governo federal, para que haja melhor aproveitamento da energia elétrica, já que nos dias atuais ela se encontra tão escassa. O valor determinado pelo governo foi fixado em noventa e dois por cento (0.92), ou seja, do cem por cento de energia total entregue pela concessionária, somente oito por cento poderá retornar a linha como forma de energia reativa. Segundo Creder (2000) chama-se fator de potência o co-seno do ângulo de defasagem entre a corrente e a tensão, a Figura 3.1 mostra o ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente. Figura 3.1 Tensão (V) e Corrente (I)

18 17 Onde é o ângulo de defasagem entre a corrente e tensão de um circuito operando a CA, sendo = *t, onde é a velocidade angular em radianos por segundos e t é o intervalo de tempo que ocorre a defasagem. 3.2 Meios de Controle de Fator de Potência Modificação da rotina operacional-orientação no sentido de se manter, por exemplo, os motores em operação a plena carga, para diminuição de energia reativa indutivas no sistema; Instalação de motores síncronos super excitados - pode ser acoplada alguma carga da própria produção em substituição a um motor de indução. Entretanto, devido ao fato de ser um equipamento bastante caro, nem sempre é compensador do ponto de vista econômico, sendo competitivo, em princípio, para potências superiores a 200CV e funcionamento por períodos longos. Instalação de capacitores é a solução mais empregada e adotada nesse trabalho. 3.3 Onde Corrigir o Fator de Potência Uma forma econômica e mais utilizada para operação de equipamentos é a instalação de capacitores próximos esse equipamentos, a instalação de capacitores, porém deve ser precedida de medidas operacionais para que levem á diminuição de energia reativa indutivas no sistema, como o desligamento de motores e outras cargas indutivas ociosas ou superdimensionadas. 3.4 Com o Fator de Potência elevado para 0.92 ou mais, isto faz com que Desapareça a sobretaxa cobrada nas contas de energia elétrica; Melhora o aproveitamento da energia elétrica para geração de trabalho útil;

19 18 Diminua as variações de tensão (oscilações); Melhora o aproveitamento dos equipamentos com menos consumo; Aumenta a vida útil dos equipamentos; Os condutores tornam-se menos aquecidos, diminuindo as perdas de energia elétrica na instalação; 3.5 Potência Total A potência total ou aparente é composta pela potência ativa e reativa juntas, é aquela entregue pela fonte de energia num intervalo de tempo a uma carga ou a um consumidor. Analisando em termos das componentes da potência ativa, reativa e aparente, pode-se, a partir de uma descrição geométrica destas componentes como na Figura 3.2, determinarem o fator de potência. Figura 3.2 Triângulo de Potência A potência total é dada por: S=V.I (2.5)

20 19 Fator de Potência é uma relação entre a energia ativa e a energia aparente ou total: (2.6) 3.6 Potência Ativa Potência Ativa, medida em KW, é a que realmente produz trabalho útil, isto é, faz os motores e transformadores funcionarem. De acordo com o triângulo de Potência da figura temos: P= S.cos = V.I.cos (2.7) 3.7 Potência Reativa Quando existe em um circuito uma ou mais bobinas (cargas indutivas), é verificado que a potencia total fornecida é diferente da potência lida num wattímetro. Isso ocorre porque equipamentos como transformadores, motores e geradores necessitam de energia reativa para seu funcionamento. Essa energia reativa é medida em kvarh, não realiza trabalho efetivo mais tem a função de criar e manter os campos magnéticos das cargas. E é dado segundo o triângulo de potência por: Q=Ssen =VIsen (2.8) 3.8 Localização dos Capacitores para Correção de Fator de Potência A correção pode ser feita instalando os capacitores de quatro maneiras diferentes, tendo como objetivos a conservação de energia e a relação custo/benefício: Correção na entrada da energia de alta tensão: Corrige o fator de potência visto que pela concessionária, permanecendo internamente todos os inconvenientes citados pelo baixo fator de potência e custo é elevado.

21 20 Correção na entrada da energia de baixa tensão: Permite uma correção bastante significativa, normalmente com bancos automáticos de capacitores. Utiliza-se este tipo de correção em instalações elétricas com elevados números de cargas com potências diferentes e regimes de utilização pouco uniforme. Correção por grupos de cargas: o capacitor é instalado de forma a corrigir um setor ou um conjunto de pequenas máquinas (10CV). È instalado junto ao quadro de distribuição que alimenta esses equipamentos. Tem como desvantagem não diminuir a corrente nos circuitos de cada equipamento. Correção localizada: È obtida instalando-se os capacitores junto ao equipamento que se pretende corrigir o fator de potência. Representa do ponto de vista técnico, a melhor solução, apresentando as seguintes vantagens: -Reduz as perdas energéticas em toda a instalação. -Diminui a carga nos circuitos de alimentação dos equipamentos. -Pode-se utilizar em sistema único de acionamentos para a carga e o capacitor,economizandose um equipamento de manobra. -Gera potência reativa somente onde é necessário. Correção mista: No ponto de vista Conservação de Energia considerando aspectos técnicos práticos e financeiros, torna-se a melhor solução. Usa-se o seguinte critério para correção mista: - Insta-se um capacitor fixo diretamente no lado secundário do transformador. - Motores de aproximadamente 10CV ou mais, corrige-se localmente (cuidado com motores de alta inércia, pois não se deve dispensar o uso de contatores para manobra dos capacitores

22 21 sempre que a corrente nominal dos mesmos for superior a 90% da corrente de excitação do motor). -Motores com menos de 10CV corrige-se por grupos. Figura 3.3 Diagrama dos Tipos de Instalação

23 22 4. CAUSAS E CONSEQUÊNCIA DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA 4.1 Perdas nas Instalações As perdas de energia elétricas ocorrem em forma de calor e são proporcionais ao quadrado da corrente total. Como essa corrente cresce com o excesso de energia reativa, estabelece-se uma relação entre o incremento das perdas e o baixo fator de potência, provocando o aumento do aquecimento de condutores e equipamentos ligado a rede. 4.2 Queda de Tensão O aumento da corrente devido ao excesso de energia relativa leva a queda de tensão acentuada, podendo ocasionar a interrupção do fornecimento de energia elétrica e a sobrecarga em certos elementos da rede. Esse risco é sobretudo acentuado durante os períodos nos quais a rede é fortemente solicitada. As quedas de tensão podem provocar ainda a diminuição da intensidade luminosa das lâmpadas e aumento da corrente nos motores. 4.3 Subutilização da Capacidade instalada A energia reativa, ao sobrecarregar uma instalação elétrica, inviabiliza sua plena utilização, condicionando a instalação de novas cargas a investimentos que seriam evitados se o fator de potência apresenta-se valores mais elevados. O espaço ocupado pela energia reativa poderia se então utilizado para o atendimento de novas cargas. Os investimentos em ampliação das instalações estão relacionados principalmente aos transformadores e condutores necessários. O transformador a ser instalado deve atender á potência total dos equipamentos utilizados, mais devido a presença de potência reativa, a sua capacidade de ser calculada com base na potência aparente das instalações. Também aumenta o custo dos sistemas de comando, proteção e controle dos equipamentos crescem com o aumento da energia reativa. Da mesma forma, para transportar a mesma potência ativa sem o aumento de perdas, a seção dos condutores deve aumentar á medida em que o fator de potência diminui. Veja a variação da seção do cabo em função do fator de potência na Figura 4

24 23 Figura 4 Seção do Cabo em Função do Fator de Potência A correção do fator de potência por si só já libera capacidade para instalação de novos equipamentos, sem a necessidade de investimentos em transformador ou substituição de condutores para esse fim especifico. 4.4 Principais Conseqüências Acréscimo na conta de energia elétrica por estar operando com baixo fator de potência; Limitação da capacidade dos transformadores de Alimentação; Flutuações de tensão nos circuitos de distribuição;

25 24 Sobre cargas nos equipamentos de manobras, limitando sua vida útil; Aumento das perdas elétricas na linha distribuição pelo efeito joule; Necessidade de aumento do diâmetro dos condutores; Necessidade de aumento dos equipamentos de manobras e de proteção; 4.5 Causa do baixo Fator de Potência Motores de indução trabalhando a vazio; Motores superdimensionados para sua necessidade de trabalho; Transformadores trabalhando a vazio ou com pouca carga; Reatores de baixo fator de potência no sistema de iluminação;

26 25 5. MICROCONTROLADOR PIC Figura 5 Diagrama de Pinagem do Microcontrolador O PIC é uma família de microcontroladores fabricada atualmente pela Microchip. Surgiu na década de 70 baseado no processador CP1600 da General Instruments. Na época, os microcontroladores ofereciam poucos recursos de E/S, porém isso mudou nas décadas seguintes devido ao desenvolvimento tecnológico e a necessidade de cada vez maior de executar tarefas envolvendo esses recursos. Assim, os microcontroladores passaram a ser projetados com CPUs mais otimizadas, maior quantidade de memória e melhores interfaces de comunicação originando uma diversidade de equipamentos aplicáveis em vários ramos da eletrônica(sanchez,canton,2007) em poucas palavras, poderíamos definir o microcontroladores com um pequeno componente eletrônico, dotado de uma inteligência programável, utilizado no controle de processo lógicos (SOUZA,2006). O controle de processos deve ser entendido como o controle de periféricos, tais como: Leds, display de segmentos, display de cristal líquido (LCD), resistências, relês, sensores diversos (temperatura, posição, etc.) e muitos outros. São chamados de controladores lógicos, pois a operação do sistema baseia-se nas ações lógicas que devem ser executadas, dependendo do estado dos periféricos de entrada e/ou saídas.

27 Comunicação Serial Nos microcontroladores PIC, a comunicação serial é controlada por dois módulos: o MSSP (Máster Synchronous Serial Port), que oferece recursos para o protocolo SPI(Serial Peripheral Interface) e o barramento Inter Integrated Circuit e o Usart(Universal Synchronous Asynchonous Receiver Transmitter) que disponibiliza a comunicação serial via RS232(Recommended Standard)(BATES,2006). Na comunicação serial, a transmissão de dados é feito bit a bit, ou seja, é transmitido um bit de cada vez. Cada bit permanece na linha transmissão durante um tempo predefinido, chamado período do bit, para que possa ser lido. A comunicação serial pode ter somente uma linha de transmissão. Esta é uma característica que faz com que ela seja uma forma muito utilizada de transmissão de dados, principalmente em transmissões de longa distância (ZANCO, 2005). 5.2 Portas O estado das portas em um microcontrolador é acessado diretamente em duas posições distintas da memória. Quando um pino dessas portas é configurado como entrada, ao ler o seu bit relacionado, encontra-se diretamente o nível lógico aplicado a esse pino. Da mesma maneira, configurando um pino como saída, pode-se alterar o seu estado, escrevendo diretamente no bit relacionado (SOUZA,2003). 5.3 Interrupções É um evento externo ao programa que provoca a parada de sua execução, a verificação e tratamento do referido evento e em seguida o retorno do programa ao ponto em que havia sido interrompido. As estruturas de interrupção são utilizadas para que a CPU tome conhecimento de eventos de alta prioridade para o programa. Quando ocorre um evento de interrupção, a instrução em execução é completada, o conteúdo do contador de programa (ou equivalente) é armazenado na pilha e o programa é desviado para um endereço conhecido com vetor de interrupção (PEREIRA, 2004). Como o próprio nome diz, uma interrupção serve para interromper o programa imediatamente. Desta maneira, podemos tomar atitudes instantâneas. As interrupções são ações tratadas diretamente pelo hardware, o que as torna muito rápidas e disponíveis em qualquer ponto do sistema. Assim sendo, quando uma interrupção acontecer, o programa é paralisado, uma função específica (definida pelo programador) é executada e

28 27 depois o programa continua a ser executado no mesmo ponto que estava. Elas servem para a solução de muitos programas complexos (SOUZA, 2003). 5.4 Módulo CCP O módulo CCP é um periférico que pode funcionar de três modos diferentes: Capture, Compare e PWM. Os bits adequados deste módulo são utilizados para configurar o módulo CCP do PIC utilizado Módulo Compare Nesse modo de funcionamento do módulo CCP, o conteúdo do par de registradores específico deste módulo é comparado, a todo o instante, com o conteúdo do par de outro registrador. Quando ocorre a igualdade de conteúdo, o pino deste módulo compare será Chaveado de acordo com o modo de funcionamento do Compare no momento (ZANCO, 2005) Módulo Capture Nesse modo de operação TIMER1 é utilizado para medir o tempo entre dois eventos ocorridos no específico. Esses eventos são, na verdade, transições positivas (bordas de subida) ou transições negativas (bordas de descidas) ocorridas nesse pino, dependendo da configuração adotada para o modo de Capture (ZANCO, 2005) Módulo PWM Esse é o modo de funcionamento mais poderoso do módulo CCP e pode ser utilizado em diversas aplicações, como por exemplo, conversor digital/analógico, fonte chaveadas, nobresks, etc. O PWM, conhecido como modulação por largura d pulso, é um sinal com freqüência fixa, mais com largura de pulso variável (ZANCO, 2005).

29 28 6. SISTEMA DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Segundo Silveira e Santos (1998), automação industrial é um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam. Com base nas informações, o sistema calcula a ação corretiva mais apropriada para a execução da ação e esta é uma característica de sistemas em malha fechada, conhecidos como sistemas de realimentação, ou seja, aquele que mantém uma relação expressa entre o valor da saída em relação ao da entrada de referência do processo. Essa relação entrada/saída serve para corrigir eventuais valores na saída que estejam fora dos valores desejados. 6.1 Sensor,Transdutor e Atuador Sensor Ainda segundo Silveira e Santos (1998), Sensor é definido como sendo um dispositivo sensível a um fenômeno físico, tais como: temperatura, umidade, luz, pressão, entre outros. Por meio desta sensibilidade, os sensores enviam um sinal, que pode ser um simples abrir e fechar de contatos, para os dispositivos de medição e controle. Ou, caso exista a necessidade de medir uma grandeza elétrica (como, por exemplo: corrente) a partir de um fenômeno físico qualquer envolvendo grandezas físicas que não sejam de natureza elétrica, tem-se, conceitualmente, a necessidade de utilizar um transdutor Transdutor Caracteriza por um dispositivo capaz de responder ao fenômeno físico, ou estímulo, de forma a converter sua magnitude em um sinal elétrico conhecido, proporcional á amplitude desses estímulos.

30 Atuador Os atuadores são dispositivos a serem acionados para executarem uma determinada força de deslocamento ou outra ação física, definida pelo sistema controlador por meio de uma ação de controle (maneira pelo qual o controlador produz o sinal de controle). Podem se magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos ou de acionamento misto. 6.2 Arquitetura da Automação Industrial Segundo Moraes e Castrucci (2001), a automação industrial exige a realização de muitas funções. A Figura 6.1 representa a chamada Pirâmide de Automação, com os diferentes níveis de automação encontrados em uma planta industrial. Na base da pirâmide está freqüentemente envolvido o Controlador Programável, atuando via inversores, conversores ou sistemas de partidas suaves, sobre máquinas e motores e outros processos produtivos. No topo da pirâmide, a característica marcante é a informatização ligada ao setor corporativo da empresa. Figura 6.1-Pirâmide de Automação

31 O Controlado Lógico Programável (CLP) O controlado Lógico Programável, ou simplesmente CLP (Programmble Logic Controller) é definido por Georgini (2003) como um dispositivo de estado sólido um Computador Industrial, capaz de armazenar instruções para implementação de funções de controle (seqüência lógica, temporização e contagem, por exemplo), além de realizar lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle de sistemas automatizados. Um PLC assim como um computador pessoal é composto pelos seguintes componentes: CPU que é responsável pelas operações matemáticas. Módulos de entrada e saída ligados a comunicação do CLP com outros equipamentos e por último o sistema de alimentação. Para a programação dos CLP s sentiu-se a necessidade da construção de um padrão que fosse seguido pelos fabricantes. Isto teve inicio em 1979 com o IEC que iniciou seus trabalhos com este propósito e como resultado temos hoje a IEC onde se encontra com 8 partes sendo que algumas ainda não finalizadas. Segundo Natale (2000), CLP é um computador com as mesmas características conhecidas do computador pessoal, porém, em uma aplicação dedicada na Automação de processos em geral, assim como no Comando Numérico Computadorizado, que trata de um computador da Manufatura. Foram inicialmente projetados para esta função e aplicados em 1969 à linha de produção da General Motors nos Estados Unidos como seqüenciadores de estado das máquinas. Durante a década de 70, adquiriram instruções de temporização, contatores, operações aritméticas, controle de impressão, movimentação de dados, operações matriciais e controle analógico PID. Segundo Simpson (1994), os CLP s foram inicialmente concebidos por um grupo de engenheiros da divisão de hidramática da General Motors em 1968, levando-se em conta os seguintes critérios: A máquina deve ser facilmente programada. Ela deve ter seqüências de operações prontamente modificadas. Deve ser de fácil manutenção e reparação em módulos conectáveis.

32 31 A unidade deve ser capaz de operar na planta com maior confiabilidade do queum painel de relés. Deve ser fisicamente menor que um painel de controle de relés e assim reduzirao mínimo a necessidade de espaço no chão da fábrica. A unidade deve ser capaz de produzir dados para uma estação central e coleta de dados. A unidade deve ter preço competitivo face aos relés e painéis de estado sólido utilizados atualmente. Conforme Coretti (1998), no final da década de 70 foram incorporados recursos de comunicação aos CLP s que, embora limitados, proporcionaram a integração entre controladores distantes, tornando-os parte de um sistema integrado de fabricação e operação de uma planta individual. Na década de 80 houve a redução do tamanho físico e a introdução de módulos inteligentes de E/S proporcionando alta velocidade e controle preciso em aplicações de posicionamento. Foi introduzida a programação por software em microcomputadores e a primeira tentativa de padronização de comunicação através do MAP (Manufactoring Automation Protocol), também da General Motors (PUPO, 2002). Na década de 90 houve a introdução de IHM, softwares supervisórios e de gerenciamento, as interfaces para barramento de campo e os blocos de funções. Devido a ampla gama de equipamentos e sistemas disponíveis para controle industrial, aliada à crescente capacidade de recursos que o CLP vem agregando, existe a possibilidade de se confundir outros equipamentos com ele. Para evitar tal equívoco, devem-se observar as duas características básicas, que servem de referência para identificar um equipamento de controle industrial como sendo um controlador lógico programável (JESUS, 2002): O equipamento deve executar uma rotina cíclica de operação enquanto em funcionamento; A forma básica de programação deve ser realizada a partir de uma linguagem oriunda dos diagramas elétricos de relés.

33 Estrutura Básica de um CLP Para aprender como funciona um CLP, é necessário uma análise rápida de seus componentes. A estrutura básica de um CLP é ilustrada na Figura 6.2 Todos os CLP s, dos micros ao grandes CLP s, usam os mesmos componentes básicos e estão estruturados de forma similar. Figura Estrutura Básica de um CLP Os sistemas CLP consistem de: Unidade Central de Processamento A estrutura básica da CPU é composta pelo processador, sistema de memória e barramento de dados, controle e endereço Processador Processador é o principal componente do CLP, responsável pela atividade afim do sistema. Segundo Souza (2006), ele é responsável pelo gerenciamento total do sistema, controlando os barramentos de endereços, de dados e de controle, interpreta e executa as instruções do programa de aplicação, controla a comunicação com dispositivos externos e verifica a integridade de todo o sistema realizando relatórios ou diagnósticos do sistema operacional.

34 33 Sistema de Memória Conforme Souza (2006), o sistema de memória da CPU é composto por: Memória do sistema de operação, onde é armazenado o programa de execução desenvolvido pelo fabricante, e que determina como o sistema deve operar, incluindo a execução dos programas do usuário, controle de serviços periféricos, atualização dos módulos de entrada/saída etc. Memória de aplicação ou memória de usuário, onde o programa desenvolvido pelo usuário, chamado de aplicação, é armazenado. Ainda segundo Souza (2006), juntamente com o programa de aplicação, é armazenado os dados do sistema em uma tabela para realização dos controles dos módulos de entrada/saída utilizados. Cada ponto de entrada/saída conectado aos módulos tem um endereço especifico na tabela de dados, o qual é acessado pelo programa de aplicação. Barramento de Dado Canal físico por onde circula dados vindos da memória para outra memória ou para um dispositivo externo. Barramento de Endereço Canal físico por onde circula informações ligadas ao endereçamento de memória Entradas Os terminais de entrada conectados no CLP formam a interface pela qual os dispositivos de campo são conectados ao CLP. As entradas incluem itens tais como botões, chave, chaves seletoras, sensores de proximidade e sensores fotoelétricos. Todos estes são dispositivos discretos que fornecem um estado energizado ou desernergizado ao CLP. Enquanto que os CLP s de maior porte podem aceitar valores analógicos (sinais variáveis de corrente e tensão), tais como os fornecidos por sensores de pressão e temperatura, os micros-clp s não possuem normalmente este recurso.

35 34 Os sinais elétricos enviados pelos dispositivos de campo ao CLP são normalmente de 120 VAC ou 24 VDC. Os circuitos de entrada no CLP recebem esta tensão vinda do campo e a condiciona de forma que possa ser utilizada pelo CLP. Tal condicionamento é necessário já que os componentes internos de um CLP operam a 5 DC e devem, portanto, estar protegidos de flutuações da tensão. Para que os componentes internos fiquem eletricamente isolados dos terminais de entrada, os CLP s empregam um isolador óptico, que usa a luz para acoplar os sinais de um dispositivo elétrico a outro. Os circuitos de entrada do CLP também filtram os sinais de tensão vindos do campo para classificá-los como válidos (os sinais de um sensor, por exemplo) ou não válidos (ruído elétrico de alta freqüência ou estática). Os filtros de entrada determinam a validade de um sinal pela sua duração; eles esperam para poder confirmar se um sinal é uma referência de um dispositivo de entrada ou ruído elétrico. O tempo de filtragem é normalmente de 8ms, mas alguns CLP s permitem ajustar o tempo de resposta dos filtros de entrada. Um maior tempo de resposta permite uma melhor filtragem do ruído elétrico. Os menores tempos de resposta ajudam em aplicações que exigem operação de alta velocidade (ex. interrupções e contagens) Saídas Os dispositivos tais como solenóides, relés, contadores, partidas de motores, luzes indicadoras, válvulas e alarmes estão conectados aos terminais de saída do CLP. Os circuitos de saída funcionam de maneira similar aos circuitos de entrada: os sinais emitidos pela CPU passam por uma barreira de isolamento antes de energizar os circuitos de saída. Os CLP s utilizam vários circuitos de saída para energizar seus terminais de saída: relés, transistores e triacs. Os relés podem ser usados com alimentação alternada ou contínua. Os relés eletromagnéticos de CLP s tradicionais aceitam correntes de até alguns amperes. Os relés suportam de forma melhor os picos de tensão porque contem uma camada de ar entre seus contatos que elimina a possibilidade de ocorrência de corrente de fuga. No entanto, são comparativamente lentos e sujeitos a desgaste como tempo. Os transistores chaveiam corrente contínua, são silenciosos e não têm peças móveis sujeitas a desgaste. Os transistores são rápidos e podem reduzir o tempo de resposta, mas suportam cargas de, no máximo, 0,5A. Certos tipos especiais de transistores, os FET s podem aceitar cargas maiores, normalmente até 1A. Os triacs chaveiam exclusivamente corrente alternada.

36 35 Como os transistores, as saídas triac são silenciosas, não tem peças móveis sujeitas a desgaste, são rápidas e transportam cargas de até 0,5A. As saídas de estado sólido (triacs e transistores) podem ser danificadas e destruídas em caso de sobre tensão ou sobrecarga Fonte de Alimentação Dispositivo responsável pela alimentação fornecida à CPU e aos módulos (circuitos) de entrada / saída. Em alguns casos proporciona saída auxiliar de baixa corrente. 6.4 Sistema Scada Segundo Melendez (2001), os sistemas de supervisão de processos industriais são também conhecidos como sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition). Os primeiros sistemas SCADA, basicamente telemétricos, permitiam mostrar o estado corrente de processos industriais monitorando apenas sinais representativos de medidas e estados de dispositivos através de um painel de lâmpadas e indicadores, sem que houvesse qualquer interface de operação com o utilizador. Atualmente os sistemas de automação industrial utilizam tecnologia de computação e comunicação para automatizar a monitoração e controle dos processos industriais, efetuando a coleta e análise de dados em ambiente complexo, e a respectiva apresentação de modo amigável para os operadores, com recursos gráficos elaborados como animações e conteúdo multimídia. Para permitir isso, os sistemas SCADA identificam os tags, que são todas as variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação, podendo executar funções computacionais (operações matemáticas, lógicas, com vetores ou strings, etc.) ou representar pontos de entrada/saída de dados do processo que está sendo controlado. Neste caso corresponde às variáveis do processo real (ex: temperatura, pressão, nível de água, etc.), se comportando como a ligação entre o controlador e o sistema. É com base nos valores das tags que os dados são apresentados ao usuário (SILVA; SALVADOR, 2004). Os sistemas supervisórios têm se mostrado de fundamental importância na estrutura de gestão das empresas, fato pelo qual deixaram de ser vistos como meras ferramentas operacionais, ou de engenharia, e passaram a ser vistos como uma relevante fonte de informação. Segundo Uddin

37 36 (2000), os sistemas de supervisão de processos industrias desempenham três atividades básicas: Supervisão; Operação; Controle. Na supervisão, incluem-se todas as funções de monitoramento do sistema, tais como gráficos de tendências das variáveis analógicas ou digitais, relatórios em vídeo e impressos, entre outros (CAMPBELL, 1988). A operação nos atuais sistemas SCADA tem a vantagem de substituir as funções da mesa de controle, otimizando as opções de ligar e desligar equipamentos ou seqüência de equipamentos, ou ainda mudar o modo de operação dos equipamentos de controle. No controle supervisório os algoritmos de controle são executados numa unidade de processamento autônomo (CLP). Assim o supervisório é responsável por ajustar o set-point do mecanismo de controle dinamicamente, de acordo com o comportamento global do processo Componentes Físicos Os componentes físicos de um sistema SCADA podes ser resumidos basicamente em: sensores e atuadores, rede de comunicação, estações remotas e as estações de monitoração central (microcomputadores). Segundo Werneck (1996), os sensores podem ser analogamente comparados aos olhos, pois capturam as informações relativas ao estado do processo físico industrial e as transmitem ao controlador do processo, assim como os olhos capturam as imagens e as transmitem ao cérebro. O instrumento de medição nas industriais tem os sensores como elemento primário e podem ser classificados de acordo com o tipo de sinal transmitido, podendo ser analógico ou digital. O processo de controle e aquisição de dados se inicia nas estações remotas, CLP s, com a leitura dos valores atuais dos dispositivos que a ele estão associados e seu respectivo controle. Os CLP s são unidades computacionais específicas, utilizadas comumente nas indústrias para ler entradas, realizar cálculos ou comandos e atualizar saídas. A rede de comunicação é o

38 37 modo como as informações fluem do CLP para os microcomputadores, pode ser implementada através de redes Ethernet, fibras óticas, linhas dial-up, rádio, etc. Assim, é possível conseguir uma intercomunicabilidade entre todos os elementos da estrutura de automação através de um meio físico adequado definido para a transmissão de dados, criando um sistema de comunicação em rede em que os elementos podem trocar dados e compartilhar recursos entre si (TAIT, 1998). As estações de monitoração são responsáveis por recolher as informações geradas pelas estações remotas e agir em conformidade com os eventos detectados, sendo também responsáveis pela interação com os operadores. Podem ser centralizadas num único computador ou distribuídas por uma rede de computadores, de modo a permitir o compartilhamento das informações obtidas (SILVA; SALVADOR, 2004). Figura 6.3 Rede de Comunicação Componentes Lógicos de um Sistema SCADA Internamente, os sistemas SCADA se dividem em blocos ou módulos, que vão permitir maior ou menor flexibilidade e robustez, dependendo da aplicação desejada. Basicamente, pode-se dividir um supervisório nos seguintes módulos: Núcleo de Processamento; Módulo de Comunicação com o CLP; Interface Gráfica;

39 38 Históricos e Banco de Dados; Lógica de Programação Interna (Scripts); Comunicação com outros Sistemas SCADA. A regra geral para o funcionamento de sistemas SCADA parte dos processos de comunicação com os equipamentos de campo, cujas informações são enviadas para o núcleo de processamento. O núcleo é responsável por coordenar e distribuir o fluxo de informações para os demais módulos, até chegarem na forma esperada para o operador do sistema, através da interface gráfica, possivelmente acompanhada de gráficos e animações. 6.5 Software Supervisório Segundo Ogata (2003), o software supervisório é visto como o conjunto de programas gerados e configurado no software básico de supervisão, implementando as estratégias de controle e supervisão com telas gráficas de interfaceamento homem-máquina que facilitam a visualização do contexto atual, a aquisição e tratamento de dados do processo e a gerência de relatórios e alarmes. Este software deve ter entrada de dados manual, através de teclado. Os dados serão requisitados através de telas com campos pré-formatados que o operador deverá preencher. Estes dados deverão ser auto-explicativos e possuírem limites para as faixas válidas. A entrada dos dados deve ser realizada por telas individuais, seqüencialmente, com seleção automática da próxima entrada. Após todos os dados de um grupo ser inserido, esses poderão ser alterados ou adicionados pelo operador, que será o responsável pela validação das alterações. 6.6 Linguagem de Programação Uma linguagem de programação é um método padronizado para expressar instruções para um computador. É um conjunto de regras sintáticas e semânticas usadas para definir um programa de computador. Uma linguagem permite que um programador especifique precisamente sobre

40 39 quais dados um computador vai atuar, como estes dados serão armazenados ou transmitidos e quais ações devem ser tomadas sob várias circunstâncias. Uma das principais metas das linguagens de programação é permitir que programadores tenham uma maior produtividade, permitindo expressar suas intenções mais facilmente do que quando comparado com a linguagem que um computador entende nativamente (código de máquina). Assim, linguagens de programação são projetadas para adotar uma sintaxe de nível mais alto, que pode ser mais facilmente entendida por programadores humanos. Linguagens de programação são ferramentas importantes para que programadores e engenheiros de software escrevam programas mais organizados e com maior rapidez. Linguagens de programação também tornam os programas menos dependentes de computadores ou ambientes computacionais específicos. Isto acontece porque programas escritos em linguagens de programação são traduzidos para o código de máquina do computador no qual será executado em vez de ser diretamente executado.

41 40 7. PRÓTOTIPO DE DESENVOLVIMENTO PARA CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA 7.1 Metodologia O projeto foi realizado com a construção de uma maquete que contém os seguintes componentes: banco de capacitores, pois é a configuração mais utilizada na prática, o resultado contém o menor custo final. Utilizou-se bancos de capacitores em paralelo com as cargas de cada fase, um CLP GE Fanuc VersaMax que controla o chaveamento dos capacitores de acordo com o fator de potência momentâneo e um microcontrolador utilizado para medir a defasagem do tempo entre a tensão e a corrente, utilização de um software elipse escada de sistema de supervisão que mostrou o de fator de potência, utilização de sensores de corrente e de tensão que irá monitorar seus estados, utilização de lâmpadas para servir como carga resistiva, de ventiladores para servir como carga indutivas, de switch para o acionamento das cargas, de um software computacional chamado proteus para simulação de controle do microcontrolador e de um transformador para alimentar o circuito e disjuntores de proteção contra descargas elétricas entre outros. A Figura 7.1 mostra o esquema de ligação do componente citados nesta metodologia.

42 41 Figura 7.1 Esquema de Ligação dos Componentes 7.2 A Maquete Foi desenvolvido um protótipo em uma maquete, para controlar o fator de potência de um transformador trifásico, controle local, ou seja, controla as cargas ligadas em uma

43 42 determinada posição da rede trifásica. [Por motivo de segurança e por falta de equipamentos, não se implementou um sistemas que pudesse fazer uma controle global, visto que os sensores ficaria na entrada do secundário de um transformador trifásico de alta tensão e a manipulação dessas variáveis de tensão e corrente aumenta o risco de acidentes.] A Figura 7.2 abaixo mostra a maquete do trabalho. Figura 7.2 A Maquete Os equipamentos utilizados na construção da maquete foram: Um sensor, para detecção de defasagem entre tensão e corrente. Cargas indutivas (Ventiladores). Cargas resistivas (lâmpadas).

44 43 Três bancos de capacitores, que serão inseridos em paralelo com as cargas indutivas como forma de correção do fator de potência. Uma prancha de madeira, usada como suporte para o painel. 8 Botões com retenção. Disjuntores de proteção. Bornes. Fios. CLP. Relés eletromecânicos. 7.3 Os Sensores Devido à dificuldade de encontrar os sensores de tensão e de corrente, e também de encontrar um de baixo custo, para realizar as medidas de tensão e corrente, optou-se por construir sensores utilizados Principio de funcionamento do sensor de Corrente

45 44 Figura 7.3 Transformador Acoplado ao Sensor de Corrente O sensor de corrente mostrado na figura 7.3 foi simulador na plataforma de desenvolvimento proteus e funciona da seguinte maneira: O primário de um transformador é ligado diretamente em uma das fases da rede alimenta as cargas indutivas e resistivas, a corrente senoidal do primário é refletida para o secundário, então esse sinal entra em um comparador, que compara o sinal de entrada com 0 v se o valor de entrada for positivo a saída vai para +5V e se o sinal de entrada for negativo a saída vai para -5V.

46 Principio de funcionamento do sensor de Tensão Figura 7.4 Transformador Acoplado ao Sensor de Tensão O sensor de tensão mostrado na Figura 7.4 também foi simulador na plataforma de desenvolvimento proteus e funciona da seguinte maneira: O primário de um transformador é ligado diretamente em uma das fases da rede, a tensão senoidal do primário é refletida para o secundário, então esse sinal entra em um comparador, que compara o sinal de entrada com 0V se o valor de entrada for positivo a saída vai para +5V e se o sinal de entrada for negativo a saída vai para -5V.A Figura 7.5 mostra como a onda da saída do comparador acompanha a onda senoidal a uma freqüência de 60HZ.

47 Figura 7.5 Sinal da Saída do Sensor de Tensão 46

48 Princípio de Funcionamento do Circuito O circuito da Figura 7.6 simulado também no proteus mostra a obtenção do tempo de defasagem entre a tensão e a corrente para uma única fase. Figura 7.6 Circuito com Sensores e PIC

49 48 O sinal de defasagem: Após a obtenção dos sinais que representam os instantes de passagem por zero de tensão e corrente, obtidos através do comparador descritos anteriormente, foi utilizado um circuito integrado HFE4081 (porta lógica AND) que somando estes dois sinais constrói um terceiro sinal que representa exatamente a defasagem em tempo entre tensão e corrente, conforme a Figura 7.7 onda em verde. Figura Sinal de Defasagem entre a Tensão e Corrente Na figura o sinal de tensão é representado pela onda quadrada em amarelo, o sinal de corrente pela onda de cor azul, o sinal de defasagem pela cor verde. Verifica-se que o sinal de defasagem é obtido no momento em que ocorre uma primeira passagem do sinal de tensão por zero, seguido momento em que a corrente passa por esta mesma transição, do semicírculo negativo para o positivo, defasagem entre os sinais de tensão e corrente representa o tempo de defasagem. O microcontrolador

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