QUAL/DADE DA ENERG/A - 1
Uma tecnologia
nova e barata
para os
instrumentos
Alex McEachern e
Andreas Eberhard,
Power Standards Lab (EUA)
A
norma IEC 61000-4-30 assegura que todos os instrumentos de qualidade da energia
(QEE), independentemente
do fabricante, produzirao os mesmos resultados quando conectados ao mesmo
sinal. Entretanto, os instrumentos que
atendem aos requisitos classe A desta
norma sac em geral dispendiosos para
o uso rotineiro. Este trabalho descreFotos: Curud
Consultancy
ve as novas tecnologias incorporadas a urn medidor de qualidade de
energia trifasico e explica por que os
custos do instrumento devem cair consideravelmente.
A solucao, desenvolvida por uma
empresa norte-americana em colaboracao com uma companhia japonesa,
emprega tecnologias de diversos campos que nao estavam, anteriormente,
Um conjunto de tecnologias
recentemente desenvolvido
demonstrou ser possivel
fabricar medidores
de qua/idade de energia
tritesicoe que atendem
plena mente aos requisitos
para instrumentos classe A da
norma lEG 61000-4-30, com
custo bem inferior ao dos
instrumentos ja existentes,
de forma que 0 monitoramento
possa ser ap/icado ate
mesmo ao nivel da entrada
de etimentectio das
cargas individua is.
relacionados com a qualidade da energia, incluindo cameras digitais, Power
over Ethernet (PoE), telefones moveis
e sistemas sonares submarinos.
Essas novas tecnologias foram
reunidas em urn instrumento de demonstracao, que tambem deve ser licenci ado para fabric antes de instrumentos. Com 0 novo equipamento, e
possivel reunir inforrnacoes sobre a
qualidade e 0 consumo
de energia em instalacoes industriais ou predios comerciais.
Ao longo da vida do
instrumento, a
etuelizecso e 0 suporte
do software de
finalidade especffica
desenvolvido para cada
modelo de monitor de
qua/idade da energia
constituem um item
importante de custo
98 EM JUNHO, 2010
QUALIDADE DA ENERGIA - 1
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Fig. 1 - Componentes menores
reduzem os custos de diversas
maneiras: pfacas de circuito impressa
menores, inv6fucros de plestico
menores e ate mesmo exiqencies de
fontes de enmentecso de energia
menores - a figura mostra a
minieuuizecso dos chips ao fongo
do tempo
Tradicionalmente, os medidores de
qualidade da energia sac complexos e
dispendiosos. 0 custo desses instrumentos e impulsionado por cinco fatores:
• custo de desenvolvimento;
• quantidade de instrumentos produzidos - quanta maior for esse mimero,
mais baixo 0 custo de desenvolvimento de cada instrumento;
• custo de fabricacao;
• custo de instalacao, especialmente 0
custo da infra-estrutura de cornunicacao; e
• custo do suporte aos instrumentos, particularmente 0 custo do suporte ao software de finalidade especial,
durante to do 0 tempo de vida dos
instrumentos.
Notavelmente, nos ultirnos anos,
todos esses custos foram impulsionados para baixo simultaneamente.
Redugao nos custos
de desenvolvimento
Pastes rnetalicos teleconicos: reto, curvo simples au
duplo. Pastes decorativos, pastes para para-ralos,
pastes para cameras. Suporte para umlnartas, braces e
cruzetas. turnnarias publicas, comerciais, industriais e
decorativas. Projetores, reatores e larnpadas.
Os medidores de qualidade da energia tradicionais
foram desenvolvidos, desde 0 inicio, como instrumentos para finalidade especial. Hardware, firmware e software foram desenvolvidos especificamente
para tais
instrumentos.
Todavia, varies desenvolvimentos
em outras indiistrias nao-relacionadas
tornaram tal abordagem desnecessaria. Primeiramente, 0 desenvolvimento
amplamente disseminado do setor de
audio digital
(telefones
moveis,
leitores de rmisica moveis, televisao
digital, etc.) levou a avances rapidos
100 EM JUNHO, 2070
no campo do DSP (processador digital
de sinais). Os novos chips de DSP sao
baratos, utilizam potencia minima e
tern conversao
embutida
analogico/digital e digital/analogico. Eo melhor de tudo: eles sao otimizados para
processar canais miiltiplos de sinais de .
20 Hz a 20 kHz. Por coincidencia, as
medicoes de qualidade da energia sac,
em geral, feitas entre 50 Hz e 3 kHzexatamente no meio da faixa ideal. A
popularidade do Ipod significa monitores de qualidade da energia mais
baratos e melhores.
Em segundo lugar, 0 desenvolvimento de dispositivos portateis relativamente complexos (PDAs, telefones
moveis que tambem tern funcoes de
computador, cameras digitais, etc.)
significa que dispositivos eletronicos extremamente pequenos e de alta
confiabilidade podem agora ser obtidos prontamente:
conectores
com
grande mimero de pinos, op amps
(amplificadores
operacionais)
mimisculos e componentes passivos, tais
como resistores e capacitores. Em geral, rniruisculo significa barato, se a
fabricacao for completamente
automatizada.
Em terceiro lugar, a disponibilidade de amplificadores operacionais
de alta tensao (l kV) e baixa corrente,
que sao utilizados, em geral, para
acionar transdutores sonares submarinos, significa que equipamentos de
teste autornaticos para instrumentos de
qualidade de energia podem agora ser
desenvolvidos a urn custo bem menor.
Finalmente, a padronizacao do software para estruturas de arquivo significa que os projetistas de urn instrumento de qualidade de energia nao
precisam mais definir e dar suporte as
suas proprias estruturas de arquivo exatamente como no caso das cameras
digitais. Na realidade, os arquivos de
texto Windows e formatos de arquivo
graficos baseados na web tornaram-se
virttialmente universais.
Naturalmente, alguns problemas dificeis ainda devem ser resolvidos pelo
engenheiro de instrumentos. Como lidar com urn impulso atrnosferico de
6 kW em urn involucra tao mimisculo?
Como atender aos requisitos de linha
de fuga e distancia de isolamento das
normas de seguranca? E 0 mais irn-
QUALIDADE DA ENERGIA - 1
COMEL
TRANSFORMADORES
Trifasicos a 61eo
ate 3000 KVA
15 / 25 / 34,5 KV
* Especiais
* Flangeados
* Reliqaveis
* Auto-trafo
*
.~BNDES
••*il
*
A,f/)
~~
portante: por definicao, urn instrumento de qualidade de energia deve
funcionar quando 0 fornecimento de
energia esta ruim e outros dispositivos eletronicos estao falhando. Enfim, todos esses desafios podem ser
superados.
Aumento da quantidade
de instrumentos de QEE
Redugao dos custos
de tabrlcacao
A globalizacao reduziu os custos
de fabricacao. Agora, e facil escolher
as melhores fontes de pecas em to do 0
mundo. Por exemplo, no prototipo
mostrado na figura 4 (pag. 104), 0 involucro inferior vem da Alemanha, 0
involucre superior e dos EUA, 0 display e a memoria vem do Japao e a
eletronica intern a e montada, automaticamente, na California, utilizando
componentes dos EUA, Irlanda, China, Japao e outros pafses.
A fabricacao totalmente automatizada (rob os para colocar os componentes, sistemas de testes automaticos
para verificar se as placas estao funcionando corretamente, sistemas de
calibracao automaticos para ajustar as
constantes digitais internas, etc.) significa que os custos de producao podem ser mantidos
muito baixos,
mesmo em locais com mao-de-obra
cara, como a California, sem nenhum
sacriffcio da qualidade. De fato, geralmente, a qualidade e mais elevada do que a de produtos fabricados em
regi5es com baixos custos de mao-deobra, devido a producao e procedimentos de testes altamente automatizados.
Tradicionalmente, cada pais definia seus proprios requisitos para medidores de qualidade de energia. Logo, era improvavel que urn instrumento otimizado para a Franca, por
exemplo, encontrasse aceitacao no
Brasil, Algumas vezes, a situacao era
ate pior: cada companhia de energia
eletrica definia seus proprios requisitos para as medicoes de qualidade de
energia.
Como resultado, a quantidade de
instrumentos de cada modelo era pequena e 0 custo do desenvolvimento
de cada produto era grande. Urn exemplo simples: se 0 desenvolvimento de
urn instrumento custa € 1,5 milhao e 0
mercado total esperado e de 2000 instrumentos, 0 custo de desenvolvi-mento implfcito de cada urn e de € 750, urn
encargo significativo, porem nao incomum.
As recentes normas IEC [1 a 4]
resolveram esse problema. AlEC
Redugao dos custos de
61000-4-30 [1, 2], em particular, delnstalacao e comunlcacao
Os medidores de qualidade de enerfiniu metodos de medicao da qualigia tradicionais sao projetados com
dade da energia. A classe A nessa
seu proprio e exclusivo involucre.
norma garante que dois instrumentos quaisquer, quando conectados a urn
Fase L 1
4s
mesmo sinal, proFase L2
Fase L3
duzirao 0 mesmo
100%
resultado. As figuras 2 e 3 (pag. 104)
RMS
dao exemplos.
V
Como resultado
dessa padronizacao
da IEC, urn instru2s
Tempo ...
mento pode ser pro3s
jetado para aceitaFig. 2 - Exemplo de um dos problemas resolvidos pela
<;aoem to do 0 munlEG 61000-4-30. No grafico de tens6es RMS acima, qual e
do, com uma proa oureceo do afundamento de tenseo? As respostas
ducao muito maior.
variam de 0,5 s a 4 s e todas elas estao tecnicamente
Isso significa que 0
corretas. Simplesmente designando-se uma dessas
encargo do seu cusrespostas como requisito (4 s para medlceo de durecso de
afundamento, 0,5 s para medicso de dureceo de
to de desenvolvimeninterrupceo), a 61000-4-30 reduz 0 custo da
to torna-se muito
instrumenteceo
menor.
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102 EM JUNHO, 2070
QUALIDADE DA ENERGIA - 1
----. ~.----.~
.
100%
50%
50%
~.
100%
100%
~+-
Para dais ciclos
True RMS
.-----+~----+~.--------.~------100%
100%
100%
modem. Entretanto,
ele e otimizado para
funcionar sem conectividade, e pode
facilmente armazenar dados de urn ana
em urn cartao de
memoria
SD removfvel.
Reduc;ao do
custo de
suporte
Embora geralmente isso nao seja
dito ao usuario final,
Fig. 3 - Exemplo de um outro problema resolvido pela
o custo do suporte ao
lEG 61000-4-30. Este afundamento e a 50% para dois
ciclos ou a 0% para 1 cicio? Novamente, ambas as
Ion go da vida titil
respostas estao tecnicamente corretas. A norma
dos instrumentos de
deixa claro que este e um afundamento a 0% para 1
qualidade de energia
cicio, e com isso reduz 0 custo da instrumenteceo
tradicionais e significativo.
Todavia, eles sao instalados em locais
Isso e especialmente verdadeiro no
onde ha disjuntores de baixa tensao.
caso de softwares de finalidade espeAcondicionando-se
0 instrumento
de cial elaborado para cada instrumento.
qualidade de energia em urn inv6luEsse software era em geral des encro padrao de disjuntor para trilho
volvido para Windows, e 0 tempo de
DIN de 35 mm, a instalacao fica muito
vida de urn medidor de qualidade de
energia excede em muito 0 tempo de
simplificada.
Talvez mais importante seja 0 fato
vida de uma edicao do Windows. Por
de que, freqiientemente, 0 custo da co- exemplo, ainda estao em uso muitos
municacao de urn medidor de qualiinstrumentos que foram originalmente
dade de energia instalado, no decorrer
produzidos com software Windows
do seu tempo de vida, excede 0 custo
3.1. A atualizacao e suporte desse
do proprio instrumento. Independensoftware ao longo da vida do instrutemente de a comunicacao ser atraves
de Ethernet, modem telefonico ou radio de curta distancia, trazer 0 sinal de
comunicacao ate 0 ponto de monitoramento tern urn custo significativo.
(Nao se deve esquecer do custo adicional oculto dos danos que podem ser
causados a rede de comunicacao durante os grandes disnirbios no fornecimen to de energia. Em regi6es com
grande atividade de raios, por exemplo, modems de telefone tern sido freqiientemente danificados atraves de
sua conexao com os monitores de
qualidade de energia.)
Alem disso, em muitas aplicacoes
Fig. 4 - Prototlpo do monitor de
qualidade de energia tritesico, de
de monitoramento, nao e necessaria
tensiio e corrente, 61000-4-30 Glasse
comunicacao imediata.
A. A inttuencis da camera digital pode
o prot6tipo mostrado na figura 4 ser vista no certeo de memoria SO,
tern conectividade Ethernet (e inc1ui
que armazena ate 4000 MB de dados
urn servidor web, urn servidor FTP e
(verios anos). A montagem em trilho
DIN peottio significa que a instalaqao
urn gerador de e-mail), conectividade
e barata e repide
de radio sem fio e uma conexao de
104 EM JUNHO, 2010
lutamente
nenhum software.
Quando se conecta uma camera
digital ao computador, imediatamente visualizam-se as figuras em uma pasta em seu drive
de disco. 0 mesmo e verdadeiro
para os dados de qualidade de
energia no instrumento-prot6tipo. Eliminando total mente a
necessidade de qualquer software, os custos sao ainda mais
reduzidos.
Novamente, isso nao elimina
todos os desafios de firmware.
Fig. 5 - Sondas para para metros que podem
o firmware do instrumento ainestar re/acionados com a qua/idade de
da deve suportar uma ampla
energia: temperatura, umidade, pressso
variedade de linguagens e conberometrlce, etc. Um receptor de seteliie
juntos
de caracteres (japoneses,
GPS pode assegurar um sincronismo
(timing) preciso
coreanos, etc.), e os arquivos de
formato CSV (variavel separada por vfrgula, do ingles comma
mento constituiam um custo imporseparated
variable) para planilhas detante.
vem
trabalhar
com sistemas europeus
Todavia, esse software nao e mais
que
utilizam
0
sfmbolo da vfrgula para
necessario. Seguindo 0 modelo de
outras
finalidades.
Porern, todos esses
uma camera digital, 0 instrumentoproblemas
foram
previamente
resolviprot6tipo de qualidade de energia
dos
em
cameras
digitais.
mostrado na figura 4 nao requer abso-
conclusao
Mudancas recentes nos padrces e
tecnologia possibilitaram a producao
de um instrumento de qualidade de
energia 61000-4-30 Classe A a um
custo muito baixo. Trata-se de uma
nova tecnologia que modificara
a
forma como a qualidade de energia sera monitorada, medida e comunicada. Um prot6tipo do equipamento ja foi construfdo e um sistema de
fabricacao
totalmente
automatizado esta em desenvolvimento.
Referencias
[1] IEC 61000-4-30.
Ed 1, "Testing and measurement
techniques - Power Quality Measurement Methods".
International Electrotechnical Commission. February
2003.
[2] Corrigendum 1, IEC 61000-4-30, Ed 1. August 2006.
[3] IEC 61000-4·15,
Ed 1.1, "Flickermeter - Functional
and design specifications". International Electrotechnical
[4] IEC 61000-4-7 Ed 2, "General guide on harmonics and
interharmonics measurements and instrumentation"
International Electrotechnical Commission. 2002.
Trabalho apresentado no 20· Cired - Congresso
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