ANALYSIS OF A PROTOTYPE OF A CURRENT METERING SYSTEM FOR ELECTRIC MOTORS
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/fa10202410041809
SILVA, João dos Santos1,
PACHECO, Maria dos anjos2
RESUMO
Introdução: A integração de sistemas de medição de corrente elétrica para motores elétricos representa um grande passo para a proteção e controle de motores elétricos. Ao unir tecnologias avançadas com dispositivos físicos de medição de corrente elétrica, é possível criar sistemas com motores elétricos mais seguros, eficientes e produtivos. Objetivo: analisar um protótipo de um sistema medidor de corrente elétrica para motores eléticos. Metodologia: O presente estudo trata-se de uma pesquisa qualitativa com tipo estudo de caso envolvendo a elaboração de um protótipo de um sistema medidor de corrente elétrica para motores elétricos tendo como base artigos e da Revista de engenharia, Scielo, Scorpus. Resultados: Os resultados indicam que o sistema é eficiente, e barato que permite controle de motores elétricos que atuam em diferente amperagens. O protótipo também apresentou flexibilidade, podendo ser adaptado a diferentes contextos de automação industrial Conclusão: a integração pode contribuir significativamente para o desenvolvimento de soluções inovadoras no campo da automação, garantindo maior controle de motores elétricos, garantido maior segurança para atuação de outros sistemas que pode ser integrados a ele e eficiência na supervisão de ambientes industriais.
Palavras-chave: Sistema de medição de corrente elétrica. Automação industrial. Engenharia elétrica.
ABSTRACT
Introduction: The integration of electric current measurement systems for electric motors represents a significant step towards the protection and control of electric motors. By combining advanced technologies with physical devices for measuring electric current, it is possible to create systems with safer, more efficient, and productive electric motors. Objective: To analyze a prototype of an electric current metering system for electric motors. Methodology: This study is a qualitative research with a case study approach involving the development of a prototype of an electric current metering system for electric motors, based on articles from the Engineering Journal, Scielo, and Scopus. Results: The results indicate that the system is efficient and costeffective, allowing control of electric motors operating at different amperages. The prototype also demonstrated flexibility, being adaptable to different industrial automation contexts. Conclusion: The integration can significantly contribute to the development of innovative solutions in the field of automation, ensuring greater control of electric motors, providing greater safety for the operation of other systems that can be integrated with it, and efficiency in the supervision of industrial environments.
Keywords: Electric Current Measurement System. Industrial Automation. Electrical Engineering
1. INTRODUÇÃO
Desde o início da Revolução Industrial o acesso à energia elétrica e recursos naturais era sinônimo de desenvolvimento e a sua ausência era considerada fator de atraso social e econômico, como forma de expansão. Com o aumento da urbanização e a industrialização dos grandes centros urbanos, a energia elétrica passou a ser um componente essencial para o desenvolvimento industrial e para a infraestrutura urbana das cidades (GUTIERREZ et al., 2016).
Diante disso, a melhor maneira de otimizar os recursos energéticos de um País é através do monitoramento constante do consumo. Com a necessidade de energia, deve-se atentar aos gastos exagerados, ao uso de forma irregular e esgotamento dos recursos naturais. É necessário, portanto o acompanhamento em tempo real dos gastos nas residências, uma vez que o meio ambiente precisa ser preservado.
Além do fato de que em épocas de secas quando não se tem muitas chuvas, o volume de água diminui e acaba afetando a sociedade, pois recursos hídricos reduzem, e geram aumento nas tarifas de energia elétrica.
Dentro deste cenário, o presente artigo científico teve o desafio de apresentar as características do Arduino para controle de corrente elétrica de motores elétricos para assim garantir no âmbito industrial uma maior eficiência e controle energético. Com isso, permitiu-se pesquisar como tornar recorrente a utilização da plataforma Arduino sistemas de medição de corrente elétrica Portanto, a leitura teórica feita em cima da literatura revisada favoreceu em resolver o impasse entre custo de recurso para eficiência energética e o monitoramento da mesma para assim garantir, segurança, controle de processos e eficiência energética.
Muitos dos recursos para esse tipo de controle são caros, por isso esse artigo aborda um tema, na qual, utilizando uma plataforma mais barata e acadêmica, possa desenvolver um sistema robusto, barato e de controle bastante eficientes.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Arduino
O Arduino é uma plataforma eletrônica de código aberto que combina hardware e software de fácil utilização. As placas Arduino têm a capacidade de captar diversos tipos de entradas, como luz em um sensor, pressionar um botão ou até mesmo receber mensagens de aplicativos para, em seguida, transformá-las em saídas que executam ações específicas. Por meio da linguagem de programação Arduino, que se baseia no conceito de “Fiação” e do software Arduino (IDE), que se apoia na estrutura do Processamento, é possível instruir a placa a realizar tarefas específicas de acordo com as suas necessidades e projetos (ARDUINO, 2018). Em 2005, um grupo de cinco pesquisadores – Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino e David Mellis, se uniram para dar origem ao Arduino. Com o propósito central de criar um dispositivo acessível em termos de custos e fácil de programar, tornando-o assim disponível para estudantes e entusiastas de projetos amadores (THOMSEN, 2014). A primeira placa Arduino foi equipada com um microcontrolador da Atmel e programada através de um Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE) que utilizava uma linguagem baseada em C/C++. Além disso, os circuitos de entrada e saída podiam ser facilmente conectados a um computador por meio de um cabo USB. Essa abordagem descomplicada democratizou o acesso à eletrônica e à programação, estabelecendo as bases para a proliferação de projetos criativos e inovadores em todo o mundo (THOMSEN, 2014).
No artigo proposto o que foi utilizado foi O Arduino Uno é um tipo de placa microcontrolada baseada no chip ATmega328, o termo “Uno” vêm do italiano e significa um. O Arduino Uno é conhecido como a melhor placa para começar no desenvolvimento de projetos embarcados, sendo esta a mais usada e documentada de toda a família Arduino. O microcontrolador ATmega328 é um tipo de chip único formado com Atmel dentro da família megaAVR. A arquitetura do Arduino Uno é uma arquitetura Harvard customizada com núcleo de processador RISC de 8 bits.
Figura 1: Arduino UNO
Fonte:https://www.sta-eletronica.com.br/artigos/arduinos/caracteristicas-principais-doarduino-uno
2.2 Medindo corrente elétrica alternada e contínua
Corrente elétrica, baseia se no movimento ou deslocamento de partículas portadoras de carga dentro de um condutor, quando existir uma diferença de potencial elétrico, ocorre o deslocamento devido às partículas procurarem restabelecer o equilíbrio desfeito pelo campo magnético. (GRAÇA, 2004)
Esse movimento das cargas elétricas constitui a corrente elétrica. A carga que é gerada pelas usinas e fornecida para as residências através da rede elétrica é de corrente alternada, o que ocorre é que muitos aparelhos para seu funcionamento, são feitos para transformar internamente energia alternada em energia continua. A partir disso são possíveis de serem utilizados dois tipos de correntes: continua e alternada, sendo que corrente continua (CC), significa que a carga se mantém em sentido constante naquele período, ou seja, não à variação de corrente e corrente alternada (CA), significa que a carga varia de sentido. A programação é responsável pelas várias leituras que o projeto irá exigir, como dos pinos analógicos que o ACS712 estará conectado, que após um período de tempo possibilitará aferição e constituição da senóide de corrente elétrica. Com esses valores poderemos calcular o valor de pico da senóide no qual o mesmo equivale ao maior valor da amostra encontrada.
2.3 Sensor ACS712
Para fazer a leitura das correntes elétricas do sistema fotovoltaico, foram utilizados transdutores de corrente modelo Alegro ACS712. Este componente é um circuito integrado (CI) e sua principal característica é a sensibilidade em relação aos campos magnéticos. Este componente possui, internamente, um sensor de Efeito Hall, muito utilizado para medição de corrente, tanto alternada quanto contínua.
Esses sensores são fabricados para várias faixas de corrente. Os modelos escolhidos são o ACS712-30A, de ±30 A destinados à medição de corrente contínua; e o ACS712-5B de ± 5 A, para corrente alternada. Conforme a documentação do fabricante do sensor ACS712-30, para cada 1 A de corrente elétrica que percorre o sensor, é gerada uma diferença de potencial de 66 mV. Já o ACS712-5 gera uma de 185 mV. Para cada faixa de corrente elétrica suportada pelo sensor, existe um valor de sensibilidade específico. A Fig. 2 mostra um dos sensores que foi utilizado no sistema.
Figura 2: Sensor ACS712
Fonte: Allegro Microsystems (2014).
2.4 IDE do Arduino
O projeto Arduino também envolve um ambiente de desenvolvimento integrado ao hardware (IDE – Integrated Developement Environment) para geração dos programas (denominados de sketches) que serão enviados para a placa eletrônica. O IDE do Arduino foi desenvolvido em linguagem JAVA baseado no projeto Processing4 , na biblioteca AVR-gcc (para microcontroladores da família AVR) e em outros softwares livres. A linguagem de programação do Arduino é baseada no projeto Wiring5 e pode rodar nas plataformas Windows e Linux (Figura 3).
Figura 3: Ambiente de programação do arduino
hjmhbn
Arquivo – opções para criação, abertura, fechamento e salvamento de programas. Acesso ao livro de programas do usuário (sketchbook), aos programas-exemplo e ao menu de configuração do ambiente; Editar – acesso a funções para copiar e colar códigos de programas. A função Copy for Forum copia o código em formato adequado para postagem em fórum, com coloração de sintaxe. A função Copy as HTML copia o código para a área de transferência como HTML, apropriado para incorporação em páginas da web; Sketch – possui funções para verificação de erros, importação de bibliotecas para o código em curso (inclui o comando #include para cada biblioteca importada no topo de código) e função para importação de arquivo (aparece em uma nova aba (tab) no IDE); Ferramentas – possui funções para a auto formatação do código criado (realizando a indentação automática ao abrir chaves e colchetes no código), para seleção da placa eletrônica (hardware), para seleção da porta serial para comunicação com a placa eletrônica, além da função para gravação do bootloader7 no microcontrolador presente na placa eletrônica (necessário apenas quando há a substituição do microcontrolador na placa)
3. METODOLOGIA
O presente estudo trata-se de uma pesquisa qualitativa com tipo estudo de caso envolvendo a elaboração de um protótipo de sistema medidor de corrente elétrica de motor elétrico DC, afim de garantir total controle e segurança.
3.1 Matérias para elaboração do protótipo
Foram selecionados os seguintes materiais: Arduino uno, jumpers, Display LCD oled 0,96’’, sensor ACS712 e motor DC de 3v a 6v.
Figura 4: Materiais selecionados para o protótipo
Fonte: Autor próprio (2024)
3.2 Elaboração do protótipo
Para a elaboração do protótipo seguiu-se as etapas:
a) Programação:
✓ Lógica do sensor e LCD: Primeiro procurou-se usar bibliotecas que podiam integrar os dois de maneira mais eficiente, que ajudasse na lógica de identificação da corrente e converter em imagem para o LCD, foi usada as bibliotecas: Wire.h e U8glib.h, a primeira os comandos dela são para calculo de tensão e corrente, e a
segunda é para o display
b) Código :
#include<Wire.h>
#include <U8glib.h>
//Definicoes do display Oled
U8GLIB_SSD1306_128X64 u8g(U8G_I2C_OPT_NONE);
//int valor = 0; String
str; int tamanho; const
int analogIn = A0; int
mVperAmp = 66; int
RawValue = 0; int
ACSoffset = 2500;
double Voltage = 0;
double Amps = 0; void
draw()
b) Código :
#include<Wire.h>
#include <U8glib.h>
//Definicoes do display Oled
U8GLIB_SSD1306_128X64 u8g(U8G_I2C_OPT_NONE);
//int valor = 0; String
str; int tamanho; const
int analogIn = A0; int
mVperAmp = 66; int
RawValue = 0; int
ACSoffset = 2500;
double Voltage = 0;
double Amps = 0; void
draw()
{
//Comandos gráficos para o display devem ser colocados aqui
u8g.drawRFrame(0, 16, 128, 48, 4);
u8g.drawRFrame(0, 0, 128, 16, 4);
u8g.setFont(u8g_font_8x13B);
u8g.setColorIndex(0);
u8g.setColorIndex(1);
u8g.drawStr ( 20, 13, “Corrente (A)”);
u8g.setFont(u8g_font_fur25);
str = = String(Amps);
tamanho = str.length();
u8g.setPrintPos(64 – (tamanho * 10), 53);
u8g.print(Amps,3);
}
void setup(void)
{
Serial.begin(9600);
Serial.println(“Sensor de Corrente ACS712”); Serial.println(“”);
Serial.println(“”);
if ( u8g.getMode() == U8G_MODE_R3G3B2 ) {
u8g.setColorIndex(255); // white
}
else if ( u8g.getMode() == U8G_MODE_GRAY2BIT ) {
u8g.setColorIndex(3); // max intensity
}
else if ( u8g.getMode() == U8G_MODE_BW ) {
u8g.setColorIndex(1); // pixel on
}
else if ( u8g.getMode() == U8G_MODE_HICOLOR ) {
u8g.setHiColorByRGB(255, 255, 255);
}
}
void loop(void)
{
Calcula_corrente();
//Chama a rotina de desenho na tela
u8g.firstPage();
do
{
draw();
}
while ( u8g.nextPage() );
delay(150);
}
void Calcula_corrente()
{
RawValue = analogRead(analogIn);
Voltage = (RawValue / 1024.0) * 5000; // Gets you mV
Amps = ((Voltage – ACSoffset) / mVperAmp);
delay(2000);
}
c)
✓ Fonte de 5V: Conectou-se as fontes de alimentação a uma tomada comum, e conectou-se seus fios em serie com o sensor afim de os outros polos, no motor DC.
✓ Arduino Uno: Usou-se ele para ser usado como microcontrolador, e a partir disso, foi se conectados os jumpers para se fazer conexão com outros componentes;
✓ Display Oled 0,96’’: Configurou-se o display para aparecer a corrente que passa pelo motor conforme o esquema na figura 5:
Figura 5: Skecth de montagem
Fonte: https://www.arduinoecia.com.br/como-usar-o-sensor-de-corrente-acs712/
3.3 Montagem e Testes:
✓ Montagem (Figura 6): Colocado todos os componentes no protoboard, assim como as conexões realizadas via programação, e física com as conexões de jumpers como os componentes;
✓ Testes: Após montagem o sistema, testado cada componente para garantir que tudo está funcionando corretamente. A corrente passada no motor esta na ordem de mA.
Figura 6: Protótipo pronto
Fonte: Autor próprio (2024)
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Funcionamento do sistema medidor de corrente
O protótipo desenvolvido visa integrar o controle de um motor, por meio so uso do sensor ACS712, com um display LCD. A inovação principal está na utilização do display para monitoramento fazendo com que o usuário possa ver e também o sistema identificar picos de corrente, e assim com isso podendo desliga-lo antes que ocorra danos maiores ao motor.
O sistema foi montado em um protoboard, onde a partida do motor foi controlada por uma fonte de 5V e monitorada por um display.
A integração entre o sensor ASC 712 e o display foi uma das partes mais críticas do sistema. Devido ao uso de uma lógica de programação mais branda, na qual, pudesse aparecer o valor real de corrente no display, sem erro absolutos, ou seja, a comunicação e conversão de dados foi elaborada com maxima qualidade, e pensando que isso possa ser comercializado, ja que esses sensores podem variar de 5 amperes ate 30 amperes.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O protótipo de integração entre um sistema de medição de corrente por sensor para controle de motor, demonstrou ser uma solução eficaz e inovadora, com resultados positivos em termos de automação e controle de segurança. A integração de um display OLED 0,96’’ para monitorar a corrente do circuito, em resposta ao acionamento do motor, permitiu uma automação prática e eficiente, respondendo de forma rápida e sincronizada permitindo que os usuários pudessem ver a real condição que estava o motor.
A comunicação entre os dispositivos foi estável e eficiente, com o uso de conversores de fibra óptica para comunicação do computador com arduino garantindo a transmissão de dados de alta qualidade.
Apesar de alguns desafios iniciais, como a programação e a necessidade de um estudo mais aprofundado em termos de lógica para integração de um display de monitoramento, aliado ao sensor, na sincronização entre os componentes, o protótipo foi capaz de superar esses obstáculos por meio de melhorias como uso de bibliotecas mais robustas e eficientes. Além disso, os testes de durabilidade e sobrecarga reforçaram a robustez e confiabilidade do sistema em operação contínua.
Portanto, o sistema desenvolvido oferece uma integração eficiente entre automação industrial e controle, com potencial para ser aplicado em diversos ambientes que exigem controle automatizado e vigilância constante. A flexibilidade do protótipo, aliada à sua eficiência energética e capacidade de atualização, garante que ele possa ser adaptado a diferentes contextos e demandas tecnológicas futuras.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
THOMSEN, A. Filipeflop. (2014). Disponível em: . Acesso em: 12 de junho de 2020.
CLÁUDIO, G. (2004). Corrente Elétrica. Física geral e experimental III.
GUTIERREZ, R. H., Gonçalves, O. A. V., Luquetti, I. J. A. (2016). “Gestão do Consumo de energia Elétrica: Revisão da Literatura nas Baes Scopus e Scielo”. XII Congresso Nacional de Excelência em Gestão & III INOVARSE.
ARDUINO Mega 2560. Disponível em: <http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega 2560>. Acesso em: 19 maio 2015.
MARCHESAN, Marcelo. Sistema de monitoramento residencial utilizando a plataforma arduino. Santa Maria, p. 17-19, 2012.
1Graduando em Bacharelado em Engenharia elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: djoaosantos80@hotmail.com
2Msc. em Ciências do Ambiente e Sustentabilidade na Amazônia, Orientadora do Curso de em Engenharia elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: ma.dp@uol.com.br