DEVELOPMENT OF POWER DISTRIBUTION BOX FOR MODULAR FIELD DATA TRANSMISSION STATION
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10185349
Walcyr Francisco da Silva Santiago1
Carmen Lúcia Avelar Lessa2
Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma caixa de distribuição de energia para uma estação modular de transmissão de dados em campo. A caixa permite a alimentação de equipamentos eletrônicos em um rack transportável, e pode ser alimentada por meio de uma fonte DC 28 V ou AC 210 V, selecionada através de uma chave seletora. A chave master é responsável por fechar o circuito, contactores e barras de energia são usados para distribuir a energia elétrica de forma eficiente. Medidas de segurança elétrica, como circuit breakers, foram implementadas para prevenir sobrecargas e curto-circuito, garantindo o funcionamento seguro do sistema. O desenvolvimento dessa caixa de distribuição de energia apresenta-se como uma solução eficiente e confiável para suprir as necessidades energéticas em ambientes de transmissão de dados em campo.
Palavras-chave: Caixa de Distribuição de Energia, estação modular, transmissão de dados em campo, rack transportável.
Abstract: This paper presents the development of a power distribution box for a modular data transmission station in the field. The box allows the supply of electronic equipment in a transportable rack through a DC 28 V or AC 210 V source, selected by a selector switch. The master switch is responsible for closing the circuit, and contactors and energy bars are used to efficiently distribute electrical power. Electrical safety measures, such as fuses, were implemented to prevent overloads and short circuits, ensuring the safe operation of the system. The development of this power distribution box presents an efficient and reliable solution to meet energy needs in field data transmission environments.
Keywords: Power Distribution Box, modular station, field data transmission, transportable rack.
1 INTRODUÇÃO
A transmissão de dados em campo é uma atividade que requer uma infraestrutura adequada para garantir a disponibilidade e confiabilidade das informações. Prover uma fonte de alimentação elétrica segura, é um elemento crucial para o funcionamento dos equipamentos eletrônicos utilizados nesse contexto, e a sua distribuição de forma segura e eficiente é essencial (Junior, 2011).
O objetivo deste trabalho é apresentar uma solução inovadora e segura para a distribuição de energia elétrica em ambientes de transmissão de dados onde a infraestrutura oferecida é limitada, utilizando como base uma caixa de distribuição de energia. Serão abordados aspectos técnicos relacionados ao desenvolvimento da caixa, assim como a sua aplicação prática no cotidiano dos usuários. O estudo tem como propósito contribuir para a melhoria da infraestrutura de transmissão de dados em campo, proporcionando maior confiabilidade e disponibilidade das informações.
A motivação para a realização deste trabalho reside na importância da distribuição de energia elétrica em ambientes de transmissão de dados em campo. Com o avanço da tecnologia e o aumento do uso de equipamentos eletrônicos nas aplicações, torna-se essencial contar com uma solução segura e eficiente de distribuição de energia elétrica. A caixa de distribuição desenvolvida apresenta características inovadoras, como a possibilidade de ser energizada por diferentes fontes, que tornam a sua utilização adequada para as diversas demandas desse tipo de ambiente. Além disso, a pesquisa tem como objetivo contribuir para o desenvolvimento de soluções tecnológicas que atendam às necessidades dos usuários de transmissão de dados em campo, proporcionando maior confiabilidade e disponibilidade das informações.
A distribuição de energia elétrica em ambientes de transmissão de dados em campo apresenta desafios específicos, como a instabilidade das fontes de energia e a necessidade de garantir a proteção dos equipamentos eletrônicos (Junior, 2011). A falta de energia elétrica pode levar a interrupção da transmissão de dados, o que pode gerar prejuízos significativos em termos de tempo e recursos.
Para garantir o fornecimento de energia elétrica em ambientes de transmissão de dados em campo, é necessário utilizar soluções que ofereçam segurança e confiabilidade, tais como a utilização de fontes de energia redundantes e a implementação de sistemas de proteção elétrica. Além disso, a escolha de componentes elétricos de alta qualidade e a implementação de medidas de manutenção preventiva são essenciais para garantir o funcionamento adequado dos equipamentos.
No entanto, apesar da importância da distribuição de energia elétrica em ambientes de transmissão de dados em campo, ainda existem desafios a serem superados. Dentre esses desafios, pode-se citar a falta de padronização das soluções disponíveis no mercado e a falta de treinamento dos usuários na utilização dessas soluções. Portanto, é fundamental que sejam realizados estudos e desenvolvidas soluções inovadoras que atendam às necessidades específicas desse tipo de ambiente, garantindo assim a disponibilidade e confiabilidade das informações transmitidas.
Dessa forma, a pesquisa e desenvolvimento de caixas de distribuição de energia específicas para estação modular de transmissão de dados em campo é uma importante iniciativa para enfrentar os desafios mencionados e garantir o fornecimento de energia elétrica confiável para os equipamentos eletrônicos instalados em rack transportável.
A metodologia utilizada para o desenvolvimento da caixa de distribuição de energia para estação modular de transmissão de dados em campo envolveu uma análise criteriosa das necessidades do ambiente de transmissão de dados em campo, assim como das especificações técnicas dos equipamentos eletrônicos que seriam alimentados pela caixa de distribuição.
Inicialmente, foram realizadas pesquisas bibliográficas e análises de mercado para avaliar as soluções disponíveis e identificar as melhores práticas e tendências do setor. A partir dessas informações, foram elaborados os requisitos técnicos e funcionais da caixa de distribuição, levando em consideração aspectos como segurança elétrica, eficiência energética e facilidade de uso.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 CORRENTE DC
A corrente contínua (DC) é caracterizada pelo fluxo constante de elétrons em uma direção. Ela é amplamente utilizada em sistemas eletrônicos, como fontes de alimentação, baterias e motores elétricos. Segundo Martino (2016), a corrente contínua pode ser obtida por meio de retificação de corrente alternada ou por meio de baterias. O autor destaca ainda a importância da corrente contínua em aplicações que exigem tensão constante e estabilidade, como em equipamentos eletrônicos.
2.2 CORRENTE AC
A corrente alternada (AC) é caracterizada pela variação do fluxo de elétrons em duas direções opostas. Ela é amplamente utilizada em sistemas elétricos devido à sua facilidade de transmissão a longas distâncias. A corrente alternada pode ser gerada por meio de geradores elétricos e é utilizada em sistemas de distribuição de energia elétrica. O autor destaca ainda que a corrente alternada é mais adequada para aplicações que exigem alta potência, como em sistemas de iluminação e motores elétricos.(Duffie; Beckman, 2006)
2.3 CIRCUITOS DE POTÊNCIA
Segundo Fitzgerald, Kingsley e Umans (2006), os circuitos de potência são responsáveis por fornecer energia elétrica para sistemas que exigem alta potência, como motores elétricos e equipamentos industriais. Os circuitos de potência são compostos por dispositivos eletrônicos de potência, como transistores, diodos e relés, que controlam o fluxo de corrente elétrica e garantem o correto funcionamento do sistema. O autor destaca ainda a importância do dimensionamento correto dos componentes do circuito de potência para garantir a segurança e eficiência do sistema.
2.4 CÁLCULO DE POTÊNCIA
O cálculo de potência é fundamental para o dimensionamento de circuitos elétricos e para a seleção adequada de equipamentos elétricos. Segundo Figueiredo e Castro (2010), a potência elétrica é calculada pela multiplicação da tensão pela corrente elétrica. O autor destaca ainda que o cálculo de potência deve levar em consideração o fator de potência, que indica a eficiência do sistema elétrico.
2.5 DIMENSIONAMENTO DE CARGAS ELÉTRICAS
O dimensionamento correto de cargas elétricas é fundamental para garantir a segurança e eficiência do sistema elétrico. O dimensionamento das cargas elétricas deve levar em consideração a potência exigida por cada equipamento e o tempo de utilização. O autor destaca ainda a importância do uso de dispositivos de proteção, como disjuntores e fusíveis, para garantir a segurança do sistema elétrico. (Pinto, 2012)
2.5 CIRCUITOS DE COMANDO
Os circuitos de comando são responsáveis por controlar o funcionamento de equipamentos elétricos, como motores e máquinas industriais. Segundo Pires (2009), os circuitos de comando são compostos por dispositivos de controle, como botões, chaves e relés, que permitem a ativação e desativação do equipamento elétrico. O autor destaca ainda a importância do uso de diagramas elétricos para a correta montagem e identificação.
3 DESENVOLVIMENTO
Nesta seção será apresentado o método utilizado para o estudo desenvolvido, bem como o detalhamento dos cálculos empregados e obtenção dos resultados.
Para o desenvolvimento do projeto, foi considerado como ponto principal a modularidade, ou seja, a capacidade da estação ser facilmente configurável para variados tipos de projetos. Assim sendo, a estação deve possuir a capacidade de provisionar alimentação para diferentes tipos de equipamentos.
Outro ponto considerado na elaboração do projeto, foi a possibilidade de alteração das configurações pelo operador, de maneira simples, através de uma interface presente no próprio rack. A estação foi projetada para ser de fácil operação, ela possui a capacidade de ser configurada em diversas formas, a depender do teste a ser executado. Mesmo que o projeto tenha sido desenvolvido para ser de fácil operação, é necessário que o operador possua um conhecimento prévio em relação aos equipamentos instalados e que serão por ele manuseados, a fim de evitar que os equipamentos instalados sofram algum tipo de avaria.
Como premissa, a estação também deve possuir a capacidade de ser operada tanto em ambientes controlados, como hangares e laboratórios, e a capacidade de ser operada em ambientes abertos, locais onde normalmente tem-se uma infraestrutura deficiente ou inexistente.
Dado o caráter operacional em campo e a necessidade de deslocamento em diferentes tipos de terrenos, é crucial que a estação cumpra com requisitos de ergonomia. Isso implica que o peso total do rack, incluindo sua estrutura, alças de transporte e rodas para facilitar a movimentação, não deve exceder 60kg, conforme a Norma Regulamentadora 17 (BRASIL, 2022). Essa medida visa não somente garantir a segurança no manuseio do rack, mas também assegurar o conforto e bem-estar dos usuários, reduzindo o risco de lesões ou esforço excessivo ao transportar e utilizar o equipamento. Portanto, a consideração dos princípios ergonômicos desempenha um papel fundamental na definição do projeto para um uso eficaz dessa estação operacional.
A concepção da estação foi cuidadosamente planejada levando em consideração os requisitos estipulados pelas Normas Regulamentadoras 11 (NR-11) e 17 (NR-17) do Ministério do Trabalho e Emprego do Brasil. A NR-11 abrange especificações relacionadas à movimentação de materiais, enquanto a NR-17 aborda princípios ergonômicos que visam assegurar o bem-estar dos trabalhadores no ambiente laboral (BRASIL, 2022).
Como parte da conclusão dos critérios estabelecidos para o projeto, foi considerado fundamental que a estação modular inclua um manual abrangente de operação e manutenção. Esse manual servirá como um recurso valioso, fornecendo informações detalhadas sobre o funcionamento do equipamento, bem como diretrizes precisas para a manutenção adequada, garantindo assim a eficiência e longevidade do sistema ao longo do tempo. Após a definição de todos os requisitos, foi elaborado um layout para otimizar o arranjo dos equipamentos.
Fonte: o autor
Seguindo o layout pré-estabelecido, a caixa de distribuição de energia, ficou contida no espaço denominado na representação como Power Supply.
Com base nas atividades para as quais a estação modular foi concebida, procedeu-se ao levantamento das especificações técnicas dos equipamentos elegíveis para integração na estação.
A partir das informações contidas nas fichas técnicas desses equipamentos, foram aplicados cálculos para determinar a potência total necessária.
Dada a natureza modular da estação, diversos cálculos foram executados, considerando configurações variadas de equipamentos, a fim de acomodar diferentes aplicações planejadas, permitindo, assim, um levantamento preciso das demandas energéticas.
Foi criada uma planilha automatizada, para auxiliar nos cálculos individuais de potência requerida de cada equipamento/configuração conforme Tabela 1.
Com base na coluna designada como “PN” (Part Number em inglês), que corresponde à coluna A, preenchemos as colunas C e D, intituladas Voltage (Tensão) e Current (Corrente), respectivamente, com os dados provenientes dos manuais técnicos de cada equipamento.
Para a estação modular, foram consideradas quatro configurações distintas, nomeadas como BASIC, P1, P2 e P3, sendo que cada configuração pode ser utilizada de duas maneiras distintas, identificadas como Flight (Voo) e Ground (Solo).
Representadas nas colunas F e G para a configuração Basic, colunas I e J para a configuração P1, colunas L e M para a configuração P2 e colunas O e P para a configuração P3.
Em relação a cada tipo de operação, seja ela em voo ou em solo, foi avaliado se o equipamento listado na coluna B estava em uso ou não. Quando determinado que o equipamento não estava em uso, um valor zero foi inserido na planilha. Na coluna H, intitulada Power (Potência), foram realizados cálculos de potência com base nos valores inseridos nas colunas C e D, expressos em Watts, que é a unidade de medida de potência.
Onde:
P – Potência Ativa.
V – Tensão Elétrica.
I – Corrente Elétrica.
Fonte: o autor
Realizada a somatória das potências calculadas para cada barramento interno à caixa de distribuição de energia, que na tabela aparecem descritos como DC BUS 1, DC ESS 1 e AC BUS 1, chegamos ao consumo total máximo, para cada configuração de teste.
Para dimensionamento dos componentes internos à caixa de distribuição, foi utilizado como referência o valor de maior potência calculada, baseando-se nas configurações propostas.
Conforme demostrado na Tabela 1, foi considerado a operação da estação tanto por alimentação AC, tanto por alimentação fixa de 28 VDC, de acordo com a Figura 3. Foi contemplada a inclusão de um sistema de proteção contra quedas de energia como parte essencial do projeto. Essa medida garante que, em situações de interrupção não planejada no fornecimento de energia, o usuário da estação tenha tempo suficiente para encerrar suas operações sem afetar negativamente a atividade em andamento. Essa salvaguarda é visualizada na Figura 3, onde a barra de alimentação TDL DC ESS desempenha um papel fundamental.
Fonte: o autor
Conforme a representação no diagrama, Figura 3, o operador terá no rack, um painel, identificado na figura como “Multi Function Panel”, onde estará localizado a chave de ON/OFF, para energização do sistema. Haverá também um segundo painel, identificado no diagrama como “TDL PWR EXT Panel”, onde o operador fará a seleção da fonte de alimentação do rack, ou seja, se o rack será alimentado pela GPU, 28 VDC, ou pela entrada AC 220/10A.
De modo geral, o diagrama apresenta as barras de alimentação que foram pré-estabelecidas, conforme os dados apresentados na Tabela 1, e os equipamentos que cada barramento energizará.
Alguns equipamentos estão representados no diagrama, como a fonte AC/DC, que foi calculada com base nos valores inferidos a partir da tabela de dados, assim como inversor e nobreak (representado no diagrama como UPS), que já teve seus valores pré-estabelecidos e estão representados na Tabela 1.
4 CONCLUSÃO
O desenvolvimento do projeto, contribuiu de forma significativa para aderência de conceitos , e fomentou o estudo para resolução do desafio proposto pelo projeto, que era o desenvolvimento de uma caixa de distribuição de energia, capaz de prover alimentação para um sistema modular, que possuía como restrição, o espaço para instalação de equipamentos, além da sua característica móvel, ou seja, um projeto que possui a provisão de utilização tanto em ambiente laboratoriais, com infraestrutura para alimentação de equipamentos, como a sua utilização em campo, locais onde comumente não possuímos uma infraestrutura robusta. A premissa de utilização em diferentes locais, adicionou uma restrição no quesito peso, o que teve influência na escolha dos equipamentos que comporiam a caixa de distribuição.
O resultado foi o desenvolvimento de um projeto compacto e que supri a demanda energética para os diferentes tipos de testes planejados, a criação de um manual de operação e manutenção, além de permanecer alinhado com a premissa de possuir um baixo peso agregado.
Os pontos de melhorias observados para aplicações futuras, seria a utilização de equipamentos que não fazem uso de baterias, pois elas adicionam restrição quanto a sua vida útil e requerem um ciclo de manutenção constante, atividade que deve estar contemplado no manual de manutenção dos equipamentos.
A caixa de distribuição desenvolvida, apresenta uma solução eficiente e compacta para a demanda proposta e contribui com ideias de aplicações, para projetos que tenham características similares.
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Walcyr Francisco da Silva Santiago – Graduando do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Araraquara – UNIARA. Araraquara-SP1
Carmen Lúcia Avelar Lessa – Orientadora. Docente do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Araraquara – UNIARA. Araraquara-SP2