REMOTE MONITORING INDIRECT STARTING PANEL FOR SINGLE-PHASE RURAL USE MOTORS
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.12511372
Fábio H. de Lima Amorim¹;
Artur de Almeida Rios²;
Halyne Silva Borges³.
RESUMO
Os motores elétricos monofásicos desempenham um papel crucial em áreas rurais que adotam o sistema de distribuição monofilar com retorno por terra, escolha predominante das concessionárias devido ao seu baixo custo. Esses motores são indispensáveis para operar equipamentos nessas regiões. Com o objetivo de assegurar o desempenho eficiente desses motores, foi realizado um estudo buscando soluções de partidas indiretas aplicáveis aos motores monofásicos. Através da elaboração de diagramas elétricos e análises realizadas com auxílio de um analisador de qualidade energética, compreendeu-se o funcionamento das opções de partida desenvolvidas. Foi projetado um painel elétrico para a partida do motor. Por fim, implementou-se um medidor de energia Wi-Fi com transmissão de dados para a nuvem. A solução final assegura o funcionamento adequado do motor de acordo com as normas de distribuição, além de possibilitar o monitoramento remoto das grandezas elétricas por meio da internet das coisas.
PALAVRAS-CHAVE: Motor Monofásico; Partida indireta; Monitoramento Remoto; Internet das Coisas.
ABSTRACT
Single-phase electric motors play a crucial role in rural areas that adopt the single-wire distribution system with earth return, the predominant choice of utilities due to its low cost. These motors are essential for operating equipment in these regions. In order to ensure the efficient performance of these motors, a study was conducted to find solutions for indirect starts applicable to single-phase motors. Through the development of electrical diagrams and analyses performed with the aid of a power quality analyzer, the operation of the developed starting options was understood. An electrical panel was designed for motor starting. Finally, a Wi-Fi energy meter with data transmission to the cloud was implemented. The final solution ensures proper motor operation according to distribution standards and enables remote monitoring of electrical variables through the internet of things.
KEYWORDS: Single-phase Motor; Indirect Starting; Remote Monitoring; Internet of Things.
1 INTRODUÇÃO
Os motores elétricos têm um papel crucial não somente na indústria, mas também no meio rural. De acordo com Oliveira Filho et al. [1] a agricultura moderna, no qual envolve a utilização dos motores elétricos, traz um aumento de produtividade, pois são eles os responsáveis pelo acionamento de equipamentos essenciais nessas propriedades, a exemplo dos pivôs para a irrigação.
Por meio desse contexto, é importante compreender a escolha e o uso adequado dos motores elétricos nas áreas rurais. Grande parte desses locais contam apenas com o sistema de distribuição monofilar com retorno por terra (MRT), apesar da superioridade em robustez e eficiência dos motores trifásicos sobre os motores monofásicos de mesma potência, esse sistema é utilizado por razões econômicas, chegando a um custo de implantação 60% menor que o equivalente trifásico [1][2]. Isso faz com que os motores elétricos monofásicos sejam a única opção viável nesses locais.
Os motores de indução monofásicos, no qual são utilizados no sistema MRT, não possuem torque inicial de partida. Para superar essa falta, são utilizados enrolamentos com capacitores para produzir uma defasagem entre os campos magnéticos girantes, proporcionando assim o conjugado de partida, resultando assim um campo magnético pulsante unidirecional [3].
A utilização da partida direta nesses motores pode provocar uma corrente de até oito vezes maior que a corrente nominal, devido à inércia, sendo indicada para motores de baixa potência [4]. A elevada corrente de partida do motor pode causar quedas de tensão no sistema de alimentação da rede e interferências em equipamentos instalados [4][5]. Além disso, a CEMIG por meio de sua Norma de Distribuição 5.1 [6], permite a partida direta apenas para motores monofásicos de até 5 cv em locais com sistema MRT, porém há propriedades que contam com motores de 7,5 a 12,5 cv [1].
A utilização de motores elétricos na agricultura moderna não é a única inovação promovida pelo avanço tecnológico, a Internet das Coisas (IoT) também se tornou uma presença marcante no contexto rural. O termo IoT foi utilizado por Kevin Ashton em 1999 com o propósito de aprimorar a comunicação de produtos e informações sem a necessidade da intervenção humana [7]. Na agricultura, a Internet das Coisas visa integrar todas as fases da produção, incorporando sensores, equipamentos autônomos e o armazenamento de dados em nuvem para otimizar a gestão dessas informações [7].
Nesse contexto, o objetivo da pesquisa é desenvolver e aplicar um sistema de partida seguro para os motores monofásicos de uso rural, especialmente motores acima de 5 cv, tendo como o intuito reduzir a corrente de partida destes motores, além de realizar a implementação de um dispositivo no painel de partida com a função de coletar as informações de tensão, corrente, fator de potência e frequência. Esses dados serão então armazenados na nuvem por meio da Internet das Coisas, contribuindo para uma maior vida útil do equipamento.
2 MATERIAIS E METÓDOS
Nesta seção, são apresentados os recursos e procedimentos essenciais no desenvolvimento da partida indireta e no estabelecimento do monitoramento remoto das grandezas elétricas. Detalhes específicos sobre os equipamentos, softwares e modelos utilizados são fornecidos nesta para proporcionar uma compreensão mais abrangente do processo.
2.1 PARTIDA INDIRETA
Para o desenvolvimento desse estudo foi necessário compreender as técnicas de redução da corrente de partida utilizadas nos motores trifásicos. Dentre elas temos a partida estrelatriângulo, no qual o motor é inicialmente alimentado com o fechamento em estrela, com uma tensão de 58% da tensão nominal, e depois alterado para o fechamento em triângulo, no qual assume a tensão nominal [4]. Com isso, há uma redução de cerca de 33% na corrente de partida. Porém, o motor deve ter seis bornes e permitir o fechamento com dois valores diferentes de tensão, além disso, ele deve ser alimentado na menor tensão [4].
Os motores monofásicos também possuem seis bornes com três bobinas, sendo duas principais e uma auxiliar, que podem ser ligadas em paralelo, fechamento de menor tensão, ou em série, fechamento de maior tensão [8], conforme o diagrama esquemático mostrado na Figura 1. Embora disponham de seis terminais, a disposição dos fechamentos se difere dos motores trifásicos, exigindo a adaptação do esquema de partida estrela-triângulo para o esquema série-paralelo.
Figura 1 – (a) Ligação em paralelo; (b) Ligação em série
Outro método aplicado nos motores trifásicos com o intuito de reduzir a corrente de partida é a utilização do soft-starter, dispositivo eletrônico capaz de aumentar gradualmente a tensão durante um tempo de partida desejado, prolongando a vida útil do motor [9]. Embora a maioria dos softstarters disponíveis no mercado brasileiro sejam projetados para motores trifásicos industriais, a aplicação de partida suave em motores monofásicos é altamente vantajosa [10].
Tendo em vista a disponibilidade desse equipamento no Brasil foi necessário realizar a importação de um soft-starter monofásico modelo R1 150WA-6KW da marca Earu Eletric disponível no mercado chinês, no qual está representado pela Figura 2.
Figura 2 – Exemplo de Figura. Capa da REPA v.1
Para o desenvolvimento das partidas destinadas aos motores monofásicos, utilizou-se o software CADe_SIMU (versão 4.0) [12]. Posteriormente, com as partidas previamente projetadas, realizaram-se testes práticos na bancada de acionamentos elétricos do Instituto Federal do Triângulo Mineiro, Campus Patrocínio. A execução dos testes contou com o do motor monofásico Voges de ¼ cv fornecido pela instituição, em conjunto com o analisador de qualidade de energia Minipa® ET-5062, dispositivo que permite a obtenção de dados relativos ao comportamento da tensão e corrente [13], conforme ilustrado na Figura 3.
O funcionamento da partida série-paralelo, cujo diagrama é representado Figura 4, ocorre da seguinte maneira: quando K3 está fechado e K2 aberto, o acionamento do motor é realizado com o fechamento de maior tensão. Após um determinado tempo, o relé temporizador irá comutar, resultando no fechamento para a menor tensão, ou seja, K2 fechado e K3 aberto. Esse processo é semelhante ao que acontece na partida estrela-triângulo.
Figura 3 – Bancada de acionamentos elétricos.
Figura 4 – Diagrama da partida série-paralelo.
Com o soft-starter, cujo diagrama é ilustrado na Figura 5, o processo de controle é semelhante: quando K3 está fechado e K2 aberto, o acionamento do motor é realizado de forma suave. Após chegar em sua velocidade nominal, o relé temporizador irá comutar, resultando em um bypass, ou seja, K2 fechado e K3 aberto, sendo alimentado diretamente da rede. Isso reduz o desgaste e o superaquecimento, prolongando sua vida útil.
Após a realização dos testes práticos, foi definido a implementação do sistema de partida indireta na Fazenda Barreiro, localizada no município de Patos de Minas. Nessa propriedade, há um motor monofásico KOHLBACH de 7,5 cv, conforme apresentado na Figura 6, que não está em conformidade com as normas de distribuição da CEMIG. Atualmente, a partida é realizada de forma direta, resultando em quedas de tensão durante esse processo, e, em alguns casos, levando à atuação do disjuntor geral devido às cargas conectadas ao sistema no momento da partida.
Figura 5 – Diagrama da partida com soft-starter.
Figura 6 – Motor monofásico 7,5 cv.
Para realizar o dimensionamento dos componentes elétricos presentes no painel, foi necessário extrair as informações da placa de identificação do motor, a qual indicou uma corrente nominal (In) de 38 A e um fator de serviço (Fs) de 1,15. Com base nesses dados, optou-se por condutores de 10 mm², capazes de suportar a corrente nominal. Além disso, foram dimensionados contatores de 50 A e disjuntores de 50 A, sendo desnecessária a consideração da curva do disjuntor, uma vez que a partida direta não está sendo empregada. Para o dimensionamento do relé térmico, proteção contra sobrecargas, adota-se a Equação (1) para motores com fator de serviço igual a 1. Caso esse valor seja superior a 1, aplica-se a Equação (2), conforme detalhado no livro de Franchi [4]. Assim, como o valor do fator de serviço é 1,15, foi utilizada a Equação (2), resultando em um valor de corrente do relé (Ir) próximo a 48,2. Portanto, foi necessário um relé térmico com faixa ajustável que englobe esse valor.
Todos os equipamentos necessários para a construção do painel de partida indireta estão representados na Tabela 1 e foram custeados pelo proprietário da fazenda.
Tabela 1 – Lista de equipamentos do painel.
Por fim, o projeto do painel foi elaborado no AutoCAD® 2022 [14] a fim de determinar a disposição ideal de todos os componentes, facilitando assim a sua montagem, conforme mostrado na Figura 7. Para realizar a montagem, os componentes foram instalados de acordo com o projeto. Em seguida, os cabos de 10 mm² destinados à alimentação do motor foram passados e conectados primeiro para facilitar a instalação do circuito de comando, que foi realizado logo em seguida. Com o intuito de conferir as ligações, foram realizados testes no circuito de comando e força antes da instalação no local designado. Após a confirmação do funcionamento adequado, o painel foi instalado no local definido pelo proprietário e o acionamento do motor foi realizado para comprovar o seu funcionamento.
Figura 7 – Projeto CAD do painel.
2.2 MONITORAMENTO REMOTO
A necessidade de utilizar plataformas para o armazenamento de dados na nuvem é um requisito fundamental para o desenvolvimento de aplicações IoT, atualmente há diversas plataformas disponíveis, dificultando a escolha da plataforma mais adequada para cada situação [15]. Diante disso, foi necessário buscar alternativas que fossem viáveis economicamente e também que se adequassem ao projeto desenvolvido.
Tendo em vista os valores e equipamentos de medição de energia com conectividade Wi-fi disponíveis no Brasil, foi realizada a importação desse equipamento da marca MatSee Plus, disponível no mercado chinês, o qual está representado pelo Figura 8.
Figura 8 – Medidor de energia Wi-fi.
Esse medidor de energia é um dispositivo inteligente compatível com a plataforma Tuya. A Tuya é uma empresa chinesa especializada em desenvolver soluções para a Internet das Coisas, no qual permite a fabricantes de dispositivos criar produtos conectados à internet [17]. É possível acessar as informações do medidor e de outros equipamentos por meio do aplicativo Tuya Smart, disponível tanto para Android quanto para iOS, conforme está mostrado na Figura 9. Sua conexão é bastante simples; basta ativar o Bluetooth e seguir os passos apresentados no aplicativo.
Figura 9 – Aplicativo Tuya Smart.
Além do aplicativo, a Tuya oferece uma plataforma IoT para o gerenciamento de dispositivos. Para utilizá-la, é necessário adicionar o equipamento à plataforma, seguindo os passos fornecidos. Isso permite o acesso aos valores registrados pelo medidor na nuvem. Entretanto, é importante observar que esses valores não são armazenados em forma de gráficos, o que dificulta a análise visual dos dados, como pode ser observado na Figura 10.
Figura 10 – Registro das leituras na plataforma Tuya.
Em busca de registrar esses valores de forma mais intuitiva, buscou-se outras plataformas que tivessem integração com aparelhos Tuya. Chegouse então ao Home Assistant, uma plataforma de automação residencial de código aberto que permite integrar e controlar diversos dispositivos inteligentes e serviços em uma casa, atuando como um hub central para a automação de tarefas e o monitoramento de dispositivos conectados [17].
Para adicionar o medidor de energia ao Home Assistant foi necessário realizar a integração do Tuya a plataforma. Porém, ao adicionar o equipamento, percebeu-se que era obtido apenas o valor da energia total, informação que não seria útil para o monitoramento do motor pois, para essa aplicação as informações de corrente, tensão e fator de potência que são essenciais. Foram realizadas outras tentativas utilizando a integração do HACS (Home Assistant Community Store), que é por sua vez, uma comunidade que disponibiliza componentes que podem auxiliar na integração de aparelhos como o da Tuya. Contudo, não se obteve sucesso. Pelo fato de o Home Assistant estar em constante desenvolvimento e contar com diversos aparelhos no mercado, o medidor de energia da MatSee Plus não tem suporte completo no momento.
Decidiu-se então procurar outra plataforma, mesmo que não tivesse integração direta com a Tuya, mas que permitisse o registro dos valores em formato de gráfico por meio da Interface de Programação de Aplicação (API) disponibilizada pela Tuya. Foi então utilizada a plataforma Insights Hub da Siemens®, no qual é um sistema que permite compreender por meio da Internet das Coisas o funcionamento dos equipamentos industriais [18]. A plataforma conta com um plano grátis, no qual foi utilizado nesse projeto e que pode também ser utilizado por estudantes e professores, além de planos pagos destinados a aplicações industriais.
Para criar o projeto de monitoramento remoto foi necessário acessar o Asset Manager e criar os tipos de aspectos necessário, que são as variáveis a serem mostradas nos gráficos. Além disso, foi necessário criar um ativo, no qual engloba todos os aspectos criados permitindo assim gravação e gerenciamento das informações em um único projeto, conforme mostrado na Figura 11.
Figura 11 – Aspectos associados ao ativo.
A plataforma da Siemens também oferece o Visual Flow Creator, uma ferramenta bastante semelhante ao Node-RED. Utilizando esse criador de fluxos, foi possível realizar as requisições à API do medidor de energia, processar esses valores e enviá-los aos aspectos criados. Como todo esse processo é executado na nuvem não se teve a necessidade de utilizar outro equipamento para realizar tal função.
Para acessar as informações da API do medidor de energia, foi essencial obter o seu Device ID, disponível na plataforma da Tuya. Na mesma plataforma, buscou-se pelo API Explorer, acessando Device Control e, finalmente, Get the status of a single device. Nessa última opção, foram realizadas as requisições para obter as informações do medidor de energia, possibilitando compreender o formato no qual as variáveis são obtidas. Com isso, foi possível obter a URL da requisição e seus cabeçalhos, que são os elementos essenciais para realizar essa requisição, como o token, sign e client ID.
Com essas informações obtidas, foi possível realizar as requisições do medidor diretamente no Visual Flow Creator, utilizando o módulo de http request com o método GET e preenchendo os cabeçalhos, conforme mostrado na Figura 12.
Figura 12 – Requisição das informações do medidor.
Pelo fato das informações serem fornecidas em um formato unificado, tornou-se necessário criar uma função em JavaScript para extrair essas informações em outras variáveis, conforme demonstrado no Algoritmo 1. Considerando que não é necessário exibir todas as informações do medidor, foram desenvolvidas funções parecidas para tratar os valores de tensão, frequência, fator de potência e corrente que está representada no Algoritmo 2, com isso, esses valores são enviados aos seus respectivos aspectos.
Algoritmo 1 – Extrair as variáveis.
if (msg.payload.success) {
for (let i = 0; i < msg.payload.result.length; i++) {
const result = msg.payload.result[i];
msg.payload[result.code] = result.value;
}
delete msg.payload.result;
return msg;
} else {
return null;
}
Fonte: Os Autores.
Algoritmo 2 – Tratamento do valor da corrente.
var corrente = msg.payload.current_a/1000;
msg.payload = corrente;
return msg;
Fonte: Os Autores.
Todo o fluxo desenvolvido está representado na Figura 13. Por fim, foi realizada a instalação do medidor de energia no painel, sendo possível testar o funcionamento desse fluxo e acompanhar os valores de tensão, corrente, fator de potência e frequência no monitor que é disponibilizado no Insights Hub.
Figura 13 – Fluxo para a leitura das variáveis.
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Por meio da utilização do analisador de qualidade de energia, foi possível registrar o comportamento do soft-starter monofásico, comprovando que o equipamento realiza o aumento da tensão de forma gradual. Isso faz com que o motor tenha uma rampa de aceleração suave, atingindo a tensão nominal após 9 segundos, conforme demonstrado na Figura 14. O tempo de aceleração e a tensão inicial são ajustados diretamente no equipamento.
Figura 14 – Rampa de tensão pelo tempo do soft-starter.
Além disso, o analisador de qualidade de energia foi utilizado para obter o comportamento das correntes no motor monofásico de ¼ cv, uma vez que não foi possível realizar o teste com o motor de 7,5 cv.
A corrente na partida direta, Figura 15, alcançou 3,5 vezes o valor nominal, enquanto na partida série-paralelo, Figura 16, chegou a 2 vezes o valor nominal, representando uma redução em relação a partida direta. Ao utilizar o soft-starter, Figura 17, não ocorreu um aumento significativo na corrente de partida, se estabilizando após 6 segundos.
Figura 15 – Corrente na partida direta.
Figura 16 – Corrente na partida série-paralelo.
Figura 17 – Corrente na partida suave.
Os resultados apresentados evidenciam a vantagem de se utilizar o soft-starter com o intuito de reduzir a corrente de partida. Além disso, esse equipamento pode ser empregado em qualquer motor, independentemente do seu fechamento ou tensão de alimentação, possibilitando que o proprietário reutilize em diferentes situações. Como todos os componentes empregado na partida suave estão também presentes na partida série-paralelo, o painel foi projetado para permitir a utilização de ambas as partidas. Em caso de defeito no dispositivo eletrônico, será necessário realizar alguns ajustes para empregar a partida sérieparalelo. O resultado final do painel de partida indireta ficou de acordo com o seu projeto, como pode ser observado na Figura 18.
Figura 18 – Painel de partida indireta instalado.
A botoeira verde no painel tem a função de ligar o motor, que quando ligado, acenderá também a sinaleira branca, sinalizando que o motor está partindo de forma suave. Após o tempo de partida estabelecido, a sinaleira branca será substituída pela vermelha, indicando que o motor está operando em sua tensão nominal. Se a sinaleira amarela acender, isso significa que o relé térmico foi acionado com a função de proteger o motor de uma sobrecarga. Para desligar o motor, basta pressionar a botoeira vermelha. Em caso de emergência, o painel possui uma botoeira, com indicação de emergência, para desligar todo o circuito.
A versão final do painel de partida indireta para o motor monofásico de 7,5 cv de uso rural da Fazenda Barreiro com monitoramento remoto contou com a implementação do medidor de energia Wi-fi, representado pela Figura 19.
Para registrar as leituras do medidor de energia na plataforma Insights Hub e visualizar esses valores no Monitor, o motor operou por aproximadamente 10 minutos. Na Figura 20 são mostrados os dados da tensão aplicada no motor monofásico no decorrer do tempo. Já nas Figuras 21 e 22 são mostrados a corrente e fator de potência do motor no decorrer do tempo, respectivamente.
Já na Figura 23 como a frequência de tensão varia neste intervalo de tempo.
Figura 19 – Painel de partida indireta com medidor Wi-fi.
Figura 20 – Tensão aplicada no motor monofásico.
Figura 21 – Corrente do motor monofásico.
Figura 22 – Fator de potência do motor monofásico.
Figura 23 – Frequência da tensão.
Através dos gráficos fornecidos pela plataforma da Siemens®, ficou evidente que tanto a tensão de alimentação do motor quanto a frequência permanecem relativamente estáveis ao longo do tempo. Isso era esperado, pois o motor estava operando dentro de sua capacidade nominal. Além disso, nota-se que a corrente não apresentou grandes variações durante a partida, graças à utilização da partida suave. As flutuações nos valores de corrente ao longo do tempo estão relacionadas à carga não linear do equipamento. Ao analisar o fator de potência, percebeu-se que ele aumenta conforme o aumento do valor da corrente. Portanto, quando o motor está operando a vazio, o fator de potência é menor do que quando está operando próximo à corrente nominal, no entanto, a frequência permanece constante.
Ao realizar esse teste em outro momento, percebeu-se que tanto o token quanto o sing fornecidos pela plataforma de IoT da Tuya haviam expirado em um período de um dia. Infelizmente não foi possível estabelecer um token sem expiração, apenas gerar novas credenciais. Esperase que a Tuya permita a modificação desse tempo de expiração, possibilitando assim o uso de seus dispositivos em outras aplicações outras aplicações.
4 CONCLUSÕES
Com o desenvolvimento deste estudo, ficou evidente a importância de adaptar soluções presentes em outros setores, como na indústria, para um contexto rural. Ao implementar o painel de partida indireta com o soft-starter, no qual se mostrou mais eficaz na redução da corrente de partida, tornou-se claro a possibilidade de aplicar outros tipos de partidas em motores monofásicos, não apenas a tradicional partida direta, garantindo assim, um desempenho mais eficaz e confiável. O painel de partida desenvolvido não apenas previne interrupções indesejadas e prolonga a vida útil do motor, mas também contribui para a otimização dessa atividade rural.
Além do avanço na partida dos motores monofásicos, o estudo destacou a presença crescente da Internet das Coisas (IoT) na agricultura. Por meio da implementação de um medidor de energia, foi possível realizar o monitoramento remoto dos valores de tensão, corrente, fator de potência e frequência. Esse monitoramento remoto contribuiu também para a melhoria da eficiência e da vida útil do motor. Embora o token da API de monitoramento expire em determinado tempo, os dados coletados permanecem armazenados na plataforma da Tuya, permitindo a sua consulta, porém, não são apresentados de forma gráfica.
De maneira geral, a pesquisa ressaltou a integração da tecnologia na agricultura moderna, proporcionando percepções práticas e apresentando soluções que são eficazes para superar os desafios existentes no contexto rural. O estudo não apenas inseriu essa tecnologia na Fazenda Barreiro, mas também ofereceu abordagens práticas e aplicáveis a fim de otimizar operações semelhantes em outras propriedades.
REFERÊNCIAS
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*Este artigo é uma versão estendida do trabalho apresentado no 10º EnPE – Encontro de Ensino, Pesquisa e Extensão do Instituto Federal do Triângulo Mineiro, ocorrido em Patrocínio – MG, em 20 de outubro de 2023.
orcid.or//0009-0002-6167-6066
¹https://orcid.org/0009-0002-6167-6066
Laboratório de Inovação em Tecnologia,
Instituto Federal do Triângulo Mineiro,
Patrocínio, Brasil.
E-mail: fabio.amorim@estudante.iftm.edu.br
²https://orcid.org/0000-0002-7741-9593
Laboratório de Inovação em Tecnologia,
Instituto Federal do Triângulo Mineiro,
Patrocínio, Brasil.
³Núcleo de Estudos em Eletrônica de
Potência Aplicada, Instituto Federal do
Triângulo Mineiro, Patrocínio, Brasil.