Protótipo para correção de fator de potência em baixa tensão usando Arduíno

Abstract

O presente trabalho tem por objetivo apresentar um protótipo para o controle do fator de potência em instalações elétricas monofásicas de 60 Hz, 220 V de até 100 A. A pesquisa consiste em desenvolver um protótipo utilizando a plataforma Arduíno que é equipada com microcontrolador AVR, para comutar bancos de capacitores conectando ou desconectando capacitores à rede conforme sejam necessários. O trabalho baseia-se na montagem de um protótipo para ser acoplado à linha elétrica, com cargas em funcionamento, que seja capaz de monitorar a tensão e a corrente elétrica, determinar se há energia reativa na linha e sua natureza e então comandar relés que acionam o banco de capacitores para corrigir o fator de potência. O protótipo destina-se a conectar ou desconectar capacitores em paralelo à carga, de modo que a energia reativa indutiva e a reativa capacitiva fiquem balanceadas e transite entre a carga e os capacitores para não serem devolvidas à linha de transmissão. O protótipo não participa diretamente do circuito RLC, circuito composto por elementos resistivos, indutivos e capacitivos, sua função é a de monitorar a rede e acionar os capacitores acoplando-os em paralelo à linha. Os capacitores, quando acoplados fazem parte do circuito RLC. Para atingir estes objetivos definiram-se os parâmetros elétricos das instalações elétricas nas quais o protótipo poderá ser empregado. Projetou-se o seu circuito elétrico analógico, que tem por função tratar o sinal elétrico antes da sua conversão para sinais digitais. O protótipo foi montado com peças disponíveis e de fácil aquisição no mercado. Alguns dos componentes, como os circuitos que fazem a interface com os relés são elementos da plataforma Arduíno. O circuito analógico, foi construído pelo autor. O software de controle foi desenvolvido e instalado no protótipo e para comprovação da sua funcionalidade e resposta foram feitos ensaios em laboratório com diversas cargas capacitivas e indutivas. Os valores apurados com instrumentos foram comparados com os valores apresentados pelo protótipo. Também foi observado como o protótipo reagiu, em relação à comutação de relés, quando submetido a cada uma das cargas. Observou-se que o protótipo é sensível a cargas capacitivas superiores a 1 microfarad e não comuta relés quando submetidos a valores inferiores e este. O protótipo é sensível a cargas reativas superiores a 22 VAr. O tempo de resposta do protótipo para efetuar as leituras e comandar cada um dos capacitores é de aproximadamente um segundo.

The present work aims to present a prototype for the control of the power factor in single-phase electrical installations of 60 Hz, 220 V up to 100 A. The research consists of developing a prototype using the Arduíno platform that is equipped with AVR microcontroller, in order to switch banks of capacitors by connecting or disconnecting capacitors to the electrical network as needed. The job is based on the assembly of a prototype intended to be conected to the electric network, with loads in operation, that would be able to monitor the voltage and electric current, determine if there is reactive energy in the line and its nature and then command relays that drive the bank of capacitors to correct the power factor. The prototype is designed to connect or disconnect capacitors in parallel to the load so that the inductive and capacitive reactive energy are balanced and transposed between the load and the capacitors bank so as not to be returned to the transmission line. The prototype does not participate directly in the RLC circuit, a circuit composed of resistive, inductive and capacitive elements, its function is to monitor the network and to activate the capacitors by coupling them parallel to the line. The capacitors, when coupled, are part of the RLC circuit. In order to achieve these goals, the electrical parameters of the electrical installations in which the prototype can be employed were defined. Its analogical electric circuit, whose function is to treat the electrical signal before been converted to digital signals was designed. The prototype was assembled with available and easy to acquire parts in the market. Some of the components, such as the circuits that interface with the relays, are elements of the Arduino platform. Some others, such as the analogical circuit were buit by the author. The control software was developed and installed in the prototype and to prove its functionality and response, laboratory tests were carried out with several capacitive and inductive loads. The values obtained with instruments were compared with the values presented by the prototype. It was also observed how the prototype reacted, regarding to the relay switching, when submitted to each of the loads. It was observed that the prototype is sensitive to capacitive loads greater than 1 microfarad and does not switch relays when submitted to lower values than that. The prototype is sensitive to reactive loads greater than 22 VAr. The response time of the prototype to take the readings and command each of the capacitors is approximately one second.