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Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017 1

Implementação de Sensores para Veículo Aéreo

Não Tripulado

Marianne B. M. Bezerra.
Universidade Federal de Campina Grande, [email protected].

Neste trabalho descreve-se a implementação de sensores para Veículo Aéreo Não Tripulado
(VANT). A fim de monitorar o funcionamento do VANT, utilizam-se sensores como
acelerômetro, giroscópio, barômetro, sensor ultrassônico e GPS. O gerenciamento dos
módulos sensores foi feito utilizando o Arduino. Optou-se pela interface serial I²C para
implementar a comunicação entre eles. Os testes para verificar a eficiência dos módulos
foram satisfatórios, tendo em vista, que a imprecisão não ultrapassou 2%. Isto garante
uma maior confiabilidade nas informações para o monitoramento do VANT.

I. INTRODUÇÃO desenvolvimento de um VANT utilizando sensores, como
acelerômetro, giroscópio, barômetro, infravermelho e o
Os VANT (Veículos Aéreos Não Tripulados) começaram Sistema de Posicionamento Global (GPS) (para monitorar
a ser desenvolvidos pela indústria bélica antes da grandezas ambientais) e o Arduino (para o processamento dos
Primeira Guerra Mundial. Em 1915, o engenheiro Nikola dados coletados pelos sensores). Este trabalho está sendo
Tesla descreveu em um estudo o potencial militar de uma frota desenvolvido no Laboratório de Instrumentação e Metrologia
de veículos de combate aéreos não tripulados. Entretanto, Cientifica (LIMC).
apenas em 1951 o primeiro VANT moderno surgiu, quando a
RYAN AERONAUTICAL COMPANY começou a II. DESENVOLVIMENTO
desenvolver o Firebee, que serviria como alvo aéreo [1].
No Brasil, usualmente são utilizadas as nomenclaturas Os VANT são compostos por sensores com objetivo de
Drone e VANT para se referir ao mesmo objeto (veículos não verificar os dados durante o voo, tais como a pressão,
tripulados com hélices). Assim essas nomenclaturas são localização, altitude, inclinação, possíveis obstáculos, etc.
utilizadas conforme suas aplicações, para o Drone, é
empregado em sistemas utilizados para fins recreativos, como Com os dados obtidos pelos sensores do veículo, o sistema
em competições e lazer. Já a sigla VANT é utilizada para fins do VANT pode processar essas informações por meio de
comerciais, profissionais e para pesquisas científicas, tendo a funções pré-programadas em um microcontrolador, as quais
necessitam de cargas úteis embarcadas (câmeras, por retornam, por exemplo, a distância entre o veículo e algum
exemplo) [2]. obstáculo. Em seguida, pode-se controlar os motores das
Com o avanço da tecnologia, os VANT estão sendo hélices a fim de reduzir a velocidade de voo ou mesmo alterar
inseridos no cotidiano para auxiliar em atividades específicas, a direção do voo, por exemplo.
como na agroindústria, em que são utilizados como
instrumentos para monitoramento. Eles permitem que o A. Arduino
produtor monitore a área de plantio e avalie visualmente a
evolução do cultivo, o mapeamento de falhas e a adubação da O Arduino é uma plataforma de computação física de fonte
plantação. Pode-se fazer esse monitoramento por meio de aberta que possibilita desenvolver projetos tanto por amadores
câmeras acopladas ao VANT [3], que é uma solução mais quanto por profissionais. Ele utiliza uma linguagem própria de
econômica do que utilizar aviões ou satélites para a produção programação, baseada na linguagem Wiring, e um ambiente de
de fotos georreferenciadas. Outra aplicação dos VANT é no programação baseado no Processing [5-6]. Ele foi utilizado
meio cinematográfico, no qual eles estão sendo utilizados para para gerenciar as atividades do veículo a partir dos dados
fazer tomadas aéreas em reportagens e coberturas de eventos captados pelos sensores.
em geral [4].
Considerando a gama de aplicações disponíveis para os
VANT, há cada vez mais o interesse em conhecer a forma de
funcionamento e de implementação desses sistemas. Nesse
contexto, o objetivo deste trabalho é apresentar o

Recebido em agosto de 2016. Aceito em dezembro de 2016

2 Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017

B. Módulo Sensor Ultrassônico HC-SR04 fabricante, a localização mais exata é obtida quando o objeto
estiver ao ar livre [8].
O módulo sensor ultrassônico HC-SR04 (Figura 1) é
responsável pela verificação da presença de obstáculos. O Figura 3. Módulo PAM-7Q GPS
sensor emite uma onda sonora que é refletida ao encontrar um E. Módulo GY-521
obstáculo. No intervalo de tempo entre emissão e recepção do
sinal refletido, um pino do sensor, o ECHO, se mantém em Uma informação importante para auxiliar no controle do
nível alto. Com isso, para calcular a distância do módulo ao voo é relativa à estabilidade do veículo. Para obtê-la, pode-se
objeto, basta ter o tempo em que o pino ECHO ficou em nível utilizar o módulo GY-521 (Figura 4), que possui um
alto. acelerômetro e um giroscópio acoplados em um único circuito
integrado, o MPU-6050. O acelerômetro e o giroscópio
detectam, respectivamente, o movimento do corpo e a
variação de rotação, ambas expressas por meio das
coordenadas dos eixos x, y e z.

Figura 1. Módulo Sensor Ultrassônico HC-SR04

O cálculo é feito por uma multiplicação entre o tempo do

ECHO em nível alto e a velocidade do som, dividindo-a por

dois como mostrado em (01), em que a divisão por 2 (dois) se

deve ao fato da onda percorrer duas vezes o mesmo percurso, Figura 4. Módulo GY-521
F. Câmera Serial TTL JPEG
ida e volta.

=2 (01)

C. Módulo MS5607 Como mencionado anteriormente, para que seja classificado
como VANT, o veículo precisa ter uma carga útil embarcada.
As medições da pressão e da temperatura foram feitas pelo No caso do VANT desenvolvido neste trabalho, a carga útil é
módulo MS5607 da Parallax (Figura 2). Ele fornece dois o módulo Câmera Serial TTL JPEG (Figura 5). Esse módulo
valores, o D1 e o D2, como base para calcular a pressão e a possui uma câmera que permite gravar vídeos ou capturar
temperatura, respectivamente, conforme o Datasheet do imagens. As imagens capturadas por esse módulo podem ser
fabricante[7]. usadas para o monitoramento de aplicações futuras.

Figura 2. Módulo MS5607 Figura 5. Câmera Serial TTl JPEG

D. Módulo PAM-7Q GPS G. Comunicação Serial I²C

A localização e a altitude do veículo são obtidas por meio Para a interface entre os sensores e o Arduino, utilizou-se a
do módulo PAM-7Q GPS também da Parallax (Figura 3). comunicação serial Inter-Integrated Circuit (I²C). A escolha
Além desses dados, pode-se ter acesso à velocidade do veículo foi feita por se tratar de uma interface que permitia
e à data e hora atômica. Ele usa o Sistema Global de compatibilidade entre a maioria dos módulos do projeto
Navegação por Satélite (GNSS), como o GPS, para oferecer a
localização do objeto ao qual ele está acoplado. Segundo o A comunicação por meio de I²C é feita de forma síncrona,
sendo realizada por um dispositivo mestre (emissor do sinal
síncrono) e um ou mais escravos (que utilizam o sinal enviado
pelo mestre). Essa comunicação é feita por meio ds linha de

Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017 3

dados chamada de SDA, responsável pela transferência de Para a implementação do módulo GY-521 foi utilizado
dados, podendo envia-los ou recebê-los, e o barramento com o como base o código fornecido pelo seu revendedor [11]. Nele
clock chamado de SCL, responsável pela temporização entre são expressas três coordenadas relacionadas à inclinação e a
os dispositivos (Figura 6). movimentação do módulo. A partir dessas coordenadas, foram
colocadas frases que expressam em que direção o sistema está
Figura 6. Representação da comunicação I²C se inclinado e a direção do movimento translacional. Caso
haja concentração de massa na região frontal do VANT,
aparece a frase “O veículo está inclinado para frente”, como
mostrado na Figura 8.

III. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A implementação do VANT requer o uso de circuitos
eletrônicos e da programação do Arduino. Inicialmente, foram
aprimorados códigos para o funcionamento dos sensores
separadamente. Futuramente, pretende-se programar o
funcionamento de todos os sensores em um único código.

A. Códigos e testes Figura 8. Resultados obtidos pelo Módulo GY-521 no
Ambiente de Programação do Arduino.
Os fabricantes dos sensores disponibilizam alguns exemplos
funcionais dos módulos. Tomando como base alguns deles, Em relação ao módulo PAM-7Q GPS, utilizou-se como
foram implementados os códigos para a comunicação dos base o código fornecido pelo fabricante [7]. A fim de tornar
módulos com o Arduino. o sistema mais intuitivo, adaptou-se o código para expressar
a velocidade e altitude do local. Os dados obtidos são
O código usado para gerenciar o módulo MS5607 foi mostrados na Figura 9. Eles foram comparados aos obtidos
baseado naquele fornecido pelo datasheet do fabricante [7]. A por meio do Google Maps para a mesma localização.
principal modificação foi quanto à calibração para a medição
da pressão, uma vez que o exemplo disponibilizado pelo Figura 9. Resultados obtidos pelo Módulo PAM-7Q no
fabricante não apresentava resultados coerentes. A correção do Ambiente de Programação do Arduino.
código foi feita conforme sugerido por David Edwards [9].

A fim de testar o funcionamento desse módulo após
correção do código, mediu-se temperatura e pressão utilizando
o módulo, cujos resultados estão apresentados na Figura 7. Em
seguida, eles foram comparados aos obtidos com o
termômetro TD-990 da ICEL (para a temperatura) e com os
valores disponibilizados no site do Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais (INPE) [10] (para a pressão).

Fig. 7. Resultados obtidos pelo módulo MS5607 no Utilizando o Google Maps, obteve-se como latitude e
Ambiente de programação do Arduino. longitude, respectivamente, -7,2126 e -35,9085. Comparando
esses valores com os medidos com o módulo PAM-7Q,
As leituras de temperatura e pressão obtidas por meio, verificam-se imprecisões de 0,002% e 0,001% para,
respectivamente, do termômetro TD-990 e do site do INPE respectivamente, latitude e longitude. As medições realizadas
foram 25,6 ºC e 1016 hPa. Comparando esses valores com os utilizando o módulo PAM-7Q podem ser consideradas,
obtidos por meio do módulo MS5607, foram verificadas portanto, satisfatórias.
imprecisões de 0,7% e 1,6% para, respectivamente,
temperatura e pressão. As medições realizadas utilizando o
módulo MS5607 podem ser consideradas, portanto,
satisfatórias.



Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017 5

Dimensionamento de Acumuladores para um Sistema
Fotovoltaico Isolado

Melyna C. S. Simões, Marcus V. B. Medeiros, Prof.ª Nubia S. D. Brito
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, PB
Departamento de Eng. Elétrica

e-mail: {melyna.simoes, marcus.medeiros}@ee.ufcg.edu.br e [email protected]

Este trabalho descreve a etapa de dimensionamento do banco de baterias de um sistema de
captação de energia solar que está sendo instalado no Laboratório de Fontes Renováveis de
Energia (LABFREN) da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG). O sistema é do
tipo fotovoltaico isolado (SFVI) e tem como finalidade, alimentar um sistema de produção
de hidrogênio eletrolítico.Um dos objetivos da pesquisa que está sendo conduzida no
LABFREN é avaliar o uso de um SFVI como fonte geradora de eletricidade, haja vista que
esse é um dos insumos principais do processo de produção de hidrogênio eletrolítico.

I. INTRODUÇÃO discutem-se os resultados obtidos. O trabalho é finalizado com
a apresentação das conclusões.
Ademanda global crescente por energia aliada a
preocupação cada vez maior com a questão ambiental II. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
exigem urgentemente, a diversificação da matriz
energética priorizando a inserção de fontes alternativas de A energia solar é a energia proveniente da luz e do
energia, dentre as quais destacam-se aqui os sistemas calor do Sol, que é aproveitada e utilizada por meio de
fotovoltaicos. Resumidamente, um sistema fotovoltaico é um diferentes tecnologias, podendo ser transformada em energia
sistema capaz de gerar energia elétrica através da radiação térmica ou elétrica [1]. Para a produção de energia elétrica a
solar. partir da energia sol existem dois sistemas: i) heliotérmico: a
irradiação solar é convertida inicialmente, em energia térmica e
Haja vista a importância dessa linha de pesquisa, a posteriormente, em energia elétrica;ii) fotovoltaico: a
Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), por meio irradiação solar é convertida diretamente em energia elétrica,
da Chamada CT-INFRA/2007, foi contemplada com a através do uso de células fotovoltaicas. Existem dois tipos
construção do Laboratório de Fontes Renováveis de Energia básicos de sistemas fotovoltaicos:
(LABFREN), no qual estão sendo desenvolvidas pesquisas
direcionadas para otimização, controle e automação do sistema  Sistemas isolados (off-grid), ou seja, não conectados
de geração elétrica por meio do uso de fontes renováveis e à rede elétrica. Utilizam baterias para armazenarem
armazenamento da energia na forma química, com a produção a energia elétrica e são normalmente, instalados em
de hidrogênio eletrolítico. O sistema disponibilizado pelo locais remotos;
LABFREN dispõe de equipamentos conectados e otimizados
independentemente, de modo que podem funcionar separada,  Sistemasconectados à rede (grid-tie), que
alternada e simultaneamente. substituem ou complementam a energia elétrica
convencional disponível na rede elétrica.
O sistema de captação de energia solar que está sendo
instalado é do tipo fotovoltaico isolado (SFVI), cuja finalidade A descrição dos componentes de um sistema
é alimentar um sistema de produção de hidrogênio eletrolítico. fotovoltaico típico é descrita a seguir [2] (Figura 1):
Um dos objetivos da pesquisa que está sendo conduzida no
LABFREN é avaliar o uso de um SFVI como fonte geradora de Painéis solares: comportam-se como o coração do
eletricidade, haja vista que esse é um dos insumos principais do sistema, “bombeando” a energia. São dimensionados conforme
processo de produção de hidrogênio eletrolítico. a energia requerida e têm como função transformar energia
solar em energia elétrica.
Este trabalho descreve uma etapa da implantação do
SFVI: dimensionamento do banco de baterias. O trabalho foi Controladores de carga: comportam-se como as
organizado da seguinte forma: inicialmente, apresenta-se uma válvulas do sistema. Servem para evitar sobrecargas ou
breve introdução sobre os temas energia solar fotovoltaica e descargas exageradas na bateria, aumentando sua vida útil e
SFVI. Em seguida, apresenta-se a metodologia aplicada para desempenho.
dimensionar o banco de baterias. Por fim, apresentam-se e
Inversores: comportam-se como o cérebro do sistema.
Recebido em agosto de 2016. Aceito em dezembro de 2016 São responsáveis por transformar a corrente contínua (CC)
produzida pelas baterias em corrente alternada (CA). No caso

6 Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017

dos sistemas conectados, também são responsáveis pela O sistema fotovoltaico do LABFREN é do tipo
sincronia com a rede elétrica. isolado, o qual é ilustrado na Figura 3. Este possui trinta
módulos fotovoltaicos de silício policristalino (Poly-Si) a
Baterias: comportam-se como os pulmões do sistema. serem conectados em uma associação série-paralelo em uma
Têm a função de armazenar a energia elétrica para que o caixa de conexões e terminais que reduz simultaneamente, a
sistema possa ser utilizado na ausência do sol. perda de energia e limita a dissipação de potência no conjunto
de células sombreadas. Um controlador de cargas é instalado
entre os módulos fotovoltaicos e ao banco de baterias a ser
dimensionado, protegendo as baterias contra cargas e descargas
excessivas. Em seguida, o banco de baterias é ligado ao
inversor, o qual converte a energia elétrica de corrente contínua
gerada pelos módulos e armazenada, em corrente alternada
para alimentar as cargas do laboratório.

Figura 1. Sistema fotovoltaico típico. Fonte: NEOSOLAR (2016)

III. SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO (SFVI) Figura 3. Sistema fotovoltaico isolado do LABFREN. Fonte: Autoria (Melyna
Os Sistemas Fotovoltaicos Isolados (SFVI) ou Simões)
autônomos, caracterizam-se por não se conectarem à rede
elétrica e são geralmente, construídos com um propósito local e IV. DIMENSIONAMENTO DO BANCO DE BATERIAS
específico. A energia produzida é armazenada em baterias que Também denominada de acumulador de carga ou de
garantem o abastecimento em períodos sem sol. Os SFVI são energia, a bateria é o elemento responsável pelo
constituídos por um bloco gerador, um bloco de armazenamento de energia gerada pelos módulos fotovoltaicos,
condicionamento de potência eum bloco de armazenamento acumulando energia para os períodos de pouca ou ausência de
(Figura 2). radiação solar. Atualmente, existem vários tipos de
acumuladores eletroquímicos. No caso de sistemas
Figura 2. Sistema Fotovoltaico Isolado típico. Fonte: Adaptada de [3] fotovoltaicos, ainda predominam as baterias de chumbo-ácido
(Pb-ácido). Entretanto, baterias mais modernas vêm sendo
O bloco gerador contém os arranjos fotovoltaicos, desenvolvidas, tais como as de níquel-cádmio (NiCd), níquel-
constituído por módulos em diferentes associações, o hidreto metálico (NiMH), íon de lítio (Li-íon) e ainda, a bateria
cabeamento elétrico que os interliga e a estrutura de suporte. O a gel, que apresenta vantagens em relação às tradicionais
bloco de condicionamento de potência possui inversores, baterias de chumbo-ácido pela maior eficiência, vida útil e
controladores de carga, dispositivos de proteção, supervisão e profundidade de descarga.Baterias especificamente projetadas
controle. O bloco de armazenamento é constituído por para sistemas fotovoltaicos são, usualmente, mais caras, mas
acumuladores elétricos e/ou outras formas de armazenamento. têm melhor desempenho de carga, o que pode ser importante
para locais isolados e com pouca infraestrutura de reposição.
Em sistemas fotovoltaicos isolados da rede elétrica,
deve-se utilizar dispositivos de armazenamento de energia para A capacidade de uma bateria é definida como sendo a
atender a demanda em períodos nos quais a geração é nula ou quantidade de eletricidade em ampères-hora (Ah)1,
insuficiente. No mercado, existem diversas formas de representada pelo resultado da corrente (A) e o tempo de
armazenamento de energia, tais como: supercapacitores descarga em (h) até a tensão final de descarga ser alcançada.
(armazenamento em campo elétrico), indutores com Na prática, as tensões nominais das baterias são: 12VCC,
supercondutores (armazenamento em campo magnético), 24VCC, 48VCC, 60VCC. Suas tensões máximas e mínimas estão
armazenamento em vetores energéticos como o hidrogênio. associadas aos equipamentos que serão ligados na saída da
Entretanto, a bateria eletroquímica ainda é o dispositivo mais bateria (ou seja, a carga) e, normalmente, são de 10% acima e
utilizado para armazenar a energia produzida por sistemas abaixo, respectivamente, da tensão nominal. O valor da tensão
fotovoltaicos. final por elemento para baterias de chumbo-ácido varia de 1,75
a 1,85 V/elemento (Tabela I).

1 Um ampère-hora (Ah) é uma unidade de carga elétrica e corresponde a 3600
coulombs (ampère-segundo), que é a quantidade de carga elétrica transferida
por uma corrente estável de um ampère durante uma hora. O Ah é
normalmente usado em medidas relacionado com processos eletroquímicos,
como por exemplo, em baterias elétricas e indica a duração de uma bateria.





Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017 9

Identificac¸a˜o e Controle PID de um Sistema de
Secagem de Gra˜os

M. C. Sarmento, G. Acioli Junior, P. R. Barros
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, PB

Departamento de Eng. Ele´trica
e-mail:[email protected] e {georgeacioli,prbarros}@dee.ufcg.edu.br

Neste trabalho sa˜o apresentados os resultados da aplicac¸a˜o de um me´todo de identificac¸a˜o
em um sistema de secagem de gra˜os para modelos de primeira ordem com atraso, fazendo
a comparac¸a˜o com outros dois me´todos. Fazendo uso do modelo obtido o projeto de
controle do sistema de secagem e´ realizado. Durante o estudo foi utilizado o protocolo
OPC (Open Platform Communications), um controlador lo´gico programa´vel (CLP) e um
sistema de secagem de gra˜os para a realizac¸a˜o das atividades.

I. INTRODUC¸ A˜ O II. PLATAFORMA EXPERIMENTAL

Atualmente, na literatura, existem diversos me´todos para A plataforma experimental utilizada durante o estudo e´
identificac¸a˜o de processos. Porem, muitos deles na˜o composta por um sistema de secagem de gra˜os, um controlador
sa˜o apropriados para o uso direto no projeto de logico programa´vel e um computador. No computador e´
controladores por resultarem um modelo de ordem muito alta. gerado o sinal de entrada a ser utilizado no CLP e guardado
Assim se faz necessa´rio a obtenc¸a˜o de modelos mais simples o sinal de sa´ıda lido pelo CLP. A comunicac¸a˜o entre o
ou a utilizac¸a˜o de te´cnicas de reduc¸a˜o de modelos baseadas em computador e o CLP e´ feita por meio do protocolo OPC.
modelos de primeira ou segunda ordem com atraso [1]. Modelos No CLP e´ implementada a logica responsa´vel por transformar
simples podem ser utilizados para a sintonia de controladores sinais gerados no computador para sinais de tenso˜es que sa˜o
na indu´stria. No projeto de controladores PID (proporcional transmitidos a` planta, como tambe´m a lo´gica para transformar
integral derivativo), o modelo de processo que recebe maior sinais de tensa˜o lidos em valores que sa˜o passados para
atenc¸a˜o e´ o modelo de primeira ordem com atraso [2]. Existem o computador. Na subsec¸a˜o seguinte e´ feita um explicac¸a˜o
diversos me´todos para a estimac¸a˜o de paraˆmetros para este detalhada do processo.
modelo, dentre eles se encontra o me´todo gra´fico proposto em
[3]. Um me´todo menos sens´ıvel a ru´ıdo e´ proposto em [4], no A. Sistema de Secagem de Gra˜os
qual os paraˆmetros para o modelo de primeira ordem com atraso
sa˜o estimado por meio do me´todo dos m´ınimos quadrados. A planta aqui estudada e´ um sistema que possui como
Existe ainda me´todos de reduc¸a˜o de modelo para modelos de objetivo a secagem de gra˜os. Sua estrutura esta´ ilustrada no
primeira ordem com atraso, como o me´todo proposto em [5]. diagrama da Figura 1 e e´ composta por dois tubos de ventilac¸a˜o.
O primeiro tubo, indicado por 2, e´ caracterizado pela varia´vel
Neste trabalho e´ aplicado o me´todo de identificac¸a˜o proposto manipulada e proveˆ ar quente por meio de um ventilador. A
em [2]. O me´todo faz uso da ana´lise no dom´ınio do tempo e da resisteˆncia, indicada por 3, serve para aquecer o ar. O segundo
frequeˆncia para estimar os paraˆmetros do modelo de primeira tubo, indicado por 1, e´ caracterizado pela varia´vel de distu´rbio
ordem com atraso. Para objetivo de comparac¸a˜o, os me´todos no e e´ composto por um ventilador que transfere o ar do ambiente
dom´ınio do tempo e no dom´ınio da frequeˆncia, presentes em para o sistema. A varia´vel de sa´ıda e´ obtida por meio de um
[2], sa˜o tambe´m utilizados. Com a necessidade de melhorar o sensor de temperatura, indicado por 4, acoplado pro´ximo a
desempenho da planta em estudo, foi projetado um controlador tela do secador de modo que se mec¸a a temperatura a que os
PI e um PID. Os me´todos usado foram proposto em [5] e em gra˜os esta˜o sendo submetidos.
[6] respectivamente.
O secador de gra˜os possui dois modos de operac¸a˜o, um
Este trabalho esta´ dividido nas seguintes sec¸o˜es. Na Sec¸a˜o automa´tico e um manual, que sa˜o selecionados por meio de uma
II e´ feita a descric¸a˜o da plataforma experimental em estudo. chave. No modo manual e´ poss´ıvel controlar a temperatura por
Na Sec¸a˜o III e´ feita uma breve descric¸a˜o do me´todo de meio de um potencioˆmetro, enquanto que no modo automa´tico
identificac¸a˜o aplicado. Na Sec¸a˜o IV sa˜o obtidos os modelos a temperatura e´ controlada por meio de um sinal de entrada.
para planta a partir da aplicac¸a˜o do me´todo de identificac¸a˜o.
Ja´ na Sec¸a˜o V os controladores PI e PID sa˜o projetados. Por O sinal de entrada, utilizado durante o modo automa´tico,
fim, na Sec¸a˜o VI e´ apresentada a conclusa˜o. deve ser mantido na faixa de 0 a 10 volts. Durante o estudo a
voltagem ma´xima utilizada foi de 8.5 volts. O sinal de sa´ıda
pode variar entre 0 e 10 volts.

Recebido em agosto de 2016. Aceito em dezembro de 2016

10 Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017

Figura 1. Diagrama do secador de gra˜os. Figura 2. Experimento em malha aberta para obtenc¸a˜o dos dados.

III. ME´ TODO DE IDENTIFICAC¸ A˜ O L(ωi) = 1 − arctan( k−2(ωi) − 1), (5)
ωi (φ(ωi)
Este me´todo de identificac¸a˜o consiste em estimar os
paraˆmetros de um modelo usando um sinal de excitac¸a˜o 1 k−2(ωi) − 1. (6)
que possua duas componentes de frequeˆncias, de modo que T (ωi) = ωi
seja poss´ıvel aplicar os me´todos no dom´ınio do tempo e da
frequeˆncia discutidos no mesmo artigo. Onde,

O sinal de excitac¸a˜o utilizado e´ ilustrado na Figura 3. k(ωi) = |G(jωi)| . (7)
Este sinal pode ser dividido em treˆs partes. Nos primeiros G(0)
trinta segundos do experimento se utiliza um rele para alcanc¸ar
a frequeˆncia cr´ıtica da planta, esta sera´ a parte do sinal que Sendo, G(jωi) e φ(ωi) o ganho e a fase do sistema em ωi,
representa a componente de alta frequeˆncia. Depois ocorre respectivamente.
um per´ıodo de excitac¸a˜o constante em 2000 para que o
sistema volte ao seu valor inicial e por u´ltimo um pulso Por fim, se obte´m os paraˆmetros para o me´todo no tempo/-
retangular e´ aplicado, este sinal representa a componente de frequeˆncia utilizando as Equac¸o˜es 8, 9 e 10.
baixa frequeˆncia.
Para a obtenc¸a˜o do modelo proposto e´ necessa´rio primeiro K = Kt, (8)
que se aplique o me´todo no tempo. Os paraˆmetros do modelo
de primeira ordem com atraso para o me´todo no tempo, Kt, Lt L = max(Lt, Lf ), (9)
e Tt, onde estes paraˆmetros representam o ganho do sistema, o
atraso e a constante de tempo, respectivamente, e sa˜o obtidos T = Tt + Tf . (10)
a partir das Equac¸o˜es 1, 2, 3 e 4. 2

K= tb y(t) , (1) IV. IDENTIFICAC¸ A˜ O DA PLANTA
u(t) (2)
0 Para que seja poss´ıvel projetar um controlador para a
tb planta e´ necessa´rio primeiro achar um modelo aproximado
que represente a dinaˆmica do sistema.
0
Na identificac¸a˜o da planta foi utilizado o me´todo proposto
tf =D tf =D tf =D em [2] para identificac¸a˜o de modelos de primeira ordem com
atraso.
y(t) − y(t) < α y(t),
Para a realizac¸a˜o deste experimento o circuito da Figura 2
0L 0 foi montado.

γ = φθˆ. (3) Como resultado, foram obtidos os dados apresentados na
Figura 3.
A Equac¸a˜o 3 esta escrita na forma de regressa˜o linear,
podendo assim ser aplicado o me´todo dos m´ınimos quadrados Foram enta˜o aplicados os me´todos descritos em [2] e a
para encontrar o paraˆmetro T . Onde, func¸a˜o de transfereˆncia (11) foi obtida,

γ = ln(y(t)) − ln((y(τ )),

φ = −(t − τ ), (4)

θˆ = 1 HF (s) = e−2.88s 0.9953 . (11)
. 95.51s +
T
T M 1

Sendo, y(t) a sa´ıda do sistema e τ o intervalo de tempo Para objetivo de comparac¸a˜o foram aplicados os me´todos do
D + L ≤ τ ≤ t. D representa a durac¸a˜o do pulso retangular. tempo e da frequeˆncia tambe´m descritos por [2]. Sendo assim,
duas outras func¸o˜es de transfereˆncia foram obtidas. O me´todo
E´ enta˜o aplicado o me´todo da frequeˆncia em ambas as no dom´ınio do tempo resultou na func¸a˜o de transfereˆncia (12),

componentes de frequeˆncia presentes no sinal de excitac¸a˜o HT M (s) = e−2s 0.832 1 , (12)
537.2s +
proposto. Ambos os paraˆmetros, Tf e Lf , sa˜o obtidos como
uma me´dia entre os paraˆmetros de cada frequeˆncia. E calculados

a partir das Equac¸o˜es 5 e 6.





Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017 13

Desenvolvimento e Implementação de Sistema de
Sensoriamento e Telemonitoramento em Tempo Real

de um Veículo off-road do Tipo Baja.

D.S. Barbosa, R. C. Calado, R. R. N. Lima, V.S. Moraes
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, PB

Departamento de Eng. Elétrica
E-mail: {diego.barbosa, rodrigo.calado, rodrigo.nunes, vinicius.moraes}[email protected]

Desde 2003, a Universidade Federal de Campina Grande é representada nas
competições do projeto SAE BRASIL pela equipe parahybaja, com um protótipo
veicular baja do tipo off-road. Com a evolução do projeto, se fez cada vez mais
necessário a implantação de um sistema embarcado para o acompanhamento do
veículo, otimização e compreensão do seu comportamento dinâmico real submetido a
situações adversas. Neste artigo está descrito detalhes do estudo, desenvolvimento e
implementação do sistema embarcado, painel, sensores de RPM, velocidade e nível de
combustível, além do sistema de telemonitoramento do veículo usando rádio
frequência.

I. INTRODUÇÃO aplicados no âmbito da competição por motivos de segurança
no abastecimento. Por fim, na seção VI, encontrar-se a análise
O Projeto Baja SAE BRASIL, promovido pela Society of dos resultados obtidos na implementação do sistema
Automotive Engineers (SAE), desafia estudantes de embarcado.
instituições de ensino superior ao desenvolvimento de
um protótipo veicular do tipo off-road para competições em I. TRANSMISSÃO EM TEMPO REAL SEM FIO
âmbito regional e nacional. A equipe Parahybaja, desde 2003 Para que fosse possível o monitoramento dos dados
representa a Universidade Federal de Campina Grande em tais gerados pelo microcontrolador, diretamente do Box, tornou-se
competições. indispensável a utilização de um transmissor e de um receptor
de altas frequências, para a obtenção dos dados.
A necessidade de um sistema embarcado robusto para
observação e coleta de dados do veículo em tempo real, se fez Em conformidade com a Figura 1, o kit APC220,
cada vez mais indispensável. Dados como nível de composto por um adaptador USB-TTL, um transmissor e um
combustível, velocidade, rotações por minuto do motor (RPM) receptor de rádio frequência, foi escolhido para exercer tal
e temperatura do óleo são necessários para o acompanhamento papel devido a um alcance, segundo o fabricante, de
do baja, otimização e compreensão do seu real comportamento aproximadamente 1000 metros em área aberta, estabelecendo
dinâmico submetido às situações adversas. Foi indispensável uma comunicação ponto-a-ponto, com frequência de operação
um estudo dos processadores, sensores e métodos disponíveis ajustável via software além do baixo custo em relação a outros
que atendesse aos requisitos de consumo, robustez, preço, produtos na mesma linha. O módulo APC220 possui uma
velocidade de transmissão/processamento de dados, além da alimentação de 5V e por isso são utilizados reguladores de
criação de protótipos, usados paralelamente com produtos tensão, pois o circuito é alimentado por uma bateria
comerciais para validação dos dados coletados. automotiva de 12V colocada junto ao sistema embarcado,
responsável por alimentar o circuito [1].
Na Seção II deste estudo, é descrita a motivação da
escolha do APC 220 para a transmissão em tempo real dos Figura 1. Kit APC220 [1].
dados por radiofrequência, assim como os desafios
encontrados na sua implementação no sistema embarcado. A
definição do estudo em relação ao microcontrolador, e o
desenvolvimento do painel para a visualização das
informações pelo piloto encontra-se na Seção III. Na Seção IV
são mostrados detalhes da implementação do hardware e do
software desenvolvido. A posteriori na Seção V é definida a
escolha dos sensores empregados nas medições de velocidade,
RPM e temperatura, assim como a descrição do
desenvolvimento de um sensor para medição do nível de
gasolina, visto que os sensores comerciais não podem ser

Recebido em agosto de 2016. Aceito em dezembro de 2016

14 Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017

Como o transmissor não possui biblioteca própria em vista que o veículo off-road participa de provas cuja a ação
para trabalhar no microcontrolador, é preciso descrever todo o externa, como impactos e escoamento de líquidos pela
processo de comunicação diretamente na IDE sem uso de superfície do envoltório são previsíveis no decorrer das
funções específicas para tal. Dessa forma, problemas como provas. O Painel de exibição dos dados é produzido por um
perca de pacotes, interferência e ruído não venham a distorcer envoltório de fibra de vidro e uma parte de acrílico que
as informações enviadas e recebidas. possibilita a visão dos dados informados ao piloto, ao mesmo
tempo em que protege o circuito e seus componentes de algum
Para garantir a integridade dos dados na comunicação material que possa adentrar no painel e prejudicar o seu
é feita uma transmissão de flags e caso essas variáveis não funcionamento.
sejam lidas, ele não reconhece o array de caracteres
subsequente, dessa forma é garantido que a partir dos O projeto do painel consiste em duas tampas, uma
resultados lidos pelo computador remoto, apenas os dados sem inferior e outra superior que podem ser fixadas, facilitando
perca de sinal serão interpretados pelo software. assim a manutenção no circuito e garantindo segurança para a
bateria que fica encapsulada pelo envoltório de fibra de vidro,
Para exibição dos dados coletados do veículo no material resistente e impermeável, além de garantir a proteção
computador foi a utilizado da interface para programação de aos displays informativos do circuitos que ficam na parte
aplicações (API) Processing, que trabalha com a linguagem de frontal do painel, representado na Figura 3, tais como: barra de
programação JAVA. Destacam-se os fatos considerados para a LEDs que sinalizam visualmente a rotação do motor e o nível
utilização dessa plataforma, possuir biblioteca própria para uso de gasolina no tanque, display de 7 segmentos que mostram
de aplicações que trabalhem com a porta serial, ser totalmente numericamente a velocidade instantânea do veículo, fusível
voltada para a implementação áudio visual, ser de fácil para proteção e chave de segurança utilizada para chavear o
aprendizado e a resposta do sistema é feita em tempo real. circuito e a bateria.
Dessa forma, a partir dos dados coletados via serial pelo
conjunto APC220 e adaptador USB-TTL, pode-se fazer uma
análise dos dados, interpreta-los, manipula-los e assim
desenvolver gráficos que ajudem a equipe a entender o
comportamento do BAJA a longa distância conforme a Figura
2, tem-se a interface de comunicação desenvolvida.

Figura 2. Software Desenvolvido no Processing Para Acompanhamento em Figura 3. Representação do Painel de Visualização.
Tempo Real dos Dados.
III. HARDWARE E SOFTWARE
II. MICROCONTROLADOR E PAINEL Software:

Para se fazer a automação do sistema fez-se necessário Para programação do micro controlador foi utilizada
a utilização de microcontroladores, pois eles possuem a IDE Arduino. Toda a rotina de operação do painel de
internamente memória para o programa, memória RAM para instrumentos é controlada por um programa interno (firmware)
os dados, e uma unidade de processamento. Decidiu-se a gravado no próprio chip, que realiza ciclicamente as seguintes
utilização do microcontrolador Atmega8U2, da Atmel, operações: leitura, tratamento, envio e exibição de dados.
montado na plataforma de prototipagem eletrônica Arduino Hardware:
UNO, baseados na sua taxa de processamento, consumo, preço
e quantidade de material disponível na literatura [2]. Este O hardware consiste na fabricação de duas placas de
microcontrolador permite o monitoramento dos sensores, a circuito impresso em uma máquina fresadora CNC conforme a
manipulação dos dados coletados, envio por radiofrequência Figura 4. Umas das placas contém o circuito que adeque os
(RF) e a exibição dos valores medidos no painel, por possuir sinais para a entrada no microcontrolador, o transmissor
todo hardware necessário para suportar o sistema, como portas APC220 e o próprio Arduino.
de leitura analógica (sensor de temperatura) e digital (sensores
de RPM, velocidade e gasolina), portas com saída PWM para Figura 4. Hardware do Sistema Embarcado.
exibição da barra de LED do RPM, e portas RX e TX para a
comunicação sem fio.

No projeto do painel, estudos de acessibilidade,
proteção e manutenção foram levados em consideração, tendo





Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017 17

Avaliação do OpenDSS como Ferramenta para
Estudos de Sistemas de Distribuição

Rivanildo A. Soares, Núbia S. D. Brito
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, PB

Departamento de Eng. Elétrica
e-mail: [email protected] e [email protected]

Os sistemas de distribuição de energia elétrica de todo o mundo tem passado por
mudanças significativas nos últimos anos, adquirindo as mais diversas configurações e
modelos. Estas mudanças são resultado da exploração crescente de novas fontes de
energia. Neste novo cenário da distribuição de energia, cada vez mais dinâmico e com
mais impactos sobre a rede, muitas ferramentas de estudo vêm sendo desenvolvidas.
Este trabalho insere-se nesse contexto e apresenta os estudos preliminares com o
OpenDSS, software adotado oficialmente pela ANEEL para estudos de sistemas de
distribuição. Simulações foram realizadas e constatou-se a capacidade de modelagem
de sistemas com o software.

I. INTRODUÇÃO Apesar do significativo crescimento, a evolução dos
sistemas de distribuição com GD tem enfrentado barreiras para
Nas últimas décadas, o notável crescimento populacional sua adoção. Uma delas é a incapacidade de se modelar, de forma
e tecnológico acabou deixando a sociedade cada vez adequada, suas variações ao longo do tempo [3]. Assim, por
mais dependente de eletricidade, sejam nos setores tratarem-se de novos modelos, ainda não existem ferramentas
industriais, comerciais ou residenciais. Esta necessidade por consolidadas para seu estudo. Buscando sanar tal deficiência,
energia elétrica acaba exigindo das distribuidoras um diversas iniciativas ao redor do mundo estão desenvolvendo
fornecimento cada vez mais confiável e com elevada softwares, metodologias e ferramentas para o estudo do
continuidade [1]. comportamento do novo formato do sistema elétrico. O
OpenDSS é uma destas ferramentas [4].
Paralelamente, o esgotamento de fontes de energia passou a
ser uma real preocupação para o contexto atual, tornando um Diante do cenário apresentado, este trabalho tem como
dos focos da produção energética no mundo contemporâneo a objetivo apresentar resultados de estudos preliminares sobre o
diversificação nos métodos de geração de eletricidade. Atrelado OpenDSS, software de referência da Agência Nacional de
a isto, o combate à decorrência de problemas ambientais torna- Energia Elétrica (ANEEL) desde junho de 2014 para estudos
se cada vez mais comuns, exigindo destes métodos alternativos referentes à Distribuição de Energia Elétrica nesse novo cenário,
impacto mínimo ao meio ambiente [2]. em particular para o cálculo das perdas técnicas.

Frente a carência mundial de energia confiável, eficiente e Assim, na Seção II é apresentado uma breve introdução a
renovável, o emprego de geradores distribuídos tem se essa ferramenta computacional, pontuando suas principais
destacado como alternativa, o que vem a contribuir no aumento características e funcionalidade. Na Seção III é abordado a
da confiabilidade dos Sistemas de Distribuição de Energia metodologia utilizada para avaliar o Software, discorrendo sobre
Elétrica (SDEE). Além disso, o aumento da eficiência as simulações realizadas e dos resultados obtidos para perdas
energética, a redução nas perdas de transmissão e distribuição e técnicas e tensão nos barramentos. Por fim, na Seção IV, aborda-
a flexibilidade de implantação pelo seu pequeno porte, são se as principais conclusões referentes a este trabalho.
fatores relevantes na disseminação destes equipamentos [1] [2].
II. O OPENDSS
No entanto, a inserção de geração distribuída (GD) na
rede de distribuição atual pode resultar também em O software Distribution System Simulator (OpenDSS) é uma
consequências negativas. Isso ocorre porque os sistemas ferramenta desenvolvida com o intuito de simular sistemas
elétricos de distribuição, quando criados, não contemplaram em elétricos, sendo aplicável principalmente, ao segmento de
seus projetos a GD e hoje estão sendo gradualmente alterados distribuição. Basicamente, tem como objetivo auxiliar nas
pela conexão deste tipo de unidades de geração. Com isso, etapas de planejamento, expansão e análise da qualidade de
alavancou-se estudos nesta área, e atualmente, existem muitas energia destes sistemas, criando modelos de simulação os mais
pesquisas já realizadas e em andamento buscando métodos próximos possíveis dos reais [5].
capazes de garantir o aumento no aproveitamento de sistemas
de produção distribuída de energia elétrica com os mínimos O OpenDSS está disponível para download gratuito, junto
impactos possíveis. com manual do usuário e exemplos de suporte, além de
existirem vários fóruns de discussão. O software permite ao
Recebido em agosto de 2016. Aceito em dezembro de 2016

18 Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017

usuário desenvolver simulações com uma interface de janelas se um sistema de distribuição largamente conhecido na
múltiplas, proporcionando organização dos scripts em uma literatura técnica e utilizado por pesquisadores e acadêmicos de
sequência lógica, de modo a deixá-los disponíveis a qualquer todo mundo[2][6]. Além disso, a ANEEL propõe que estudos
momento, conforme ilustrado na Figura 1. de fluxo de carga, em sistemas de distribuição de média e baixa
tensão, sejam obtidos contemplando o efeito do desiquilíbrio de
O software permite o estudo de alimentadores trifásicos, tensões, ou seja, em um sistema trifásico [5]. Devidos os fatores
bifásicos, monofásicos e desbalanceados, fornecendo suporte citados, escolheu-se para implementação o de 13 barras do
para análise em regime permanente, de faltas, de transitórios IEEE [7], mostrado na Figura 2.
eletromagnéticos, no domínio da frequência e de questões mais
atuais, a exemplo da inserção da GD e SmartGrid. [1][2].

Figura 1. Interface do OpenDSS.

Além da realização de estudos de fluxo de potência Figura 2. Diagrama trifilar para o sistema IEEE 13 barras.
instantânea (Snapshot Power Flow), o OpenDSS apresenta
outros modos de solução, que podem representar o O sistema de distribuição de 4.16 kV apresenta topologia do
comportamento dos sistemas com relação às variações do tipo radial com tronco principal medindo 1.5240 km, por tanto,
tempo, entre eles: fluxo de potência diário (Daily Power Flow); um alimentador curto e fortemente carregado. O sistema
fluxo de potência anual (Yearly Power Flow). Existe ainda, também apresenta banco de capacitores shunt, transformadores
outro modo de simulação, o AutoAdd, que seleciona a locação instalados nas linhas, cargas e linhas monofásicas, bifásicas e
ótima, tanto de banco de capacitores quanto de geradores trifásicas, sendo as cargas desequilibradas e com diferentes
distribuídos. Dentre os vários elementos de um SDEE que modelos de conexão. [7][8].
podem ser modelados, destacam-se aqui [2][5]:
Este alimentador, apesar de ser relativamente pequeno,
 Subestação: modelada pelo conjunto barramento (Source possui características interessantes e bem peculiares e por isso
Bus) e fonte (Source) trifásicos, sendo posteriormente é amplamente utilizado para testar as características de
editados para as características do sistema em estudo. softwares de análise de distribuição [7].

 Transformador: modelado com duas ou mais bobinas com B. Cálculo dos Erros nos Resultados das Simulações
conexões variáveis, tendo a conexão Y-∆ como padrão.
Para avaliar o potencial do OpenDSS como ferramenta de
 Regulador de tensão: modelado como um transformador modelagem, simulações no sistema-teste foram realizadas e os
de tensão com relação de transformação de 1:1, podendo ser valores obtidos foram analisados, levando-se em consideração
trifásico ou monofásico. os dados esperados, disponibilizados pelo IEEE (1993) [7].
Foram avaliadas as tensões e correntes nos barramentos (valores
 Cargas: modeladas considerando as parcelas ativas e instantâneos) e as perdas técnicas. Adotou-se como parâmetro
reativas da potência aparente nominal e o fator de potência. de avaliação o erro relativo percentual, calculado conforme
O software disponibiliza 8 (oito) modelos. Equação (1).

 Linha de distribuição: modelada como π, com E%  VLSim  VLEsp x100 (1)
capacitância shunt inserida por meio de sua impedância. VLEsp

 Bancos de capacitores: são definidos indicando-se o Sendo: E% = Erro Relativo percentual; VLSim = Valor obtido
número de fases e a potência reativa nominal. em simulação; VLEsp = Valor esperado.

III. MODELAGEM E METODOLOGIA DAS SIMULAÇÕES C. Perdas Técnicas

Os estudos iniciais que deram origem a este trabalho A primeira análise realizada neste estudo foi com relação às
consistem em avaliar a ferramenta no modelamento de sistemas perdas técnicas, verificando a potencialidade do OpenDSS em
de distribuição sem Geração Distribuída e, caso os resultados
sejam satisfatórios, prosseguir em uma outra etapa com estudos
levando em consideração a inserção de GD.

A. Sistema Teste

Para se avaliar a aplicabilidade do software OpenDSS como
ferramenta para modelamento de SDEE, inicialmente buscou-





Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017 21

AGRADECIMENTOS

Ao CNPq pelo financiamento do Projeto de Iniciação
Científica e ao Grupo de Sistemas Elétricos (GSE), pelo suporte
técnico.

REFERÊNCIAS

[1] S. B. Silva Jr, “Analise de operação de sistemas de distribuição utilizando
o OpenDSS,” Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São
Paulo, São Carlos – SP, 2010.

[2] J. A. Paludo, “Avaliação dos impactos de elevados níveis de penetração
da geração fotovoltaica no desempenho de sistemas de distribuição de
energia elétrica em regime permanente,” Dissertação de Mestrado,
Universidade de São Paulo, 2014.

[3] A. L. Betiol, “Desenvolvimento de Simulador Computacional Integrado
Para Projeto, Análise, Validação, Operação e Treinamento de Equipes de
Redes Inteligentes,” In Congresso Internacional de Distribución Eléctrica
(CIDEL), 2014.

[4] M. E. M. Souza, “Inserção de Microgeração Distribuída nas Redes de
Tensão: Implantação de Telhados Solares – Estudo de Caso Real,”
Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica), Universidade Federal de
Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais, 2014.

[5] Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), “Aprimoramento da
metodologia de cálculo de perdas na distribuição,” Nota Técnica n°
0057/2014, Brasília, Brasil, 11 jun. 2014.

[6] L. C. C. Imperial, “Avaliação do Impacto Técnico-Operacional da
Integração de Sistemas Fotovoltaicos no Controle dos Níveis de Tensão
das Redes de Distribuição,” In Conferencia Brasileira sobre Qualidade de
Energia Elétrica (CBQEE), Campina Grande, Paraíba, 2015.

[7] IEEE, “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control
in Electrical Power Systems”, IEEE Standard 519-1992, 1993.

[8] A. Rossini, “Estimação de Perdas Técnicas e Comerciais: Métodos
baseados em Fluxo de Carga e Estimador de Estado,” Porto Alegre,
Paraná, 2014.

22 Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017

Transistores HEMT GaN:
Uma Nova Expectativa na Eletrônica de

Potência

Luciano F. S. Alves, Gutemberg G. dos Santos Jr., Mateus C. Lucena
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, PB
Departamento de Engenharia Elétrica

e-mail: {luciano.alves, mateus.lucena}@ee.ufcg.edu.br e [email protected]

Transistores a base de Silício (Si) têm dominado o mundo da Eletrônica de Potência
pelo menos nos últimos dez anos, e os mesmos têm se mostrado eficiente nas mais
diversas aplicações. Porém aplicações de alta potência e alta frequência exigem mais do
que o Silício pode oferecer. No que diz respeito a estes eixos de aplicações, este artigo
mostra uma nova perspectiva na Eletrônica de Potência; os Transistores de Alta
Mobilidade Eletrônica a Base de Nitreto de Gálio (HEMT GaN).

I. INTRODUÇÃO eletrônica de potência, tais como micro-ondas e ondas
milimétricas de comunicações, imagem e radares [3].
Na Eletrônica de Potência (EP), melhorar a eficiência
dos dispositivos eletrônicos é crucial para reduzir as II. EXPECTATIVAS
perdas por comutação. Hoje em dia, a grande maioria
dos dispositivos de alimentação é feita de silício. Infelizmente, As principais expectativas em eletrônica de potência se
as propriedades físicas intrínsecas do silício têm limitações apresentam em torno de três eixos de aplicação: em alta
que, em alguns domínios, impedirão os dispositivos à base frequência, em alta potência e em alta temperatura. E é nessa
desse material de serem os candidatos para o futuro da trilha que caminham as novas tecnologias de semicondutores
eletrônica de potência. Como a qualquer momento os de potência. Na Figura 1 é mostrada a divisão dos principais
dispositivos de silício podem atingir os seus limites teóricos, dispositivos de potência, classificados por sua corrente, tensão
engenheiros e pesquisadores estão enfrentando o desafio de e frequência de operação.
aumentar as classificações de conversores em termos de
tensão de operação, temperatura de funcionamento e eficiência Os MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
[1]. Transistor) são encontrados em aplicações que demandam
pequenos inversores (Watt à kW), como telefones celulares,
A busca de uma solução para as limitações de silício leva a dispositivos de comunicação, equipamentos de áudio e muitos
investigações de materiais de grande banda proibida (BP), outros.
como Carboneto de Silício (SiC) e Nitreto de Gálio (GaN).
Em comparação com o silício, os principais benefícios destes O desempenho do IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
materiais são uma boa operação em uma ampla faixa de está melhorando regularmente com a tecnologia e já substituiu
temperatura, alta rigidez dielétrica e a alta velocidade de o transistor bipolar na EP. Além disso, módulos de potência
saturação. Componentes de potência de SiC têm sido objeto de IGBT, combinando paralelamente vários dispositivos IGBT,
extensa pesquisa nos últimos quinze anos [2]. No entanto, são atraentes para níveis de potência até vários Megawatts. A
apesar dos notáveis resultados obtidos por várias equipes, frequência de funcionamento do IGBT é relativamente baixa,
componentes de SiC devem ser cultivados em substratos que principalmente por causa de um fenômeno durante o bloqueio
são caros e relativamente pequenos em tamanho (100 mm de do transistor, conhecido como cauda de corrente. IGBTs e
diâmetro). Por outro lado, componentes de GAN podem ser módulos IGBT são utilizados em aplicações que utilizam
cultivados em substratos de silício, que são de baixo custo e de inversores com uma potência de comutação variando de kW à
tamanho maior (150 a 200 mm de diâmetro). Portanto, para MW, tais como condicionadores de ar, refrigeradores,
dispositivos tais como HEMT (High Electron Mobility ferrovias, fabricação de papel etc. [3].
Transistor), o GaN é o material de escolha. O Transistor de
Alta Mobilidade Eletrônica, cuja primeira implementação foi O tiristor é a única escolha em aplicações de potência muito
realizada pela Fujitsu em 1980 [2], pode ser considerado uma elevada. O problema com os tiristores é que, uma vez que
evolução natural da super rede de dopagem modulada. Graças passa a conduzir, o Gate perde o seu controle sobre o
às propriedades dos materiais GaN em conjunto com a dispositivo. Para resolver este problema, o tiristor gate turn-off
topologia do HEMT, os HEMTs GaN são agora fortes (GTO) foi introduzido mais tarde, tratando-se de um
candidatos a dispositivos para aplicações de alta frequência interruptor totalmente controlável que pode ser ligado e
com alta potência e baixo nível de ruído que vão além da desligado livremente. No entanto, enquanto tiristores são
utilizados na forma de aplicações de alta tensão, GTOs são
usados apenas em média tensão. Dispositivos baseados em

Recebido em agosto de 2016. Aceito em dezembro de 2016





Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017 25

A análise destas propriedades é mostrada na Figura 4. Uma Onde 0 é a frequência fundamental de comutação; é o
alta rigidez dielétrica e uma alta banda proibida permitem a
operação com altos valores de tensão e temperatura. A alta tempo de comutação; 0 é tempo de condução e = 0 .
frequência de comutação é atribuída à alta velocidade de
saturação dos elétrons e alta mobilidade. A partir da Figura 4,
pode concluir-se que o SiC é a melhor escolha para aplicações
de alta temperatura. O GaN tem uma vantagem adicional em
comparação ao SiC: maior mobilidade dos elétrons. Isto se
traduz em um dispositivo GaN com um tamanho menor para
uma dada resistência de condução e tensão de ruptura.

Figura 5. Função temporal (trapezoidal)

Analisando as Figuras 6 e 7, percebe-se que a amplitude

máxima de decresce em 1 até 1 e então depois começa a


decrescer a 12. Note-se também que os termos 0 e τ

determinam o envelope do espectro. O espalhamento do

espectro de alta frequência, caracterizado por estes parâmetros

é indesejável porque a transmissão de perturbações é

favorecida pelo acoplamento capacitivo. A extensão do
espectro é diretamente proporcional ao tempo de comutação τ,

Figura 4. Comparação entre o Si, 4H-SiC e GaN como mostrado nas Figuras 6 e 7. Portanto o tempo de

Fica claro que as aplicações de alta potência e de alta comutação aparece como um fator importante na difusão do
frequência exigem mais do que o silício pode oferecer. O SiC
é esperado para cobrir aplicações de alta potência e baixa espectro perturbação.
frequência enquanto o GaN abrange as aplicações a alta
frequência de potência moderada.

V. REDUÇÃO DA INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA

Umas das principais características dos conversores Figura 6. Influência do tempo de comutação sobre a repartição espectral (t =
estáticos é a comutação dos semicondutores de potência. Esta 30ns).
operação dá ao conversor uma eficiência muito elevada; por
outro lado, dá lugar a numerosas perturbações
eletromagnéticas causadas principalmente por semicondutores
de comutação rápida [8]. Os distúrbios se espalham para a
fonte de alimentação do conversor e para a carga; uma
pequena fração desta energia é irradiada. Porém, graças a alta
mobilidade eletrônica e alta velocidade de saturação dos
HEMT GaNs, esses distúrbios podem ser minimizados, uma
vez que o tempo de comutação é consequentemente menor que
aqueles de silício.

Na Figura 5 é mostrada a representação gráfica de uma
função trapezoidal, na qual pode representar o processo de
comutação dos transistores de potência. A corrente de
condução e a tensão são determinantes quanto ao
espectro final da perturbação, portanto, o conteúdo harmônico
dessas fontes deve ser conhecido. A decomposição em série de
Fourier de sua função temporal (trapezoidal) leva a expressão
(5.1) para a amplitude An dos harmônicos.

= 2 sin(∗ 0∗0) sin(∗ 0∗) (5.1)
∗ 0∗
∗ 0∗0 Figura 7. Influência do tempo de comutação sobre a repartição espectral (t =
300ns

26 Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017

VI. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Neste artigo foram mostradas, através das propriedades dos
materiais, novas expectativas na eletrônica de potência quanto
à utilização de semicondutores de alta banda proibida.
Análises por comparação entre o Si e o GaN foram realizadas
em termos de tensão de ruptura e resistência de condução, no
qual se traduz em menos perdas para tensões mais elevadas de
aplicação. Também foi justificada a utilização dos transistores
HEMT GaN como um forte candidato para aplicações de alta
frequência, alta temperatura e potência moderada assim como
para redução da interferência eletromagnética na eletrônica de
potência.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Conselho Nacional de
Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), a
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível
Superior (CAPES), a Escola Nacional Superior de Energia,
Água e Meio Ambiente (ENSE3), ao Laboratório de
Engenharia Elétrica de Grenoble (G2Elab) e ao Departamento
de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Campina
Grande (DEE).

REFERÊNCIAS

[1] M. Toyota, Z. L. Liang, Y. Akita, H. Miyata, S. Kato, and T.
Kurosu, “Application of Power Electronics Technology to
Energy Efficiency and CO2 Reduction,” Hitachi Rev., vol. 59,
no. 4, p. 141, 2010.

[2] I. Batarseh, “The Power MOSFET,” in Power Electronics
Handbook, 2001, pp. 78– 79.

[3] T. Egawa, “Development of Next generation Devices Amidst
Global CompetitionDue to Their Huge Market Potential,”
Ultimate in Vacuum ULVAC, no. 63, pp. 18–21,
2012.

[4] B. J. Baliga, Fundamentals of power semiconductor devices.
Springer, 2010.

[5] E. Bahat-Treidel, “GaN Based HEMTs for High Voltage
Operation,” Technischen Universität Berlin, Germany, 2012.

[6] D. A. Grant and J. Gowar, Power MOSFETs: Theory and
Applications. WileyInterscience, 1989.

[7] Gallium Nitride Processing for Electronics, Sensors and
Spintronics. .

[8] M. T. Veety, Four Terminal Gallium Nitride MOSFETs. 2011.

Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017 27

Implementação de um Braço Robótico em Escala

Reduzida para Estocagem Industrial (AJJJ robot)

Arthur S. Souza, Túlio C. de Albuquerque, Raimundo C. S. Freire
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, PB
Departamento de Eng. Elétrica

e-mail: {arthur.souza, tulio.albuquerque}@ee.ufcg.edu.br, [email protected]

Uma preocupação recorrente nas grandes indústrias nos dias atuais é relacionada a
maximização da eficiência do seu processo de trabalho sem deixar de lado a
segurança dos seus funcionários. Neste artigo foi proposta uma solução para o
problema da segurança dos funcionários, bem como uma análise e uma descrição dos
conhecimentos que foram necessários para o desenvolvimento de um braço
semiautomatizado, mostrando algumas etapas do processo de implementação. Por
fim, são apresentados os resultados, como a interligação entre software e hardware,
as limitações, análise e discussão do modo como o software foi implementado
propondo formas de melhorar esta solução.

I. INTRODUÇÃO II. MATERIAIS E MÉTODOS

Desde os primórdios, os seres humanos têm utilizado Nesta seção, são apresentados conceitos, descrições,
ferramentas e utensílios que auxiliam na realização de limitações, e sugestões de implementação do software AJJJ
diversas atividades cotidianas relacionadas às suas Robot, pensado como um instrumento de automação
necessidades de sobrevivência [1]. industrial. Em seguida, são apresentados os materiais
utilizados e suas respectivas definições e aplicações.
Dessa forma, pode-se notar uma grande mudança nas
diretrizes de produção e estocagem, nos últimos tempos. Com A. Plataforma Arduino
base nesse contexto, a automação industrial é utilizada pelas
empresas como um artifício para aumentar a eficiência e O Arduino é uma plataforma eletrônica de hardware com
reduzir os custos. Essa automação manufatura vários placa única, projetada com um microcontrolador Atmel AVR
processos na indústria por meios mecânicos e automáticos, com suporte de entrada/saída embutido e linguagem de
provocando a substituição do ser humano por máquinas e programação padrão [7].
equipamentos [2], [3].
Esse sistema é usado para criação de ferramentas de
Dentro de um contexto industrial, pode-se definir controle, medição, simuladores em menor escala, entre outras
automação como a tecnologia que dispõe da utilização de funcionalidades, com baixo custo de desenvolvimento. Pode-
sistemas mecânicos, eletroeletrônicos e computacionais para se desenvolver com ele objetos interativos independentes,
operação e controle de processos. Hoje, diversos exemplos de além de conectá-lo a um computador hospedeiro.
automação podem ser encontrados nas linhas de produção
industriais, tais como: robôs, sistemas controlados para Uma placa Arduino é composta por um controlador, linhas
produção com realimentação e mecanização de máquinas de de entrada (pinos) e saída digital e analógica, além de uma
montagem [4], [5] e [6]. interface serial ou USB, para interligar-se ao computador
hospedeiro, que é usado para programar a placa e interagir
Pensando nessas circunstâncias, foi proposto o com ela em tempo real. A interface do hospedeiro é simples,
desenvolvimento de um braço robótico semiautomatizado, podendo ser escrita em várias linguagens de programação [8],
elaborado com o auxílio de uma impressora 3D, que tem a [9].
finalidade de facilitar a manipulação de caixas no processo de
estocagem industrial. Esse protótipo é programável e flexível, Basicamente, o funcionamento do Arduino se dá pelo
além de possuir uma interface para a comunicação com o recebimento e processamento de um caractere via porta serial
usuário, permitindo uma maior eficiência em todo o para realização de uma atividade de acordo com o que foi
procedimento.

Recebido em agosto de 2016. Aceito em dezembro de 2016



Jornal PET Elétrica, Seção Técnica, Volume 1, Número 1, Março de 2017 29

3. Manipulação dos motores. Figura 3. Tela de login.

A modelagem do braço foi realizada no Sketchup devido à Na Figura 4, pode-se ver o protótipo do braço.
facilidade de uso e à qualidade do software. Visou-se um
design inovador e aprimorado. A impressão aconteceu em uma
impressora 3D, via o software Repetier-Host.

Primeiramente, foi montada uma interface gráfica em que
o usuário pode entender facilmente o que é necessário para a
utilização do software. No caso, o cadastro e login. Toda a
interface é baseada em um sistema de telas interligadas, nas
quais o usuário é direcionado na plataforma por meio de
controles específicos para cada ação. Durante o processo, o
usuário pode inserir ou retirar o produto da prateleira.

Em relação à manipulação dos motores, no Arduino, que
está conectado com a interface via comunicação serial, o
usuário irá escolher uma posição para colocar ou retirar o
produto. Feita a escolha, uma combinação da rotação dos
motores é suficiente para movimentar o braço, de acordo com
a programação feita previamente.

III. ANÁLISE DOS RESULTADOS

Após o término do projeto, tem-se como resultado uma
junção entre software e hardware funcionando e atendendo as
especificações.

Na Figura 2, é exibida a tela inicial do AJJJ Robot.

Figura 4. Estrutura do braço semi-automatizado.

Figura 2. Tela inicial. No projeto AJJJ Robot, limitações durante seu
funcionamento podem ser observadas, devido principalmente
Na Figura 3, é mostrada a tela de login da AJJJ Robot, na qual ao uso de servo motores. Apesar deles deixarem o processo
o usuário tem as opções de fazer o login e de realizar o muito rápido, essa velocidade pode resultar em danos,
cadastro no programa. especialmente que objetos frágeis são manipulados. Além
disso, ainda não foi utilizado um banco de dados, em virtude
do tempo para elaboração do projeto. Entretanto, é importante
ressaltar que as limitações não comprometem o desempenho
da atual versão do programa e que grande parte delas podem
ser corrigidas a partir de estudos específicos para resolver os
problemas citados e aumentar assim a aplicabilidade do
conjunto.

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VI. CONCLUSÃO

O projeto desenvolvido atingiu o objetivo principal, que é
controlar um braço semiautomatizado e, por meio de uma
interface gráfica de fácil entendimento e de um robô em escala
reduzida, substituir o trabalho humano.

O AJJJ Robot permite a otimização de processos
industriais, por meio de fatores que necessitam apenas de
capacitação técnica e evitam o uso da força humana. Além
disso, contribui com a segurança no trabalho, visto que a
atividade é efetuada pela máquina e não pelo operador.

Mesmo que algumas limitações tenham sido observadas no
programa, isso não diminuiu ou atrapalhou o propósito do
trabalho. É possível notar que o software e hardware
necessitam de otimizações, tais como a substituição dos
motores, por outros com maior exatidão, sofisticação da
interface gráfica, implementação de um banco de dados,
dentre outras.

REFERÊNCIAS

[1] F. Pazos, Automação de sistemas & robótica, Rio de Janeiro, 2002.

[2] Barrett Technology Inc., “WAM Arm”. Available at

http://www.barrett.com/robot/products-arm-specifications.html (Abril de

2016).

[3] KUKA, “Youbot Arm”. Available at http://www.kukayoubot.com

(Abril de 2016).

[4] Meka Robotics, “A2 compliant arm”. Available at

http://www.mekabot.com/arm.html (Abril de 2016).
[5] M. Quigley, A. Asbeck and A. Ng, “A low-cost compliant 7-DOF

robotic manipulator”. Shanghai, 2011.
[6] W. G. Hao, Y. Y. Leck and L. C. Hun,” 6-DOF PC-Based Robotic Arm

(PC-ROBOARM) with efficient trajectory planning and speed control”.

Kuala Lumpur, 2011.

[7] “What is Arduino?,” Available at https://www.arduino.cc/ (Abril de

2016).

[8] S. L.dos Santos, Concepção e desenvolvimento de uma interface gráfica

para interação tridimensional, Porto Alegre, 2009.

[9] C. M. Brandão Pereira, Desenvolvimento de uma interface gráfica e de

uma base de dados para um dispositivo médico de electroterapia,

Coimbra, 2011.
[10] McRoberts, Michael. “Arduino Básico”. Novatec, 2011.

[11] “Repetier-Host, Available at

https://www.repetier.com/documentation/repetier-host/slicing/ (Março

de 2016).

[12] “Sketchup,” Available: https://www.sketchup.com/pt-BR (Março de

2016).

[13] “Cross-plataform Qt Creator IDE”. Available at

https://wiki.qt.io/Main_Page (Maio de 2016).
[14] Summerfield, Mark and Blanchette, Jasmin. “C++ Gui programming

with qt 4”, 2006.
[15] JRyannel, JThelin. “Qt5 Cadaques”, 2015.