Implementacao analisador sinais elétricos - sistema monofásico

Edson Bittar Henriques pebh@uol.com.br www.projebh.com
QUALIDADE DE ENERGIA
IMPLEMENTAÇÃO DE UM SOFTWARE ANALISADOR DE
SINAIS
PARA CIRCUITOS MONOFÁSICOS
Data: 26/02/2017
Revisão 1

1. Introdução
Este artigo apresenta o desenvolvimento de um software para análise de sinais para verificar a
qualidade de energia em circuitos monofásicos. Ele tem como “input” os dados de medição
obtidos por exemplo de um osciloscópio USB que gera um arquivo de dados de tensão x tempo
numa certa frequência de amostragem.
Osciloscópio USB é um produto composto de uma pequena unidade eletrônica que se conecta
a um computador via porta USB e um software dedicado para este computador, o conjunto se
torna similar a um osciloscópio convencional, disponibilizando os ajustes típicos de um
osciloscópio e visão das formas de onda, espectro de frequências e outras variáveis no
microcomputador. O uso dos dois canais do osciloscópio possibilita uma posterior análise (em
software de análise de sinais) de parâmetros derivados de duas variáveis, como potência que é
função de tensão e corrente.
2. Recursos
O conjunto completo faz análise para um circuito monofásico e é formado por 3 partes:
- hardware 1: osciloscópio USB com dois canais, para captação de dados ;
- software 1: aplicativo do osciloscópio USB , que grava dados em arquivo (exporta), adquirido
junto como o osciloscópio USB;
- software 2: software aplicativo para análise de sinais desenvolvido para ler automaticamente
este arquivo, processar a informação e produzir os resultados desejados (vide funções abaixo).
Fig. 1 – Osciloscópio USB e software do osciloscópio

3. Funções implementadas no software 2 (para análise de sinais)
3.1. Para canal único
- detecção de harmônicas e apresentação do espectro
- cálculo de valores eficazes, distorção harmônica THD
Obs: o próprio software do osciloscópio já apresenta o valor eficaz, neste caso foi implementado
no software adicional como redundância e verificação, apenas.
3.2. Para dois canais (um com V e outro com I):
- detecção de harmônicas de V e I e apresentação dos espectros
- cálculo de valores eficazes de corrente e tensão, distorção harmônica de corrente (THDi) e de
tensão (THDv), potencia aparente, potência ativa, fator de potência real (true rms).
- apresentação de curva potência x tempo
4. Metodologia
Osciloscópio USB utilizado: DMA Scope USB da DMA Electronics
Obs: o osciloscópio lê tensão v(t) , para monitorar corrente basta usar um resistor de pequeno
valor (para ele não afetar muito o resultado) em série com a carga, suficiente para que a tensão
sobre ele seja lida pelo osciloscópio, assim i(t)=v(t)/R.
Software de processamento da análise dos sinais (desenvolvido no Matlab):
1 – Leitura automática do arquivo de dados exportado pelo osciloscópio:
O programa faz leitura automática do arquivo dados exportado pelo osciloscópio, para isso
utilizei o comando “importdata “ do Matlab.
2 – Análise da potência ativa
- A potencia instantânea é p(t)=v(t).i(t) , que é calculada ponto a ponto no domínio do tempo,
dentro do período T, sua curva é apresentada na tela .
A potência média ativa num período T é :
Pmed = energia/T = 1/T. ∫ 𝑝(𝑡). 𝑑𝑡
𝑇
0
que deve ser resolvida por métodos numéricos, por exemplo pela integração por trapézios.
Obs: esta potência média é o consumo (W) do circuito em questão em regime permanente, valor
que deve estar próximo da potência nominal da carga (em W).
3 – Análise de harmônicas
- usei a função FFT do Matlab, que efetua a transformada de Fourier, aplicando-a aos sinais de
v(t) e i(t) obtemos resultados que nos permite determinar os valores eficazes das componentes
harmônicas.
4 – Resultados principais

Uma vez conhecidas as componentes harmônicas podemos determinar os parâmetros abaixo:
Irms = √𝐼12 + 𝐼22 + ⋯ + 𝐼𝑛2
THDi = √𝐼22 + 𝐼32 + ⋯ + 𝐼𝑛2 / I1
Vrms = √𝑉12 + 𝑉22 + ⋯ + 𝑉𝑛2
THDv = √𝑉22 + 𝑉32 + ⋯ + 𝑉𝑛2 / V1
S=Vrms . Irms (valor da potência aparente)
FP real = Pmed/S (fator de potência real “true”)
5. Sistema para aquisição dos dados
Interligações elétricas
Fig. 2 – Esquema de interligações
Notas:
1. O voltímetro e amperímetro são opcionais, foram incluídos para verificação de
anormalidades e segurança.
2. A bobina de N espiras abraçada pelo alicate amperímetro foi usada para se multiplicar
a corrente por N=20, para sensibilizar o amperímetro que eu dispunha, que não está
adequado a ler correntes muito baixas.

Fig. 3 - Foto - interligações
6. Exemplo de Aplicação
Análise de circuito de uma lâmpada led 9W
Tela do micro com software do osciloscópio
Dados e resultados numéricos:

>> ana2sinais_osc7
ANÁLISE DE SINAIS NO DOMÍNIO DO TEMPO E DA FREQUÊNCIA - EBH
frequencia da alimentação (Hz) =60
resistencia no canal B (ohms) =15
Frequencia de amostragem (Hz) =3750
Canal A:
tempo inicial canal A =0
va (dentro de 1 período da fundamental) =
-132.9411
-144.1862
-153.1823
-161.0539
-165.5519
-168.9254
-170.0500
-171.1745
-171.1745
-171.1745
-168.9254
-164.4274
-157.6803
-148.6842
-137.4391
-125.0695
-111.5754
-95.8322
-80.0890
-63.2213
-45.2292
-29.4860
-12.6183

5.3739
23.3661
40.2337
55.9769
72.8446
88.5877
104.3309
118.9496
132.4437
142.5643
153.8094
160.5565
166.1790
169.5526
170.6771
171.8016
171.8016
171.8016
170.6771
166.1790
158.3075
150.4359
139.1908
126.8211
113.3270
97.5838
81.8407
63.8485
48.1053
32.3621
15.4945

-2.4977
-20.4899
-37.3576
-54.2253
-69.9684
-85.7116
-101.4547
-118.3224
-129.5675
Valor máx (pico): Va_pico(V)= 171.8016
Valor eficaz do sinal: Va_rms(V)= 124.1496
Va_pico/Va_rms =1.3838
THD_Va(%) = 1.5902
Canal B:
tempo inicial canal B =0.00013333
vb (dentro de 1 período da fundamental) =
-0.9092
-4.8652
-5.0986
-3.5752
-2.5555
-2.2237
-1.6340
-1.3883
-0.9706
-0.3317
0.1843
0.1597

0.0983
0.1720
0.0860
0.0983
0.0983
0.0983
0.0983
0.0737
0.0983
0.0860
-0.1106
-0.0614
-0.2089
-0.1474
-0.0860
-0.1229
-0.1106
-0.1229
0
0.3071
4.9143
5.0003
3.7840
2.5309
2.1377
2.0640
1.5234
0.9583
0.4914
-0.1351
-0.1351

-0.1597
-0.1351
-0.1597
-0.1106
-0.0983
-0.1229
-0.1106
-0.0983
-0.0737
-0.1229
-0.0737
0.2089
0.0983
0.0983
0.0983
0.1720
0.0491
0.0983
0.0983
0.0983
Valor máx (pico): Vb_pico(V)= 5.0003
Valor eficaz do sinal: Vb_rms(V)= 1.6238
Vb_pico/Vb_rms =3.0793
THD_Vb(%) = 127.7315
Caso o canal A seja a tensão e o B seja a corrente (ou R.I) num circuito, temos:
Valores por fase:
Veficaz(V) = 124.1496

Ieficaz(A) = 0.10826
Ipico/Ieficaz =3.0793
Potência ativa (W) = 7.674
Potência aparente (VA)= 13.44
Fator de potência (true rms) = 0.57098
THD_V(%) =1.5902
THD_I(%) =127.7315
obs: resultados numéricos na memória disponíveis nos vetores Va, Vb, I,
que são valores eficazes em unidades do SI das componentes harmônicas e
o índice do vetor é a ordem da harmônica ex: Va(5) é 5a harmônica
Anexo gráficos

GRÁFICOS

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