Revista Fas@ Elétrica by Faculdades Santo Agostinho

Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas Santo Agostinho

Editor Técnico José Albuquerque Junior

FAS@ELÉTRICA . Revista Científica do Curso de Engenharia Elétrica . v.1, n.1/2011

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Editorial A Revista Eletrônica de Engenharia Elétrica - Fas@elétrica foi criada em 2012, como resultado da evolução natural dos trabalhos e atividades desenvolvidos em seminários e simpósios das Faculdades de Ciência Exatas e Tecnológicas Santo Agostinho – FACET de Montes Claros. Esta Revista será mais um meio de publicação acadêmica que tem seu público-alvo composto pela comunidade de Engenharia de Engenharia Elétrica, formada por professores e alunos de graduação e pós-graduação, além de profissionais atuantes empresários nesta área e em outras áreas correlatas. A Revista tem como objetivo fomentar a disseminação de conhecimento em Engenharia Elétrica, através da publicação de artigos que apresentem conceitos, metodologias e resultados teóricos e práticos que contribuam para o desenvolvimento das empresas, dos profissionais, da sociedade e da produção científica. A informação técnico-científica é essencial para o desenvolvimento tecnológico, econômico e social mesmo considerando os problemas de distribuição e disseminação de periódicos impressos, a Revista Eletrônica Fas@elétrica optou por se tornar um veículo de publicação eletrônico. A política editorial da revista está idealizada na concepção do acesso livre e gratuito na disseminação do conhecimento científico.

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Sumário Análise de modelos de predição de perda de percurso para canais de comunicações sem fio com abordagem em larga e pequena escala. Welson Soares Silva; José Albuquerque Junior.......................................

Estudo comparativo entre as tecnologias Wimax e Wifi utilizando simulador NS. Rafael A. Gomes Leal; Nilton Alves Maia........................

Automação residencial e acionamento remoto utilizando sistema PABX. Charles Cleber Ferreira de Sousa; Ramon Risério Dourado Leite..........

A influência ambiental na utilização das turbinas tipo bulbo na geração de energia. Marcelo Soares Manjud Maluf; Celso Luiz Gonçalves..........

Estudo de eficiência energética em congeladores. Orlando Felipe de Castro Guimarães; Ramon Risério Dourado Leite...................................

Utilização de rede sem fio de baixo custo para um sistema de automação. Fernando Fonseca Cardoso; Edjardes Mendes Felix; José Albuquerque Junior...................................................................................

Projeto de eficientização do sistema elétrico de uma cerâmica. Saulo Fernandes Costa; Marcus Vinicius Pimenta.............................................

Eficientização do chuveiro elétrico com vistas à redução do consumo de energia elétrica. Ronan Nunes Lara; Marcus Vinícius Pimenta Rodrigues..................................................................................................

Modelagem e previsão de distorções harmônicas para o dimensionamento de condutores em instalações elétricas residenciais. Daniel G. Schmidt; Nilton Alves Maia ......................................................

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Análise de modelos de predição de perda de percurso para canais de comunicações sem fio com abordagem em larga e pequena escala"" " " " Eng. Welson Soares Silva; Ms. José Albuquerque Junior

Tguwoq< Este trabalho reúne, em uma abordagem em larga escala, alguns dos principais modelos de predição de perda de percurso para diferentes ambientes e frequências entre 150MHz a 2.000MHz. O trabalho aborda também o problema de desvanecimento rápido em um canal de comunicação sem fio, o qual é tratado em termos estatísticos por uma função densidade de probabilidade de Rayleigh ou Rice. Do ponto de vista computacional, a análise desses modelos se deu por meio de simulação feitas no MATLAB® e MathCAD®, comparando-se os diferentes modelos matemáticos em diferentes ambientes. Rcncxtcu/ejcxg< Modelagem matemática, perdas em larga escala, atenuação rápida, múltiplos percursos, dispersão. Cduvtcev< This work brings together in a broad approach, some of the leading models for predicting path loss for different environments and frequencies from 150MHz to 2.000MHz. The work also addresses the problem of fast fading in a wireless communication channel, which is treated in statistical terms by a probability density function of Rayleigh or Rice. From the standpoint of computational analysis of these models was done through simulation done in MATLAB® and MathCAD®, comparing the different models in different environment. Mg{yqtfu< Mathematical modeling, large-scale loss, fast fading, multipath dispersion, cattering.

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3"KPVTQFWÑ’Q" Para um sistema de comunicação ser concebido é necessário antes resolver a questão de qual canal transmitirá as informações e como esse canal pode ser modelado matematicamente, seja para canais guiados ou canais sem fio. Modelar um canal é representar, matematicamente ou por simulação, o comportamento do sinal no meio físico, de modo que se possa avaliar o desempenho do sistema de comunicação em questão. Os modelos de propagação que revêem a intensidade média do sinal e a média local, para grandes distâncias de separação entre transmissor e receptor, são chamados de modelos de propagação em larga escala. Esses modelos buscam descrever o comportamento médio do sinal e sua intensidade para grandes distâncias, geralmente centenas ou milhares de metros, enquanto que os modelos que caracterizam variações instantâneas na intensidade do sinal recebido para distâncias muito curtas, apenas alguns comprimentos de onda ou para intervalos de tempo na ordem de segundo, são chamados de modelos em pequena escala [1]. A atenuação em larga escala é referida por alguns autores como desvanecimento lento (slow fading) ou ainda como termo longo, enquanto que a atenuação em pequena escala é referida como termo curto ou atenuação rápida (fast fading). A atenuação em pequena escala é um processo estocástico, cujo espaço amostral é descrito por uma função densidade de probabilidade, onde o comportamento do canal e considerado como uma série de fenômenos aleatórios que são modelados por variáveis estatísticas [2]. Canais de comunicação com desvanecimento de Rayleigh e desvanecimento de Rice também serão abordados neste trabalho. 4"HWPFCOGPVQU"VGłTKEQU" A. Modelo de perda de caminho log-distância O modelo de perda de caminho log-distância expressa a perda de caminho em função da distância, conforme eq. 1 usando um expoente de perda de caminho, n.

d  PL(d )[dB ]  PL(d 0 )  10log    d0 

(1)

Onde d0 é a distância de referência, a qual é determinada através de medições feitas próximas ao transmissor, d é a distância de separação entre transmissor e receptor e n é o expoente de perda de caminho que indica a velocidade com a qual a perda aumenta em função da distância. As barras na equação sobre PL denotam a média da influência dos obstáculos em torno do receptor, mantendo

apenas a variação da perda dependente da extensão do percurso. A Tabela 1 mostra uma pequena lista de expoentes de perda de caminho típicos de alguns ambientes. TABELA 1 EXP. DE PERDA DE CAMINHO PARA DIFERENTES AMBIENTES

Ambiente Espaço livre Rádio celular em área urbana Rádio celular urbano sombreado Na linha de visão do prédio Obstruído no prédio Prédio de escritório (mesmo andar) Prédio de escritório (vários andares) Lojas

Expoente de Perda de Caminho n 2 2,7 a 3,5 3a5 1,6 a 1,8 4a6 1,6 a 3,5 2a6 1,8 a 2,2

Fonte: [4]

Os efeitos do sombreamento podem variar muito de um local para outro. O modelo de sombreamento log-normal inclui uma variável aleatória ao modelo log-distância para estimar os efeitos do sombreamento nestes locais. Medições feitas em campo demonstram que, para qualquer valor de d, a perda de caminho PL(d) é aleatória e distribuída lognormalmente [1], ou seja, normal em dB, como pode ser vista na eq. 2, ficando a equação como a seguir: n

d PL(d )[dB]  PL(d0 )  X   PL(d0 )  10log    X   d0 

(2)

é uma variável aleatória com Onde Xσ distribuição gaussiana de média zero (em dB), e com desvio padrão σ também em dB. Para qualquer distância de separação entre transmissor e receptor, o sombreamento log-normal implica em níveis de sinal com distribuição gaussiana, ou seja, normal em torno de uma média dependente da distância. Mais importante que determinar o nível do sinal em um local específico na área de cobertura do sinal, é determinar a probabilidade de que o nível do sinal recebido fique acima, ou abaixo, de um determinado patamar. Para estimar tal probabilidade, é utilizada a função Q ou função erro (erf) definida pela eq. 3: Q( z) 

  x2  1 1  z  exp   2 dx  2 1  erf    2 z  2    

(3)

Onde Q(z) = 1- Q(-z). Para determinar a probabilidade de que o nível do sinal recebido esteja acima de um determinado valor x, é utilizada a função densidade acumulada, ficando a expressão como eq. 4:  x  Pr ( d )  Pr  Pr ( d )  x   Q     

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(4) 8

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B. Modelo de Okumura Segundo Okumura [5], este modelo se aplica a frequências na faixa de 150 MHz a 1.920 MHz, embora seja extrapolado até 3.000 MHz, e distâncias de 1km a 100km. Podendo ser aplicado para alturas de antenas da estação base variando entre 30 e 1000 metros. A perda de caminho somada a um conjunto de fatores de correção para considerar o tipo de terreno é dado por

PLOku (dB)  L fs  Amu ( f c , d )  G ( ht )  G (hr )  GÁREA

(5)

Onde PLOku é o valor mediano da perda de caminho na propagação, Lfs a perda de propagação no espaço livre a uma distância d e uma frequência de portadora fc, Amu é a atenuação mediana relativa ao espaço livre, G(ht) é o fator de ganho relativo à altura da antena na estação base, G(hr) é o fator de ganho relativo à altura da antena na estação móvel, GÁREA é o fator de ganho devido ao tipo de ambiente. Okumura derivou expressões relativas à altura das antenas, dadas pelas eq. 5a, 5b e 5c.  h  G ( ht )  20 log  t   200 

30m

(5a)

(5b) (5c)

3m<hr<10m;

C. Modelo de Hata Hata [6] derivou fórmulas empíricas a partir dos dados coletados por Okumura para fazer uso computacional dos métodos de predição de perda de percurso do modelo de Okumura. O modelo de Hata se aplica para frequências de 150 MHz a 1.500 MHz. As equações foram formuladas considerando três tipos de cenários diferentes, sendo cenário urbano, suburbano e rural ou área aberta. As equações para todos os cenários são dadas abaixo na ordem que se apresentam nas eqs. 6, 7 e 8.

PLUrb Hata  69,55  26,16 log f c  13,82 log ht  a ( hr )  (44,9  6,55log hr )log d

(6) 2

  f c  Urb PLSub Hata  PLHata  2  log     5, 4   28  

(7)

 PL

Urb Hata

Desenvolvido pela European Cooperative for Scientific and Technical (Euro-COST), o COST231Hata é uma extensão do modelo de Hata para frequências de 1.500 MHz a 2.000 MHz. Este modelo é uma combinação de modelo empírico e determinístico para estimar a perda de percurso em área urbana, e está restrito aos mesmos valores de ht, hr e d do modelo de Hata. A perda de percurso é dada ela eq. 9:

PLCH  A  B log(d )  Cm

(dB)

(9)

Onde:

A  46,3  33,9log f c  13,82log ht  a(hr ) ; B  44, 9  6, 55log ht ;

0 Cm   3

dB para cidades de tamanho médio e áreas suburbanas; dB para centros metropolitanos;

E. Caracterização de canais multipercurso hr<3m;

Rur Hata

D. Modelo COST231-Hata

Com a(hr) definido como no modelo de Hata.

h  G(hr )  10log  r  3

h  G (hr )  20log  r  3

altura efetiva da antena na estação-móvel, ambos em metros, d é a distância de separação entre as antenas transmissora e receptora, em km, a(hr) é o fator de correção dependente do terreno [6]

 4,78  log f c   18,33log f c  40,94 (8) 2

Onde fc é a frequência de portadora, em MHz, ht é a altura efetiva da antena na estação-base, hr é

A atenuação em pequena escala está diretamente relacionada a múltiplos percursos. À variação sofrida pela envoltória do sinal devido ao movimento relativo do transmissor e receptor, em um curto intervalo de tempo, chamamos de desvanecimento rápido. O grau de desvanecimento dependerá do atraso de propagação das ondas refratadas e suas respectivas fases aleatórias. F. Canal com desvanecimento de Rayleigh Para descrever a natureza estatística variável no tempo na envoltória recebida de um sinal de atenuação uniforme, ou a envoltória de uma componente de caminho múltiplo individual, é utilizada a distribuição de Rayleigh. Apesar desta natureza estatística, é bem conhecido que a envoltória da soma de dois sinais de ruído de quadratura gaussiana obedece à distribuição de Rayleigh [1]. A distribuição de Rayleigh é uma aproximação de uma função da densidade de probabilidade (pdf) dada pela eq. 10 como:  r2    2  r  2   p( r )    2 e o 

Onde

para (0  r  )

(10)

σ é o valor rms do sinal de voltagem

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P ( R )  Pr( r  R )   p ( r )dr  1  e

 R2    2   2 

(11) G. Canal com desvanecimento de Rice Quando houver uma componente de onda espalhada incidindo sobre o receptor, com uma potência significativamente maior que as demais, então o sinal terá uma envoltória com distribuição de Rice. A essa componente com potência predominante é dado o nome de componente especular ou componente dominante. A distribuição de Rice é usada para descrever o desvanecimento em pequena escala num canal multipercurso, sendo dada pela eq. 12 como:

 r  r2  A2 2   Ar   2    I0  2  p( r )    2 e    o

Para ( A  0, r  0)

A distribuição de Rice é normalmente descrita em termos de um parâmetro K, conhecido como fator Riceano, que é expresso como na eq. 13: K Rice

A. Ambiente de simulação A potência média no local onde se encontra o móvel, pode ser estimada utilizando-se modelos determinísticos para diferentes ambientes, como grandes áreas urbanas (GUrb), pequenas áreas urbanas (PUrb), área suburbana(Sub) e áreas abertas ou rurais(Rur), avaliados para um grande número de frequências e distâncias. O sinal sofre atenuações diferentes para áreas com topologias diferentes, como mostra o gráfico da Figura 2, obtido a partir de simulação do modelo de Hata, utilizando a frequência de 1800 MHz, a distância de 30km em diferentes ambientes.

MODELO DE HATA 180

160

140

120

PUrb GUrb Sub Rur

100

(12)

Onde A indica a amplitude de pico do sinal dominante e I 0 () é a função de Bessel modificada do primeiro tipo e ordem zero.

A2  10log 2 2

5"VTCDCNJQ"TGCNK\CFQ"

Atenuação do siinal em dB

recebido antes da detecção da envoltória do sinal, e σ2 é a média da potência do tempo recebido antes da detecção da envoltória. A função de distribuição acumulada fornece a probabilidade de que o envelope do sinal recebido não ultrapasse um valor especificado R, e é dada pela eq. 11 como:

(13)

80 0

Distância em km Fig. 2 - Simulação do modelo de Hata em diferentes ambientes.

B. Perda média de potência na propagação Para a simulação da perda de potência em larga escala, serão utilizados os modelos de Hata (Ht), Okumura (Ok), o modelo de COST231-Hata (CH) e o modelo de COST231-Walfisch-Ikegami (CWI) para área tipicamente urbana. A potência média local apresentada pelos quatro modelos é mostrada na Figura 3.

Fig. 1 - Função densidade de probabilidade da distribuição de Rice e Rayleigh. Fonte: [10].

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Influênica da Altura dos Prédios na Nivel do Sinal

Perda de Potênica em Larga Escala 240

Modelo CWI Ponto onde ht = hrf

Ok Ht CH CWI LoS CWI NLoS

 20

220

Atenuação do Sinal em dB

Potênica média local em dBm

 40

 60

200

180

160

 80

140

Altura dos prédios em metros

Distância em km

Ilustração 1 Fig. 4 - Simulação do modelo de COST231- Walfisch-Ikegami

Fig. 3 – Comparação entre diversos modelos de predição de potência em larga escala

Para essa simulação, seguintes parâmetros:

foram

adotados

 Ambiente típico urbano  fc = 1500 MHz;  ht = 50 m e hr = 1,8m; Para o modelo de CWI, foram utilizados, ainda, os seguintes parâmetros:  hrf = 20m  b = 15 m;  w = b/2 e α = 90º; O modelo de COST231-Walfisch-Ikegami (CWI), adotado pelo COST-231, é uma combinação do modelo de Walfisch-Bertoni [13] com o método Ikegami [14] e considera uma gama de parâmetros muito maior, como a largura das ruas e altura dos prédios próximos ao transmissor e receptor. O modelo de CWI considera a influência altura dos prédios na obstrução do sinal, enquanto os demais modelos consideram uma atenuação média do sinal em função do tipo de ambiente. A Figura 4 demonstra a influência da altura dos prédios no nível do sinal recebido, utilizando-se os mesmos parâmetros da simulação anterior, com exceção da frequência que, agora, é de 2.000 MHz.

Pode ser observado, a partir da Figura 4, que, para uma mesma distância e frequência, a altura dos prédios influi significativamente no nível do sinal recebido. Essa simulação apresentou uma atenuação do sinal em até 80 dB, quando variada a altura dos prédios entre 6 e 80 metros. C. Sombreamento log-normal O desvanecimento em larga escada também apresenta os efeitos do sombreamento em um ambiente típico urbano, o qual é descrito a partir do modelo log-distância (Equação 1) onde à potência média local é acrescida uma variável aleatória Gaussiana independente para cada ponto específico da estação receptora. O sombreamento log-normal (Equação 2) é demonstrado na Figura 5 onde também é comparado com seu valor médio obtido a partir do modelo log-distância. Para essa simulação, foram utilizados os seguintes parâmetros:    

fc = 1800 MHz; do = 100 m; σ = 8,7 dB; n = 2;

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Para a simulação mostrada na figura 6, foram adotados os seguintes parâmetros:

110

 fc = 1900 MHz;  do = 50 m;  n = 3,5  σ = 8,4 dB; A curva observada na figura 6 representa a probabilidade de que o nível do sinal recebido, em unidade de potência (dB), ultrapasse um certo patamar, também em dB. As duas curvas representam as probabilidades de o sinal recebido, à distancia de 3 km e 7 km, exceder o patamar, determinado pelo eixo x.

100

Modelo Log-dist n=2 Sombreamento Log-normal 70

Distância em km

Fig. 5 – Comparação entre modelo log-distância e sombreamento log-normal

O modelo log-distância prediz uma atenuação média do sinal em função da distância, enquanto o sombreamento log-normal apresenta flutuações no nível do sinal, apresentando valores que distam da média em até 9 dB. Esse efeito é gerado por uma variável aleatória independente de distribuição Gaussiana, e que, para essa simulação específica, foi adotado um desvio padrão σ = 8.7, que é um valor típico de um ambiente urbano sombreado. D. Determinação do limite do nível do sinal em função de um patamar escolhido A partir da predição da potência média local, pode-se determinar a probabilidade de que o nível do sinal recebido esteja acima de um patamar desejado. Para tal estimativa, é utilizada a função densidade acumulada. A Figura 6 demonstra o resultado da simulação, onde é determinada a probabilidade de o nível do sinal estar acima de um patamar específico. 100

d = 3 km d = 7 km

x = -87 dBm x = -72 dBm 80

Distância em km

Fig. 7 – Porcentagem da área de cobertura limite da célula.

O Desvanecimento rápido em um canal de comunicação é uma resposta impulsiva que muda rapidamente, em intervalos de tempo da ordem de segundos e distâncias inferiores ao comprimento de onda do sinal transmitido.

[Pr(d)>x] em %

Determinação da Área de Cobertura da Célula 100

E. Simulação de canal de comunicação com desvanecimento Rayleigh

Probabilidade de Pr(d)>x

As componentes de múltiplo percurso foram agrupadas em 4 segmentos de atraso e fases aproximadamente. A envoltória complexa do sinal limitada pela banda é mostrada na Figura 8.

0  100

A porcentagem da área de cobertura do sinal que está acima do patamar de recepção é dada em função da probabilidade de este sinal estar acima do patamar desejado em uma célula de raio R, onde r é a distância radial a partir do transmissor [1]. Adotando os mesmos parâmetros da simulação anterior, a Figura 7 mostra como a área de cobertura limite se relaciona com a distância.

% da Área de Cobertura

Atenuação do sinal em dB

SOMBREAMENTO LOG-NORMAL 120

 90

 80

 70

 60

 50

 40

Potência em dBm Fig. 6 – Probabilidade de o sinal recebido exceder um patamar específico.

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Fig. 8 - Resposta ao impulso de um canal de comunicação de múltiplos percursos obtido por simulação.

A simulação de canal de comunicação de múltiplos percursos com desvanecimento de Rayleigh foi realizada nas seguintes condições:     

Transmissão em banda estreita 50Kbps; Bits por frame = 200; Frequência 2 GHz; Deslocamento Doppler Max=200 Hz; Velocidade do receptor 30 m/s;

Fig. 10 - Componentes de múltiplos percursos.

Para essa simulação, o deslocamento Doppler máximo é 200Hz. Um canal de comunicação de múltiplos percursos não apresenta um único efeito Doppler, pois várias componentes chegam ao receptor formando o espectro Doppler. A Figura 11 mostra o espectro Doppler.

A resposta ao impulso de canal de múltiplos percursos é variante no tempo, a adição ora construtiva ora destrutiva das fases aleatórias caracteriza maior ou menor energia a envoltória do sinal. A Figura 9 mostra a magnitude da envoltória do sinal em vários instantes de tempo.

Fig. 11 - Espectro Doppler para valores teóricos e calculados.

F. Simulação de um canal de comunicação com desvanecimento Riceano Um canal com desvanecimento de Rice é regido pelo fator Rice (KRice) caracterizado pela potência da componente do sinal dominante e pelo somatório das potências das componentes de múltiplo percurso. Fig. 9 - Resposta ao impulso do canal em função do tempo.

A dispersão no tempo é gerada pelo atraso de propagação devido a componentes de múltiplos percursos percorrerem trajetos de comprimentos diferentes. Cada segmento de múltiplo percurso tem sua potência variável no tempo, como mostra a Figura 10.

A simulação é feita seguindo os mesmos parâmetros da simulação do canal de comunicação com desvanecimento Rayleigh e adicionando-se um fator Riceano que para esta simulação será Kiss e um deslocamento Doppler para a componente dominante LoSDopplerShift=100 Hz. Como resultado, pode ser observado, na Figura 12, que a componente que apresenta linha de visada possui uma potência muito maior que as demais componentes.

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Fig. 12 - Componentes de múltiplos percursos sobrepostas à componente especular

A Figura 13 mostra a resposta impulsiva do canal de caminhos múltiplos, onde a componente dominante é responsável pela maior potência do sinal.

O modelo de CWI considera, entre outros paramentos, a altura dos prédios e a largura das ruas, o que permite maior flexibilidade e precisão a este modelo, uma vez que dados específicos de cada local podem ser coletados onde se deseja implantar o sistema de comunicação. Porém, tanto esse modelo quanto os modelos de Hata, Okumura e COST231-Hata somente fornecem resultados confiáveis, quando aplicados em terrenos relativamente planos, por serem modelos empíricos e considerarem uma atenuação média em função do ambiente onde estão inseridos. Terrenos muito acidentados exigem um fator de correção que não é previsto por esses modelos. As simulações do canal de comunicação com desvanecimento de Rayleigh e Rice demonstram as flutuações no nível do sinal recebido, sendo em torno de 30 e 40 dB para o canal de comunicação com desvanecimento de Rayleigh e 10 dB para canal com desvanecimento Riceano. Essas simulações foram feitas separadamente, porém um canal de comunicação real, normalmente apresenta as duas formas atenuação rápida não simultaneamente. 7""EQPENWU÷GU"

Fig. 13 - Resposta ao impulso de um canal de comunicação de múltiplos percursos obtido por simulação.

6""U¯PVGUG"FQU"TGUWNVCFQU" As simulações para avaliar o comportamento do sinal em larga escala foram implementadas utilizando-se o software MathCAD® [11], por ser um ferramenta poderosa e de fácil implementação. A simulação para desvanecimento em pequena escala foi desenvolvida utilizando-se de recursos da plataforma MATLAB®[12]. A simulação de perda média de potência em ambiente típico urbano demonstrou, para as condições adotadas, que o modelo de Hata e Okumura apresentaram resultados semelhantes, diferenciados apenas quando a distância é muito grande. Os modelos de COST231-Hata e COST231-Walfisch-Ikegami apresentaram uma maior atenuação que os demais modelos, porém, utiliza maior quantidade de parâmetros para predição dessa perda.

Este trabalho contribuiu para o aprofundamento do conhecimento de canal de comunicação sem fio com as abordagens em larga e pequena escala. A escolha do modelo a ser adotado para a avaliação do comportamento do sinal no sistema de comunicação em questão depende do grau de exatidão que se deseja alcançar, e da quantidade de parâmetros que se tem em mãos. Métodos de previsão de perda de potência que apresentem resultados confiáveis reduzem o número de medições em campo necessárias para o planejamento de novos sistemas de comunicação sem fio. A pesquisa e simulação de modelos matemáticos e computacionais contribuem para o aperfeiçoamento dos modelos já consolidados e para o desenvolvimento de novos. TGHGTÙPEKCU" [1]

T. S. Rappaport, “Comunicações Sem Fio: Princípios e práticas”. 2° ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009.

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S. Haykin, “Sistemas de Comunicação: Analógicos e Digitais”. 4° ed. Porto Alegre: Bookman, 2004.

[3]

A. Goldsmith, “Wireless Communication”. 1° ed. Cambridge University: 2005.

[4]

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[5]

M. Hata, “Empirical Formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services”. IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol . VT-29, no 3, p. 317-325, Aug. 1980.

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[10] Matlab, http://www.mathworks.com/ Acesso em 20 de março de 2010. [11] J. Walfisch and H. L. Bertoni, “A theoretical Model of UHF Propagation in Urban Environments”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 36, no 12, p. 1788-96, Dec. 1988. [12] F. Ikegami, “Analysis of Multipath Propagation Structure in Urban Mobile Radio Environments”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-28, no 4, p. 531-537, 1980.

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Estudo comparativo entre as tecnologias wimax e wifi utilizando simulador NS Eng. Rafael A. Gomes; Dr. Nilton Alves Maia" " " " " Cduvtcev< The popularization of computer networks in the world of computing is the primary motivator for the acceleration of the evolution of the same over the years. This work deals with the evolution of wireless networks, focusing on the 802.11 standard, commercially known as WiFi and 802.16 standard, known commercially as Wimax. It also shows the history of the two networks, topologies used in addition to characteristics of the physical layer and link. The aim of this study is to compare these two networks through simulation by software Network Simulator (NS), analyzing their performance in relationship to flow rate, packet loss and delay, when the networks are configured with different packet generation rates. This work was implemented in two language codes OTcl thus creating two similar networks, and a WiFi network and other Wimax, where they only differ in the technology applied in the MAC (Media Access Control). With the compilation of these codes was generated interactions graphic and text files that were utilizadospara data analysis. Through the values obtained in measurements made during simulation and demonstration of the graphics displayed throughout this article, one realizes the superiority of the WiMax network over WiFi network will in all parameters studied, thus demonstrating the progress expected from new technologies already usual for ace. Mg{yqtfu< Mobile Computing. WiFi. Wimax. Quality of Service Parameters. Tguwoq< A popularização das redes de comunicação no mundo da informática é o principal motivador para aceleração de sua evolução das mesmas ao longo dos anos. Este trabalho trata da evolução das redes sem fio, tendo como foco o padrão 802.11, denominado comercialmente como WiFi e o padrão 802.16, denominado comercialmente como Wimax. Mostra também o histórico das duas redes, topologias usadas, além de características da camada física e enlace. O objetivo deste trabalho é fazer uma comparação dessas duas redes, através de simulação pelo software Network Simulator (NS), analisando seus desempenhos em relação à vazão, perdas de pacotes e atraso, quando as redes são configuradas com diferentes taxas de geração de pacotes. Neste trabalho foram implementados dois códigos em linguagem Otcl, criando, assim, duas redes parecidas, sendo uma rede WiFi e outra Wimax, em que elas só se diferenciam na tecnologia aplicada na camada MAC (media acess control). Com a compilação desses códigos, foram geradas interações gráficas e arquivos textos que foram utilizados para a análise dos dados. Através dos valores obtidos nas medições feitas durante a simulação e da demonstração dos gráficos mostrados ao longo deste artigo, pode-se perceber a superioridade da rede WiMax em relação à rede WiFi em todos os parâmetros avaliados neste trabalho, demonstrando, assim, a evolução que se espera de novas tecnologias em relação às já usuais. Rcncxtcu/ejcxg< Computação Móvel. WiFi. Wimax. Parâmetros de Qualidade de Serviço. FAS@ELÉTRICA . Revista Científica do Curso de Engenharia Elétrica . v.1, n.1/2011

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Com a popularização da informática, o uso da internet se tornou uma ferramenta no dia a dia das pessoas. É difícil encontrar hoje alguém que ainda não tenha usufruído dessa ferramenta tão importante no mundo de hoje. Quando a internet deu um grande salto em popularidade, a velocidade de acesso mais usada era a de 56kbps, e as pessoas achavam aquilo “uma das maravilhas do mundo”, mesmo em questão de desempenho, uma vez que, normalmente, as pessoas usavam o serviço de internet principalmente para a troca de mensagens e pesquisas. Isso até surgir o costume de fazer da internet o principal meio de compartilhamento de aplicativos, como músicas, vídeos, entre outros. Quando o principal fluxo da rede existente passou a ser esses tipos de aplicativos, o usuário começou a perceber que a rede que estava usando até então não era tão eficiente o quanto ele pensava. A partir do surgimento dessa nova necessidade do usuário, a busca por largura de banda, ou seja, um meio que suporte um maior tráfego de dados variados, tornou-se constante, de forma que o usuário usufrua desse novo serviço com o desempenho desejado e com a segurança e a confiabilidade necessária, sendo que, para a implementação dessa segurança e dessa confiabilidade, existe também a necessidade de uma largura de banda mínima. Como a mobilidade se tornou obrigação no mundo tecnológico, nas redes de trocas de informações não é diferente, e isso foi possível na internet com o surgimento das redes wireless, também conhecidas comercialmente como redes WiFi (Wireless Fidelity). Esse tipo de rede surgiu resolvendo um dos problemas da conectividade, porém trazendo novos problemas envolvendo desde segurança até desempenho. Apesar da mobilidade proporcionada pelo surgimento do WiFi, a maior parte das conexões ainda é feita através de redes cabeadas, pois as infraestruturas existentes nesse tipo de rede permitem um melhor desempenho, principalmente no que diz respeito à velocidade alcançada na troca de dados, porém em contrapartida, uma rede cabeada não oferece a mesma praticidade que uma rede sem fio. Como consequência disso, muitos locais ficam sem conexão com a internet devido à falta de investimentos que seriam necessários a se fazer, caso queira cobrir toda uma região, por exemplo. A situação descrita até aqui é uma das motivações do surgimento da rede Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access). A rede Wimax ou padrão IEEE 802.16 tem sido um

dos termos mais mencionados no mundo das telecomunicações com redes sem fio, devido à possível substituição da tão conhecida WiFi (wireless fidelity). Em algumas experiências já realizadas, foi detectado que esse tipo de tecnologia de rede permite que áreas de até 10 km de raio, e localidades de até 75km poderão receber sinais diretos, e isso ainda com a possibilidade de ambas obterem taxas de transferência acima de 75Mbps. Com essa nova rede, pode-se esperar que o serviço de internet será levado às zonas urbanas, suburbanas e rurais, abrindo a possibilidade de oferecer banda larga e, com isso, telefonia (Voz sobre IP) e serviços associados de baixo custo para todas as regiões. O IEEE (Institute of Eletrical and Eletronic Enginners) tem planos mais audaciosos para o Wimax, pois pretende adotar o conceito de acesso broadband móvel, o que levaria à possibilidade de utilizar o Wimax para a substituição das redes celulares existentes para os sistemas VoIP ou vídeo IP. Visando ao estudo do desempenho das redes Wimax e WiFi, este trabalho avaliou o desempenho das redes citadas, quando expostas a diferentes taxas de geração de pacotes. Este estudo se fez importante devido às relações entre às redes Wimax e WiFi, uma vez que a Wimax seria de fato uma evolução do WiFi. 4"HWPFCOGPVCÑ’Q"VGłTKEC" A. Computação Móvel

" É importante sabermos como foi surgindo a necessidade de computação móvel. De acordo com Mateus e Loureiro (1998), a computação móvel representa um novo paradigma computacional e surge como uma quarta revolução na computação, antecedida pelos grandes centros de processamento de dados da década de sessenta, o surgimento dos terminais nos anos setenta e as redes de computadores na década de oitenta. O novo paradigma permite que usuários desse novo ambiente computacional tenham acesso a serviços independentemente de onde estão localizados, ou seja, com a melhor mobilidade possível. Dessa forma, a computação móvel amplia o conceito tradicional de computação distribuída. Com o passar dos tempos, as pessoas estão, cada vez mais, precisando estar bem informadas, sendo assim, a melhor forma de obter informações mais rapidamente é ficando praticamente todo o tempo on line com os melhores meios. Para que isso ocorra, essas pessoas dependem da mobilidade, já que precisam ter que desempenhar os seus papéis no dia a dia. Assim, os pares trançados, fibras ópticas e cabos

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coaxiais das redes cabeadas não contribuem muito para que isso aconteça. Esses usuários móveis precisam de, todo o tempo, transferir dados para seus notebooks, PDAs (personal digital assistent), celulares, entre outros, sem depender da infraestrutura fixa. Rubin (2006), em um artigo publicado pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul, descreve a tendência no mundo das redes envolvendo a computação móvel: A integração de computadores com comunicações e outras formas de tecnologias de informação estão criando novas formas de sistemas e serviços de informação distribuída. A tendência é haver computadores mais poderosos conectados a uma rede mundial de serviços e recursos através de uma infraestrutura de alto desempenho, e o surgimento dos ambientes de computação ubíqua que deverá ser a nova forma de trabalho da próxima década. Este é o cenário altamente desafiador e excitante que motiva a computação móvel.

Hoje vemos no dia a dia esse tipo de ambiente previsto por esses autores, pois todos já estamos na era da computação e programação paralela, além da computação em nuvem (Cloud Computing). A computação em nuvem oferece softwares e plataformas, como serviços (SaaS e PaaS), não exigindo assim do usuário o uso de máquinas que demandam de muitos recursos, tais como memória e processamento, para a utilização desse tipo de serviço. B. Redes Wifi (802.11) Para melhor entendermos como surgiu a motivação para o desenvolvimento das redes sem fio, Tanenbaum (1997) faz o seguinte relato: Quase na mesma época em que surgiram os notebooks, muitas pessoas sonhavam com o dia em que entrariam em um escritório e magicamente seu notebook se conectaria a Internet. Em consequência disso, diversos grupos começaram a trabalhar para descobrir maneiras de alcançar esse objetivo. A abordagem mais prática é equipar o escritório e os notebooks com transmissores e receptores de radio de ondas curtas para permitir a comunicação entre eles. Esse trabalho levou rapidamente à comercialização de LANs sem fios por várias empresas.

Ainda de acordo com Tanembaum (1997), a comercialização não padronizada também levaria a vários problemas, sendo o principal deles a compatibilidade. Devido a isso, viu-se a necessidade de padronização das LANs sem fio. A partir dessa necessidade de padronização, surge efetivamente o WiFi (wirelles fidelity). Segundo Tanenbaum (1997), o surgimento do WiFi teve, dentre outras, a seguinte motivação:

O problema era encontrar duas delas que fossem compatíveis. Essa proliferação de padrões significava que um computador equipado com um rádio da marca X não funcionaria em uma sala equipada com uma estação base da marca Y. Finalmente, a indústria decidiu que um padrão de LAN sem fio poderia ser uma boa ideia, e assim o comitê do IEEE que padronizou as LANs sem fios recebeu a tarefa de elaborar um padrão de LANs sem fios. O padrão recebeu o nome 118802.11. Um apelido comum para ele é WiFi.

A evolução do WiFi seguiu com os seguintes passos:  KGGG" :24033/3;;9< A versão original do padrão IEEE 802.11 foi lançada em 1997 e efetivada em 1999, mas se tornou obsoleto. Foram especificadas duas taxas de bits, sendo elas de 1 ou 2 Mbps (megabits por segundo), além de transmitir o código de correção de erros. Foram especificadas três tecnologias alternativas de camada física: difusa de infravermelho operando a 1 Mbps, com salto de frequência operacional a 1 Mbps ou 2 Mbps, e DSSS operando a 1 Mbps ou 2 Mbps.  KGGG" :24033< O padrão 802.11a usa o mesmo protocolo de camada de enlace de dados e formato de quadro como o padrão anterior, mas acrescenta-se uma interface aérea baseada no OFDM operando na camada física. Ela opera na banda de 5 GHz, com uma taxa de dados máxima de 54 Mbps, além de código de correção de erro, que produz rendimento líquido realista possível na faixa de 20 Mbps. Uma vez que a banda de 2,4 GHz é muito utilizada, pode estar sempre cheia, sendo assim, a utilização da banda de 5 GHz dá ao padrão 802.11a uma vantagem significativa. No entanto, essa alta frequência portadora também traz uma desvantagem, por exemplo, o alcance efetivo total de 802.11a é menor do que a 802.11b/g. Em teoria, 802.11a são sinais mais facilmente absorvidos pelas paredes e outros objetos sólidos em seu caminho devido ao seu menor comprimento de onda e, como resultado, não consegue penetrar, tanto quanto as do 802.11b.  KGGG" :24033d< O 802.11b possui uma velocidade máxima de dados brutos de 11 Mbps, e usa o mesmo método de acesso de mídia definido na norma original. O 802.11b surge com produtos no mercado no início de 2000, desde que 802.11b é uma extensão direta da técnica de modulação definidos na norma original. O grande aumento na taxa de transferência do 802.11b (em comparação com o padrão original), junto a simultâneas reduções substanciais dos preços, levaram a uma rápida aceitação do 802.11b como a tecnologia LAN sem fio definitivo. O 802.11b sofre interferência de outros produtos que operam na banda de 2,4GHz. Dispositivos que operam na faixa de 2,4

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GHz incluiem: forno de microondas, dispositivos Bluetooth e telefones sem fio, entre outros. KGGG" :24033i< Em junho de 2003, um terceiro padrão de modulação foi lançado: O 802.11g. Esse funciona na faixa de 2,4 GHz (como 802.11b), e usa o OFDM, mas usa a mesma base do regime de transmissão que o 802.11a. Ele opera em uma taxa de bits da camada física máxima de 54 Mbps com exclusiva implementação de códigos de correção de erro ou com cerca de 22 Mbps como vazão média. O hardware 802.11g é totalmente compatível com hardware 802.11b e, portanto, segue o mesmo raciocínio, com o legado de questões que reduzem a taxa de transferência, quando comparado com 802.11a. O então proposto padrão 802.11g foi rapidamente adotado pelos consumidores a partir de janeiro de 2003, bem antes do lançamento, devido ao desejo de maiores taxas de dados, bem como reduções nos custos de fabricação. No início de 2003, a maioria dos dual-band 802.11a/b tornou produtos dualband/tri-mode, suportando os padrões a, b e g em uma única placa de móveis ou ponto de acesso. O detalhe de fazer as tecnologias b e g funcionarem bem, juntas, ocuparam grande parte do lento processo técnico, pois em uma rede 802.11g, a atividade de um participante 802.11b irá reduzir a taxa de dados da rede 802.11g global. Como o 802.11b, o 802.11g também sofre interferência de outros produtos que operam na banda de 2,4 GHz; KGGG":24033p< O 802.11n é uma alteração, que melhora as normas 802.11 anteriores, acrescentando a técnica aplicada às antenas de propagação do sinal multiple-input multipleoutput (MIMO) e muitas outras funcionalidades. O IEEE aprovou a alteração e esta foi publicada em outubro de 2009. Antes da ratificação definitiva, as empresas já estavam migrando para redes 802.11n com base na certificação WiFi Alliance de produtos que estavam de acordo com um projeto de 2007.

Definindo o WiFi comercialmente, pode se dizer que é um logo certificador encontrado nos muitos produtos do padrão IEEE 802.11, que, por sua vez, é um conjunto de normas de realização de rede de uma área local sem fios (WLAN comunicação por computador). Essas normas são criadas e mantidas pela IEEE. C. Redes Wimax (802.16) Devido às limitações do WiFi em questão de alcance, criou-se a necessidade de desenvolvimento de uma rede com maior alcance de cobertura, maiores taxas de transmissão e sem os problemas

enfrentados numa rede WiFi. A partir dessa motivação, foi criado o padrão IEEE 802.16, denominado comercialmente como Wimax. O Wimax é padronizado pelo IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers) e utiliza a multiplexação OFDM (Ortoghonal Frequecy Division Multiplexing), que otimiza o espectro de frequência, além de ser amplamente aceita pelo mercado e muito utilizada em dispositivos embarcados. A multiplexação OFDM será detalhada neste trabalho em um tópico à frente. Segundo Figueiredo (2005), a primeira versão de testes do padrão IEEE 802.16 foi estabelecida em 2001. De início o Wimax foi testado cobrindo as faixas de frequências de 10GHz a 66GHz e só operaria em linha de visada, ou seja, o receptor precisaria ficar visível para o emissor. Em 2003, foi publicada a versão 802.16c, que especifica um conjunto de perfis para operação do sistema na faixa de 10GHz a 66GHz e contribui para garantir a interoperatividade entre diferentes fabricantes. No início de 2004, foi publicada a versão 802.16.2-2, que corresponde a um conjunto de melhores práticas para a implantação da rede Wimax em diversos cenários possíveis no mundo real. Como operar o sistema em linha de visada seria um fator limitante para as redes Wimax, o IEEE publicou, ainda em 2003, a versão 802.16a, para resolver essa limitação. Esse padrão especifica a operação em faixas de frequências entre 2 e 11 GHz, incluindo bandas licenciadas e não licenciadas, e sem a necessidade de linha de visada. Logo, em 2004, foi publicada a versão 802.16-2004, que incorpora a versão 802.16a e especifica as regras para a interoperatividade nas frequências até 66GHz (com foco nas de 11GHz) que foi adotada para o desenvolvimento dos primeiros chipsets Wimax . Por fim, o IEEE lançou a versão 802.16e, que suporta mobilidade entre células e viabilizou o desenvolvimento dos processadores para PCs (personal computers) com Wimax e WiFi embutidos. Quanto à mobilidade do Wimax, Tanenbaum (1997) faz uma observação relevante: Tendo em vista que o 802.16 se estende sobre parte de uma cidade, as distâncias envolvidas podem ser de vários quilômetros, o que significa que a potência percebida na estação base pode variar extensamente de estação para estação. Essa variação afeta a relação sinal/ruído que, por sua vez, define vários esquemas de modulação. A comunicação aberta sobre uma cidade também significa que a segurança e a privacidade são essenciais e obrigatórias.

De acordo com Nuaymi (2007), o desenvolvimento do Wimax seguiu mais detalhadamente da seguinte forma:  KGGG" :24038c< Logo com o desenvolvimento das especificações do IEEE 802.16,

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frequências mais baixas passaram a ser aceitas, variando entre 2 GHz e 11 GHz, permitindo que fossem criadas soluções que possibilitavam a existência de obstáculos entre as antenas. Os interesses comerciais estão especialmente concentrados nessa faixa de frequência, devido à facilidade e custos envolvidos na implementação. Sem a linha direta entre as antenas, a velocidade máxima cai para cerca de 40 megabits por segundo e o alcance se limita a algo em torno de 10 quilômetros a partir da estação base. Ainda tratando do funcionamento deste padrão, Nuaymi (2007) esclarece: Por serem mais suscetíveis a interferências, houve a necessidade de se criar alguns esquemas para se ajustar a frequência escolhida e a potência utilizada para a transmissão, além de se obter um maior desempenho. A frequência a ser usada é escolhida dinamicamente, procurando aquela que possibilitará o melhor desempenho. O modelo criado diferencia entre as interferências que ocorrem quando o usuário Wimax interfere com outras tecnologias usando a mesma frequência e as interferências entre dois ou mais usuários Wimax.

A potência utilizada pelo dispositivo também é escolhida além de reduzir a interferência com transmissores vizinhos. Outra novidade na revisão foi a possibilidade de usar malhas (mesh), onde é possível que estações assinantes se comuniquem entre si, aumentando ainda mais o alcance da rede Wimax e relaxando ainda mais as restrições sobre a linha direta entre a base e os assinantes, mesmo sob as frequências mais altas.  KGGG" :24038d: Foi adicionado o suporte da tecnologia QoS (Quality of Service ou qualidade de serviço), facilitando o uso do Wimax para aplicações de vídeo e voz em tempo real ao serem criadas diversas categorias de uso, diferenciando os tipos de transmissão desejados. Assim, uma aplicação de compartilhamento de arquivos, por exemplo, que exige uma grande largura de banda, mas não possui necessidade de uma baixa latência, é tratada de uma forma específica, enquanto as já citadas aplicações em tempo real, como vídeo e voz, recebem outro tipo de tratamento.  KGGG":24038e: Criou um perfil que padronizava mais detalhes da tecnologia que se aproveitava das frequências de 10 a 66 GHz, aumentando a compatibilidade entre diversos dispositivos já existentes no mercado.  KGGG" :24038f: Consertou alguns problemas e fez pequenas melhoras para a revisão 802.11a. Também criou um perfil para testar a compatibilidade dos dispositivos 802.11a.  KGGG" :24038/4226<" Publicação da revisão IEEE 802.16d. Reuniu e substituiu as revisões

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802.16, 802.16a e 802.16c com um único padrão, que é o chamado Wimax. KGGG" :24038g: É uma das extensões mais significativas do Wimax, ao adicionar suporte a unidades móveis. A partir do IEEE 802.16e, a conexão consegue ser mantida mesmo a velocidades de 120 quilômetros por hora. Com isso, não é mais necessário ter antenas fixas instaladas nos assinantes para a comunicação com a estação base. Também abre a possibilidade de se usar o Wimax de modo semelhante ao WiFi, porém com alcance e velocidades maiores. KGGG" :24038g/4227: Publicação oficial da revisão IEEE 802.16e, é o que tratamos por IEEE 802.16 durante este texto. Também é chamado de Wimax móvel.

A partir do histórico, pode-se dizer que a implementação do Wimax se dá em três etapas, sendo elas:  Fase 1 é quando as pessoas podem ter acesso, a partir de pontos fixos, às antenas de recepção no alto de uma estrutura física, permitindo acesso irrestrito em sítios, fazendas e outras áreas onde o cabeamento não seja disponível.  Fase 2 é quando a antena de recepção pode ficar dentro de casa, como se fosse o modem externo permitindo acesso em prédios, residências e regiões onde o sinal terá dificuldades para se propagar.

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A Fase 3 é a mais esperada pelas operadoras e provedores de serviço, é a total mobilidade do Wimax. Todos têm acesso à Internet em movimento, sem perda de conexão ou instabilidade, por exemplo, a partir de um carro em movimento na rodovia.

D. Simulando as Redes A partir das comparações já descritas até aqui neste trabalho entre as redes Wimax e as redes WiFi, a necessidade de demonstração do comportamento dessas redes, em questão de desempenho, tornou-se alvo de muitos pesquisadores e acadêmicos estudantes das telecomunicações. Sendo que a demonstração desse comportamento se torna mais confiável ou pelo menos se tem mais credibilidade, através da apresentação de dados concretos gerados através de simulações que, no caso, é feito em simuladores de redes. Dentre os simuladores mais usados no meio acadêmico, está o NS (network simulation), que, segundo Coutinho (2003), é um simulador que tem, dentre outras, estas principais características:  É orientado a objetos. Foi escrito em C++ com um interpretador Otcl (objectoriented tool

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command language). A Otcl, linguagem de script interpretada e orientada a objetos, é indicada para descrever os cenários e modificações facilmente. A C++, é uma linguagem de programação compilada e orientada a objetos, e é usada para codificar os módulos do simulador; Provê suporte para simulação do modelo de referência TCP/IP, roteamento, protocolos multicast sobre redes wired e wireless (local e satélite), QoS, GPRS (general packet radio service), MPLS (Multiprotocol Label Switching), Redes Ad-Hoc.

O NS é um simulador de eventos discreto, ou seja, as atividades físicas são transformadas em eventos. Esses eventos são enfileirados e processados de acordo com suas ocorrências de escalonamento. O tempo consumido pelos eventos também é processado. Uma das limitações do NS é que ele roda somente em ambiente Linux, porém, mesmo quem tiver Windows como sistema operacional de sua máquina, poderá usá-lo com os emuladores de ambiente Linux existentes. O melhor de tudo é que Linux, NS e os emuladores de ambientes Linux (por exemplo o Cygwin) são programas de código aberto que podem ser baixados em diversos sites de downloads existentes na rede. De acordo com Coutinho (2003), o motivo para se utilizar duas linguagens de programação baseiase em duas diferentes necessidades do NS. De um lado, existe a necessidade de uma linguagem mais complexa para a manipulação de bytes, pacotes e para implementar algoritmos que rodem um grande conjunto de dados. Atendendo a isso, a linguagem C++, que é uma linguagem compilada e de uso tradicional, mostrou-se a ferramenta mais eficaz. De outro lado, é fato que, durante o processo de simulação, ajustes são necessários com certa reqüência. Muda-se o tamanho do enlace e faz-se um teste, muda-se o atraso e faz-se um teste, acrescenta-se um nó e faz-se um teste. Enfim, haveria um desgaste muito grande se, a cada mudança de parâmetro, e elas são muitas em uma simulação, houvesse a necessidade de se compilar o programa para testá-lo. O uso da linguagem OTCL, que é interpretada, evita esse desgaste por parte do usuário, pois há uma simplificação no processo interativo de mudar e reexecutar o modelo. 5""OGVQFQNQIKC" A partir do levantamento bibliográfico das redes foco de estudo deste trabalho e do software utilizado para a simulação destas, foi realizada a instalação do Sistema Operacional Ubuntu 9.04 (plataforma LINUX) e seus respectivos pacotes de atualização necessários para a compatibilização

com o software simulador NS (Networ Simulator) e dos módulos necessários. Neste trabalho, foi utilizado o NS-2.31, porém já existem versões mais recentes, como o NS-2.34. Apesar dessas novas versões, ainda não há nenhuma que já venha com o módulo wimax agregado ao simulador. Por isso, deve ser feita a instalação à parte do módulo wimax para o NS. Com o NS é instalado também o NAM (network animator), usado para a visualização das interações das redes e o Xgraph, usado para a plotagem de gráfico durante análise dos dados. Além das ferramentas citadas até aqui, foram utilizados também, neste artigo, códigos implementados na linguagem Otcl pelo Doutor em Telecomunicações, Mauro Margalho Coutinho, que tiveram grande importância neste estudo, pois, foram utilizados para medição da vazão, atraso e descarte de pacotes das redes em estudo. Após devidas instalações, foram implementados dois códigos que foram escritos para configurar as redes de forma semelhante, mudando apenas a tecnologia aplicada à sub camada MAC (media acess control). Durante a compilação desses códigos, foi gerada uma interação gráfica para a demonstração visual, através do Network Animator (NAM), e um arquivo texto trace para a análise dos dados. 6""VTCDCNJQ"FGUGPXQNXKFQ" Através dos códigos, as redes foram definidas com as seguintes características a seguir:  topologia ponto a ponto, quando os dados estão no sentido da estação móvel para a estação base e topologia ponto multiponto, quando os dados estão no sentido estação base para as estações móveis;  são um total de 18 nós para a rede WiFi e 18 nós para a rede Wimax, sendo que 3 desses nós são as estações bases (ex: acess point) e os outros 15 nós são as estações móveis divididos igualmente (5 para cada) para as estações bases, conforme Figura 2;  as redes correspondentes contêm, ainda, 2 nós fixos, que são um switch, em que as estações bases estão conectadas, e um roteador por onde chega o tráfego de internet. Esses nós das redes fixas não terão ênfase neste trabalho, devido nosso propósito de análise somente das redes sem fio;  o simulador configura automaticamente as larguras de banda para as redes wirelles empregadas. O valor configurado é de 10 Mbps (mega bits por segundo) entre os nós e a estação base. E a rede fixa foi configurada manualmente com uma largura de banda de 100 Mbps entre as estações bases, switch e roteador;

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as redes em estudo utilizam o protocolo de roteamento DSDV (Destination Sequenced Distance Vector); a propagação é feita através de antenas omni direcionais, definidas no código algorítmico; os nós suportam em suas filas, no máximo, 50 pacotes. Quando ultrapassado esse valor, estes começam a descartar os pacotes excedentes; as redes em estudo, WiFi e WiMax, geram ainda o mesmo tipo de tráfego e taxas de geração de pacotes em todos os nós, conforme Quadro 1.

QUADRO 2 DEMONSTRAÇÃO DOS NÓS E SEUS RESPECTIVOS TRÁFEGOS E TAXAS EMPREGADAS NA SIMULAÇÃO

Fonte: Autor

Essas redes criadas só se diferenciam uma da outra na tecnologia aplicada na camada MAC, sendo uma a tecnologia 802.11 (WiFi) e outra a tecnologia 802.16 (Wimax).

Figura 2: Topologia adotada para simulação das redes avaliadas Fonte: Autor QUADRO 1 LISTA DOS TIPOS DE TRÁFEGO GERADOS PELAS REDES WIFI E WIMAX EM ESTUDO

Fonte: Autor

Para a comparação do desempenho das redes WiFi e WiMax propostas neste trabalho, foram definidas 4 situações envolvendo a taxa de geração dos pacotes de aplicações trocados entre os nós e a internet. Essas situações são descritas no Quadro 2, que mostra o nó que está interagindo com a rede, a estação base (BS) à qual o nó faz parte na rede, o protocolo de transporte aplicado, o tipo de tráfego e as 4 situações de taxa empregadas durante a simulação para a geração dos pacotes. Importante observar que essas taxas foram dobradas em cada nova situação, em relação à situação anterior de simulação das redes WIFi e WiMax.

7""TGUWNVCFQU""QDVKFQU" Durante simulação das 4 situações de taxas previstas no Quadro 2 nas redes avaliadas, foi observada a superioridade da rede WiMax em relação à WiFi em todas as situações e em todos os parâmetros (vazão, atraso e descarte) em geral. Durante a medição da vazão individual dos nós, observou-se um tratamento semelhante por parte das duas redes nos nós 6, 9, 10, 11, 16 e 19, que, em comum, estavam configurados com o tráfego CBR (constant bite rate) sobre o protocolo de transporte UDP (User Datagram Protocol). Nesses nós, as duas redes apresentaram valores de vazão próximos ou semelhantes, conforme o Gráfico 1, gerados durante simulação da TX 1, que mostra, em geral, um maior valor de vazão atingido nos nós da rede WiMax, porém proximidade dos valores nos nós citados anteriormente.

Gráfico 1: Vazão individual medida nos nós de acordo com TX 1 Fonte: Autor

Na medição do atraso nas redes avaliadas, o WiMax apresentou valores bem inferiores que o WiFi, demonstrando assim, mais uma vez, um melhor desempenho. Os valores mostrados na Tabela 1 representam o atraso médio geral medido nas 3 estações bases das redes avaliadas, de acordo com cada configuração de taxa aplicada. Pode-se observar que o atraso nas redes WiFi, além de atingir valores altos, também apresentou aumento em cada nova situação simulada, enquanto que na rede WiMax, o atraso praticamente se manteve sofrendo pequenas alterações nos valores.

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TABELA 1 ATRASOS MÉDIOS NAS ESTAÇÕES BASES DAS REDES WIFI E WIMAX DE ACORDO COM CADA TAXA APLICADA

Situação

Atraso médio WiFi (ms) 781,75 1116,43 1157,24 1130,96

TX 1 TX 2 TX 3 TX 4

Atraso médio WiMax (ms) 186,09 178,26 174,12 172,90

Fonte: Autor

Na medição da probabilidade de bloqueio das redes, que está relacionada à quantidade de pacotes descartados em relação aos enviados, a rede WiMax apresentou um ótimo desempenho, pois a probabilidade de bloqueio dos nós praticamente se manteve nula ou próximos de 0%, apesar dos aumentos das taxas de geração dos pacotes em cada situação simulada. Enquanto isso, o valores obtidos na rede WiFi em cada situação de taxa simulada tornava-a, a cada nova situação, uma rede inviável, pois a quantidade de pacotes descartados era muito alta em relação aos enviados. As Tabelas 2 e 3 mostram os valores de probabilidade de bloqueio atingidos pelas redes avaliadas na última e maior situação de taxas aplicadas. TABELA 2 PROBABILIDADE DE BLOQUEIO NAS ESTAÇÕES (BS) BASES DA REDE WIFI CONFIGURADA COM TX 4

BS 2 3 4

Pacotes Descartados 3474 3138 9523

Pacotes Enviados 8109 7859 15704

Probabilidade Bloqueio WiFi 42,84% 39,93% 60,64%

PROBABILIDADE DE BLOQUEIO NAS ESTAÇÕES BASES (BS) DA REDE WIMAX CONFIGURADA COM TX 4

2 3 4

Pacotes Descartados

Pacotes Enviados

196 205 359

30466 28336 40021

" No geral, a rede WiMax, a cada nova situação de taxa aplicada, aumentava a vazão e mantinha os valores de atraso e a probabilidade de bloqueio relativamente baixos. Já na rede WIFi, a vazão diminuía e os valores de atraso e probabilidade de bloqueio aumentavam de acordo com o aumento das taxas de geração dos pacotes aplicados em cada situação de simulação. Pode-se concluir que, em todas as situações simuladas, a rede WiMax apresentou, no geral, um desempenho muito superior à rede WiFi, confirmando, dessa forma, as expectativas de superioridade que se tinha de que novas tecnologias representam um avanço em relação às já usuais, no caso, a WiFi. Este trabalho avaliou as redes WiFi e WiMax com os nós todos estabilizados, ou seja, apesar de serem móveis, estes não foram configurados para se moverem durante a simulação. A questão da mobilidade dessas redes seria um bom objeto de estudos futuros, ficando como sugestão, inclusive, com o uso do NS (network simulator) que permite esse tipo de configuração." TGHGTÙPEKCU" COUTINHO, M. M. Network Simulator – Guia básico para iniciantes. Universidade do Pará, 2003. Acessado em fevereiro de 2010. Disponível em: <http://www.cci.unama.br/margalho/simulacao/livroNS.pdf> FIGUEIREDO, F. L. Fundamentos da tecnologia Wimax. 2005. Artigo - Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações, CPqD, 2005. Acessado em novembro de 2009. Disponível em: <http://www.cpqd.com.br/file. upload/sas1437_tecnologia_Wimax_port_v02.pdf> KUROSE, J. F.; ROSS, K. W. Redes de Computadores e a Internet. 3 ed. São Paulo: Pearson Addison Wesley, 2006.

TABELA 3

8""EQPENWU’Q"

Probabilidade Bloqueio WiMax 0,64% 0,72% 0,90%

Na medição da probabilidade de bloqueio individual nos nós, observou-se que, não só nas redes WiMax, mas, também, nas redes WiFi, alguns nós configurados com tráfego VBR (variable bite rate) sobre o protocolo de transporte TCP (transmission control protocol), sendo eles os nós 5, 12 e 15, mantiveram, durante toda a simulação, uma probabilidade de bloqueio nula ou próxima de 0%, porém, como esses nós são minoria nas estações bases, no geral, estas atingiram altos valores na rede WiFi.

NUAYMI, L. Wimax – Technology for broadband wireless access. France: John Wiley & Sons Ltd., 2007. MATEUS, G. R.; LOUREIRO, A. A. F. Introdução á Computação Móvel. Belo Horizonte: Departamento de Ciências da Computação da UFMG, 1998. MÓDULO WIMAX PARA NS-2. Acessado em Maio de 2010. Disponível em: <http://www.lrc.ic.unicamp.br/wimax_ns2/> NETWORK SIMULATOR-2.31. Acessado em Abril de 2010. Disponível em: <http://www.isi.edu/nsnam/ns> RUBIN, V. Computação móvel. 2006. 11 f. Artigo – Instituto de Informática, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2006. SITIO DO MARGALHO. Gráficos para análise de desempenho. Acessado em agosto de 2010. Disponível em: <http://www.margalho.pro.br/aulas/ads/grafic os_desempenho.tar.gz> TANEMBAUM, A. S. Redes de Computadores. 3 Ed. Rio de Janeiro: Ed. Campus, 1997. WIMAX FÓRUM. ACESSADO EM DEZEMBRO DE 2009. DISPONÍVEL EM: <HTTP://WWW.WIMAXFORUM.ORG/>

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Automação residencial e acionamento remoto utilizando sistema PABX Eng. Charles Cleber Ferreira de Sousa; Ms. Ramon Risério Dourado Leite

Cduvtcev< The main source for studying this article is the constant search for methods that allow to automate and remotely trigger devices, especially at the household level in order to provide comfort, time savings and convenience to its users in performing routine tasks. Automation and remote activation over the years became part of various branches of human activity and interacted with other areas of knowledge, in an attempt to optimize processes and facilitate daily tasks. One of these areas, the telephone, is addressed in part through one of its various telephone systems, PABX, which will be used in this project, within its technical features and facilities as a means of centralizing control functions in a residential unit. You can add automation, remote activation and telephony, along with some auxiliary circuits, in order to achieve the proposed objectives, making ordinary tasks that could be conducted via telephone, without great cost to the user. Mg{yqtfu< Automation, remote activation, telefhony, PABX, circuit, branch. Tguwoq< A principal fonte de estudos deste artigo é a procura constante por métodos que possibilitem automatizar e acionar remotamente dispositivos, principalmente no âmbito residencial, no intuito de proporcionar conforto, ganho de tempo e praticidade aos seus usuários na realização de tarefas habituais . A automação e o acionamento remoto ao longo dos anos passaram a fazer parte de vários ramos da atividade humana e interagiram com outras áreas de conhecimento, na tentativa de otimizar processos e facilitar tarefas cotidianas. Uma dessas áreas, a telefonia, é abordada parcialmente através de um de seus diversos sistemas telefônicos, o PABX, que será utilizado neste projeto, dentro de suas características técnicas e facilidades, como meio de centralizar funções de controle em uma unidade residencial. Pode-se agregar automação, acionamento remoto e telefonia, junto a alguns circuitos auxiliares, para se atingir os objetivos propostos, facilitando tarefas corriqueiras que poderão ser realizadas via telefone, sem elevado custo para o usuário. Rcncxtcu/ejcxg< Automação, acionamento remoto, Telefonia, PABX, Circuito, Ramal.

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3"KPVTQFWÑ’Q" Este trabalho visa automatizar e acionar remotamente a iluminação e a irrigação de jardins de uma unidade residencial, utilizando como fonte de acionamento a tensão de toque telefônico de um sistema PABX, a partir dos serviços de despertador e atendimento automático, constantes do equipamento. Os objetivos foram concentrados nesses dois itens, para proporcionar a simulação da presença de pessoas em um ambiente residencial durante a ausência delas, bem como ativar o sistema de irrigação de plantas a distância. Utilizando um sistema PABX intelbrás, modelo modulare, em sua configuração mínima (duas linhas e quatro ramais), adaptado de duas placas opcionais chamadas placa de serviços e placa de atendedor automático, instalou-se, nos pontos relativos aos ramais, um circuito acionador para promover a interligação da rede elétrica (127 Vac) com as cargas a serem ativadas. O sistema PABX modulare, Fig. 1.1, foi escolhido dentre os demais modelos existentes no mercado por se tratar de um sistema telefônico simples, comum comercialmente e de fabricação nacional; além de possuir todos os recursos e serviços necessários à montagem do trabalho.

Figura 1.1: PABX modulare intelbras Fonte: Eletrônica santana

4""VTCDCNJQ"FGUGPXQNXKFQ" " A. Teste de equipamento e análise preliminar De posse do PABX e das referidas placas, foi montado, em bancada, um sistema de testes com a finalidade de se verificar o correto funcionamento do serviço de despertador e de atendimento automático do equipamento, visto que estes são a base para se atingir de forma adequada os objetivos propostos pelo trabalho, Fig. 2.1. Isso se fez necessário para a verificação prática dos programas constantes do manual do equipamento e sua utilização adequada dentro dos objetivos do trabalho.

Figura 2.1: Montagem do PABX em bancada.

Equipamentos constantes na montagem preliminar, conforme Fig. 2.1: A - Aparelho telefônico multifrequencial. B - Multímetro digital. C - Simulador de linha. D - Fonte externa do PABX. E - PABX intelbrás modulare. O PABX utilizado possui seus ramais prédefinidos de fábrica com a numeração iniciada no número 20 e finalizada no 31 (com número máximo de ramais). No trabalho, foram instalados nos ramais 22 e 23, dois aparelhos telefônicos simples nos quais foi implementado o serviço de despertador para que ambos tocassem de uma em uma hora. Isso foi conseguido através da discagem do código 1349 + horário desejado através dos respectivos ramais. Discando-se 1349 + 0100 do ramal 22 e depois o mesmo código do ramal 23, após o período de 1 hora, os aparelhos tocaram, mantendo sempre essa periodicidade no toque. Esse mesmo teste foi realizado positivamente do ramal 20 (ramal telefonista ou principal), que pôde ativar o despertador periódico desses ramais, através do código 1349 + horário desejado + nº do ramal em que se deseja programar o serviço. Para que o serviço de despertador fosse corretamente desativado, bastou a discagem do código 1340 do próprio ramal em que o serviço havia sido programado ou 1340 + nº do ramal, discado a partir do ramal 20 (telefonista ou principal). A segunda etapa de testes foi realizada com a placa de atendedor automático do PABX, sendo simulada através da posição de linha tronco 01 uma chamada externa. Isso pôde ser feito através do uso nos testes de um aparelho denominado simulador de linha, que realiza a mesma função de uma linha da operadora, gerando o toque e podendo se comunicar com o equipamento, como um cliente externo. Depois de gerado o toque na posição de linha, houve o atendimento automático pela referida placa, na qual uma mensagem, previamente gravada, orienta o cliente a discar qualquer número de ramal. Logo que isso ocorre, é discado o número do ramal 21, previamente escolhido para a simulação, sendo que a ligação foi transferida

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satisfatoriamente, passando a tocar o telefone do ramal discado, neste caso o telefone do ramal 21. O sistema PABX utilizado possui um grande número de programas e funções que são especificados em seu manual de usuário, sendo possível a utilização destes para uma ampla gama de serviços dentro de suas características de sistema telefônico. Entretanto, para sua utilização com relação às necessidades exigidas pelo trabalho, apenas uma pequena parte de seus programas será usada; sendo possível, através da tabela 2.1, verificar os ramais, serviços e códigos necessários a seu funcionamento adequado. TABELA 2.1 Ramais, códigos e serviços RAMAL

SERVIÇO PABX

CÓDIGO

Despertador

Atendimento automático

1349+horário+ ramal Discar nº do ramal desejado

Despertador

1349+ horário

Despertador

1349+ horário

20,22,

Desativar despertador Programar nº de toques despertador

1340+ramal,

23 20

1340 12+senha+02+n. de toques (3 a

FUNÇÃO NO TRABALHO Acionar iluminação. Acionar irrigação. Acionar iluminação. Acionar iluminação. Desativar despertador . Ativar quantidade de toques.

Após a realização dos testes do sistema PABX e verificando o seu correto funcionamento, procurouse analisar que tipo de dispositivo poderia ser utilizado como acionador repassando à carga a tensão AC da rede elétrica. Esse dispositivo deve ser acionado por um sinal de toque que corresponde a cerca de 50 Vrms, gerado pelo PABX e que, normalmente, é usado no acionamento de campainhas telefônicas. Nessa fase, foram analisados e realizados testes preliminares com alguns componentes, sendo os mais visados, por suas características de disparo e acionamento, os SCR´S, TRIAC´S, relés e os flipflop´s. Para o que se objetiva, os testes básicos iniciais com SCR´S, TRIAC´S e relés em bancada não obtiveram um desempenho satisfatório, pelo fato de, ao receberem o toque retificado. realmente acionarem, mas não dentro das características do trabalho que visa à mudança de estado de acordo com a chegada de cada novo pulso de toque enviado pelo sistema. Após estudos e análises teóricas, as atenções se voltaram para o uso do flip-flop tipo D, previamente montado em um circuito compacto, para ser usado como dispositivo acionador, pois nos estudos verificou-se que ele possui a característica de mudar seu estado de acordo com cada nova entrada. Para isso, na prática em bancada, procurou-se utilizar o

circuito integrado 4013 que é um flip-flop tipo D duplo de fácil aquisição. Voltado para o uso do dispositivo acionador, tendo como base o circuito integrado 4013, partiuse inicialmente para o estudo deste componente, bem como de qual configuração deve ser usada para se alcançar o objetivo proposto, para realizar a simulação no programa PROTEUS e, também, a montagem do protótipo e testes no PROTOBOARD. B. Visão técnica geral O trabalho desenvolveu-se a partir da ideia de se utilizar a tensão de toque gerada pelo PABX, de cerca de 50Vrms, retificá-la, filtrá-la e estabilizá-la, utilizando-a como fonte acionadora de um dispositivo à base de um flip-flop tipo D, para que, através desse sistema, as cargas, neste caso a iluminação e a irrigação de jardins, pudessem ser satisfatoriamente alimentadas. (Fig. 2.2).

Figura 2.2: Desenho esquemático do trabalho

O acionamento das cargas é realizado a cada novo toque enviado pelo PABX que, por sua vez, ativa o circuito acionador, mudando seu estado, dessa forma ligando ou desligando a alimentação das cargas conectadas, sendo a alimentação realizada pela tensão de cerca de 127 Vac da rede elétrica. C. Etapa de entrada de toque Etapa responsável por receber, retificar, estabilizar e filtrar a tensão de toque de 50 Vrms para os níveis de entrada da etapa acionadora. Inicialmente, essa etapa foi simulada no PROTEUS para a verificação de funcionalidade, Fig. 2.3.

Figura 2.3: Etapa de entrada de toque no PROTEUS

Componentes do circuito da Fig. 2.3: - Fonte alternada 50 Vac.  Chave push-pull. C2 - Capacitor de poliéster 150 n/ 250 v. BR1- Ponte retificadora D2SBA60 (600V/ 1,5 A). D2 – Diodo zener 1n 4737 (7,5 V/1W) C1 – Capacitor eletrolítico 33µ/ 16v.

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Conforme visto na Fig. 2.3, os 50 Vrms de toque, ao serem enviados pelo PABX, passam pelo capacitor de poliéster, que é usado para barrar a componente contínua da alimentação do ramal (24 Vcc), quando este não estiver enviando o toque, deixando, entretanto, passar a componente alternada que, a seguir, é retificada pela ponte. Essa tensão retificada é repassada ao diodo zener que, dentro de suas características de estabilizador de voltagem, mantém essa tensão em aproximadamente 7,5V, sendo as ondulações excedentes (ripple) filtradas pelo capacitor de 33µF, para o repasse à etapa acionadora que possui especificação de tensão de clock entre 4 e 10V. Dentro dos testes realizados nessa etapa, constatou-se a necessidade primordial de se instalar o capacitor de filtro, pois a tensão proveniente do zener, apesar de regulada, possui um valor de ripple (ondulação) que afeta o acionamento adequado do clock, variando intermitentemente seu estado, não estando dentro das características do trabalho que requer uma mudança adequada na chegada de cada pulso de tensão de toque. Montagem prática da etapa de entrada de toque. (Fig.2.4).

Figura 2.5: Flip–Flop tipo D, toogle

O circuito integrado utilizado foi o ci 4013, por ser de fácil aquisição e possuir internamente 2 (dois) flip-flops em um único encapsulamento, (Fig.2.6), podendo ser utilizados separadamente em circuitos distintos.

Figura 2.6: Circuito integrado 4013.

Figura 2.4: Etapa de entrada de toque.

D. Etapa de acionamento Consiste na etapa primordial do trabalho, pois é a responsável por acionar as cargas de maneira adequada. Dentre os dispositivos estudados e testados, conforme citado anteriormente, o que proporcionou desempenho adequado ao trabalho foi o flip-flop tipo D em uma configuração denominada “toogle”; que permite a pronta mudança de estado a cada novo pulso na sua entrada de clock. (Fig 2.5).

O ci 4013 possui como principais especificações técnicas:  Circuito integrado CMOS.  Flip-flop tipo D duplo.  Encapsulamento tipo DIL (dual in line).  Tensão de Alimentação de 3 a 15 V.  Tensão de clock de 4 a 10 V.  Alta impedância de entrada. Dentro das características de configuração e especificações técnicas anteriores, foi simulado no programa PROTEUS um dispositivo acionador configuração “toogle” experimental, Fig. 2.7, a fim de se verificar a funcionalidade e os níveis de alimentação do circuito, utilizando um led para a verificação dos estados de saída (ligado/ desligado).

Figura 2.7: Etapa de acionamento no PROTEUS.

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Componentes do circuito da Fig.2.6: B1 - Fonte de 7,5 Vcc.  Chave push-pull. R1 - Resistor 100 k Ω. U1 A - Ci 4013 R2 - Resistor 470Ω. D1 – Led Após a simulação de acionamento, ficou constatada a funcionalidade desta etapa, iniciando a seguir a montagem de um protótipo de testes em PROTOBOARD para sua comprovação prática. (Fig.2.8).

Em seguida, constatando-se resultado positivo no simulador, foi montado um protótipo integrando as duas etapas para a verificação prática do acionamento via ramal telefônico, Fig. 2.10, utilizando a tensão de toque como clock para o acendimento do led, sendo obtido também um resultado satisfatório.

Figura 2.10: Circuito acionador por toque, led.

Figura 2.8: Etapa de acionamento, led.

Nesta etapa, constatou-se, inicialmente, a dificuldade que ocorria na mudança de estado a cada novo pulso de clock. Havia a mudança correta de estado apenas nos dois primeiros pulsos, sendo que a partir da terceira tentativa, este apresentava um travamento, não mais respondendo aos pulsos de entrada. O defeito foi solucionado com a ligação de todos os terminais não utilizados do componente ao pino terra (Vss); pois de acordo com as características do 4013, este possui uma alta impedância de entrada, razão pela qual, mesmo que seja utilizado apenas um dos dois flip-flops existentes no componente, os terminais restantes não devem ser deixados a vazio, devendo ser aterrados, caso contrário, o componente não atuará dentro de suas características. E. Circuito acionador final Após a montagem de cada etapa separadamente e a constatação de sua funcionalidade, foi realizada a simulação no PROTEUS para a verificação da integração de ambas. (Fig. 2.9).

De posse dos dados anteriores, foi simulado no PROTEUS a substituição da carga de led por um transistor NPN de uso geral (BC 337) que, ao ser saturado pelo sinal de nível alto (Vcc) proveniente do pino 1 do flip-flop, aciona um relé de 6Vcc, interligando, através de seus contatos, a rede elétrica à carga que se deseja acionar. (Fig. 2.11).

Figura 2.11: Circuito acionador a relé no PROTEUS

Componentes do circuito da Fig 2.11: -Componentes das etapas anteriores (entrada e acionamento). R2 - 10kΩ. Q1- Transistor BC 337. B1 - Fonte de 6 Vcc. D1 - Diodo 1n 4007. RL1- Relé 6Vcc (120 Vac/10A). Como anteriormente, após a simulação, foi montado o protótipo para a verificação prática dos resultados, utilizando no modelo final do acionador a relé, uma lâmpada de 127 Vac/60W como carga a ser acionada via ramal PABX, Fig. 2.12, obtendose também um resultado positivo no acionamento, conforme havia indicado a simulação realizada.

Figura 2.9: Integração das etapas no PROTEUS

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Com o desenvolvimento para além do tema, fica característico que se pode acionar ou automatizar via ramal PABX grande parte dos dispositivos e equipamentos dentro de um determinado ambiente, citando como exemplo o serviço de ar condicionado, a abertura de portões elétricos e a ativação de motores, dentro de uma extensa gama de serviços, integrando, dessa forma, a telefonia a diversas"outras áreas. Figura 2.12: Circuito acionador por toque, lâmpada.

Verificou-se, em seguida, o uso do circuito para o segundo objetivo proposto pelo trabalho, que é o sistema de irrigação de jardins a distância, com o uso do mesmo princípio adotado na iluminação, porém alimentando uma válvula elétrica tipo solenoide que, ao ser energizada, libera a água de um encanamento para promover a irrigação de plantas. (Fig. 2.13).

TGHGTÙPEKCU" ALMEIDA, José Luiz Antunes de. Dispositivos semicondutores: tiristores controle de potência em CC e CA. São Paulo: Érica, 1996. BARRADAS, Ovídio. Você e as telecomunicações. Rio de janeiro: Interciência, 1995. BARROS, Aidil de Jesus Paes; LEHFELD, Neide Aparecida de Souza. Projeto de Pesquisa. Petrópolis, RJ: Vozes, 2005. BOLZANI, Caio Augustus M. Residências inteligentes. São Paulo: Física, 2004. BOYLESTAD, Robert L; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 8. ed. São Paulo: Prentice hall, 2005. BRUGNERA, Mauro Ricardo. DOMÓTICA. Novo Hamburgo: 2004.

Figura 2.13: Circuito acionador por toque, válvula

5""TGUWNVCFQU"QDVKFQU" Os resultados foram satisfatórios, tanto nas simulações iniciais de cada etapa no programa PROTEUS, para a análise e posterior montagem, como nas práticas em PROTOBOARD para a verificação do funcionamento e empregabilidade do circuito. As montagens práticas de cada etapa puderam comprovar o que havia sido simulado no PROTEUS, sendo, entretanto, encontrados alguns problemas que impediram o funcionamento adequado do circuito acionador inicialmente; porém estes foram analisados e resolvidos ao longo do trabalho, havendo, dessa forma, um bom desempenho dos circuitos. 6""EQPENWU÷GU" O circuito acionador provou ser funcional, além de ser de montagem relativamente simples e fabricado à base de componentes eletrônicos de fácil aquisição nas lojas especializadas do ramo eletrônico. Seu uso pode ser ampliado para diversos fins, possuindo utilização em uso futuro, tanto na automatização quanto no controle de equipamentos, não se restringindo somente ao que se propõe inicialmente o trabalho.

Disponível em: <http:<michelenoremberg.blog.spot/2010/05/comprac<ao-dosistema-voip-e-rede.html>. Acesso em: 18 set. 2010. Disponível em:<www.quebarato.com.br/automação-residencial3658 e html>. Acesso em: 15 set 2010. Disponívelem:http://<www.eletronicasantana.com.br/produtos.as p?produtoid=288>. Acesso em: 18 set. 2010. Disponívelem:http://<www.projetoderedes.com.br/artigos/artigoscentraisprivadasdetelefonia.php>. Acesso em: 18 set. 2010. INTELBRÁS, Manual técnico. São Paulo: [s.n.], 2001. 65p. ISKANDAR, Jamil Ibrahim. Normas da ABNT comentadas para trabalhos científicos. 2 ed. Curitiba: Juruá, 2005. MARKUS, Otávio. Circuitos elétricos: Corrente contínua e corrente alternada. 4. ed. São Paulo: Érica, 2001. MORAES, Cícero Couto de; CASTRUCCI, Plínio de Lauro. Engenharia de automação industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: Ltc, 2007. NASCIMENTO, Juarez do. Telecomunicações. 2. ed. São Paulo: Pearson, 2000. SILVEIRA, Paulo R. da; SANTOS, Winderson E. Automação e controle discreto. São Paulo: Érica 2010. TOCCI, Ronald J; WIDMER, Neal S. Sistemas digitais princípios e aplicações. 8. ed. São Paulo: Prentice hall, 2006.

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A influência ambiental na utilização das turbinas tipo Bulbo na geração de energia Eng. Marcelo Soares Manjud Maluf; Esp. Celso Luiz Gonçalves

Cduvtcev< This is a study on the advantages in using bulb turbines, aiming at the environmental impacts caused by hydroelectric plants to generate electricity. The process of energy production at a hydroelectric plant, can be translated by a mathematical model that transforms the potential energy and kinetic energy of water into electrical energy. The greater use of the force of water to generate electric power is precisely in the rivers, where it takes a high flow or high elevation to produce mechanical energy through a turbine generator hydraulic .O, in turn, transforms this mechanical energy into electric power at its terminals. This whole process is conducted in a hydroelectric generating station. With the studies, the bulb turbine is more advantageous when we aim also the environmental impact, where the bulb turbine dismissal of large gaps between the upstream and downstream. Turbines are driven trickle of large volume. For this reason, no longer requires large reservoirs of the floodplain. Thus, any water that comes in is utilized by the turbines. This arrangement makes it possible to design large generating facilities with a smaller area of flooded forest, because the reservoir is practically the riverbed. It is the great difference in environmental impact. Mg{yqtfu< environmental impact, Bulb turbine. Tguwoq< Este é um estudo sobre as vantagens na utilização das turbinas tipo Bulbo, visando aos impactos ambientais causados pelas usinas hidroelétricas na geração de energia elétrica. O processo de produção de energia em uma usina hidrelétrica pode ser traduzido através de um modelo matemático que transforma a energia potencial e cinética da água em energia elétrica. O maior aproveitamento da força das águas para a geração de energia elétrica se dá justamente nos rios, onde se aproveita uma elevada vazão ou elevado desnível para produzir energia mecânica por meio de uma turbina hidráulica. O gerador, por sua vez, transforma essa energia mecânica em energia elétrica em seus terminais. Todo esse processo é realizado em uma central geradora hidrelétrica. Com os estudos realizados, a turbina Bulbo é mais vantajosa, quando visamos também ao impacto ambiental, em que a turbina Bulbo dispensa de grandes desníveis entre a montante e a jusante. São turbinas acionadas por fio d´água de grande volume. Por essa razão, deixa de exigir reservatórios de grande área de inundação. Assim, toda água que chega é aproveitada pelas turbinas. Esse arranjo possibilita projetar grande parque gerador com menor área de floresta inundada, pois o reservatório é praticamente o leito do rio. É o grande diferencial no impacto ambiental. Rcncxtcu/ejcxg< impacto ambiental, turbina bulbo.

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3""KPVTQFWÑ’Q" Desde o surgimento da civilização agrícola e o desenvolvimento das necessidades básicas do homem, o desafio da utilização da força da água vem entre os principais requisitos para o avanço econômico e cultural. Um exemplo disso é a quantidade de esquemas hidráulicos encontrados na Mesopotâmia e no Império Egípcio da época dos Faraós, por volta de 3.000 a 2.000 anos A. C.. Na Idade Média, a utilização da energia em cidades que possuíam cursos da água, frequentemente determinava a produtividade de seus negócios e seu apogeu comercial. No século XVII, nos jardins do rei francês Luís XIV, em Versailles, foi construído um esplêndido dispositivo aquático acionado por uma máquina movida à água, a um custo enorme. Era um triunfo tecnológico na época, tinha algo em torno de 100 hp, mas obtinha um rendimento muito baixo, não passando de apenas 6,5%. Embora a história registre, desde épocas bastante remotas, a construção de dispositivos rudimentares que se baseavam nos mesmos princípios de ação ou de reação das turbinas atuais, o desenvolvimento da turbina a vapor, como um tipo realmente útil de acionador primário até a sua forma atual, ocorreu somente nos últimos setenta anos. O processo de produção de energia em uma usina hidrelétrica pode ser traduzido através de um modelo matemático que transforma a energia potencial e cinética da água em energia elétrica. O maior aproveitamento da força das águas para a geração de energia elétrica se dá justamente nos rios, onde se aproveita uma elevada vazão ou elevado desnível para produzir energia mecânica por meio de uma turbina hidráulica. A água é captada em uma cota, passa pelo interior de uma turbina e é descarregada em uma cota inferior à primeira. A turbina transforma a energia potencial gravitacional da água em energia mecânica no eixo ao qual está mecanicamente acoplado um gerador elétrico. O gerador, por sua vez, transforma essa energia mecânica em energia elétrica em seus terminais. Todo esse processo é realizado em uma central geradora hidrelétrica ou usina hidrelétrica. Atualmente, a maior parte da energia elétrica mundial é produzida por geradores movidos por turbinas hidráulicas, devido às suas características técnicas de construção e seu alto rendimento. O desenvolvimento econômico e social de um país pode ser medido pela facilidade de acesso de sua população à energia, uma vez que esta fornece o suporte necessário a grande parte das ações humanas. A energia que atende às necessidades

da sociedade em geral movimenta a indústria, o comércio, o transporte e os demais setores econômicos do país. A expansão do consumo de energia, embora possa refletir o aquecimento econômico e a melhoria da qualidade de vida, tem aspectos negativos relacionados à escassez dos recursos, impactos ambientais e necessidade de elevados investimentos nos estudos de impactos ambientais. Os setores industriais de transformação e, com especial ênfase, o setor de geração de energia elétrica tem procurado cada vez mais um modelo de desenvolvimento sustentável em que se consiga conciliar a expansão da oferta com a preservação do meio ambiente e da qualidade de vida destas e das futuras gerações. Como as leis ambientais estão ficando cada vez mais rigorosas e não se pode desprezar o aproveitamento dos recursos hidrológicos disponíveis e viáveis, a solução é construir usinas hidroelétricas que provoquem menor impacto ambiental e se extraia delas maior produtividade em geração de energia. A tecnologia das turbinas Bulbo permite que a usina opere com um reservatório bem menor que a tradicional, porque suas turbinas são acionadas a fio d’água. Nesse sistema, toda água que chega é aproveitada pelas turbinas.

Figura 1 - Gráfico das Turbinas em razão da altura e vazão

Esse arranjo garante que potencial de geração ocupe uma menor área de floresta inundada. Na cheia, as águas avançam apenas 300 a 500 metros em cada margem do rio, minimizando assim impactos ambientais diretos. Em se tratando, especificadamente, da indústria de energia elétrica, percebe-se que o parque gerador de eletricidade foi aumentado de 11 GW em 1970 para 90,7 GW em 2004, de 69 GW em 2001, que representa um pouco mais de 26,6 % do potencial brasileiro total. A capacidade de geração de energia das turbinas tipo bulbo pode variar de acordo com o

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potencial hidráulico e do projeto, especialmente no que se refere à validação das dimensões da turbina em função da potência desejada, por exemplo, a usina, no de Tadami, Japão, gera 65.8 MW por unidade. Levando em conta todos esses aspectos ambientais e custo civil final, os benefícios da turbina Bulbo se mantiveram mais vantajosos do que as outras opções, quando relacionados ao meio ambiente. Pretende-se, neste trabalho, mostrar a influencia ambiental na utilização das turbinas tipo bulbo na geração de energia elétrica. A. Problema Quais os impactos ambientais serão mitigados, quando se usa a tecnologia da turbina tipo Bulbo na geração de energia elétrica?

fios de água, seu funcionamento dispensa a necessidade de se manter um grande reservatório. As turbinas tipo Bulbo têm mostrado bom desempenho no quesito produtividade, redução de custos em equipamentos e manutenção e simplificação na operacionalidade. Uma vantagem adicional, decorrente da escolha desse tipo de equipamento, é a expressiva economia nas obras civis, com ganhos significativos nas fases de construção e montagem, exigindo prazos menores que os de uma solução convencional. A instalação das turbinas Bulbo é economicamente competitiva e, simultaneamente, são mitigáveis os efeitos danosos ambientais decorrentes de sua implantação. Acreditando que o futuro da energia obrigatoriamente passará pela utilização da turbina bulbo, decidimos então, demonstrar sua viabilidade no cenário em que vivemos.

B. Objetivo Geral 4""FGUGPXQNXKOGPVQ"" Demonstrar as vantagens para o meio ambiente, quando se usa a tecnologia das turbinas tipo bulbo na geração de energia elétrica. C. Objetivos Específicos   

  

Demonstrar o funcionamento da turbina Bulbo. Relacionar questão voltada aos impactos ambientais. Avaliar as consequências ambientais do uso da turbina bulbo para a geração de energia elétrica, com relação ao uso da convencional. Correlacionar reservatórios com potência. Fazer visita técnica à Usina de Igarapava. Formular um questionamento a ser respondido pela Engenheira Ambiental e o Engenheiro Eletricista.

D. Justificativa Atualmente, o conflito ocasionado pela geração de energia está relacionado, principalmente, aos problemas advindos da área ocupada tanto pelo reservatório da água permanente como também pelas invernadas das cheias. É exatamente nesse aspecto que as turbinas tipo bulbo oferecem vantagens em relação aos outros tipos existentes no mercado. Como são impulsionadas por meio de

Foi realizada uma comparação entre os impactos ambientais ocasionados pela utilização das turbinas Bulbo e com as convencionais. Fez-se um estudo comparativo da área de reservatório por potência instalada e finalizando com uma visita técnica na usina de Igarapava, para melhor esclarecimento do assunto. Tipos de Turbina Hidráulica As turbinas hidráulicas são projetadas para transformar a energia mecânica (a energia de pressão e a energia cinética) de um fluxo de água, em potência de eixo. Atualmente, são mais encontradas em usinas hidrelétricas, onde são acopladas a um gerador elétrico, o qual é conectado à rede de energia. Dividem-se entre quatro tipos de turbinas: Tabela 1 Turbinas e suas respectivas alturas

Turbina

Altura (m)

Peltron Francis Kaplan Bulbo

350 a 1100 40 a 400 20 a 50 6 a 20

A Tabela 02 mostra os projetos com maiores reservatórios no mundo, observando que o reservatório de Tucuruí, maior do país com 50 Km³ de volume, é cerca de apenas 30% dos maiores reservatórios do mundo. Isso significa que as barragens são as grandes vilãs mundiais no impacto ambiental.

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Tabela 2 Reservatórios e seus Volumes

Turbina tipo Bulbo O principio básico do funcionamento da turbina Bulbo, começa pela tomada d’água à montante da usina que está num nível superior. Por um canal, a água é levada através de um conduto forçado até a entrada da turbina. Ali ela passa por um sistema de palhetas guias móveis, que controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina. Para aumentar a potência, as palhetas se abrem, para diminuir a potência elas se fecham. A figura 2 abaixo é o sistema de palhetas móveis.

Figura 2: Sistema de palhetas móveis

Após passar por esse mecanismo, a água chega ao rotor da turbina, movimentando o mancal do gerador, onde ocorre a transferência da rotação do gerador em energia elétrica. A figura 3 mostra as partes do domínio da turbina Bulbo.

Figura 3: Domínio da turbina Bulbo

Impactos ambientais Toda bacia deveria ter sido estudada de maneira aprofundada, como exige a Resolução 001, de 1986 (artigo 5º, inciso III), do Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama), que trata da avaliação de impacto ambiental em diferentes tipos de empreendimentos (inclusive hidrelétricas). Muitas usinas hidrelétricas usam reservatórios tradicionais, também chamados de “reservatórios de acumulação”, que reservam água para que, mesmo em período de seca, a energia continue a ser gerada. Esse processo provoca a formação de grandes lagos e, consequentemente, o alagamento de extensas áreas. Outra característica desse tipo de reservatório é que ele necessita de queda d'água para movimentar a turbina, que é vertical. Para isso, as barragens têm em média 55 metros de altura. Já a usina a fio d'água, como é o caso da turbina Bulbo, não necessita do acúmulo, mas sim da vazão da água, justamente uma das principais características. Esse mecanismo também não requer grandes quedas d'água, evitando que o barramento tenha altura elevada e provoque grandes alagamentos. Com a característica da usina fio d’água, a área de reservatório da turbina bulbo, geralmente é 8 vezes menor do que a convencional, as áreas inundadas serão menores, sendo assim, os impactos ambientais causados serão consequentemente menores. As turbinas Bulbo são um tipo particular das turbinas Kaplan. São aplicadas em quedas baixas ou muito baixas. O que caracteriza as turbinas bulbo é a colocação do gerador numa caixa de concreto com formato de pêra ou de bulbo, que dá nome à turbina. A turbina também pode acionar o gerador por meio de um sistema multiplicador de velocidade, do tipo engrenado ou por correia plana. Permite uma configuração simplificada da casa

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de máquinas e uma economia significativa de chapas de aço em sua construção, uma vez que o sistema de adução é feito todo em concreto. Com isso, o custo dessa turbina caiu significativamente, e tornou viável pensar-se em explorar quedas muito baixas, algo antes impensável pelo elevado custo dos hidromecânicos. (Hidróenergia).

Figura 5: Escada de Peixe

" Figura 3: Redução de Impactos Sócioambientais

Impactos e Soluções O desajuste do regime hidrológico afeta a biodiversidade da planície e pode acarretar a interrupção do ciclo de vida de muitas espécies (mais comumente de peixes de grande porte e migratórios) e a multiplicação de espécies sedentárias (de menor valor), o que, consequentemente, afeta as populações ribeirinhas que vivem da pesca. Ao expulsar comunidades de seus locais de origem, a inundação das represas também provoca impactos socioeconômicos de difícil superação, especialmente no caso de populações de baixa renda e que apresentam condições precárias de educação, saúde e alimentação. Especialistas apontam, como providências imprescindíveis para minimizar alguns dos efeitos adversos da construção e uso de centrais hidrelétricas, o reflorestamento das margens dos reservatórios e de seus afluentes; os programas de conservação da flora e da fauna e implantação de áreas protegidas; o inventário, resgate, realocação e monitoramento de espécies ameaçadas de extinção que ocorriam na área atingida; escada de peixe, a avaliação dos efeitos do enchimento dos reservatórios sobre as águas subterrâneas; o monitoramento da qualidade da água; e a realização de estudos arqueológicos antes do enchimento do reservatório.

Resultados Obtidos Como vimos na Tabela 1, as turbinas tipo PELTON, KAPLAN E FRANCIS demandam queda de água muita elevada, gerando necessidade de barragem alta e grande reservatório, decorrendo daí grande área alagada. Contrastando com elas, temos a turbina BULBO que não necessita de alta queda d’água, por isso a altura da barragem e a extensão da área alagada são consideravelmente menores. As usinas a fio d'água, como é o caso da UHE de Igarapava, não necessitam de acúmulo de água, mas sim de volume e vazão da água. Comparando – se a esses tipos de turbinas PELTRON, FRANCIS E KAPLAN, podemos observar que a turbina tipo BULBO, devido ao menor impacto ambiental gerado pelas suas características, garante, assim, uma boa vantagem. Tabela 3 Relação volume/potência

Usinas Hidrelétricas da Região Amazônica Usinas na região Amazônica

Áreas dos Reservatórios (Km²)

Potência (MW)

Reservatório/ Potência (km²/MW)

UHE Balbina

2.360

250

9,44

UHE Samuel

584

217

2,69

UHE Manso

387

210

1,84

2.414

4.000

0,61

271

3.150

0,09

UHE Tucuraí UHE Santo Antônio

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5""EQPENWU÷GU"

TGHGTÙPEKCU" "

Com este estudo, evidencia-se que a implantação da tecnologia da turbina Bulbo é mais vantajosa do que uma usina convencional que possui reservatório de acumulação, cujas turbinas serão acionadas pelo sistema a fio d’água. Graças a esse modelo de operação de turbinas tipo Bulbo, a relação área de reservatório/potência instalada será menor do que a maioria das unidades hidrelétricas em operação no país. Isso significa que será capaz de produzir mais energia com menor área alagada, o que é melhor para o meio ambiente. Como foi visto na tabela 3, a relação área inundada/potência instalada nas usinas hidrelétricas da Amazônia vem sendo reduzida ao longo dos anos, como se constata nos índices das usinas Balbina (1970/1980) e Santo Antônio (2008), reflexo do maior rigor nos projetos com relação à diminuição dos impactos ambientais, tanto em função de uma legislação ambiental mais restritiva, como em função da busca pela sustentabilidade nos empreendimentos do setor energético. Com relação ao impacto ambiental, podemos ver que o barramento de Igarapava, que é de 36,51 Km² de área inundada, se fosse com turbina convencional, seria de aproximadamente 292,1 Km². Dessa forma, podemos verificar que o uso da turbina tipo Bulbo, é o modelo mais positivo na geração de energia elétrica, quando a preocupação Meio Ambiente for o fator determinante.

[1]

G. O. Young, “Synthetic structure of industrial plastics (artigo em livro),” in Plastics, 2nd ed. vol. 3, J. Peters, Ed. New York: McGraw-Hill, 1964, pp. 15–64.

[2]

BRAGA, Benedito, et all.: "Introdução a Engenharia Ambiental: O desafio do desenvolvimento sustentável". Segunda Edição, São Paulo: Pearson. 2005, ISBN 978-857605-041-4.

[3]

[2] COELHO, José Gustavo. Estudo Numérico De Uma Turbina Hidráulica Do Tipo Bulbo.

[4]

Disponível em http://unb.br/ft/enm/pcmec/teses/dissertacao2006.pdf>. Acesso: 10 Setembro de 2010.

[5]

[3] REIS, Lineu Belico dos; "Geração de Energia Elétrica": tecnologia, insersão ambiental, planejamento, operação e análise de vialbilidade. Terceira Ediçào. Sào Paulo: Manole, 2003, ISBN 85-204-1536-9.

[6]

[4] MAGALHÃES, Sandra Da Cruz Garcia. “Estudo dos Impactos sociais e ambientais decorrentes dos projetos hidrelétricos de Jirau e Santo Antônio”, Disponível em <http://ppe.ufrj.br/ppe/production/tesis/wlemgruber.pdf>. Acesso: 21 de Agosto de 2010.

[7]

[5] Mauricio de Almeida, Engenheiro responsável pela usina de Igarapava.

Eletricista

" " " " " " " " " " " " "

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Estudo de eficiência energética em congeladores " " " Eng. Orlando Felipe de Castro Guimarães; Ms. Ramon Risério Dourado Leite " " " " Cduvtcev< The commercial consumption is sensitive to income, possession of new aircraft, control and maintenance of electrical equipment and wiring. Because of this many traders fail to make the maintenance of the freezers on the correct date and also to exchange the freezer freezers with new low-yield better results. This work suggests the study of the condition of freezers in the shambles of the Mercado Municipal de Montes Claros to analyze and suggest to marketers how to accomplish energy efficiency in their establishments. Mg{yqtfu< Excise, Energy Efficiency, Ministry of Mines and Energy, Distributed Generation, National Energy Policy, the Brazilian Labeling Program, National Program for Energy Conservation. Tguwoq< O consumo comercial é sensível à renda, à posse de novos aparelhos e controle da manutenção de equipamentos elé-tricos e da instalação elétrica. Devido a isso muitos comerciantes deixam de fazer a manutenção dos congeladores na data correta e também de trocar os congeladores de baixo rendimento por novos congeladores com melhor rendimento. Este trabalho sugere o estudo das condições dos congeladores nos açougues do Mercado Municipal de Montes Claros para analisar e sugerir aos comerciantes como realizar a eficiência energética em seus estabelecimentos. Rcncxtcu/ejcxg< Consumo Específico, Eficiência Energética, Ministério de Minas e Energia, Geração Distribuída, Política Nacional de Energia, Programa Brasileiro de Etiquetagem, Programa Nacional de Conservação de Energia.

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3""KPVTQFWÑ’Q" No mundo, tem havido preocupação com o desperdício de energia e o Brasil tem acompanhado com a implantação da eficiência energética. Este artigo propõe implantar a eficiência energética nos açougues do Mercado Municipal de Montes Claros/MG. Sabe-se que o consumo comercial é sensível à renda dos comércios. Quando um comércio é de grande porte, é provável que tenha máquinas novas e de alto rendimento. Também há a preocupação com a manutenção dos maquinários, e até sua substituição quando a manutenção não é mais rentável. Nos comércios de pequeno porte, o procedimento deveria ser da mesma maneira, mas não é exatamente o que ocorre. Devido à situação financeira de baixos lucros e à falta de conhecimento técnico, esses comerciantes preferem, em muitos casos, realizar a manutenção somente quando o equipamento para de funcionar e dificilmente realizam a troca dos equipamentos velhos de baixo rendimento por novos de alto rendimento, que são fabricados de acordo com a preocupação com a eficiência energética. Neste trabalho, foi feito o estudo para implantar a eficiência energética nos congeladores dos açougues do mercado municipal de Montes Claros. " 4""QDLGVKXQ" Objetivo geral Fazer estudo de como pode ser aplicada eficiência energética nos açougues do Mercado Municipal de Montes Claros. Objetivos Específicos  Analisar a operação do congelador;  Verificar se o congelador está apresentando falha e analisar qual a solução mais econômica;  Estudar a viabilidade de efetuar a troca do congelador, caso haja baixa eficiência energética deste, por outro de maior eficiência;  Propor o uso mais eficiente da energia elétrica nos congeladores;  Mostrar como reduzir o valor da conta de energia elétrica dos açougues.

" 5""LWUVKHKECVKXC" Para se implantar novas usinas para gerar energia elétrica, há um impacto ambiental, ao passo que realizar a eficiência energética gera economia e disponibiliza energia para o sistema que antes estava sendo desperdiçada. Toda energia consumida, com alto ou baixo rendimento, é paga. E conscientizar os consumidores sobre o desperdício de energia, causado por equipamentos de baixo rendimento, pode implicar uma atitude para minimizar os prejuízos. Nos açougues, o equipamento elétrico de principal utilização para a conservação da carne é o congelador e, também, o principal responsável pelo consumo de energia. Dessa forma, atuando na eficiência dos congeladores e reduzindo o consumo elétrico destes, resultará em economia para o estabelecimento comercial. Com a melhoria do rendimento dos congeladores, haverá economia de energia elétrica, reduzindo a conta de energia com a concessionária, minimizando os custos fixos do comerciante. Essa redução de custos é de muito interesse do comerciante. A energia economizada no Mercado Municipal ficará disponível no alimentador para outros consumidores, sem que haja ampliação da capacidade do sistema elétrico de distribuição. E para a concessionária, isso é de muita importância. Essa energia pode ser utilizada, inclusive nos próprios açougues, para a ampliação da capacidade de refrigeração. 6""TGXKU’Q"FG"NKVGTCVWTC" Eficiência Energética Eficiência energética significa realizar um trabalho com o melhor rendimento possível, ou seja, reduzir o consumo de energia para realizar um determinado trabalho. É necessário seguir uma política de eficiência energética para mostrar como ela pode trazer múltiplos benefícios para a Política Nacional de Energia (PNE). As razões abaixo descritas são vantagens decorrentes da eficiência energética.

 

Existem várias razões, das mais variadas vertentes, para se utilizar eficientemente a energia. As principais são: Custos crescentes do KWh, pela escassez de recursos naturais e financeiros; Custo do KWh economizado é menor do que o KWh gerado;

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     

Redução dos custos para os consumidores e para a concessionária de energia; Consciência dos prejuízos causados pelo desperdício; Postergação ou redução dos investimentos no setor elétrico; Aumento da produtividade e competitividade; Melhoria da eficiência de processos e dos equipamentos; Minimização do impacto ambiental causado pelas usinas geradoras. (SALUM, 2005, p. 22)

São encontradas, no dia a dia, diversas barreiras para a implantação da eficiência energética e, dentre elas, destacam-se: • Falta de conscientização; • Altos custos de transação; • Difícil avaliação dos resultados econômicos; • Restrições financeiras. Falta de conscientização Para a maioria dos consumidores é um assunto de pouca prioridade. As despesas com energia são, para esses usuários, parte pequena do orçamento de despesas e vista como custos fixos, preferíveis ao ser comparadas ao custo de manutenção. Altos custos de transação São os custos indiretos ao se adquirir um produto ou serviço de eficiência energética, incluindo tempo de gestão, materiais, mão de obra e consultores. Sendo uma área especializada, geralmente longe da atividade fim dos comércios e empresas, os custos para a identificação e avaliação de produtos e serviços eficientes em energia ou para inteirar-se sobre as práticas em eficiência energética podem ser elevados. Difícil avaliação dos resultados econômicos Há uma dificuldade de calcular os ganhos, seja pela desinformação, pela dificuldade de avaliar os benefícios ou pela falta de conhecimento técnico específico. Os comerciantes preferem optar pelo custo fixo da conta de energia elétrica que acreditam ser mais seguro. Restrições financeiras Equipamentos novos mais eficientes são normalmente mais caros. Ainda que tenha consciência das vantagens econômicas de fazer o investimento inicial, o consumidor pode ter dificuldade em ter acesso a um crédito ou apenas consegui-los a juros elevados.

Política Nacional de Energia O Conselho Nacional de Política Energética (CNPE) é um órgão de assessoramento do Presidente da República para a formulação de políticas nacionais e diretrizes de energia, visando, dentre outros, o aproveitamento natural dos recursos energéticos do país, a revisão periódica da matriz energética e a definição de diretrizes para programas específicos. A legislação exige que as concessionárias de distribuição elétrica aloquem 0,25% de sua receita para programas de eficiência junto aos consumidores, em programas aprovados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Consumidor Comercial Assim como ocorre com o consumidor residencial, o consumo elétrico do consumidor comercial é sensível à sua renda, à posse de novos aparelhos e à sua região. Um fator determinante no consumo energético dos comércios é a eficiência energética de seus equipamentos e, em se tratando de açougues, o mais utilizado e de maior consumo é o congelador. A dificuldade financeira é um impedimento aos comerciantes de adquirirem equipamentos novos e mais eficientes. Geralmente há, nesses estabelecimentos, congeladores ineficientes. E ao comprar, buscam equipamentos mais baratos que, por sua vez, não são os mais eficientes. A crise de energia elétrica e o racionamento trouxeram uma conscientização temporária, e o desafio requer transformar parte da conscientização temporária em comportamento permanente. Hoje o comerciante pode contar com a orientação do selo concedido pelo Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL), que indica a eficiência energética do produto dentro de sua categoria. PROCEL O Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica – PROCEL - foi criado em 1985 pelos Ministérios de Minas e Energia (MME) e da Indústria e Comércio, e gerido por uma secretaria Executiva subordinada à Eletrobrás. O PROCEL procura promover a eficiência energética, utilizando recursos da Eletrobrás e Reserva Global de Reversão. A missão do Procel é “promover a eficiência energética, contribuindo para a melhoria da qualidade de vida da população e eficiência dos bens e serviços, reduzindo os impactos ambientais”. Para cumprir sua missão, utiliza recursos da Eletrobrás e da Reserva Global de Reversão – RGR, fundo federal constituído com recursos das concessionárias.

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Utiliza, também, recursos de entidades nacionais e internacionais cujos propósitos estejam alinhados com seus objetivos. (PROCEL INFO, 2010, p. 1)

Para a promoção da eficiência energética no Brasil, foram criadas leis e destacam-se duas que dispõem sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia. A Lei 10.295/2001 estabelece níveis máximos de consumo específico de energia, de máquinas e aparelhos fabricados e comercializados no país, e a Lei 9.991/2000 estabelece a aplicação de 0,25% do faturamento das concessionárias em Pesquisa e Desenvolvimento e outros 0,25% em eficiência energética. A primeira refere-se à Lei n° 10. 295/2001, que dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia, prevendo o estabelecimento de “níveis máximos de consumo específico de energia, ou mínimos de eficiência energética, de máquinas e aparelhos consumidores de energia fabricados e comercializados no país... .A segunda refere-se à Lei 9.991/2000, que tem orientado a aplicação de 0,5% do faturamento das concessionárias de energia elétrica em Pesquisa e Desenvolvimento – P&D e eficiência energética. (CARDOSO, 2008, p. 9).

O programa CONSERVE, criado em 1981, constituiu-se no primeiro esforço para a conservação de energia nas indústrias, de desenvolvimento de produtos e processos energeticamente mais eficientes. O Selo PROCEL foi criado para indicar aos consumidores os equipamentos e eletrodomésticos disponíveis no mercado nacional que apresentam os maiores índices de eficiência em cada categoria. A implantação do selo também estimula a fabricação e comercialização de produtos mais eficientes do ponto de vista energético e minimiza os impactos ambientais no país. O SELO PROCEL DE ECONOMIA DE ENERGIA ou simplesmente Selo Procel, foi instituído por Decreto Presidencial em 8 de dezembro de 1993. É um produto desenvolvido e concedido pelo Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica – Procel, coordenado pelo Ministério de Minas e Energia –MME, com sua Secretaria-Executiva mantida pelas Centrais Elétricas Brasileiras S.A – Eletrobrás. (DPS, 2005, p. 3)

Fig.4.1 – Selo PROCEL (INMETRO PBE, 2003, p. 33)

Figura 4.2 – Etiqueta nacional de Conservação de Energia (INMETRO PBE, 2003, p. 19)

Para que fossem estabelecidos os critérios técnicos para classificar a eficiência energética dos aparelhos e máquinas foi preciso estabelecer uma Comissão de Análise Técnica com representantes de várias entidades, como se pode ver abaixo. Visando estabelecer os critérios técnicos e indicar os equipamentos premiados, foi constituída, pela Secretaria Executiva do PROCEL, uma Comissão de Análise Técnica composta por um representante das seguintes entidades: PROCEL, na condição de Coordenador; Centro de Pesquisas de Energia Elétrica – CEPEL; Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial – INMETRO; Instituto de Defesa do Consumidor – IDEC; Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica – ABINEE; Associação Nacional de Fabricantes de Produtos Eletro-Eletrônicos – ELETROS; Associação Brasileira de Refrigeração, Ar-Condicionado, Ventilação e Aquecimento – ABRAVA; Associação Brasileira da Indústria de Iluminação – ABILUX. (CARDOSO, 2008, p. 10-11).

Somente em 1995 surgiram no mercado brasileiro os primeiros produtos com o selo PROCEL. Os critérios atualmente em vigor para a concessão do Selo PROCEL de Economia de Energia são os seguintes:  O produto deve fazer parte do Programa Brasileiro de Etiquetagem – PBE, coordenado pelo INMETRO;  O produto deve ser submetido anualmente a ensaios de desempenho em laboratórios de referência indicados pelo PROCEL e pelo INMETRO;  De acordo com a classificação obtida pelo produto no processo de etiquetagem, recebem o Selo PROCEL de Economia de Energia os equipamentos da classe A. De acordo com os resultados dos testes, os modelos são classificados conforme a eficiência energética de A a G, sendo os de classe A aqueles de maior eficiência.

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Quanto aos congeladores de uso comercial, não há ainda regulamentação própria do Inmetro que indique a metodologia de cálculo da eficiência energética de refrigeradores e congeladores, e que defina a classificação das etiquetas. O regulamento existente é referente à linha de refrigeradores e assemelhados (congeladores, combinados e conservadores), contudo, somente aos de uso doméstico, conforme o Inmetro PBE (p. 28, 2003). Os congeladores classificados de uso comercial não necessitam possuir a ENCE, pois não se enquadram no regulamento específico para o uso da ENCE de refrigeradores e assemelhados (congeladores, combinados e conservadores). O modelo de congelador CHB53C, que é de capacidade de 519 litros conforme a ENCE (p. 04, 2010), é etiquetado pelo PBE, e isso justifica que o método para calcular a etiqueta de eficiência dos modelos DA550 com capacidade de 546 litros, DA420 com capacidade de 419 litros, e H500 com capacidade de 477 litros possa ser o mesmo método. O fato de classificá-los como modelo de uso doméstico ou de uso comercial não implica em mudança de método para calcular a etiqueta de eficiência. Apenas difere no tocante à obrigatoriedade de possuir a etiqueta de eficiência. Os congeladores classificados com uso doméstico são obrigados ter a etiqueta de eficiência e os classificados com uso comercial desobrigados a possuir a etiqueta de eficiência.

pontos: T1, na ponta de prova, e T2, dentro de sua própria estrutura. E para esses dois pontos, o termômetro memoriza os valores de temperaturas máximas e mínimas no período.

Fig. 5.2 – Termômetro registrador de temperaturas máximas e mínimas.

O ponto T1 foi instalado dentro do compartimento congelador e o ponto T2 instalado próximo à serpentina, onde ocorre a troca de calor do gás refrigerador com o meio externo. Dessa forma, foi possível registrar os valores das temperaturas máximas e mínimas nos pontos de interesse para a análise científica. Nos instantes em que o wattímetro e o termômetro são desligados, é feita a aferição dos valores de corrente e tensão instantânea através do multímetro, que possui funções para medir tensão e corrente.

7""VTCDCNJQ"FGUGPXQNXKFQ" Nos meses de dez/2010 e jan/2011 foi realizado, no Mercado Municipal de Montes Claros, um trabalho de conscientização, com entrega de panfletos e, em seguida, de medições de consumo de energia específico em 10 congeladores, sendo 8 tipo horizontal de duas portas e 2 verticais de duas portas. Os instrumentos utilizados foram Wattímetro, Multímetro com funções de alicate amperímetro e voltímetro, e termômetro registrador de temperaturas máximas e mínimas.

Fig. 5.3 – Multímetro (Alicate amperímetro e voltímetro)

Foram registradas, nas tabelas 5.1 as características do congelador, e as medições elétricas, para, então, poder elaborar os cálculos para determinar o índice de eficiência energética dos freezers em funcionamento e em condições reais de carga e temperaturas. Tabela 5.1 Características dos congeladores e medições elétricas Eqpig/ Oqfgnq ncfqtgu

Fig. 5.1 – Wattímetro, instrumento utilizado para medir KWh.

O termômetro registra a temperatura em dois

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

DA550B DA550 DA550 Vertical DA550 DA420 DA550 Vertical H500 DA550

Xqnwog"" Vgorq" Vgpuçq" Eqttgpvg" Eqpuwoq" Eqpuwoq" fg" Vgorq" go" Vgpuçq" Eqttgpvg" fg" fg" pq" guvkocfq" ctoc|g/ fg"wuq" hwpekq/ ogfkfc" ogfkfc" nkicèçq" nkicèçq" rgtîqfq" go"46j" pcogpvq" *cpqu+ pcogpvq" *X+ *C+ *X+ *C+ *MYj+ *MYj+ *n+ *j<o+ 546 546 546 1.783 546 419 546 1.417 477 546

127 127 127 127 127 127 127 127 127 127

4,8 4,8 4,8 14,5 4,8 3,6 4,8 14,5 3,8 4,8

7 1 4 25 4 8 5 25 3 2

23:53 14:10 13:00 41:00 23:35 18:20 23:50 37:00 21:50 13:00

9 3 5 25 7 6 8 26 6 4

9,04 5,08 9,23 14,63 7,12 7,85 8,05 16,86 6,59 7,38

118 118 118 115 119 114 114 119 117 119

Na tabela 5.2, foram registradas as medições de

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6 4,5 5 6,4 3,9 4,4 4,4 8 4,1 4,8

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temperaturas para o diagnóstico do funcionamento dos congeladores. Tabela 5.2 Temperaturas registradas nos ensaios

Eqpigncfqtgu 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

Vgorgtcvwtc" Vgorgtcvwtc" Vgorgtcvwtc" Vgorgtcvwtc" ,Vgorgtcvwtc" ,Vgorgtcvwtc" go"V3" go"V3" go"V4" go"V4" codkgpvg" codkgpvg" oâzkoc"*√E+ oîpkoc"*√E+ oâzkoc"*√E+ oîpkoc"*√E+ oâzkoc"*√E+ oîpkoc"*√E+ -0,2 4,4 1,5 26,6 0,22 18 6,2 23,6 21,5 12,44

-8,3 -10,9 -3,9 7 -12,3 -1,4 -3 -0,1 -3,5 -4,22

35,6 36,1 31,2 29,6 31 31,1 31,5 35,9 39,6 32,8

32 26 26 24 25,8 24,1 25,7 24,9 24,5 26,7

31 33 26 29 25 23 32 30 30 30

18 18 22 20 20 18 19 20 20 21

Tabela 6.1 Índice de eficiência Eqpuwoq" Xqnwog""fg" Vgpuçq" Eqttgpvg" Rqvípekc" Hcvqt"fg" ¯pfkeg"fg" Vgorq" guvkocfq" Eqpigncfqtgu Oqfgnq ctoc|gpc/ ogfkfc" ogfkfc" crctgpvc" encuukhk/ ghkekípekc go"wuq" go"46j" ogpvq"*n+ *X+ *C+ *XC+ ecèçq"*H+ *cpqu+ *MYj+ 546 9,04 118 6 708 3 3,02 7 01 DA550B 546 5,08 118 4,5 531 3 1,70 1 02 DA550 546 9,23 118 5 590 3 3,09 4 03 DA550 Vertical 1.783 14,63 115 6,4 736 0 9,76 25 04 2 portas 546 7,12 119 3,9 464,1 3 2,38 4 05 DA550 419 7,85 114 4,4 501,6 3 3,28 8 06 DA420 546 8,05 114 4,4 501,6 3 2,69 5 07 DA550 Vertical 1.417 16,86 119 8 952 0 11,28 25 08 2 portas 477 6,59 117 4,1 479,7 3 2,47 3 09 H500 10 DA550 546 7,38 119 4,8 571,2 3 2,47 2

O fator de classificação (F) corresponde a capacidade do congelador de refrigeração, sendo 0 * Fonte: adaptada de Clima Tempo ( 2010, p. 01). para temperaturas maiores que -6ºC, e 3 para Para possibilitar a análise das temperaturas temperaturas menores que -18ºC. medidas, é preciso compará-las com a temperatura Nos ensaios, foram analisados os congeladores ambiente, registrada pelo Clima Tempo (2010 p. 01) dos seguintes modelos: DA550, DA420, H500, e e representadas, também, na tabela 5.2. também Vertical 2 portas que, por ser muito antigo, Foram feitos, então, orçamentos de 3 não possui marca nem modelo específico, a sua congeladores horizontais novos, disponíveis no estrutura física é de madeira, alumínio e borracha e, mercado brasileiro, como mostra a tabela 5.3, e por não possuírem manual de uso, foram com volume maior que 450 litros, que são os classificados com o fator (F), conforme a comumente usados em açougues, para verificar a temperatura mínima registrada no ensaio. viabilidade da substituição. Os índices de eficiência calculados com os resultados dos ensaios em campo foram bem mais altos do que o aceitável. O que indica que há uma Tabela 5.3 Orçamento de congeladores horizontais novos diferença considerável do consumo previsto pelo Qrèçq"fg" Xqnwog" Eqpuwoq" Ewuvq"c" Gvkswgvc"fg" fabricante, em relação ao consumo real medido nos Eqpigncfqtgu Ewuvq"c"xkuvc Ogpucnkfcfg Rctegncu uwduvkvwkèçq kpvgtpq"*n+ *My j1o íu+ rtc|q ghkekípekc Freezer Horizontal açougues. Investimento Consul 526 Litros 526 84,6 R$ 1.649,00 R$ 1.649,00 R$ 137,42 12 D 01 CHB53C Para os congeladores de modelo DA550, a média Freezer Horizontal do índice foi de 2,56. O modelo DA420 também Investimento Electrolux 477 477 86,2 R$ 1.499,00 R$ 1.572,60 R$ 131,05 12 D 02 Litros - HRZ apresentou o valor alto de 3,28. O modelo H500 H500C Freezer Horizontal apresentou o valor de 2,47 e os modelos vertical 2 Investimento Dupla Ação 548 Lt 548 113 R$ 1.899,00 R$ 1.899,00 R$ 158,25 12 F 03 Branco DA550 portas apresentaram o índice ainda mais elevado: Metalfrio 9,76 para o congelador 04 e 11,28 para o Fonte: Adaptada de Submarino (2011, p.01). congelador 08. Os congeladores H500C e DA550 não possuem A média total do consumo estimado em um mês, etiqueta de eficiência. As categorias foram de acordo com o ensaio, é 2,15 vezes maior que a calculadas pelo método do regulamento da média do consumo em mês de acordo com os PROCEL para produtos de uso doméstico, e de fabricantes, como está representada na figura 6.1. acordo com as características informadas pelo Consumo estimado fabricante do produto. em 1 dia de acordo 18,00

com medições em campo (KWh) Consumo em 1 dia conforme dados do fabricante (KWh)

16,00

8""TGUWNVCFQU"QDVKFQU"

14,00

Eqpuwoq"*MYj+

12,00

A tabela 6.1 representa o índice de eficiência (ie) calculado de acordo com o método contido no Inmetro PBE (p. 29, 2003), demonstrado no anexo A, dos ensaios feitos em campo, em condições reais.

10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 01

Média

Eqpigncfqtgu

Figura 6.1 – Consumo dos congeladores em um dia. Medido no ensaio X consumo informado pelo fabricante. Fonte: adaptado de ENCE (p.04, 2011); Electrolux do Brasil (2011); Metalfrio (2011).

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Temperatura interna máxima

30,00

Temperatura interna mínima

26,60

Vgorgtcvwtc"*√E+

Temperatura externa máxima

Temperatura ambiente mínima

Temperatura externa mínima

40 35 30 25 20 15

18,00

15,00

12,44

10,00

0,22

-0,20

-1,40 -3,90

-5,00

Média

6,20

4,40 1,50

Eqpigncfqtgu

7,00

5,00

-10,00

Temperatura ambiente máxima

21,50

20,00

0,00

23,60

25,00

Outro problema identificado referente à temperatura está na temperatura externa, medida próxima ao condensador (T2), que é a parte do congelador responsável pela troca de calor com o meio externo. Quanto mais elevada for a temperatura medida neste ponto, maior é a dificuldade de o congelador efetuar essa troca.

Vgorgtcvwtc"*√E+

Para efetuar-se o cálculo do consumo médio, foram desconsiderados os congeladores 04 e 08, devido às diferenças das características físicas. A carne comum deve ser armazenada congelada a uma temperatura inferior a -2ºC conforme ROÇA (2011, p. 1), que diminui a velocidade das reações químicas e enzimáticas. Quando o congelador está com a temperatura interior maior que -2ºC, não está concedendo o resultado esperado, e prejudica a conservação da carne congelada. E, manter a temperatura interna menor que -2ºC, implica em gasto de energia para refrigeração desnecessária. A figura 6.2 mostra que esse resultado não tem sido o ideal.

-0,10 -3,00

-3,50

-4,22

Figura 6.3 – Temperaturas máximas e mínimas, em T2 e ambiente. Fonte: adaptada de Clima Tempo ( 2010, p. 01).

-8,30 -10,90

-12,30

-15,00 01

Eqpigncfqtgu

Figura 6.2 – Temperaturas internas máximas e mínimas.

O funcionamento ideal para os congeladores seria manter a temperatura interna abaixo e bem próxima de -2ºC. Os congeladores 04 e 08, que são os verticais 2 portas, não atingem a temperatura de -2ºC. Apesar de serem de maior capacidade volumétrica, eles apresentam problemas visíveis nas portas e nas borrachas de vedação que comprometem o isolamento térmico. Os congeladores 02, 03, 06, 07, 09, e 10, apesar de atingirem temperaturas negativas, suas máximas registradas foram bastante elevadas. Um fator contribuinte para que isso ocorra é que os congeladores não possuem ajuste fino de temperatura, para que sejam ajustados apenas uma vez e ficarem ligados em seguida, sem causarem preocupações. Isso influencia no ajuste manual dos comerciantes, que atuam ligando e desligando os congeladores para controlar a temperatura interna, mas o ajuste manual não é sensível o bastante para o controle da temperatura do congelador. Muitos congeladores não possuem a faixa de temperatura adequada. Normalmente possuem duas faixas que são: posição refrigerador com temperaturas entre 0 a 7ºC, e posição freezer com temperatura entre -18ºC e -22ºC. O fato é que em um ajuste não atinge a temperatura necessária e, no outro, consome mais energia que o necessário.

É identificado que, em média, a temperatura máxima próxima ao condensador está 4,5ºC acima da temperatura ambiente e a mínima 6,37ºC também acima da temperatura ambiente e que há um problema de ventilação nos condensadores. Isso dificulta que os congeladores façam a troca externa de temperatura. É explicável que a média da temperatura mínima ambiente seja bem menor que a média da temperatura mínima nos condensadores, devido ao fato de que essas temperaturas são atingidas durante a noite e, nesse período, os açougues permanecem fechados com portas de aço com apenas uma pequena janela para a circulação de ar. Quanto ao pay-back (tempo de retorno), foi realizada a avaliação se é favorável a substituição dos congeladores nos açougues por congeladores novos, verificando a economia de energia gerada em função da substituição. A tabela 6.2 representa as economias possíveis efetuando as substituições dos congeladores em uso, relativas a cada uma das três opções apresentadas no orçamento. Houve somente um caso em que a substituição do congelador não apresentou economia maior que 100KWh, referente à substituição do congelador 2, que foi no valor de 67,8KWh. Para a substituição de qualquer um dos demais congeladores, a economia é de mais de 100KWh/mês. É uma economia de energia muito significativa.

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Tabela 6.2 Economia gerada pelas 3 possíveis substituições Eqpigncfqtgu Oqfgnq

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

DA550B DA550 DA550 Vertical 2 portas DA550 DA420 DA550 Vertical 2 portas H500 DA550

9""EQPUKFGTCÑ÷GU"HKPCKU"

Geqpqokc" Geqpqokc" Geqpqokc" Hcvqt" Geqpqokc" Geqpqokc" Geqpqokc" Eqpuwoq" ogpucn"pc" ogpucn"pc" ogpucn"pc" fg" Vgorq" fg"gpgtikc"3" fg"gpgtikc"4" fg"gpgtikc"5" guvkocfq" uwduvkvwkèçq" uwduvkvwkèçq" uwduvkvwkèçq" encuukhk/ go"wuq" x x x go"3"oíu" rgnq" rgnq" rgnq" ecèçq" *cpqu+ "rtgèq"fq" "rtgèq"fq" "rtgèq"fq" *MYj1oíu+ kpxguvkogpvq" kpxguvkogpvq" kpxguvkogpvq" *H+ MYj MYj MYj 3"*MYj1oíu+ 4"*MYj1oíu+ 5"*MYj1oíu+ 271,20 152,40 276,90

3 3 3

7 1 4

186,60 67,80 192,30

R$ 88,71 R$ 32,23 R$ 91,42

185,00 66,20 190,70

R$ 87,95 R$ 31,47 R$ 90,66

158,20 39,40 163,90

R$ 75,21 R$ 18,73 R$ 77,92

438,90

354,30

R$ 168,43

352,70

R$ 167,67

325,90

R$ 154,93

213,60 235,50 241,50

3 3 3

4 8 5

129,00 150,90 156,90

R$ 61,33 R$ 71,74 R$ 74,59

127,40 149,30 155,30

R$ 60,57 R$ 70,98 R$ 73,83

100,60 122,50 128,50

R$ 47,83 R$ 58,24 R$ 61,09

505,80

421,20

R$ 200,24

419,60

R$ 199,48

392,80

R$ 186,74

197,70 221,40

3 3

3 2

113,10 136,80

R$ 53,77 R$ 65,03

111,50 135,20

R$ 53,01 R$ 64,27

84,70 108,40

R$ 40,27 R$ 51,53

Através da tabela 6.2, é possível identificar que, com a substituição dos congeladores 04 e 08, seria possível o pagamento das prestações com o valor da economia gerada mensal. E é totalmente viável realizar essa substituição, pois economizariam em média 387,75KWh/mês na substituição pelo investimento 1, que foi o mais rentável. Então, por esse processo, foi elaborada a tabela 6.3 contendo os pay-back para a substituição de cada congelador pelos três investimentos. Tabela 6.3 Pay-back das substituições dos congeladores Eqpigncfqtgu Congelador 01 Congelador 02 Congelador 03 Congelador 04 Congelador 05 Congelador 06 Congelador 07 Congelador 08 Congelador 09 Congelador 10

Hnwzq" Hnwzq" Hnwzq" Rc{/dcem"24" Rc{/dcem"25" Rc{/dcem"23" cewowncfq"go" cewowncfq"go" cewowncfq"go" *ogugu+ *ogugu+ *ogugu+ 4"cpqu 4"cpqu 4"cpqu 18 R$ 479,99 17 R$ 538,18 25 -R$ 94,00 51 -R$ 875,47 49 -R$ 817,28 101 -R$ 1.449,46 18 R$ 545,03 17 R$ 603,21 24 -R$ 28,97 0 R$ 2.393,38 0 R$ 3.289,93 12 R$ 2.594,05 26 -R$ 177,20 25 -R$ 119,02 39 -R$ 751,19 22 R$ 72,67 22 R$ 130,85 32 -R$ 501,32 22 R$ 141,13 21 R$ 199,31 31 -R$ 432,87 0 R$ 3.156,68 0 R$ 3.214,87 0 R$ 2.582,69 30 -R$ 358,61 29 -R$ 300,43 47 -R$ 932,61 25 -R$ 88,21 24 -R$ 30,02 40 -R$ 662,20

Os resultados são surpreendentes: os congeladores 01, 03, 04, 06, 07, 08 e 10 apresentam vantagens em suas substituições. Sete dos dez congeladores analisados e ensaiados apresentam condições favoráveis de substituição com retorno do investimento em até 24 meses. Com o atendimento dos comerciantes, a sugestão de substituição desses congeladores, conforme o estudo realizado, a economia média mensal de energia elétrica no Mercado Municipal de Montes Claros será no valor de 1.599,00KWh/mês. E, dentre esses sete congeladores, as substituições dos congeladores 01, 03, 04 e 08 acarretariam em um retorno superior a R$500,00 em apenas dois anos. " " " " " " " " " " " "

O potencial de aplicar eficiência energética está em todas as partes e, neste trabalho, mostrou-se que há um grande potencial de eficiência energética a ser aplicado nos congeladores dos açougues do Mercado Municipal de Montes Claros, que pode acarretar em economia de 1599,00KWh/mês, efetuando-se a substituição dos congeladores ineficientes por congeladores novos. É necessário melhorar a ventilação dentro dos açougues, para que o ar possa circular próximo aos condensadores com mais facilidade. Principalmente à noite, quando as portas estão fechadas, é preciso criar uma alternativa para a circulação de ar. Quanto aos congeladores disponíveis no mercado brasileiro, eles não atendem perfeitamente à necessidade dos açougueiros, pois não possuem ajuste fino da temperatura desejada, e isso dificulta muito o controle da temperatura. O ideal seria que a temperatura esteja adequada para a conservação, sem consumir energia elétrica mais do que o necessário. É preciso que o Inmetro, além de coordenar o PBE, seja responsável por verificar se os congeladores estão atendendo, de forma eficiente, as necessidades dos consumidores. Também há uma grande preocupação com relação aos congeladores classificados de uso comercial, que não se diferem dos congeladores classificados de uso doméstico nas características físicas e que, ainda, não são obrigados a ter o selo do PROCEL. O PROCEL foi criado em 1993 e, dezoito anos após a criação do programa, ainda não há regulamento do Inmetro que regularize o ensaio dos congeladores classificados comerciais. Sugere-se para futuros trabalhos, o estudo da implantação de condições adversas nos ensaios realizados em laboratórios do PBE, implantando algumas situações nos ensaios de congeladores que imitem o seu comportamento no cotidiano. Por exemplo, a abertura de uma das portas do congelador em uma determinada frequência e permanecendo aberta por um determinado período, para que, assim, os ensaios realizados nos laboratórios indiquem resultados mais reais do consumo de energia mensal dos congeladores. Conclui-se que a eficiência energética tem sido um grande passo dado pelo Brasil, através da Política Nacional de Energia, da Política de Conservação de Energia, da Indústria e Comércio, da PROCEL e demais órgãos de Eficiência Energética. "

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TGHGTÙPEKCU" " [8]

[9]

CARDOSO, Rafael Balbino.: Avaliação da Economia de Energia Atribuída ao Programa Selo Procel em Freezers e Refrigeradores. 2008. Disponível em: <http://200.131.128.3/phl/pdf/0032109.pdf>. Acesso em: 21 mai. 2010. 15:00h. CLIMA TEMPO. Disponível em: <http://www.climatempo.com.br/previsao-dotempo/cidade/164/montesclaros-mg>. Acesso em: 21 dez. 2010. 12:30h.

[10] DPS, Departamento de Planejamento e Estudos de Conservação de Energia - ELETRO-BRÁS/PROCEL.: Regulamento do Selo PROCEL de Economia de Energia. 2005. Disponível em: <http://www.eletrobras.gov.br/ELB/procel/services/Documen tManagement/FileDownload.EZTSvc.asp?DocumentID=%7 BEB7ADDC5-DBBA-4DC5-8191039E8FFE8A39%7D&ServiceInstUID=%7BAEBE43DA69AD-4278-B9FC-41031DD07B52%7D>. Acesso em: 21 mai. 2010. 15:15h. [11] ELECTROLUX DO BRASIL. Serviço de atendimento ao consumidor. Mensagem recebida por <contato.sac@electrolux.com.br> em 07 mai. 2011.

[12] ENCE. Disponível em: <http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbe/congeladores.p df> Acesso em: 25 mai. 2011. 19:00h. [13] INMETRO PBE, Refrigeradores e Assemelhados, Regulamento Específico para uso da ENCE. 2003. [14] METALFRIO. Atendimento Metalfrio. Mensagem recebida por <Koshima@metalfrio.com.br> em 10 mai. 2011. [15] PROCEL INFO, Centro Brasileiro de Informação de Eficiência Energética. Disponível em: <http://www.eletrobras.com/pci/main.asp?TeamID=%7B4C C4F5C8-DE07-4E50-9F61-CED15C904533%7D>. Acesso em 08 out. 2010. 0:00h. [16] SALUM, Luciano Jorge Barreto.: Energia Eficaz. Belo Horizonte: Cemig, 2005. [17] SUBMARINO. Disponível em: <http://www.submarino.com.br/menu/917/freezers>. Acesso em: 23 abr. 2011. 9:00h. [18] ROÇA, Roberto de Oliveira.: Refrigeração. Disponível em: <http://pucrs.campus2.br/~thompson/Roca108.pdf>. Acesso em: 13 mai. 2011. 10:00h.

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Utilização de rede sem fio de baixo custo para um sistema de automação Eng. Fernando Fonseca Cardoso; Esp. Edjardes Mendes Felix; Ms. José Albuquerque Junior

Cduvtcev< Wireless Networking comes as the design solution to implement in places where there are difficulties in laying cables, and can also reduce the costs of implementing the project. Thus, this work is proposed to use existing equipment in the market to build a wireless network standard that will be used to control an automated system where the main feature of the project will be the search for the lowest possible cost. It was decided by empirical research ie, the exploratory experiment in which experimental tests will be performed to verify the aim of the study. It starts the search with technical and financial studies in order to define the equipment that meets the proposal. In the next step will be done simulations with the mobile radio software, and tests in laboratory and field tests with the radio transmitter that aims the control of an automated system using the wireless network for transmitting information. The focus of this work implement a wireless solution for low cost, enabling the automation of small projects. It is expectated that this work can contribute to further studies on the subject. Mg{yqtfu< Networks, automation, wireless, frequencies. Tguwoq< As redes sem fio vêm como solução de projeto para implementação em locais onde existem dificuldades de passagem de cabos, podendo também diminuir os custos de implantação do projeto. Dessa maneira, este trabalho tem como proposta utilizar equipamentos existentes no mercado para montar uma rede sem fio padrão que será utilizada para o controle de um sistema automatizado em que a principal característica do projeto será a busca pelo menor custo possível. Optou-se por pesquisa empírica, ou seja, exploratória de caráter experimental, em que serão realizados testes experimentais para a comprovação do objetivo do estudo. Inicia-se a pesquisa com estudos técnicos e financeiros, a fim de definir o equipamento que atenda à proposta. No passo seguinte, serão feitas simulações com o software rádio móbile; testes em bancada e testes em campo com o rádio transmissor, objetivando controlar um sistema automatizado utilizando a rede wireless para a transmissão de informações. O foco deste trabalho é implementar uma solução wireless de baixo custo, viabilizando a automação de pequenos projetos. Espera-se que este trabalho possa contribuir para novos estudos acerca do tema. Rcncxtcu/ejcxg< redes, automação, wireless, frequência.

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3"KPVTQFWÑ’Q" O presente trabalho tem como proposta utilizar equipamentos existentes no mercado para montar uma rede sem fio que será utilizada para o controle de um sistema automatizado, em que a principal característica do projeto será a busca pelo menor custo possível. No projeto, serão utilizadas frequências que não necessitam de licenciamento da Anatel, já que o licenciamento pode onerar os custos de implantação dessa rede. 4""VTCDCNJQ"FGUGPXQNXKFQ" " A proposta deste trabalho está compreendida em duas fases, a primeira foi determinar os meios de transmissão que atendam tecnicamente o projeto e também a viabilidade financeira destes meios. Na segunda, implementar uma rede com o equipamento selecionado, realizando testes com simuladores, testes em bancada e testes em campo. Como resultado do estudo, dentre os meios de transmissão cabeados, o que atenderia a este projeto seria a fibra óptica, já que, cabos par trançados não são capazes de transmitir informação na distância desejada do projeto que é de aproximadamente 2.5 km. Na utilização de cabos e fibra óptica, seria preciso criar uma infraestrutura para estender o cabo entre os pontos atendidos. Para uma distância de 2.5 km de fibra óptica, é essencial que sejam instalados postes e todas as miscelâneas necessárias. A partir de levantamento de mercado realizado pelo pesquisador, em uma empresa especializada na instalação de fibras ópticas, e em consonância com o propósito do trabalho, foi selecionado o orçamento com o menor preço. A tabela 2.1 apresenta o orçamento da empresa Líder Telecom.

Neste trabalho, nota-se que, dos estudos, apenas a fibra ótica atende tecnicamente o proposto. Entretanto, com relação ao custo de implantação, torna-se inviável por demandar muito recurso financeiro. Na próxima etapa, foram feitas pesquisas sobre os equipamentos wireless específicos para sistemas de automação, verificou-se dois modelos de rádio modem: o modelo 500 V3 da empresa Nivitec e o 245U-E da Elpro. O Rádio modem 500 V3 da marca Nivitec, apresentado na figura 2.1, tem um custo de quatro mil e quinhentos reais.

Figura 2.1 – Rádio Modem V3 Fonte: (NIVITEC, 2010)

O custo de Rádio modem 245U-E da ELPRO é cerca cinco mil e duzentos reais. A figura 2.2 mostra o modelo desse rádio.

Tabela 2.1 Custo de instalação de Fibra óptica

Materiais Instalação de 42 postes Instalação de cabo autossustentável, qualquer tipo e diâmetro dos condutores. Emenda de fibras ópticas em cabo morto Teste de BER (circuito) Vistoria Técnica POSTE CNCRT 10M/300KG CONJ ANCOR MAN FERRGM P/ACMDC RESRV CAB OPTCAL LOOP M Fibra óptica TOTAL Fonte: líder Telecom (2010)

Custo R$ 6.616,50 R$ 8.930,00

Figura 2.2 – Rádio Modem 245U-E Fonte: (TECWISE, 2010)

Projeto proposto R$ 62,27 R$ 322,01 R$ 108,61 R$ 14.632,5 R$ 408,00 R$ 320,00 R$ 6.755,38 R$ 59.107,95

Os transmissores que vêm como soluções para implementação de uma rede sem fio de baixo custo são utilizados por provedores de internet. Esses possuem custos muito inferiores aos fabricados especificamente para a automação. Na proposta de radiofrequência, foram utilizados transmissores com potência de 26dBm, e antena de 16 dBI. Com essas características, conforme especificação técnica do fabricante, é possível atender a distância especificada no projeto.

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A frequência definida na proposta é de 5.8 GHz, pois esta não exige licenciamento da Anatel. Outra característica que levou à escolha dessa frequência é o fato de ser menos susceptível à interferência, já que a frequência de 2,4 GHz vem sendo muito utilizada por provedores de internet. Para a implementação proposta, foram selecionados um transmissor e uma antena com características que atendessem aos requisitos deste trabalho. Um transmissor com potência de, aproximadamente, 26dBm combinado com uma antena diretiva de 16dB tem uma potência suficiente para o alcance desejável de 2,5 km de distância na transmissão dos dados, além de possuir baixo custo, garantindo a viabilidade do projeto. O modelo do equipamento é o Transmissor Routerboard Mikrotik SXT que possui algumas características, a saber: atinge 400mW de potência de transmissão; com velocidade de até 100 Mbps half rate, possui LEDs indicadores de nível de sinal para alinhamento de antena; alimentação pelo cabo de rede, denominada POE. A figura 2.3 apresenta o modelo do transmissor que opera na frequência 5.8GHz. Esse modelo de equipamento é consideravelmente compacto, pois possui uma microantena embutida em um compartimento plástico junto ao cartão; assim não existem perdas com cabos e conexões.

Para a situação de simulação desse enlace no Radio Móbile, foi possível comprovar que existe visada entre os dois pontos e que é possível estabelecer uma conexão para a transmissão de dados. A figura 2.4 mostra o campo de visada entre as duas antenas, sendo observado que não existe obstáculo entre elas. A figura 2.5 apresenta as características de entrada dos dados do enlace na parte de baixo do gráfico e, na parte de cima, mostra os dados de saída para o estabelecimento de conexão entre as duas antenas. Pode-se notar, nos dados de entrada, que a potência transmitida é de 400mW, o ganho da antena é de 16 dBi e que as antenas da estação base estão a 7m de altura e da estação móbile a 25 metros de altura.

Figura 2.4 – Visada entre antenas Fonte: (Rádio Móbile, 2011)

Figura 2.3 – Routerboard Mikrotik SXT Fonte: (Mikrotik, 2010)

Após a aquisição dos equipamentos, iniciou-se a etapa de testes. Os primeiros testes foram feitos em bancada, para facilitar a configuração do enlace. Simulação do enlace Rádio Móbile "" O objetivo da simulação pelo software Rádio Móbile foi descobrir se existia visada entre os pontos escolhidos e se era possível criar enlace de dados nesses pontos com níveis de potencia e recepção suficientes para a transmissão de dados. Para estabelecer uma conexão com o software rádio móbile, foi feita uma simulação da rede wireless. A simulação necessita de coordenadas dos locais onde os rádios serão implantados, frequência, potência dos transmissores, ganho de antena.

Figura 2.5 – Simulação de teste pelo software radio móbile. Fonte: (Radio Mobile, 2011)

Teste em bancada Esses testes tiveram por objetivo facilitar a configuração dos transmissores, criando um enlace em bancada e utilizando o software supervisório e PLC simular comandos remotos.

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Os testes em bancada iniciam-se com a configuração dos dois transmissores para estabelecer a conexão do enlace. Na bancada, a potência do transmissor foi alterada para 1dBm como forma de proteção ao equipamento, já que, em uma potência superior, estando os transmissores muito próximos, pode haver risco de queima da placa que recebe o sinal. Realizaram-se testes em bancada com os dois transmissores direcionados e a conexão do enlace estabelecida. Neste primeiro teste, utilizando o comando PING (que fornece o tempo de estabelecimento de conexão), foi possível detectar o rádio na ponta do enlace, garantindo sucesso na comunicação wireless. Na próxima etapa, iniciou-se a configuração do PLC para simular testes de bancada, sendo necessário instalar o drive RSLinx, que funciona como uma interface de comunicação entre o PLC e o Supervisório. Plataforma de automação utilizada nos testes foi:  Supervisório RsView32  PLC controllogix 5000 Posteriormente à instalação e configuração de todos os softwares necessários a leitura de dados do PLC, iniciaram-se na bancada, os testes com o PLC interligado no rádio (ponta A) do enlace e o notebook na outra ponta do enlace com o software supervisório (ponta B). Conforme demonstra a figura 2.6, o supervisório comunicou-se com o PLC através da rede wireless, comprovando que é possível enviar comandos via supervisório através da rede wireless, conseguindo, assim, sucesso nos testes. Ponta A

Ponta B

Posteriormente ao teste em bancada, foram então realizados os testes em campo com os pontos geográficos A e B. O Ponto A fica localizado em uma empresa de automação industrial, em área central de Montes Claros, no bairro Todos os Santos. Instalou-se a antena no terraço a uma altura de 7 metros, com as seguintes coordenadas:  Latitude: 16°43’02.4”  Longitude: 43° 52’ 25.8”’ A figura 2.7 mostra o rádio instalado no bairro Todos os Santos e a direção da outra estação. Também é importante notar que, apesar de o local ter muitas casas, o rádio se comunica livremente, pois esse ponto tem visada para a outra estação.

Figura 2.7 Antena no ponto A – Visada para o ponto B Fonte: (O autor, 2011)

O ponto B fica localizado no edifício Ville Montezuma, no bairro Vila Santa Maria, região centro-sul de Montes Claros. A antena está fixada no terraço de um edifício a 25 metros de altura. A figura 2.8 reflete a vista para o outro ponto do enlace. As coordenadas desse ponto são:  Latitude:16°44’22.6” e  Longitude: 43° 52’ 23.6”

Figura 2.6 – Simulação de teste em bancada Fonte: (O autor, 2011)

Teste em campo O teste de campo tem o objetivo de implementar a rede proposta, a fim de obter os resultados esperados.

Figura 2.8 – Ponto B – Visada para o ponto A (Fonte: O autor, 2011)

Depois de fixadas as antenas nos dois pontos, iniciaram-se os testes com o PLC interligado no

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ponto A e o laptop interligado na antena localizado a 2,5 km de distância do PLC. Após o enlace configurado, prosseguiram-se testes, enviando comandos e fazendo leituras PLC, utilizando a rede wireless para transmitir dados.

B os do os

Desenvolvimento de aplicação para a realização de teste da rede wireless Com o objetivo de comprovar o funcionamento do enlace, utilizou-se um processo de automação de um tanque. Nesse processo, o tanque se enche e se esvazia automaticamente, denominando-se envase. Este, por sua vez, utiliza válvulas e sensores que são controlados remotamente. Definição das válvulas e sensores do processo de enchimento do tanque:  Válvula V1 - Controla entrada do liquido no taque;  Válvula V2 - Controla a saída de liquido do taque;  Sensor LH - Envia sinal de taque cheio;  Sensor LL - Envia sinal de taque vazio;  Start - Botão inicia processo;  Stop - Botão finaliza processo;  S3 - Emergência. O processo do controle de envase inicia-se com o acionamento do botão start, quando envia comando para a válvula - V1 abrir e válvula - V2 fechar. Deste modo o tanque começa a se encher e também é mostrado o nível do tanque através do display. Quando o tanque se enche, ativa-se o sensor de nível tanque cheio -LH que envia um sinal para a válvula V1 fechar e um sinal para a válvula V2 abrir. Ao esvaziar o tanque, o sensor nível tanque vazio LL é ativado e envia sinal para a válvula V1 abrir e a válvula V2 fechar. Dessa forma, o processo de envase reinicia o enchimento. Esse processo é repetido constantemente até que o operador o interrompa no botão stop ou S3 emergência. A figura 2.9 representa o tanque com o processo de envase.

Figura 2.9 – Tanque – processo de envase (Fonte: O autor, 2011)

5""TGUWNVCFQU"QDVKFQU" Para a proposta em questão, o equipamento que mais se adequou a todos os requisitos técnicos e de custos financeiros foi o Routerboard Mikrotik SXT, visto que os modelos de rádios específicos para os sistemas automatizados têm custo muito elevado, tornando o projeto inviável. A tabela 3.1 apresenta o custo de dois modelos de rádio e também o custo para a implantação de fibra óptica. Tabela 3.1 Custo de Rádio Wireless e Fibra óptica

Equipamento Rádio modem 500 V3 Nivitec Rádio modem 245U-E da ELPRO Fibra óptica

Custo R$ 5.000,00 R$ 4.500,00 R$ 59.107,95

Em relação ao custo do rádio Routerboard Mikrotik SXT, percebeu-se que é muito inferior aos equipamentos já apresentados. Tal comprovação é apresentada na tabela 3.2 Tabela 3.2 Custo do Rádio Routerboard Mikrotik SXT

Equipamento Routerboard Mikrotik SXT

Custo R$ 510,00

Através da simulação desse enlace no software Radio Móbile, foi possível comprovar que existe visada entre os dois pontos e que é possível estabelecer uma conexão para a transmissão de dados. Na configuração dos rádios, houve grande dificuldade em conseguir informações sobre os parâmetros que foram alterados no chipset deste equipamento. Já este não apresenta manual de configuração ou biblioteca de consulta que facilitaria as alterações para a configuração do enlace. Conseguiu-se suporte com o laboratório de testes da empresa fornecedora do produto que informou passos para a configuração do rádio. Finalizada a configuração dos dois transmissores, criando assim o enlace, iniciaram-se os testes em bancada para verificar se o enlace estava transmitindo dados. Utilizando o comando ping, foi possível comprovar que o enlace estava funcionando corretamente. Em bancada, conseguiu-se um resultado satisfatório para a taxa de transmissão. Com o nível de potência de 1dBm utilizando a frequência de 5180, a uma distancia entre as antenas de pouco mais de um metro, obteve-se 54Mbs de taxa de transmissão com nível de sinal de recepção de 39dBm. Ainda nos testes em bancada, utilizaram-se PLC e o Supervisório com finalidade de comprovar o envio e recebimento de dados ou informações

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através do enlace de dados, tendo, assim, sucesso nessa fase do projeto. Apos a realização de testes necessários em bancada, deu-se início aos testes de campo com a instalação das antenas nos pontos préestabelecidos e simulados através do simulador rádio móbile. A praticidade facilitou muito a instalação das antenas, pois o equipamento é compacto e não necessita de cabo de alimentação, já que a alimentação do rádio é enviada via cabo ethernet, sendo este o único cabo que se interliga ao equipamento. Depois de fixadas as antenas nos dois pontos escolhidos, foi possível comprovar sucesso no estabelecimento do enlace fazendo leituras e enviando comandos, utilizando o software supervisório para o controle do PLC que estava a uma distância de 2500 metros. Para a taxa de transmissão do enlace no campo, analisando vários fatores, como distância entre as antenas, o espectro com interferência, ou seja, com alto nível de utilização da frequência de 5.8GHz, já que os testes se realizaram em uma área próxima ao centro da cidade de Montes Claros, conseguiuse uma taxa de transmissão de 12Mbs, com nível de recepção de -67 dBm, considerando que o rádio estava configurado na potência máxima de transmissão, que é de 26 dBm. Ainda como forma de comprovar o resultado satisfatório no projeto proposto, demonstrou-se através de um processo automatizado de envase, o funcionamento da rede wireless, enviando comando e fazendo leituras dos dados do PLC remotamente. 6""EQPENWU÷GU" """"""Este trabalho teve como objetivo montar uma rede sem fio de baixo custo utilizando equipamentos disponíveis no mercado, para o controle de um sistema automatizado que utilize supervisório e Controlador Lógico Programado. Em relação à proposta, pode-se afirmar que todos os objetivos foram alcançados de forma satisfatória, garantindo sucesso nos resultados.

Para a implementação proposta, foram utilizados transmissores com potência de 26dBm, frequência de 5.8GHz antena de 16 dBi. Após a análise dos resultados obtidos com as simulações, pelo software Rádio Móbile e teste em bancada com o PLC a primeira conclusão a que se chegou é que possibilitou automatizar o processo utilizando a rede wireless. Ainda em relação aos resultados, comprovou-se sucesso do projeto proposto após os testes de campo com o enlace configurado, fazendo leituras e enviando comandos utilizando o software supervisório para o controle do PLC que estava a uma distância de 2500 metros. Com relação ao custo, o projeto atingiu o resultado esperado, ficando próximo de dez por cento do valor das redes wireless oferecidas no mercado atualmente para sistemas automatizados. Como sugestão de trabalhos futuros, propõe-se a realização de testes práticos utilizando ferramentas avançadas de medição de taxa transmissão de dados pela rede wireless em diferentes ambientes, como exemplo, na zona urbana e zona rural onde não existe interferência. Pode-se, também, determinar, através de testes e simulações, alcance máximo que esse transmissor é capaz de atingir. TGHGTÙPEKCU" [1] NIVETEC. Disponível em: <http://www.nivetec.com.br/nivetec2008> Acesso em: 25 out. 2010. [2] MIKROTIK. Disponível em: <http://www.mikotik.com/Mikrotik2011> Acesso em: 03 mar. 2011. [3] MORAES, Cícero Couto de; CASTRUCCI, Plínio de Lauro.; Gpigpjctkc"fg"Cwvqocèçq"Kpfwuvtkcn/ 2 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007. [4] FRANCHI, Claiton Moro; CAMARGO, Valter Luís Arlindo de.: Eqpvtqncfqtgu"Nôikequ"Rtqitcoâxgku0 2 ed. São Paulo: LTC, 2009. [5] TECWISE, Sistema de automação. Disponível em: <http://www.tecwise.com.br/> Acesso: em 23 out. 2010. [6] TANENBAUM, Andrew S. Tgfgu"fg"Eqorwvcfqtgu0 4 ed. 11. Rio de Janeiro: Campus, 2003 [7] SOARES, Luis Fernando G.; LEMOS, Guido; COLCHER, Sérgio."Tgfgu"fg"Eqorwvcfqtgu<"das LANs, MANs e WANs às Redes ATM. 2 ed. Rio de Janeiro: Campus, 1995.

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Projeto de eficientização do sistema elétrico de uma cerâmica Eng. Saulo Fernandes Costa; Esp. Marcus Vinicius Pimenta "" " Cduvtcev< This study proposed the application of the concepts of energy efficiency in the electrical system of the ceramic São João, located in Sao Joao da Ponte (MG). Through visits to pottery was identified as the points of greatest electricity consumption were the illumination systems and drives. For both these systems have been studied and developed energy efficiency projects recommended in character, and he was taken into account technical and economic aspects. The project involves the replacement of lights and an engine, besides the standardization of lighting levels. Through analysis of investment returns, there was the economic viability of projects. And through estimates of each project there was a reduction of energy consumption, and an improvement of working conditions on pottery offered by equipment involved in the study. Mg{yqtfu< energy efficiency, eletrical system, projects, viability. Tguwoq<" O presente estudo propõe-se a aplicar os conceitos de eficiência energética no sistema elétrico da cerâmica São João, situada em São João da Ponte (MG). Através de visitas técnicas à cerâmica foi identificado que os pontos de maior consumo de energia elétrica foram os sistemas luminotécnico e de acionamentos. Para melhor elucidar a questão, foram elaborados projetos de eficiência energética de caráter recomendativo, levando-se em conta aspectos técnicos e econômicos. Os projetos propõem a substituição de luminárias e de um motor, além da padronização dos níveis de iluminação. Através de análises de retorno de investimentos, verificou-se a viabilidade econômica dos projetos. Através de estimativas de cada projeto verificou-se uma redução do consumo de energia, além de um melhoramento das condições de trabalho na cerâmica proporcionadas pelos equipamentos envolvidos no estudo. " Rcncxtcu/ejcxg< Eficiência Energética, Sistema Elétrico, Projetos, Viabilidade.

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3""KPVTQFWÑ’Q" Uma vez que o acesso à energia é fundamental para o desenvolvimento das sociedades, a industrialização e o crescimento econômico, associados às crescentes inovações tecnológicas dos últimos anos, vêm causando aumento substancial na demanda de energia elétrica (FILHO et al, 2004. p.145). A energia é empregada intensamente na sociedade em geral e em tudo o que se faz. Sendo assim, Nogueira (2007 p.13) aponta para a importância e necessidade de utilizá-la de modo inteligente e eficaz, uma vez que a maior parte da energia usada no mundo provém de combustíveis fósseis, como o carvão, o gás ou o petróleo, cujas reservas têm vindo a diminuir (EDP, 2004. p.10). Filho et al (2004. p.144) abordam o planejamento energético tradicional no qual procuram expandir os recursos da oferta de energia elétrica com o propósito de atender, com segurança, principalmente aos critérios de crescimento de demanda futura e minimizar o custo da expansão. Sendo assim, segundo a EDP (2004. p.18) explica, a eficiência energética pode ser definida como a otimização que se pode fazer no consumo de energia. Gouveia (2004. p.4) declara que as fontes de energia podem ser classificadas em fontes primárias (aqueles produtos energéticos providos pela natureza, na sua forma direta, como o petróleo, o carvão mineral, energia solar e outras) ou secundárias (aqueles produtos energéticos resultantes dos diferentes centros de transformação, que têm com destino principal os diversos setores de consumo). As fontes primárias são formas de energia que podem ser consumidas diretamente nos diversos setores da economia, ou principalmente como matéria-prima para a obtenção de energias secundárias nos chamados centros de transformação (refinarias de petróleo, destilarias, centrais elétricas, etc.) (GOUVEIA, 2004. p.4). Segundo a EDP (2004. p. 8), as primárias são fontes de energia inesgotáveis ou que podem ser repostas a curto ou médio prazo, espontaneamente ou por intervenção humana além de ser classificadas em não-renováveis (passíveis de se esgotarem por serem utilizadas com velocidade bem maior que os milhares de anos necessários para sua formação) ou renováveis (aquelas cuja reposição pela natureza é bem mais rápida do que a sua utilização energética). Nas empresas, a otimização energética pode ser um ponto de partida para a modernização tanto de instalações prediais como de processo industriais, levando ao aumento do volume de produção com o mesmo consumo de energia, conforme explica Nogueira (2007).

Com proposta de uma análise da aplicação dos conceitos de eficiência energética no sistema elétrico da Cerâmica São João, sediada no município de São João da Ponte – MG - objetiva-se a melhoria do processo de eficiência energética e redução de gastos através da realização de um projeto identificando os pontos maiores de consumo de Energia Elétrica. O trabalho será desenvolvido em ambiente prático, onde, através de visitas, já foram levantadas algumas características técnicas. Serão realizadas outras visitas para descobrir as formas e tempos de uso dos equipamentos, dentre outros detalhes. Com o objetivo de obter uma substancial redução do consumo e da demanda de energia elétrica, serão identificados os pontos de desperdício e as propostas para substituição de equipamentos ineficientes. 4""VTCDCNJQU"FGUGPXQNXKFQU" Para melhorar alguma coisa é preciso primeiramente conhecer a fundo aquilo que se estuda. Para tanto, foram realizadas várias visitas à cerâmica, a fim de identificar e catalogar o sistema elétrico que se desejava melhorar. O sistema elétrico da cerâmica foi dividido em dois segmentos, separados pela função que cada um exerce. Assim, as características inerentes a cada sistema foram sintetizadas por meio de divisões no capitulo e desenvolvidas sequencialmente. Essas divisões tratam detalhadamente todos os componentes e as peculiaridades do sistema de iluminação e de acionamentos. A - Sistema de Iluminação Em síntese, foram catalogados todos os ambientes da cerâmica e registrados os tipos e quantidades de luminárias, lâmpadas e reatores. A coluna LUX, que indica a iluminância (lux) medida em cada ambiente, foi elaborada utilizando um aparelho de medição de intensidades luminosas, medidas em lux, ou seja, o luxímetro, que, ao ser acionado, sempre na altura do ambiente de trabalho de cada repartição, fornecia a intensidade luminosa de forma bastante precisa. A coluna LUX MEDIO NBR-5413 indica a quantidade de lux ideal para cada ambiente, de acordo com a NBR-5413 (1992). Porém, nesta existem três valores (valor mínimo, médio e máximo) de iluminância ideal a serem adotados para cada ambiente. O que definirá qual dos três será adotado é o peso, ou seja, o grau de necessidade de luminosidade para o bom cumprimento de cada tarefa. Para tanto, existem alguns fatores determinantes, como a idade dos usuários daquele local, a velocidade

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e precisão necessárias em cada tarefa e a refletância do fundo da tarefa. Após os devidos esclarecimentos, segue-se a descrição do sistema elétrico da cerâmica na tabela 1. Tabela 1 Características Do Sistema De Iluminação

O sistema projetado privilegia o emprego de lâmpadas mais eficientes como as fluorescentes tubulares de 32W. Para comparar os dois sistemas de iluminação, foi criada a tabela 4 que ressalta o aumento no emprego de todos os equipamentos luminotécnicos envolvidos, mas privilegia a redução do consumo de energia elétrica e a melhoria da qualidade de iluminação. Tabela 4 Resultados Obtidos/Iluminação

Fonte: Pesquisa de Campo

A diferença entre o consumo total do sistema atual (5.76kW) e o projetado (4.88kW) foi de 0,88kW. Essa redução de consumo comprova a importância e a necessidade dos índices de eficiência dos equipamentos disponíveis no mercado. Entretanto, a característica mais atraente do novo sistema é a melhoria na qualidade da iluminação da cerâmica que, como pode ser verificado na tabela 14, estava totalmente fora das normas, além de proporcionar maior conforto luminotécnico para os funcionários que ali trabalham.

A tabela 2 sintetiza as características do sistema luminotécnico atual e identifica tanto o tipo como a quantidade de luminárias e lâmpadas instaladas. A tabela sistema antigo também esclarece um ponto preponderante para o projeto, que é a potência total deste sistema. A. B. B - Estudo de retorno de investimento para sistema Tabela 2 de iluminação Sistema Atual

Fonte: Pesquisa de Campo

A análise da tabela 2 também permite identificar que os modelos de lâmpadas utilizadas na cerâmica possuem alta potência e são pouco eficientes, gerando um consumo muito alto, além de ter vida útil muito pequena. Em paralelo, a tabela 3 resume as características do sistema de iluminação projetado com seus componentes, inclusive o consumo total do sistema. Tabela 3 Sistema Projetado

Fonte: Pesquisa de Campo

O sistema luminotécnico projetado (4,88kW) teve uma economia de 0,88kW, quando comparado com o existente (5,76kW). Essa redução de potência ganha traços significativos, quando revelado que, de acordo com os funcionários da manutenção elétrica da cerâmica, a utilização média diária de todo o sistema é de 12 horas. Assim, para os dois sistemas, tem-se um consumo mensal de: 5,76kW x 12h x 30dias = 2.073,60kWh (Sistema existente) 4,88kW x 12h x 30dias = 1.756,80kWh (Sistema projetado) A diferença de consumo entre os dois sistemas é de 15,27% ou 316,8kWh. Considerando o enquadramento tarifário convencional e a taxação de impostos de 24%, a economia mensal seria de: (316,8kWh x 0,16386R$/kW) x 1,24 = R$ 64,95. Essa economia mensal é bastante expressiva, porém faz-se necessário o cálculo tempo de retorno do investimento. Para tanto, foi elaborada a tabela 5 que reproduz os custos necessários para a implementação do projeto.

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Tabela 5 Orçamento para o sistema luminotécnico

Assim, utilizando as equações 1, 2, 3 e 4, sequencialmente, foi elaborado o cálculo para evidenciar o nível de carregamento de cada um dos motores. MN = PN / nN Mt = MN x (ns – nt) / (ns – nN) Pt = Mt x nt (Fc = Pt / PN ) x 100 onde;

Fonte: Orçamento da Sincol

O custo total do investimento é de R$5.185,00 que poderá ser diluído ao longo dos anos. Para tanto, foram realizados os cálculos para verificar em quanto tempo terá esse retorno financeiro. R$ 5.185,00 / R$ 64,95 = 79,83 Assim, o retorno financeiro se dará depois de 80 meses ou 6 anos e 7 meses. Esse é um investimento a longo prazo e o tempo de retorno apresenta-se não satisfatório. Entretanto, a característica mais atraente do novo sistema é a melhoria na qualidade da iluminação da cerâmica. C - Sistema de Acionamentos Conforme descrito na tabela 6, o sistema de acionamentos da cerâmica consta de dez motores de variadas potências. Tabela 6 Características do sistema de acionamentos

Fonte: Pesquisa de Campo

O sistema de acionamentos da cerâmica é o responsável pela maior fatia de consumo de energia elétrica. Para tanto, faz se necessário o cálculo do índice de carregamento de cada motor para verificar se está bem dimensionado. Lembrando que, para valores superiores a 70%, considera-se bem dimensionado, para índices inferiores considera-se super dimensionado. Constatado o seu super dimensionamento, deve-se estudar a hipótese de substituí-lo, pois acarreta desperdício de energia elétrica.

(1) (2) (3) (4)

Mt = Conjugado de trabalho MN = Conjugado nominal ns = Rotação síncrona nt = Rotação de trabalho nN = Rotação nominal Pt = Potência de trabalho Fc = Índice de carregamento Pt = Potência de trabalho PN = Potência nominal Feitas as devidas análises de todos os motores, verificou-se que apenas um motor, o de 60 CV,está super dimensionado.Será feito um estudo para a viabilidade de sua substituição, como foi sugerido no referencial teórico. Portanto, a capacidade de potência do sistema de acionamento (82,80KW) será alterado para o sistema projetado. Não se pode concluir que este seja um resultado indesejável, pois comprovou-se que o sistema existente, em sua maioria, já é eficiente. D - Estudo de retorno de investimento para o sistema de acionamentos O estudo de viabilidade econômica para esse sistema é necessário, uma vez que foi constatado que um dos motores existentes seja plausível de alguma ação que gere custos em investimentos. Mas faz-se necessário identificar o quanto o consumo mensal desses motores representa para o consumo total de energia elétrica da cerâmica. Assim, considerando que esse sistema é acionado durante 8 horas por dia (informação prestada pelos funcionários), tem-se um total de 240 horas mensais. Dessa forma, e lembrando que a potência total do sistema seja de 82,80kW, pode-se obter esse consumo da seguinte maneira: 82,80kW x 240horas = 19.872,00kWh Pode se dizer que o sistema de acionamentos representa a maior fatia do consumo, em virtude de sua alta potência e tempo de funcionamento. Considerando o enquadramento tarifário convencional e a taxação de impostos de 24%, o valor mensal pago por esse sistema é de:

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(19.872,00kWh x 0,16386R$/kW) x 1,24 = R$ 4.037,72 Como pode-se observar nos dados utilizados no cálculo de carregamento do motor de 60CV, o valor da corrente de trabalho(109,8A) está muito abaixo do valor de sua corrente nominal(150A), além de o índice de carregamento estar abaixo de 70%,valor que indica que o motor está super dimensionado. Foram feitas outras medições de corrente e verificou-se que os valores encontrados eram iguais ou próximos do valor anteriores. A alternativa foi sugerir a substituição do motor. Para tanto, o motor sugerido será de 50CV, com corrente nominal de 125A, que atende plenamente à maior corrente registrada.Com essa substituição, tem-se uma redução de 10CV(7,36kW)na potência do sistema de acionamentos, que, levando-se em consideração o tempo de funcionamento do sistema, que é de 240 horas, tem- se uma redução no consumo de: 7,36kW x 240 = 1.766,40kWh A diferença de consumo entre os dois sistemas é de 8,89%. Considerando o enquadramento tarifário convencional e a taxação de impostos de 24%,a redução no valor mensal pago é de: (1.766,40kWh x 0,16386R$/kW) x 1,24 = R$ 358,91 Para colocar em prática este projeto, faz-se necessário um investimento inicial para substituir o motor existente. Para tanto, foi elaborada a tabela 7, que apresenta o orçamento dos custos necessários para a implantação do projeto. Tabela 7 Orçamento para a substituição do motor

Item Motor de Indução Trifásico WEG 50CV 4 polos Mão de obra qualificada

Custo R$ 6.330,00 R$ 370,00

Fonte: Orçamento da Mendes Eletromecânica

O custo total do investimento é de R$6.700,00 que poderá ser diluído ao longo dos anos. Assim, foram realizados os cálculos para verificar em quanto tempo terá esse retorno financeiro. R$ 6.700,00 / R$ 358,91 = 18,66 Assim, o retorno financeiro se dará depois de 19 meses, ou 1 ano e 7 meses. O resultado encontrado aqui é extremamente satisfatório, pois, em apenas 1 ano e 7 meses, o investimento seria pago.

Já no segundo ano, a economia seria de R$ 1.794,55 e a partir do terceiro ano, a economia anual será de R$ 4.306,92. Caso o motor atual possa ser vendido ou realocado, seu valor pode entrar como receita e melhorar o retorno do investimento. E - Análise Tarifária Tarifação Atual O contrato de energia elétrica de fornecimento de energia elétrica celebrado entre a CEMIG DISTRIBUIÇÂO S.A e a Cerâmica São João, regula o fornecimento de energia elétrica em 13,8 kV. Assim, o mesmo está enquadrado no subgrupo A4. A estrutura tarifária rege as regras e valores estipulados da estrutura tarifária convencional. E o contrato de demanda acordado foi de 125kW. Para se determinar a demanda a ser contratada, foi feita uma análise, no período de um ano, de todos os valores de demanda registrados em cada mês. Tais informações foram retiradas das contas de energia elétrica da cerâmica. Encontramos que o máximo valor registrado foi no mês de março e o valor foi de 87kW. Admitindo que as demandas mensais futuras seguirão o mesmo padrão, e sabendo que a tolerância de ultrapassagem da demanda seja de até 10%, conclui-se que a nova demanda a ser contratada deve ser de 79kW. De acordo com a CEMIG DISTRIBUIDORA S/A, a ANEEL regulamenta que o valor de demanda a ser contratada deve ser, no mínimo, igual a 50% da capacidade do transformador. Isso torna-se extremamente relevante quando se tem na Cerâmica um transformador de 225kVA. Assim, a menor demanda a ser contratada, de acordo com consultas prestadas pela própria CEMIG, seria de 112,5kW. Contudo, a única alternativa de viabilizar a redução da demanda contratada foi sugerir a substituição do transformador. Para tanto, o transformador sugerido será de 112,5kVA, que é um transformador comercial, e atende plenamente à maior demanda registrada mais um adicional de 10%, permitido pela concessionária. F – Enquadramento Tarifário O projeto de enquadramento da estrutura tarifária da cerâmica foi realizado analisando os horários e os meses de maior consumo, bem como as opções disponíveis para a tarifação. Antes, porém, fez-se necessário levantar as características do consumo da cerâmica. Pôde-se julgar que o consumo é bastante homogêneo durante o ano, não havendo distinção entre períodos úmidos e secos.

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No entanto, existe uma dificuldade para identificar o consumo, em relação ao tempo diário, ou seja, o consumo em relação ao horário ou não de ponta, uma vez que as contas de energia elétrica não indicam esses dados. De acordo com a própria CEMIG DISTRIBUIDORA S/A, esses dados não foram contabilizados porque o enquadramento tarifário atual é convencional e assim não há distinção de valores entre os diversos horários do dia. Utilizando os dados da conta foi possível encontrar a média da demanda máxima anual (84Kw) e o consumo médio mensal (21.579kWh), que sintetiza todo o consumo do ano de 2009. A tarifa convencional usufrui de valores medianos tanto para a demanda, quanto para a tarifação do consumo, além de não apresentar distinções entre os horários do dia. Antes de concluir, existe uma ressalva interessante a se fazer, que é a taxação de impostos, como o ICMS, o PASEP e o COFINS que, juntos, dão uma media de 24% ao longo do ano e que devem ser incorporados no fechamento da conta de energia elétrica. G - Estudo de retorno de investimento para o projeto da nova estrutura tarifária Este estudo utilizará como parâmetro a média da demanda (84kW) e do consumo (21.579kWh) medidos ao longo do ano. Caso esses dados fossem relativos a uma conta de energia atual, que apresenta uma demanda contratada de 112kW, o valor a ser pago seria o seguinte: 125 (kW) x 44,72 (R$/kW) = R$ 5.590,00 21.579 (kWh) x 0,16386 (R$/kW) = R$ 3.535,93 Considerando, ainda, a taxação de impostos, tem-se o valor total a ser pago: (5.590,00 + 3.535,93) x 1,24 = R$ 11.316,15 Assim, para o regime tarifário existente, uma conta média de energia elétrica daria R$ 11.316,15. Agora, considerando a estrutura tarifa sugerida pelo projeto, tem-se o seguinte valor a ser pago: 79 (kW) x 44,72 (R$/kW) = R$ 3.532.88 21.579 (kWh) x 0,16386 (R$/kW) = R$ 3.535,93 (3.532,88 + 3.535,93) x 1,24 = R$ 8.765,32 Ao subtrair os dois valores, tem-se uma economia mensal de: R$ 11.316,15 – R$ 7.410,28 = R$ 2.550,83 Essa economia representa 22,6% do valor de uma conta de energia média mensal, o que é bastante interessante do ponto de vista financeiro. Entretanto, para colocar em prática este projeto faz-se necessário um investimento inicial para substituir o transformador existente. Assim sendo, foi elaborada a tabela 8, que apresenta o orçamento dos custos necessários para a implantação do projeto.

Tabela 8 Orçamento para a substituição do trafo Item Custo Transformador 13,8/220kV trifásico a óleo R$ 112,5kVA: 11.200,00 Mão de obra qualificada R$ 5.000,00 Fonte: Orçamento da Planel Elétrica

Assim, o investimento inicial seria de R$ 15.200,00. Analisando o tempo de retorno do investimento tem-se: R$ 15.200 / R$ 2.550,83 = 5,95 meses O resultado encontrado aqui é extremamente satisfatório, pois, em apenas 6 meses, o investimento seria pago, e a economia de 22,6% seria contabilizada a todos os meses subsequentes. Já no primeiro ano, a economia seria de R$ 15.304,98 e a partir do segundo ano, se mantiver o consumo, a economia será de R$ 30.609,96. Caso o transformador atual possa ser vendido ou realocado, seu valor pode entrar como receita e melhorar o retorno do investimento. 5""TGUWNVCFQU"QDVKFQU" Para contribuir com o bom andamento da leitura do trabalho, foi construída a tabela 9 que sintetiza os resultados obtidos para cada um dos sistemas elétricos analisados e também a análise tarifária. Tabela 9 Resultados obtidos

Fonte: Pesquisa de Campo

A tabela 9 reproduz uma estimativa da economia de energia elétrica e financeira, caso cada um desses sistemas fossem implantados. Também demonstra aspectos percentuais para que se possa saber o quanto a economia estimada representa do valor total de cada sistema e da estrutura tarifária existente. 6""EQPENWU’Q" Nesta pesquisa, realizada na Cerâmica São João, pôde-se perceber o quanto é importante o estudo da eficientização energética, não só pela readequação dos aparelhos que influenciam no consumo de energia, mas principalmente, para permitir o bom andamento dos trabalhos realizados nesse local. Foram diversas as dificuldades encontradas para se concluir este trabalho, como, por exemplo, a interlocução com pessoas não técnicas, o árduo trabalho para se coletar os dados, além da já sabida

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dificuldade para se transferir os vários tipos de dados para o trabalho. A análise tarifária concentrou os melhores resultados. Com um alto retorno financeiro, deveria ser imediatamente implantado. A viabilização deste projeto envolve apenas a renegociação do contrato com a concessionária e alterações no ramal de entrada da cerâmica, o que não acarreta nenhum transtorno ao seu cotidiano durante o período de adaptação. O projeto luminotécnico apresentou pequenos ganhos financeiros e no consumo de energia. Por se tratar de um investimento a longo prazo, teve um alto tempo de retorno e foi considerado não satisfatório. Entretanto, a característica mais atraente do novo sistema é a melhoria na qualidade da iluminação da cerâmica. Mesmo diminuindo o consumo de energia elétrica, foi possível adequar os níveis de iluminância a padrões considerados ideais, trazendo conforto luminoso aos trabalhadores da cerâmica. Os motores, em sua grande maioria, estão empregados corretamente quanto ao nível de carregamento, estando acima de 70%. Apenas um motor apresentou carregamento inferior ao ideal e corrente de trabalho muito abaixo do valor de corrente nominal. Portanto, foi proposta a sua substituição, por um motor com valores nominais mais adequados à carga. Para o projeto de acionamentos, o resultado encontrado é extremamente satisfatório, pois em apenas 1 ano e 7 meses o investimento seria pago. É importante lembrar que os resultados aqui obtidos formam uma estimativa bem próxima da realidade, uma vez que o tempo de utilização diário dos diversos equipamentos elétricos foi obtido através de consultas aos funcionários da cerâmica e observações feitas pelo próprio pesquisador.

Durante as visitas à cerâmica, percebeu-se que existe um desperdício de energia elétrica muito grande por parte dos funcionários. Diversas vezes, encontravam-se ambientes fechados, vazios, mas com lâmpadas acesas. Portanto, vale recomendar a criação de uma CICE, para fiscalizar e conscientizar os usuários quanto à importância da economia e conservação da energia elétrica. Como trabalho futuro, pode-se sugerir a verificação das vantagens da tarifa convencional, através da coleta de dados, junto à concessionária, do consumo de energia elétrica da cerâmica em função das horas do dia e dos meses do ano de maior consumo especificadamente. Este trabalho despendeu bastante tempo e dedicação dos pesquisadores, mas é com satisfação que o concluímos afirmando e provando que é, sim, economicamente viável diminuir o consumo de energia elétrica dessa cerâmica, utilizando princípios de eficientização. TGHGTÙPEKCU" [1] ABILUX. JORNAL. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA DE ILUMINAÇÃO. Projeto garante segurança através da iluminação, 1995. 02p. [2] ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Brasília: ANEEL, 2005. [3] BARBOSA, C. A. Fontes de Energia. Disponível em: <http://arteempapelreciclado.blogspot.com/2009/04/fontes-deenergia.html>. Acesso em: 03 jun. 2010. [4] CAEIRO, M. A Iluminância. 2011. Disponível em: <http://encontrarconhecerepraticarsa.blogspot.com/2011/02/6semana-iluminancia.html>. Acesso em: 12 mar. 2011. [5] FARIA, A. B. M.; ROCHADEL, A. D. Gestão de Energia Elétrica no Campus Darcy Ribeiro: Rateio e Ferramentas. Brasília: UNB, 2008. [6] FILHO, D. O. et al. Metodologia para racionalização do uso de energia elétrica para obtenção de força motriz em fábrica de ração: estudo de caso. São Paulo: Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 2004.

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Eficientização do chuveiro elétrico com vistas à redução do consumo de energia elétrica Eng. Ronan Nunes Lara; Esp. Marcus Vinícius Pimenta Rodrigues

Cduvtcev< This research proposes a work in the field of energy efficiency, with the remodeling of the electric shower, with the intention of reducing the consumption of electricity in the entry system. The overall objective of the proposed development of a system aimed at reducing consumption of electricity, which heats the water up at the same temperature of a conventional electric shower with power of 4.4 kW, with the development of a prototype of a shower with indirect heating, collect data from the prototype, analyze and compare the data from this prototype. The methodology to be used will be quantitative and qualitative experimental character. It is hoped that this research contributes to energy efficiency, demonstrating the reduction of energy consumption in residence and presenting an innovative proposal that is reshaping the electric shower, working in conjunction with an electric power transformer. Mg{yqtfu< Electric shower, energy efficiency, electrical power, reduced consumption of electricity, thermodynamics, heat transfer, electrical power transformer. Tguwoq< Esta pesquisa propõe um trabalho no campo da eficientização energética, com a remodelagem do chuveiro elétrico, com a pretensão de reduzir o consumo de energia elétrica no sistema de entrada. O objetivo geral propõe o desenvolvimento de um sistema para a redução do consumo de energia elétrica, que aqueça a água na mesma temperatura de um chuveiro elétrico convencional com potência de 4,4kW, desenvolvendo-se um protótipo de chuveiro com aquecimento indireto; coletar dados junto ao protótipo; analisar e comparar os dados desse protótipo. A metodologia a ser utilizada será quantitativa-qualitativa de caráter experimental. Espera-se que esta pesquisa contribua com a eficiência energética, demonstrando a redução do consumo de energia elétrica numa residência e a apresentação de uma proposta inovadora que é a remodelagem do chuveiro elétrico, com o funcionamento em conjunto a um transformador elétrico de potência. Rcncxtcu/ejcxg< Chuveiro elétrico, eficiência energética, potência elétrica, redução de consumo de energia elétrica, termodinâmica, transferência de calor, transformador elétrico de potência.

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3"KPVTQFWÑ’Q" Este artigo apresenta uma pesquisa cuja ideia é a remodelagem do circuito elétrico do chuveiro, acondicionando essa resistência em um compartimento metálico, isolando-se essa resistência elétrica da água, sendo que a troca térmica acontecerá em torno desse compartimento, por dois princípios: irradiação e condução térmica. A transferência de calor, que ocorrerá da resistência ao compartimento metálico, se dará pelo processo de irradiação térmica, fazendo com que a resistência elétrica permaneça incandescente durante todo o processo de uso do aparelho, irradiando seu calor (efeito Joule) para esse compartimento. A potência elétrica fornecida, responsável por gerar esse efeito Joule, para manter o sistema em operação, acontecerá com o auxílio de um transformador elétrico de potência. Espera-se a redução dessa potência elétrica através do auxílio do transformador, onde a corrente elétrica na entrada é baixa com tensão elevada (127 V) e na saída uma corrente elétrica induzida elevada, com tensão inferior à de entrada, submetendo-a à carga (nova resistência elétrica, remodelada) inserida dentro do câmara interna do protótipo. Um cilindro metálico acondicionará a resistência elétrica, totalmente blindada evitando a entrada da água, conforme desenho esquemático da Fig. 1.1.

metálico para se acondicionar a resistência elétrica, que será remodelada para essa finalidade. Tabela 2.1 Parâmetros de funcionamento de um chuveiro convencional Posição: Posição: Chuveiro elétrico convencional Verão Inverno (Morno) (Quente) Tensão Elétrica (referência: fonte a vazio s/ carga) 132 V 132 V Tensão Elétrica (com queda de tensão na carga) 125 V 119 V Corrente Elétrica (com queda de tensão na carga) 22,3 A 36,5 A Corrente Elétrica de Fuga 0,6 A 0,94 A Temperatura da água 38 °C 43 °C (na saída do aparelho) Temperatura da água (a 1,20 m do piso) 37 °C 40 °C Temperatura de referência (ambiente) 27 °C 27 °C Variação de temperatura 10 °C 13 °C Vazão média de saída da água 0,0602 l/s 0,0602 l/s (1l / 16,6 s) Tempo de percepção do aquecimento 2,5 s 2,5 s

Foram pesquisados os materiais: Alumínio (Al), Ferro (Fe) e o Cobre (Cu) e, com base no referencial teórico, elaborou-se a Tab. 2.2, em que foram verificadas as melhores condições do caráter físico e termodinâmico para se confeccionar o compartimento metálico, sendo pesquisados os parâmetros referentes à condutividade térmica, calor específico e o coeficiente de expansão, que são característicos para cada metal. Tabela 2.2 Compartimento metálico – característica dos metais Metal

Latão

Condutividade Térmica

79,5

109,0

205,0

385,0

Calor Específico

0, 11

0, 09

0, 22

0, 09

12,0

20,0

24,0

17,0

Coeficiente de Expansão

Fonte: Adaptado de [4], [5] e [6].

Figura 1.1 – Esquema do chuveiro elétrico remodelado

4"VTCDCNJQ"FGUGPXQNXKFQ" No primeiro semestre de 2010, de acordo com a Tab. 2.1, obtiveram as primeiras observações de funcionamento do chuveiro convencional, em que foram coletados valores para comparações e inferências junto ao modelo proposto no diagrama esquemático acima. De acordo com este estudo apresentado, é possível propor o desenvolvimento do compartimento

O material a ser utilizado será o alumínio (Al), pois além de ser barato e de fácil aquisição, possui boa condutividade térmica para a transferência de temperatura a outros corpos, com maior facilidade, não retendo essa temperatura no próprio metal, se comparado ao Ferro (Fe) e ao Latão1, apesar de, pelo coeficiente do calor específico do material, requerer maior poder calorífico para elevar a 1

Latão é uma liga metálica composta por Bronze, Cobre e outros metais dentre eles o Ferro. Devido às características químicas de cada metal que compõe a liga, esta não apresenta boa condutibilidade térmica para uso nesta pesquisa, conforme se percebe na Tab. 1.2.

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temperatura em 1°C, se comparado ao Ferro e Latão. O seu coeficiente de expansão é da ordem de 24 micra para a elevação de 1°C. Se compararmos ao cobre (Cu), este tem todas as características termodinâmicas mais favoráveis que qualquer outro metal, mas, em virtude do custo e dificuldade para aquisição pelas metalúrgicas especializadas para a confecção do protótipo do compartimento, não se optou, neste momento, para se trabalhar com esse metal. Efetuou-se a medição de volume para a câmara interna do chuveiro e também para o compartimento metálico que ficará acondicionado nessa câmara, obtendo-se a Tab. 2.3. Tabela 2.3 Volumes da câmara e compartimento metálico

Volume Volume útil da câmara interna do chuveiro (ml) Volume útil para o compartimento metálico (ml)

781 ml 200 ml

Ainda no final do primeiro semestre de 2010 e início do segundo semestre deste mesmo ano, de acordo as Tab. 2.2 e 2.3 já se torna possível a elaboração de um projeto para se confeccionar o compartimento metálico, que será acondicionado dentro da câmara interna do chuveiro elétrico. Confecção do transformador elétrico de potência Também no segundo semestre de 2010, deu-se início para se confeccionar também o projeto de um transformador elétrico de potência, Fig.2.1, dimensionado de acordo suas características físicas, para receber em sua bobina de circuito primário 127V e fornecer na bobina de saída do circuito secundário uma tensão induzida entre 70V a 75V. As correntes de entrada no lado primário do transformador serão em torno de 12 A a 20 A e a corrente induzida de saída para o lado da carga no circuito secundário será em torno de 35 A a 40 ª. Espera-se atingir com isso, caso ocorra o funcionamento dentro do proposto, uma potência elétrica em torno de 2,4 kW, próxima a 50 % da potência atual do chuveiro elétrico convencional2.

Figura 2.1 – Transformador elétrico de potência

O chuveiro elétrico mais utilizado pela população em geral possui tensão de entrada de 127V e solicita corrente elétrica entre 35A a 40A, dissipando uma potência aproximada de 4,4kW.

O novo desafio para o primeiro semestre de 2011, após a confecção do compartimento metálico e do transformador elétrico de potência, é montar todo o conjunto, acompanhar seu desempenho e coletar dados para se mensurar o rendimento do novo aparelho e se a temperatura de aquecimento da água é satisfatória para a utilização em um banho diário. O material a ser utilizado como resistência elétrica será o fio com liga de níquelcromo, sendo os valores de resistência ôhmica na ordem de 2 Ω até 4 Ω. Atualmente os chuveiros convencionais para tensões de trabalho da ordem de 127 V a 220 V, possuem resistências elétricas feitas com fios de liga de aço, comuns na ordem de 0,1 Ω até 1 Ω. Para essas condições se aproximam de um curtocircuito no sistema elétrico, causando a sua incandescência, conforme demonstrado na Fig. 2.2, solicitando elevadas correntes elétricas no sistema, aumentando o consumo de energia.

(a) (b) Figura 2.2 – Resistência elétrica do chuveiro convencional: (a) – Ligada em 127 V (b) – Ligada em 220 V Fonte: Adaptado de [1].

Elaboração do projeto de compartimento metálico A partir dos dados na tabela 1.1, tabela 1.2 e tabela 1.3, elaborou-se o projeto do compartimento metálico em que as peças a serem desenvolvidas foram encaminhadas a uma metalúrgica. O compartimento será acondicionado dentro de um chuveiro da marca Fame, modelo Super Ducha. O projeto é composto das seguintes partes: copo para acondicionar o elemento resistor, peça intermediaria que conecta eletricamente o elemento resistor à fiação de entrada no compartimento e a tampa que é a peça superior que vedará os contatos elétricos da fiação para evitar a entrada de água, têm-se também o projeto de todo o conjunto devidamente montado e também o projeto de um anel de material teflon3, projetado para que o fio de níquel-cromo seja enrolado por sobre esse suporte e evita-se o contato com partes metálicas. O compartimento possuirá as seguintes dimensões, de acordo o modelo do chuveiro proposto: 6,5 cm de base cilíndrica e 6.0 cm de altura, perfazendo um volume aproximado de 200 ml, possuindo a câmara interna do chuveiro um 3

Teflon é um material de composto químico, que suporta elevadas temperaturas. Nesta pesquisa esse material está o previsto para suportar até 250 C.

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volume de 781 ml, de forma que o volume útil de água, para ser feita a troca térmica, seja de 581 ml, com a vazão média de 60,2 ml de água sob pressão constante. No primeiro semestre de 2011, montou-se o aparelho remodelado e iniciaram-se os testes experimentais para que se pudesse efetuar as coletas de dados e mensuração dos valores, para finalmente inferir sobre os dados coletados. Também, espera-se que, com a redução da potência elétrica, se consiga a transferência de calor para a água e que não ocorram danos no compartimento metálico, vistas as elevadas temperaturas de trabalho.

mantendo suas características mecânicas e a capacidade de isolamento elétrico entre o elemento resistor e a carcaça do compartimento metálico. Posteriormente efetuaram-se testes de aquecimento deste novo elemento resistor, para se averiguar a capacidade de elevação da temperatura sem a fusão do material. Os testes foram bem sucedidos, conforme se demonstra na Fig. 2.5 em que se percebeu também que, mesmo à passagem de baixas correntes elétricas no elemento de aquecimento, estando ele aglutinado, é capaz de proporcionar o aumento da emissividade térmica, conforme [3] e consequentemente a elevação da temperatura e sem danos ao material.

Construção física do protótipo No primeiro semestre de 2011, deu-se início à construção do protótipo, com a confecção das três peças metálicas. As Fig. 2.3 ilustram as peças.

Figura 2.5 – Novo elemento resistor incandescido (a) (b) Figura 2.3 – Compartimento metálico: (a) – Tampa, intermediário e copo (b) – Conjunto dentro da câmara interna do chuveiro

Confecção de nova resistência elétrica Após a elaboração do suporte para a resistência elétrica, feita de material teflon, este foi submetido a testes para verificar sua resistência ao calor. Os resultados demonstraram que o suporte apenas acondiciona uma resistência elétrica de fio de material níquel-cromo de até 2 Ω, permitindo passagem de grandes valores de corrente elétrica, em que a temperatura supera os 250 oC, causando danos a este suporte. A Fig.2.4 ilustra o teste realizado.

O novo suporte para a resistência foi desenvolvido primeiramente em gesso, mas, após testes, percebeu-se que o material apresentou perda da resistência mecânica devido à elevação da temperatura e ocorreu o surgimento de rachaduras e desagregação de material, conforme ilustra a Fig. 2.6, sendo esse tipo construtivo descartado.

(a) (b) Figura 2.6 – Suporte para a resistência elétrica (a) material: gesso (b) material danificado após teste

(a) (b) Figura 2.4 – Teste em suporte resistência elétrica-teflon (a) – A resistência incandesce e funde o suporte (b) – Detalhe do suporte danificado

Diante dessa constatação, será necessário desenvolver um suporte para a resistência elétrica que suporte temperaturas superiores a 250 oC,

Após esse teste, percebeu-se a necessidade de se obter um suporte para a resistência elétrica em material cerâmico. Foi pesquisado no mercado o emprego do material de porcelana, mas não se encontram fornecedores; somente em grandes centros e através de encomenda de projetos específicos, o que proporciona elevados custos, inviabilizando a pesquisa. Decidiu-se, então, pelo desenvolvimento de um suporte com o emprego da cerâmica de argila (idêntico ao material utilizado por artesãos locais).

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Esse material é de fácil aquisição e se consegue moldar na forma desejada e também há profissionais que trabalham com esse tipo de material, tornando sua aquisição é simples e de baixo custo. Estudando o processo para se preparar um artefato de cerâmica, percebe-se que a argila, após ser preparada e moldada na peça desejada, é queimada, para se eliminar os elementos químicos contidos no material, caso contrário, a peça se trinca durante a elevação da temperatura. Dentre os diversos elementos químicos na sua composição, estão o amônio e outros que, ao se aquecerem, geram gases explosivos, causando minúsculas explosões no ato da queima, danificando a peça cerâmica. Com base nessa observação, elaboraram-se alguns modelos de resistência elétrica protegida com cerâmica, conforme ilustra a Fig. 2.7.

Figura 2.7 – Nova resistência elétrica isolada – material: argila Detalhe exibe o seu formato cilíndrico.

Pode-se perceber como a resistência elétrica se tornou autossuportada4, mantendo-a na forma espiral e enrolada sobre si mesma, similar a um anel, possuindo as seguintes dimensões: 40 mm de diâmetro por 30 mm de altura, a fim de que, posteriormente, possa ser acondicionada de forma eficiente dentro do copo metálico, aproveitando-se ao máximo o espaço interno. A Fig. 2.8 ilustra o suporte após o processo da queima da argila, onde se percebe, de forma clara, o sistema de autossuporte, sua consistência mecânica, que irá proporcionar durabilidade e o isolamento elétrico para essa nova resistência elétrica.

Figura 2.8 – Nova resistência elétrica isolada após a queima da argila

Disposta de forma que fique enrolada como num carretel, sustentada por si mesma, numa espiral.

Vguvg"fq"rtqvôvkrq" Durante o teste do protótipo, totalmente preparado para o trabalho numa condição ideal, percebeu-se o início da troca térmica com a água, mas ainda não satisfatória para temperaturas ideais que é aproximadamente 35 oC, chegando-se naquele instante em torno de 29 oC. Numa avaliação detalhada, percebeu-se que estava ocorrendo uma elevada vazão de água dentro da câmara interna do chuveiro, dificultando essa troca térmica. No segundo teste, já com a vazão reduzida e devidamente controlada externamente por um registro, para se propiciar uma melhoria da elevação da temperatura nessa troca térmica, ocorreu, de forma inesperada, após tempo de 5 a 10 minutos de trabalho, a fusão do elemento resistor dentro do recipiente metálico, interrompendo-se todo o processo. Testes ôhmicos realizados no elemento resistor indicaram que havia ocorrido a ruptura do fio de níquel-cromo. Percebeu-se que, devido à elevada temperatura e pressão internas, a vedação do compartimento metálico está ineficiente, permitindo a entrada de fluidos dentro desse compartimento, causando danos ao novo elemento resistor. A Fig. 2.9 ilustra o protótipo desmontado, onde se visualiza o elemento resistor totalmente carbonizado e de cor acinzentada.

(a) (b) Figura 2.9 – Protótipo desmontado: (a) – compartimento reaberto (b) – resistor carbonizado

TGUWNVCFQU"QDVKFQU" O transformador elétrico de potência possui limitações em função de suas perdas internas, de acordo com [2], chegando-se a 26,76 % em queda de tensão induzida no circuito secundário, fornecendo-se apenas 1.970 kW, mas apenas 901,33 kW de potência util. Há falha estrutural no sistema de vedação do copo metálico com a parte superior, devido à elevação da temperatura e pressão interna, conforme se preconizou em [4], permitindo-se a troca de fluidos entre o meio interno e o externo. Ocorre fusão prematura do novo elemento resistor, com danos irreparáveis, devido a esta troca de fluido.

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O rendimento do protótipo não é superior a 95 %, e, de acordo com estudos anteriores, já demonstrados por [3], é atribuído como principal fator a perda térmica. EQPENWU÷GU" O projeto inicial do compartimento metálico necessita de adequações para obter uma vedação mais eficiente, desenvolvendo-se novo projeto, empregando modelo com utilização de parafusos, em conjunto com sistema tipo rosqueável. Para o novo elemento resistor, é necessário modelo protegido por material de porcelana ou vidro temperado para temperatura elevada. O transformador elétrico de potência necessita de alterações no seu projeto construtivo de forma a elevar a tensão induzida no circuito secundário para compensar a queda de tensão (26,76 %) que limita a potência fornecida. É possível o emprego de baixas potências elétricas e conciliar a eficiência energética do protótipo para se conseguir a transferência térmica indireta no aquecimento de água, desde que se consiga uma vedação adequada ao compartimento metálico, onde, apesar de o protótipo não apresentar funcionamento adequado, demonstra-se claramente que é possível a troca térmica indireta, consumindo-se baixas potências elétricas. " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "

TGHGTÙPEKCU" " [8] EIRAS, Cruz Seabra Wagner da. IX Encontro Nacional de Pesquisa em Ensino de Física. Colégio Jesuitas. T00081.pdf. Disponível em: <WWW.sbf1.sbfisica.org.br>, Acesso em 23/09/2010. [9] FALCONE, Aurio Gilberto." Gngvtqogeãpkec<" vtcpuhqtocfqtgu" g" vtcpufwvqtgu." eqpxgtuçq" gngvtqogeãpkec" fg" gpgtikc." oâswkpcu" gnê vtkecu" tqvcvkxcu0 volume 1. São Paulo: Edgard Blücher, 1979. [10] HADDAD, Jamil; AGUIAR, Sérgio Catão (org.); MARTINS, André Ramon Silva et alii (elab.). Ghkekí pekc" gpgtiê vkec<" kpvgitcpfq" wuqu" g" tgfw|kpfq" fgurgtfîekqu0 Brasília: Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL; Agência Nacional do Petróleo – ANP, 1999, 432p. [11] SAMPAIO, José Luiz; CALÇADA, Caio Sérgio. Hîukec0" volume único. São Paulo: Atual, 2005. [12] SOUZA, Luiz Fernando de. Wo" gzrgtkogpvq" uqdtg" c" fkncvcèçq" vê tokec" g" c" ngk" fq" tguhtkcogpvq0 Rio de Janeiro, 2007. Monografia de conclusão de curso – Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ. [13] USP - Universidade de São Paulo. Tabela de Calor específico de várias substâncias. Disponível em: <http://www.if.usp.br>. Acesso em: 10 out. 2010. [14] ____. Tabela de Condutividade térmica de várias substâncias. Disponível em: <http://www.if.usp.br>. Acesso em: 10 out. 2010.

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Modelagem e previsão de distorções harmônicas para o dimensionamento de condutores em instalações elétricas residenciais Eng. Daniel G. Schmidt; Dr. Nilton Alves Maia

Cduvtcev< The technological advances of recent decades in the field of electronics led to a substantial change in the profile of the loads of residential consumers of electricity. Today the predominant characteristics of nonlinear loads which are major sources of harmonic distortion of voltage and current. Among the most harmful effects of harmonic distortion is the heating of the conductors caused by skin effect. For the harmonic distortions are considered in their design of electrical conductors it is necessary that the designer has methods that allow the estimation of ditorções. This paper presents a mathematical model to predict the resulting harmonic currents in the neutral circuit single-phase two phase and three phase from the time the individual characteristics of each load and the modeling of the same application in Simulink. Mg{yqtfu< Harmonic distortion, power quality, non-linear loads, sizing conductors. Tguwoq< Os avanços tecnológicos ocorridos nas últimas décadas na área da eletrônica provocaram uma mudança substancial no perfil das cargas dos consumidores de energia elétrica residenciais. Hoje predominam as cargas de características não lineares, as quais são fontes de grandes distorções harmônicas de tensão e corrente. Entre os efeitos mais nocivos das distorções harmônicas está o aquecimento dos condutores provocados pelo efeito pelicular. Para que as distorções harmônicas sejam consideradas no seu dimensionamento dos condutores elétricos, é necessário que o projetista disponha de métodos que possibilitem a estimativa dessas distorções. Este trabalho apresenta um modelo matemático para a previsão das correntes harmônicas resultantes no neutro dos circuitos monofásicos, bifásicos e trifásicos, a partir do levantamento das características individuais de cada carga e da modelagem destas no aplicativo Simulink. Rcncxtcu/ejcxg< Distorções Harmônicas, cargas não lineares, qualidade de energia, dimensionamento de condutores.

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3"KPVTQFWÑ’Q" Os avanços tecnológicos observados nas últimas décadas contribuíram de forma sistemática para a popularização dos equipamentos eletrônicos nas instalações elétricas residenciais. A consequência do aumento na utilização desse tipo de carga é a introdução de distorções harmônicas de corrente nessas instalações. As distorções harmônicas são responsáveis por vários efeitos nocivos aos equipamentos e componentes de uma instalação elétrica. Dentre esses efeitos, um dos principais é o sobreaquecimento dos condutores elétricos que é provocado pelo efeito pelicular. Preocupada com esse efeito, a ABNT recomenda, através da norma NBR-5410 (2004), a aplicação de fatores de correção ao cálculo da corrente do neutro dos circuitos elétricos de baixa tensão, quando forem previstas distorções harmônicas superiores a 33%. Entretanto essa recomendação é ignorada por grande parte dos projetistas, em função da dificuldade de se estimar as referidas distorções harmônicas. Assim, este trabalho propõe um modelo matemático para a previsão das correntes harmônicas resultantes no neutro dos circuitos monofásicos, bifásicos e trifásicos, a partir do levantamento das características individuais de cada carga. Os modelos propostos são resultados da comparação entre medições efetuadas através de experimentos realizados em laboratório e simulações no Simulink, em que as cargas foram modeladas e associadas, possibilitando as análises das interações entre as correntes harmônicas. A utilização do modelo matemático proposto torna possível a previsão das correntes harmônicas e da distorção harmônica total de corrente com uma precisão que viabiliza o correto dimensionamento dos circuitos elétricos residenciais.

Para garantir a máxima fidelidade da modelagem das cargas, foram medidas as correntes harmônicas até a 51ª ordem. Os ângulos dos harmônicos de corrente apresentados são referenciados ao ângulo da corrente fundamental . O valor do ângulo de referência é 0º. As medições foram realizadas utilizando-se o analisador de qualidade de energia elétrica Fluke 43B, mostrado na FIG.1.

Figura 1 – Analisador de qualidade de energia Fluke 43B

Os resultados das medições realizadas em um aparelho de som portátil são apresentados na TAB. 1, a título de ilustração do trabalho de caracterização desenvolvido durante a pesquisa. Tabela 4 Características harmônicas do aparelho de som

4"ECTCEVGTK\CÑ’Q"FCU""ECTICU""TGUKFGPEKCKU" SWCPVQ"CQ"EQPVGðFQ"JCTOŽPKEQ Para a previsão das distorções harmônicas em instalações elétricas residenciais, é necessário que se conheçam detalhadamente as características de cada tipo de carga utilizada nestas instalações. No desenvolvimento deste trabalho, as cargas residenciais foram caracterizadas quanto às distorções harmônicas que produzem, a partir dos resultados dos ensaios realizados em laboratório. Foram realizadas medições das distorções harmônicas de tensão e corrente, potência aparente, potência ativa, potência reativa, fator de potencia real e formas de ondas das tensões e correntes. Os resultados dessas medições são a base para a modelagem e análise da interação entre as cargas, visando ao cálculo e à previsão da THDi e das correntes harmônicas em instalações elétricas residenciais.

O espectro harmônico e a forma de onda características do aparelho de som portátil são mostrados nas FIG. 2 e 3, respectivamente.

Figura 2 – Espectro harmônico de corrente do som portátil

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fundamental da carga modelada, sugerindo o método da medição direta.

Figura 3 – Forma de onda da corrente característica do som portátil

5"OQFGNCIGO"FG"ECTICU"P’Q"NKPGCTGU" Para estimar as taxas harmônicas de uma instalação elétrica residencial, é necessário considerar a interação entre as correntes harmônicas e seus ângulos de fase. O estudo desta interação só é possível mediante a aplicação de técnicas de modelagem apropriadas. Para a representação das cargas no sistema elétrico, duas abordagens são utilizadas: o Método da Composição de Cargas e o Método da Medição Direta. Neves (2008). O método da composição das cargas consiste em conhecer a constituição física das cargas, seus componentes e o princípio de funcionamento. Esse método permite a adaptação a várias situações, porém requer a composição de um extenso banco de dados com informações que normalmente não são fornecidas pelos fabricantes, por questões estratégicas. O método da medição direta consiste em realizar medições de potência ativa e reativa, fator de potência, distorções harmônicas individuais e totais. Essas medições fornecem os parâmetros necessários para a elaboração do modelo de carga desejado. Conforme recomenda a norma IEEE-519 (1992), muitas cargas harmônicas podem ser representadas por fontes de corrente, substituindo cada frequência harmônica da carga não linear por uma fonte de corrente na frequência correspondente (FIG. 4). No método escolhido para este trabalho, as cargas são constituídas por um circuito RL ou RC, de acordo com sua característica, ligado em paralelo com as fontes de correntes harmônicas. Como a modelagem é feita no Simulink, a vantagem de usar esse método é que as simulações são realizadas no domínio do tempo, permitindo a interação entre as correntes, mesmo em ângulos de fase diferentes. A representação básica do modelo proposto é mostrada na FIG.4. A utilização desse modelo requer o conhecimento prévio dos módulos e ângulos de todas as correntes harmônicas, da tensão, potência ativa (P), potência reativa (Q) e da corrente

Figura 4 – Representação básica do modelo proposto

A definição dos valores da resistência, indutância ou capacitância do modelo é feita em função da THDi e da corrente RMS medidas durante os ensaios da carga. Calcula-se primeiramente a corrente

(1) A partir da corrente , as correntes resistiva ( ) e reativa ( ) são calculadas: =

cos(θ)

(θ)

(2) (3)

Assim, as componentes resistiva e reativa que integram a impedância da carga podem ser calculadas: " """"""""""""""""""""""""""""""(4)" " """""""""""""""""""""""""""""""(5)" """""""""""""""""""""""""""""""""(6) Uma vez definidos os parâmetros da carga, o modelo é construído no Simulink e as simulações são feitas no domínio do tempo. A título de exemplo, na TAB 2 é apresentada uma comparação entre os resultados da medição direta realizada no aparelho de som portátil e os resultados da simulação no Simulink. Observa-se na TAB. 2 que a THDi da simulação foi de 36,88% enquanto na medição real foi de

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36,9%. A proximidade entre esses valores valida o método de modelagem adotado neste trabalho. Tabela 2 Comparação entre medição e simulação do som portátil

As formas de ondas da simulação e medição real são comparadas na FIG. 5.

realizados em laboratório e, em seguida, foram definidos dois modelos matemáticos para a previsão das correntes harmônicas resultantes no condutor neutro dos circuitos analisados. O condutor neutro foi definido como ponto de referência para avaliar as interações entre as correntes harmônicas porque nos circuitos monofásicos a mesma corrente que circula pelo condutor de fase também circula pelo condutor neutro e nos circuitos bifásico e trifásico a interação ocorre exatamente nesse condutor. Antes de chegar aos modelos em que é possível verificar as interações entre as correntes harmônicas foi preciso desenvolver um modelo individual para cada carga não linear que seria associada aos circuitos propostos, utilizando como parâmetros os resultados das medições realizadas na fase de caracterização das cargas. A. Previsão das distorções harmônicas em circuitos monofásicos Na FIG. 6 é apresentado um dos modelos criados para a análise da interação entre as correntes harmônicas nos circuitos monofásicos. Esse modelo permite a simulação de um circuito monofásico composto por um aparelho de TV CRT de 29”, um DVD Player e um Home Theater.

Figura 5 – Comparação entre formas de ondas real e simulada

6"UKOWNCÑ÷GU"G"RTGXKU’Q"FG"FKUVQTÑ÷GU" JCTOŽPKECU"GO""KPUVCNCÑ÷GU"TGUKFGPEKCKU"

Para o desenvolvimento do modelo para a previsão das distorções harmônicas, foram considerados os três tipos de fornecimento de energia elétrica mais comuns em instalações residenciais:   

Fornecimento de energia a dois fios (Fase-Neutro); Fornecimento de energia a três fios (2 Condutores Fases-Neutro); Fornecimento de energia a quatro fios (3 Condutores Fase-Neutro).

Baseado nas três possibilidades de fornecimento, foram idealizadas quatro possíveis situações de associação de cargas produtoras de distorções harmônicas de corrente em uma instalação elétrica residencial, simulando as ligações monofásicas, bifásicas e trifásicas. Os resultados das simulações foram comparados com os resultados dos experimentos práticos

Figura 6 – Modelo do circuito monofásico

Das comparações entre as simulações e os experimentos práticos, foi definido o modelo matemático para o cálculo das correntes harmônicas resultantes no neutro dos circuitos monofásicos. Esse modelo define as correntes harmônicas resultantes no neutro do circuito analisado, em função das características individuais (correntes harmônicas) de cada carga. (7) Onde: = Ordem harmônica da corrente desejada;

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ICA = Corrente solicitada pela carga A; ICB = Corrente solicitada pela carga B; ICn = Corrente solicitada pela enésima carga associada ao circuito monofásico; = Ângulo da corrente harmônica de ordem n. Definidas as correntes harmônicas resultantes no condutor neutro do circuito, é calculada a partir da Equação (8),

"""""(8) Para o circuito apresentado na FIG. 7, a calculada foi de 51,89%, enquanto o valor verificado nas medições realizadas durante os experimentos práticos foi de 51,58%. A comparação entre as formas de ondas das correntes da simulação e da medição real é mostrada na FIG. 8. Os resultados das comparações entre as e entre as formas de ondas das correntes comprovam a eficiência do modelo adotado.

Figura 9 – Modelo do circuito trifásico

A maior dificuldade na determinação das correntes harmônicas resultantes no neutro dos circuitos bifásicos e trifásicos, a partir das informações levantadas na fase de caracterização das cargas, consiste em encontrar o correto desfasamento angular entre as referidas correntes, uma vez que as tensões de alimentação das fases A, B e C estão defasadas 120° entre si. A solução para esse problema foi encontrada com o auxilio do Teorema de Fortescue (Teorema das Componentes Simétricas), pois cada ordem de corrente harmônica possui uma sequência única que corresponde às três componentes simétricas existentes nos sistemas elétricos trifásicos. Na TAB. 3, é apresentada a classificação das ordens harmônicas quanto à sequência. Tabela 3 Classificação das ordens harmônicas quanto à sequência

Figura 8 – Comparação entre formas de ondas real e simulada do circuito monofásico

B. Previsão das distorções harmônicas em circuitos bifásicos e trifásicos A metodologia adotada para chegar ao modelo matemático proposto para a previsão das correntes harmônicas em circuitos bifásicos e trifásicos foi a mesma utilizada no circuito monofásico. Foram simulados um circuito bifásico composto por duas lâmpadas fluorescentes compacta (LFC) de 21w de potência e um circuito trifásico equilibrado, composto por três LFCs. O modelo construído para a simulação do circuito trifásico é mostrado na FIG. 9. Dadas as séries de Fourier para as correntes das fases A, B e C de um sistema elétrico trifásico: +

sen(

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(8)

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sen[n (

(9)

∠(

(16)

(10) Onde: = Ordem harmônica da corrente = 120° = -120° ou 240°

Aplicando o Teorema de Fortescue, junto à decomposição das Equações (8), (9) e (10), em seus termos individuais, tem-se que: sen

(11) sen[ (

(12)

sen[ (

(13)

Conhecendo as correntes harmônicas características de uma carga não linear, através da utilização do método da medição direta, é possível modelar e simular o funcionamento dessa carga em qualquer fase de alimentação do sistema elétrico, reescrevendo as Equações (11) à (13) da seguinte forma:

∠

, e devem ser calculadas com a utilização da Equação (7). Para o circuito apresentado na FIG. 9, a calculada foi de 45,53%, enquanto o valor verificado nas medições realizadas durante os experimentos definida práticos foi de 44,4%. Sendo esta em função da corrente de 3ª ordem, uma vez que a corrente de 1° ordem para esse circuito é nula, pois o circuito é trifásico e equilibrado. A comparação entre as formas de ondas das correntes da simulação e da medição real é mostrada na FIG. 10. Os resultados das comparações entre as e entre as formas de ondas das correntes comprovam a eficiência do modelo adotado.

(14)

∠(

(15)

∠(

(16)

Onde: = Ordem harmônica da corrente = 120° = -120° ou 240° A aplicação destas equações promove uma rotação nos fasores das correntes harmônicas das cargas ligadas às fases B e C, posicionando-os de forma correta em relação aos fasores das correntes das cargas ligadas à fase A do sistema. Assim, chega-se ao modelo matemático utilizado na simulação e proposto para a estimativa das correntes harmônicas para circuitos elétricos bifásicos ou trifásicos, desenvolvido a partir das Equações (14) a (15). Esse modelo define as correntes harmônicas resultantes no neutro do circuito analisado.

Figura 10 – Comparação entre formas de ondas real e simulada do circuito trifásico

7"EQPENWU÷GU" O presente estudo apresentou um método para a determinação das distorções harmônicas resultantes da associação de cargas residenciais, através da modelagem a partir dos resultados de medições realizadas em laboratório. As análises dos resultados das medições efetuadas nas cargas residenciais indicam que a maioria apresenta um comportamento não linear e contribui para a redução da qualidade da energia elétrica nas redes de baixa tensão. Esse comportamento fica mais evidenciado, quando são analisadas as formas de ondas registradas nas medições. Estas apresentam

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deformações consideráveis em relação a uma forma de onda puramente senoidal. O método de modelagem das cargas, apresentado no capítulo 3, combinou a técnica da medição direta com a representação das correntes harmônicas por fontes de correntes, associadas em paralelo a um circuito RL (cargas indutivas) ou RC (cargas capacitivas), possibilitando a simulação das cargas, no domínio do tempo, com resultados bem próximos aos verificados na prática. Analisando e comparando todos os resultados obtidos nas simulações com os resultados verificados nos experimentos realizados em laboratório, pode-se afirmar que os modelos matemáticos propostos neste trabalho permitem a previsão das correntes harmônicas e da , produzidas por cargas residenciais não lineares, com uma precisão que possibilita o correto dimensionamento de circuitos residenciais.

TGHGTÙPEKCU" IEEE std. 519-1992, IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, 1992. NEVES, M. S. Modelagem de carga em sistemas de energia elétrica: modelo matemático e sua validação com testes de campo. 2008. 72 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Faculdade de Engenharia da Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora. 2008. NBR 5410 - Instalações Elétricas de Baixa Tensão, ABNT. 2004. NUNES, R. V. Análise de penetração harmônica em redes de distribuição desequilibradas devido às cargas residenciais e comerciais com a utilização do ATP. 2007. 150 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte. 2007.

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