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Palestra ministrado na Jornada da Engenharia Elétrica promovida pela UNIFRAN - Universidade de Franca, no dia 10 de setembro de 2015
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1
Me. Haroldo Luiz Moretti do Amaral
agaelema@gmail.com
MEDIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Jornada das Engenharias
UNIFRAN
SHORT. BIO. – Quem sou eu!?
Haroldo L. M. do Amaral
Doutorando Eng. Elétrica – Poli USP
Mestre Eng. Elétrica – UNESP Bauru
Tecnólogo Sistemas Biomédicos – FATEC Bauru
Apaixonado por eletrônica
Articulista no portal
2
ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
IMPORTÂNCIA E USOS
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
CONVERSÃO DO SINAL
PROCESSAMENTO DO SINAL
DESAFIOS ENVOLVIDOS
EVOLUÇÃO DOS PROJETOS
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IMPORTÂNCIA E USOS
Tarifação
Energia utilizada
Energia fornecida
Uso industrial
Inversores
Eficiência energética
Uso consciente
4
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
Tensão
TP
Transdutor de efeito Hall
Divisor resistivo
* Isolador óptico
Corrente
TC
Transdutor de efeito Hall
Resistor Shunt
5
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
Tensão – TP
Transformador “abaixador”
Baseado da relação de transformação
Primário/secundário
Tensão alta
Primário
Tensão Baixa
Secundário
6
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
Tensão – TP
Prós
Isolamento Galvânico
Facilidade de uso
Pode ser reaproveitado
Contras
Apenas AC
Preço
Impacto sobre a
forma de onda
(baixa qualidade)
7
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
Tensão – Efeito Hall
Prós
Isolação Galvânica
Linearidade
AC/DC
Contras
Preço
Dificuldade de acesso
8
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
Tensão – Divisor resistivo
Prós
Barato e simples
AC/DC
Comportamento linear
Não interfere no sinal
Contras
Não existe isolamento
9
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
Tensão – * Isolador Óptico
Não é muito usual
Prós
Barato e simples
AC/DC
DIY - Adaptável
Contras
Não é linear
Distorção harmônica
179 Vp
5 Vp
10
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
Corrente – TC
Prós
Isolamento galvânico
Medição de grandes correntes
Contras
Apenas AC
Alto custo
11
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
Corrente – TC/
Modelos compactos
Modelos não invasivos
DIY
Possível alteração do range
12
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
Corrente – Transdutor Efeito Hall
Prós
Isolação galvânica
AC/DC
Simples utilização
Linearidade
Contras
Preço
Invasivo
Ruído de fundo
13
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
Corrente – Resistor Shunt
Prós
“Simples”
Não interfere no sinal
Contras
Perigoso
Sem isolação
Invasivo
Dissipação de potência
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CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
Adequação dos sinais
Tensão
Abaixar a tensão
Corrente
Transformar em tensão
Amplificar os sinais
AmpOp’s
15
CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
Para sinais AC
Adicionar offset DC
Necessário para operação em fonte simples
Circuito passivo ou ativo
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Virtual Ground
CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
Para sinais DC com Resistor Shunt
Qual o tipo de medição de corrente
Righ-Side?
O AmpOp é compatível
com o VCM?
Low-Side?
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CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
É possível utilizar o resistor Shunt ou divisor
resistivo e garantir isolamento?
SIM!
Amplificadores de Isolação – Isolation Amplifier
Ex.: AMC1100 da Texas Instruments
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CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
Filtragem do sinal
Filtro passivo
Filtro ativo
Simples
Complexo
Ambos
Ferramentas online
WEBENCH® Filter Designer – TI
Analog Filter Wizard - AD
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CONVERSÃO DO SINAL
Converter os sinais condicionados
Analógico
Domínio contínuo
Digital
Domínio discreto
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CONVERSÃO DO SINAL
Conversor ADC
Amostragem do sinal
Frequência do sinal
Teorema de Nyquist
Resolução tem grande influência
Menor unidade mensurável
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CONVERSÃO DO SINAL
Tipos mais tradicionais
SAR
Presente nos uC’s e ADC’s de uso geral
Sigma-Delta
Aplicações de precisão
Tradicional na medição de energia
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CONVERSÃO DO SINAL
Soluções voltadas a medição de energia
Analog Devices - Linha ADE7xxx
Single Phase / Multi Phase
Processamento interno ao AFE
Acessar os valores via SPI
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CONVERSÃO DO SINAL
Soluções voltadas a medição de energia
Texas Instruments - Linha MSP430
uC 16 bits Low power
Single Phase / Multi Phase
ADC ΣΔ 16/24 bit
24
CONVERSÃO DO SINAL
Soluções voltadas a medição de energia
Texas Instruments – ADS131E08
AFE Multi Phase
8 ADC ΣΔ 24 bit – 64ksps
25
CONVERSÃO DO SINAL
Questão importante
Simultaneous Sampling
Conversores tradicionais
Multiplexam os canais
1 único ADC
Conversores para Energy Metering
Múltiplos ADC’s
Conversão sincronizada
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PROCESSAMENTO DO SINAL
Através das formas de onda...
Tensão e corrente rms
THDi e THDv
FD, FP
Potências
Aparente, Ativa, Reativa
Harmônica
Consumo acumulado
kVAh e kWh
Etc..
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Aplicação de filtro digital
Ex.: Filtro de média móvel
Minimizar ruídos com característica gaussiana
Algoritmo True rms
Cálculo integral das formas de onda
PROCESSAMENTO DO SINAL
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Cálculo do FP
𝐹𝑃 = cos𝜑 .(1 + 𝑇𝐻𝐷𝑝)
1 + 𝑇𝐻𝐷𝑖2 ∗ 1 + 𝑇𝐻𝐷𝑣
2
𝐹𝑃 =cos𝜑1
1 + 𝑇𝐻𝐷𝑖2
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𝐹𝑃 =𝑃
𝑆
PROCESSAMENTO DO SINAL
O processamento dos dados
Cálculo das potências
𝑃 = 𝑃1 + 𝑃𝐻 = 𝑉1 ∗ 𝐼1 ∗ cos𝜑1 + 𝑉𝑛 ∗ 𝐼𝑛 ∗ cos𝜑𝑛∞
𝑛=2
𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼1 ∗ cos𝜑1
𝑄 = 𝑉 ∗ 𝐼1 ∗ sin𝜑1
𝐷 = 𝑆2 − 𝑃2 − 𝑄2
𝑆 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 ∗ 𝐼𝑟𝑚𝑠
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PROCESSAMENTO DO SINAL
Definir as características e componentes
Quais e porque?
Desenvolver os algoritmos de cálculo
Validar seu funcionamento
Integrar todos os periféricos necessários
Hardware/Software
Calibrar o sistema
Verificar precisão e exatidão
A cada novo projeto aprendemos coisas
novas!!
DESAFIOS ENVOLVIDOS
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TCC – Graduação (2012)
Gerenciador de energia
com sistema para medição de algumas grandezas
uC 8051, ADC 8 bit, limitações no hardware
EVOLUÇÃO DOS PROJETOS
32
TCC – Graduação (2012)
EVOLUÇÃO DOS PROJETOS
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Upgrade no sistema (2013)
Upgrade - Gerenciador de energia
Troca dos 8051 por 1 MSP430G2553
Aumento da resolução
ADC externo 8 bit para Interno de 10 bit
4x mais resolução
Ganhos em desempenho
Menos ciclos por instrução
Menor clock com maior desempenho
Possibilidade de debugar o software
Mesma etapa de condicionamento dos sinais...
EVOLUÇÃO DOS PROJETOS
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Upgrade no sistema (2013)
Upgrade - Gerenciador de energia
Redução do circuito microcontrolado
EVOLUÇÃO DOS PROJETOS
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Dissertação – Mestrado (2014)
Desenvolvimento de um Smart Meter
uC’s MSP430 – 2 dividindo tarefas e periféricos
ADC 16 bit
Substituição de todos os algoritmos
Novo projeto para etapa analógica
Medição não isolada
Não interferir na forma de onda
Precisão superior a 1%
EVOLUÇÃO DOS PROJETOS
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Dissertação – Mestrado (2014)
Desenvolvimento de um Smart Meter
EVOLUÇÃO DOS PROJETOS
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MUITO
OBRIGADO!!!
Haroldo Luiz Moretti do Amaral
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