Analisador e Medidor Monofásico de Energia

Jackson PopsinOrientador: MSc. Eng. Eletr. Dalton Luiz Rech Vidor

13 de Dezembro de 2010.

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ULBRA – Universidade Luterana do Brasil

O PROBLEMA

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Os medidores de energia fornecidos pelas concessionárias conferem pouca informação e clareza sobre o consumo de energia, deixando o consumidor a mercê das informações da qualidade e quantidade da energia consumida, somente quando receber a conta da luz ao final do mês.

Para isso se desenvolveu um medidor que permitisse ao usuário colocar o valor de kWh, de acordo com sua tarifa local, permitindo ao mesmo uma verificação completa do seu consumo até o momento, com o sistema implementado é possível disponibilizar na serial varias novas informações, como eventos de tensão, fator de potência, assim como coletar as informações de consumo de energia em um período de integração a definir, com isso é possível gerar relatórios e ter históricos de como foi consumido a energia no decorrer do mês.

OBJETIVO

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MATERIAIS UTILIZADOS

O protótipo desenvolvido tem a seguinte estrutura, utilizando sensores de tensão e corrente ligados ao um CI medidor de energia que disponibiliza através de seus registradores via SPI, a informação que é lida pelo PIC e disponibilizada na porta serial.

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Sensor de Corrente

Para a medição de corrente, utilizou-se um Transformador de Corrente(TC) que induz níveis de correntes menores, conforme relação de transformação 2000:3, sendo possível a medição proporcional em níveis que não ultrapassem os 500mV da entrada analógica.

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Sensor de Tensão

Foi adaptado um transformador convencional como Transformador de Potencial (TP), com a função de isolar o circuito de potência e permitir o condicionamento dos sinais a níveis de tensão na faixa dos mV. Para facilitar a conversão das medidas, condicionou-se o sinal a ter uma relação proporcional. Ex.: 220V (rede) igual a 220mV (entrada do CI medidor).

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CI Medidor de Energia (ADE 7753 – Analog Devices)

O CI medidor utilizado nesse protótipo desempenha a função de calcular a energia medida, através de suas duas entradas analógicas (corrente e tensão) de 16bits, com exatidão de 0,5%. E disponibilizar esses valores nos registradores que irão ser verificados através do protocolo SPI.

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Microcontrolador PIC 16F877A

Basicamente o PIC tem como função a conversão de SPI para RS-232, se tornando um gerenciador dos dados a serem lidos ou escritos no CI medidor. Visto que não seria possível acessar os registradores do ADE7753 sem o protocolo SPI e que o mesmo teria que ser desenvolvido especificamente nessa aplicação devido a pequena diferença no protocolo de comunicação.

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Interface Serial SPI

Comunicação síncrona de alta velocidade (até 3 megabits por segundo) utilizada para definir os parâmetros no CI medidor, bem como coletar as medições realizadas.

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Interface Serial SPI (método de validação do protocolo)

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O medidor funciona da seguinte forma, todos os parâmetros do PIC e ADE 7753 são carregados ao iniciar, com isso é possível estabelecer a comunicação com o medidor através da porta serial e via hyper terminal no PC. Disponibilizando um menu de opções de registradores a serem lidos, bem como a possibilidade de mudança de alguns registradores diretamente, assim como entrar com o valor de tarifa para medição parcial do consumo de energia elétrica.

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Inicio

Inicializa Biblioteca PIC Serial, Fuses

Inicializa LCD, Protocolo SPI e

Variaveis Globais

Fim (Aguarda

intervenção do Usuário)

Carrega, sub programas

INTERFACE DE ACESSO AOS REGISTRADORES

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METODO DE CALIBRAÇÃO

O processo de calibração foi realizado utilizando o laboratório de eficiência energética do Senai, onde se dispunha de uma banco de cargas padrão, que foram utilizados para se estabelecer os valores de corrente e tensão no medidor de energia. Realizando testes em condições diferentes afim de se estabelecer uma relação linear aos valores de corrente e tensão a serem medidos.

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CALIBRANDO

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T.1 = Carga de 96T.2 = Carga de 192T.3 = Carga de 288T.4 = Carga de 96 em série com

uma carga capacitiva de 940F, Xc = 11,28 @ 60Hz.

Valores medidos Fator de Conversão

Teste IRMS (A) VRMS (V) IRMS VRMS

1 1,33 129,25 1,2455E-05 0,000104609

2 2,636 128,6 1,26622E-05 0,000105815

3 3,96 127,75 1,26481E-05 0,000106327

4 1,2725 128,90 1,27889E-05 0,000105747

Media => 1,26385E-05 0,000105625

Nos testes, foi possível verificar a tensão e corrente medidas pelo analisador de qualidade de energia fluke 43B, baseada na relação entre o valor medido pelo fluke e a entrada do ADE 7753, que foi possível ser verificada acessando os registradores VRMS e IRMS do ADE7753.

TESTES: Repetibilidade

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O processo de testes foi realizado utilizando um multimedidor da Eletromar DIRIS A40, classe 0,5S, e com a seguintes características:

• Precisão das correntes: 0,2 % de 10 a 110 % de In• Precisão das tensões: 0,2 % de 140 a 700 V AC• Precisão na contagem de energia ativa: ± 0,5% de 0,02 a 1,2 In com PF = 0,5 Indutivo ou 0,8 Capacitivo (classe 0,5S IEC 62053-22)

TESTES: Repetibilidade

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O teste de repetibilidade foram realizados utilizando uma carga resistiva de 107W, ligado a rede 115V, durante um mesmo período de tempo de medição de 40min.

TESTES: Repetibilidade (resultados)

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BANCADA DE TRABALHO

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RESULTADOS E CONCLUSÕES

O Objetivo inicial de se medir energia elétrica com erro máximo de 5% foi obtida, visto que este equipamento de medição não tem a finalidade de faturamento, pois em testes realizados o sistema não ultrapassou 1,0%, utilizando como referência um medidor de classe 0,5.

A proposta de disponibilizar ao usuário uma interface para leitura do seu consumo parcial em R$, bem como inserir o valor de sua tarifa local também foi atendida.

O recurso de obter novos parâmetros e informação da energia medida e o desenvolvimento do protocolo de comunicação SPI, bem como os testes realizados, dão subsídios a desenvolvimento de novos equipamentos de medição de energia, atendendo as necessidades do usuário final que através da pesquisa de campo, teria total interesse.

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Incluir cartão de memória Incluir uma interface gráfica mais amigável ao

usuário. Estudo do projeto de filtros para medição e

instrumentação. Utilização de outros sensores para tensão e

corrente tornando as medidas mais estáveis. Melhoria na montagem da placa do circuito, o que

deve diminuir as interferências e, conseqüentemente, atender normas de interferência eletromagnéticas.

SUGESTÕES PARA FUTURAS MELHORIAS

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OBRIGADO.

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