Automaçao de Sensores de Corrente Eletrica

CENTRO UNIVERSITRIO DE BRASLIA -UniCEUB

CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAO

MARCOS JOS DE CARVALHO FONTES

AUTOMAO DE SENSORES DE CORRENTE ELTRICA

Orientador: Prof. Maria Marony de Sousa Faria

Braslia

Dezembro, 2013


AUTOMAO DE SENSORES DE CORRENTE DE ENERGIA ELTRICA

Trabalho apresentado ao Centro

Universitrio de Braslia

(UniCEUB) como pr-requisito

para a obteno de Certificado de

Concluso de Curso de

Engenharia de Computao.

Orientador: Prof. Maria Marony

de Sousa Farias

Braslia

Dezembro, 2013


AUTOMAO DE SENSORES DE CORRENTE ELTRICA

Trabalho apresentado ao Centro

Universitrio de Braslia

(UniCEUB) como pr-requisito

para a obteno de Certificado de

Concluso de Curso de

Engenharia de Computao.

Orientador: Prof. Maria Marony

de Sousa Farias

Este Trabalho foi julgado adequado para a obteno do Ttulo de Engenheiro de

Computao, e aprovado em sua forma final pela Faculdade de Tecnologia e Cincias

Sociais Aplicadas -FATECS.

____________________________

Prof. Abiezer Amarilia Fernandes

Coordenador do Curso

Banca Examinadora:

________________________

Prof. nome, titulao.

Orientador

________________________


Instituio

________________________


Instituio

________________________


Instituio

Dedico este trabalho a meus pais que sempre

torceram por minha vitria Latino da Silva

Fontes e a Maria Helena de Carvalho Fontes

e a minha esposa Ceclia e a meus filhos Leo,

Mariana, Gabriela e Letcia por todo apoio.

Marcos Jos de Carvalho Fontes

.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus, por ter me abenoado com uma famlia unida e que sempre me

apoiou em todos os momentos para que esse projeto se tornasse realidade.

Agradeo a minha esposa, companheira e amiga Ceclia S. T. Fontes por ter me

acompanhado nesse caminho me incentivando e apoiando nos bons e maus momentos.

Aos meus filhos Leo, Mariana, Gabriela e Letcia pela compreenso e apoio nesses

tempos de ausncia.

Aos meus pais Latino e Maria Helena por sempre me aconselhar e orientar o caminho

certo e minhas irms Ana Maria e Maria Isabel pelo incentivo e apoio.

Ao casal amigo Alexandre Silva Cavalcante e Fabiana Mansur Cavalcante que sem seu

apoio seria impossvel o fechamento dessa caminhada.

A todos os professores do curso de engenharia da computao que levam seu trabalho to

a srio e com muita competncia.

Muito Obrigado!

Marcos Jos de Carvalho Fontes

SUMRIO

CAPTULO 1 - INTRODUO..........................................................................................14

1.1 Objetivo Geral..................................................................................................15

1.2 Objetivo Especfico..........................................................................................15

1.3 Motivao.........................................................................................................16

1.4 Estrutura do Projeto..........................................................................................16

CAPTULO 2 - APRESENTAO DO PROBLEMA........................................................17

2.1 Sistema Eltrico................................................................................................17

2.2 Medidores de Energia.......................................................................................18

2.3 Medidores Monofsicos de Induo Eletromecnicos.....................................19

2.4 Medidor Eletrnico...........................................................................................23

2.5 Energia Eltrica................................................................................................25

2.6 Fator de Ptencia..............................................................................................26

2.7 Tarifas de Consumo..........................................................................................27

CAPTULO 3 DESENVOLVIMENTO.............................................................................30

3.1 Arduino.............................................................................................................30

3.1.1 Fonte de Alimentao...................................................................................31

3.1.2 Ncleo CPU..................................................................................................31

3.1.3 Entradas e Sadas..........................................................................................32

3.1.4 Entradas Digitais...........................................................................................33

3.1.5 Entradas Analgicas......................................................................................33

3.1.6 rea de Desenvolvimento e Estrutura de Linguagem...................................33

3.2 Sensor de Corrente SCT 013 000.................................................................34

3.3 Protocolo ZigBee................................................................................................36

3.3.1 Manutenao da Rede Eletrica.............................................................................38

3.4 Modulos de Comunicaao Xbee.........................................................................39

3.5 Display de Cristal Liquido..................................................................................43

CAPTULO 4 - MODELO PROPOSTO................................................................................46

4.1 Apresentao do Prottipo..................................................................................46

4.2 Sensor de Tenso.................................................................................................47

4.3 Calibragem do Sensor de Corrente.....................................................................48

4.4 Configurao dos Modulos XBees......................................................................49

4.5 Teste do Software................................................................................................51

4.5.1 Teste do Software 2......................................................................................52

4.6 Teste do Dispositivo............................................................................................56

4.7 Modelo Proposto..................................................................................................58

CAPITULO 5 - CONSIDERAES FINAIS.....................................................................59

5.1 Concluses......................................................................................................... 59

5.2 Sugestes para Trabalhos Futuros......................................................................60

REFERNCIAS ....................................................................................................................61

APENDICE A.........................................................................................................................64

APNDICE B.........................................................................................................................65

LISTA DE FIGURAS

2

Figura 2.1 - Esquema bsico do sistema eltrico ................................................................17

Figura 2.2 - Esquema do Sistema Eltrico Brasileiro..........................................................18

Figura 2.3 - Componentes bsicos do medidor tipo induo...............................................20

Figura 2.4 - Vista explodida do medidor monofsico M12 da Landis&Gyr.........................21

Figura 2.5 - Viso frontal dos medidores respectivamente Ciclomtrico e Digital ...............22

Figura 2.6 - Diagrama de blocos do medidor eletrnico GE I-210........................................24

Figura 2.7 - Medidor eletrnico de energia ativa e reativa GE I-210.....................................25

Figura 2.8 - Diagrama de Fazores.........................................................................................27

Figura 2.9 - Comparao entre a modalidade tarifria convencional e a tarifa branca.........29

3

Figura 3.1 - Arquitetura Arduino.........................................................................................30

Figura 3.2 - Diviso de blocos do Arduino.........................................................................32

Figura 3.3 - Chip ATMEGA 328.........................................................................................32

Figura 3.4 - IDE Arduino............................................... ...................................................35

Figura 3.5 - Sensor de Corrente No Invasivo YHDC SCT 013.........................................35

Figura 3.6 - Caractersticas Tcnicas.....................................................................................35

Figura 3.7 - Posicionamento das Tecnologia Sem Fio.........................................................37

Figura 3.8 -Topologias ZigBee............................................................................................38

Figura 3.9 - Sistema Eltrico com central ZigBee..................................................................39

Figura 3.10 - Montagem: XBee + XBee Shield + Arduino...................................................40

Figura 3.11 - Montagem: XBee + XBee Explorer..................................................................40

Figura 3.12 - Ambiente de programao XBee X-CTU........................................................41

Figura 3.13 - Frame de dado padro RS232 (8-N-1)..........................................................42

Figura 3.14 - Estrutura do Frame de dados no modo API..................................................42

Figura 3.15 Display de cristal lquido..............................................................................45

4

Figura 4.1 - Topologia do Modelo......................................................................................46

Figura 4.2 - Diagrama eltrico sensor de tenso...................................................................47

Figura 4.3 - Divisor de Tenso com limitador de carga.........................................................48

Figura 4.4- Configurao do coordenador...........................................................................49

Figura 4.5 - Configurao do dispositivi final.......................................................................50

Figura 4.6 - Mdulos de comunicao XBee......................................................................50

Figura 4.7 - Cdigo para clculo da tenso.........................................................................51

Figura 4.8 - Cdigo teste fase 1 comparado com multmtro................................................52

Figura 4.9 - Conexo do sensor SCT 013...........................................................................53

Figura 4.10 - Conexo cabo do sensor de corrente................................................................53

Figura 4.11 - Pino analgico A1 entrada sensor de corrente..................................................54

Figura 4.12 - Cdigo verso final com display......................................................................55

Figura 4.13 - Modelo Xbee conectado ao dispositivo..........................................................56

Figura 4.14 - Medidor de Consumo....................................................................................57

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Classificao dos medidores por tipo..............................................................19

Tabela 2.2 - Elementos do medidor monofsico..................................................................22

Tabela 3.1 - Descrio dos pinos dos mdulos XBee/XBee-Pro.........................................41

Tabela 3.2 - Modulos LCDs Disponiveis.............................................................................43

Tabela 3.3 - Descrio dos pinos de comunicao do lcd....................................................44

Tabela 4.1 Conexo dos pinos do display no Arduino......................................................54

Tabela 4.2 Tabela de comparao.......................................................................................57

Tabela 6.1 Custo geral do projeto...................................................................................64

LISTA DE EQUAES

Equao 2.1 - EQUAO DA POTNCIA ATIVA ...........................................................24

Equao 2.2 - EQUAO DA POTNCIA REATIVA .......................................................24

Equao 2.3 - EQUAO DO FATOR DE POTNCIA .....................................................25

RESUMO

O trabalho prope o monitoramento de energia eltrica de uma residncia monofsica

com acesso remoto via interface serial tendo como finalidade colher informaes necessrias

para um gerenciamento em tempo real do consumo de energia eltrica. Para tal foi utilizado

um circuito microcontrolador que recebe os dados de um sensor de corrente no invasivo e a

tenso. Os sinais analgicos so processados para calcular a potncia ativa o kwh

acumulados e o custo do kwh acumulados em moeda corrente. Os resultados so enviados

para um display de cristal lquido para visualizao local e tambm enviado via rede wifi

ZegBee com acesso a entrada USB de um computador.

Palavras chaves : Monitoramento, consumo, tempo real, Microcontrolador, potncia

ativa, kwh, custo, rede ZigBee, energia eltrica.

ABSTRACT

The paper proposes the monitoring power of a single-phase residence with remote access

via serial interface and aims to gather information needed for a real-time management of

monthly consumption. For this, we used a microcontroller circuit that receives a non-

invasive current sensor, suitable for residential use, and voltage analog signals which are

processed to calculate the active power kwh and the accumulated cost of kwh in currency.

Results are sent to a liquid crystal display for local viewing and also sent by wifi ZegBee

with access USB serial to a computer.

Keywords: Monitoring, consumption, real-time, microcontroller, active power, kwh

cost, ZigBee network, electricity.

14

Captulo 1. Introduo

No cenrio mundial, a demanda de energia grande e estamos enfrentando os efeitos de

muitos anos de uso indiscriminado de energia proveniente de meios fsseis. Cientistas

alertam para srios riscos se as temperaturas globais ultrapassarem o patamar de 2 C acima

dos nveis pr-industriais. Presenciamos acontecer aqui e em vrias partes do mundo o

aumento de temperaturas e tempestades mais fortes e frequentes. A previso que as

alteraes no clima tero impacto no modo de vida de milhes de pessoas, especialmente em

pases em desenvolvimento.

A ameaa das mudanas climticas, provocadas pelo aumento da temperatura global, o

maior desafio ambiental que a humanidade enfrenta nesses tempos, pois coloca em risco a

estabilidade social e econmica mundial, com profundas alteraes na disponibilidade de

recursos naturais e, especialmente, na forma como a energia produzida

(GREENPEACE,2010)

As naes signatrias da UNFCCC (United Nations Framework Convention Climate

Change), Conveno Bsica das Naes Unidas Sobre Mudanas Climticas, conferncia

das Naes Unidas sobre o Meio Ambiente e Desenvolvimento que aconteceu no Rio de

Janeiro em 1992, assinaram o Protocolo de Kyoto em 1997. Ele obriga seus signatrios a

reduzirem emisses de gases-estufa em mdia 5%. Esse compromisso resultou na adoo de

uma srie de metas de reduo regionais e nacionais.

Atualmente cerca de um quinto da eletricidade mundial produzida por meio de

tecnologia hdrica. A China est em primeiro lugar no uso desta tecnologia e em segundo

vem o Brasil, com projetos de construo de mais de 39 usinas hidroeltricas alm das j

leiloadas: Usina de Santo Antnio, Usina de Jirau e Usina de Belo Monte, todas instaladas

na Amaznia, para atender a demanda em mais de 3 mil MW por ano, chegando a 15% da

capacidade instalada planejada para essa dcada. Acompanhado dessas novas formas de

captao de energia, temos o consumo racional onde devemos participar ativamente contra o

desperdcio de energia e atuar ativamente na vigilncia do consumo.

Para que possamos ter esse gerenciamento de carga, teramos que ter a leitura do

consumido quase que diariamente para ento traar um plano de consumo racional que no

final atuar em economia financeira tambm. Atualmente nos deparamos com medidores

nada amigveis em sua leitura atravs de ponteiros ou ciclomtricos e seu posicionamento

em diferentes lugares dificulta seu acesso.

15

Este projeto prope uma interface amigvel por intermdio de um dispositivo eletrnico

que far a leitura do consumo de corrente eltrica e retornara em forma local por intermdio

de um display de cristal lquido e remotamente por mdulos Xbee dispositivos de rdio

frequncia que trabalham no padro ZigBee 802.15.40, 2,4 GHz que se comunicam entre si

passando os dados para a plataforma de programao espelhando o que est no display. As

informaes que sero fornecidas so: consumo instantneo medido em kW/h, consumo

acumulado a partir do acionamento do dispositivo e o valor em moeda corrente acumulado

at aquele instante.

1.1 Objetivo Geral

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um dispositivo eletrnico capaz

de efetuar a leitura de um sensor no invasivo de corrente eltrica ligado a uma fase de uma

residncia, e transmitir estes dados para uma central onde os mesmos sero processados.

Espera-se desenvolver um dispositivo que utilize um painel lcd e uma rede de transferncia

de dados imune a interferncia e rudos externos e disponibilizar os dados colhidos como o

consumo instantneo e valor acumulado em moeda corrente em uma interface localizada em

um laptop a uma distncia mximo de 30 metros.

1.2 Objetivos Especficos

O projeto objetiva o desenvolvimento de um dispositivo para uso de leitura de sensores

de corrente eltrica tendo o estudo direcionado para os seguintes tpicos:

1. Medir kwh consumido no momento, o kwh acumulado no perodo de medio e o

valor em moeda corrente do consumo acumulado at o momento.

2. Monitorar o consumo de energia eltrica com base no microcontrolador Arduino

UNO ATmega 328.

3. Desenvolver um software bsico para que os dados colhidos pelo sensor sejam

processados pelo microcontrolador.

4. Apresentar os resultados das medies no display de cristal lquido e transmitir esses

resultados por rdio frequncia padro ZigBee para PC localizado a no mximo 30

metros de distncia do prottipo.

5. Contribuir para um planejamento e gerenciamento de consumo e consequente

economia de energia eltrica residencial.

16

1.3 Motivao

Ajudar a resolver um problema antigo de compreenso dos valores mostrados pelos

ponteiros dos medidores de energia eltrica, disponibilizados pelas companhias de energia

eltrica que impedem a grande maioria dos usurios terem os dados de seu consumo de

energia.

Em posse dos dados disponibilizados pelo dispositivo, ser possvel um gerenciamento

de carga para reduzir os gastos e consequentemente uma reduo na fatura mensal aplicando

assim uma forma de consumo responsvel.

1.4 Estrutura do Projeto

O trabalho tem a estrutura dividida nos seguintes captulos:

Capitulo 2 - Tipos de medidores de energia eltrica e modelos atuais e suas limitaes e em

outro tpico sero apresentados os medidores de corrente e como atuam.

Capitulo 3 - Apresenta o desenvolvimento do prottipo e todo referencial tcnico e

componente usados em sua construo.

Capitulo 4 - Aplicao prtica, resultados obtidos, custo e avaliao.

Capitulo 5 - Concluso e sugesto de trabalho futuro.

Captulo 2. Apresentao do Problema

17

2.1. Sistema Eltrico

A energia eltrica percorre um grande caminho at chegar a um ponto de consumo, esse

caminho passa por trs partes distintas. So elas: a produo, a transmisso e a distribuio.

Figura 2.1 Esquema bsico do sistema eltrico. (Fonte CREDER)

A produo de energia eltrica normalmente gerada por energia mecnica (rotao de

um eixo) atravs de turbinas hidrulicas movida pela fora da gua, no caso das

hidroeltricas, pela fora do vapor no caso as termoeltricas, energia nuclear no caso das

usinas nucleares, usinas elicas pela fora dos ventos e usinas solares. Todos esses centros

de produo chamados Usinas so interligadas entre si para atingirem os grandes plos de

consumo por meio de linhas de transmisso.

Esta interligao possibilita um gerenciamento da produo para que uma Usina nunca

fique sobrecarregada e manter o sistema sempre estvel, ou seja, quando uma carga

adicionada ou retirada do sistema, a Usina responsvel pela estabilidade aumenta ou diminui

sua gerao de forma proporcional.

Essas linhas de transmisso devem trabalhar com tenses elevadas, para que os

condutores, usando uma bitola menor possvel, no tenham perda de energia muito alta.

Assim o trabalho de uma subestao elevadora junto as Usinas, do contrrio uma

subestao abaixadora atua junto distribuio para que volte ao estado normal.

Os plos de distribuio so responsveis por repassar toda energia para os

consumidores, que esto localizados em seus arredores. A distribuio se d a partir da

subestao abaixadora onde a tenso abaixada para valores padronizados. Depois segue

por redes de distribuio primrias onde os valores sofrero nova baixa onde so chamados

de baixa tenso (380/220 V, 220/127 V) e ento pela rede de distribuio secundria chega

at o consumidor final conforme Figura 2.2.

18

Figura 2.2 Esquema do Sistema Eltrico Brasileiro.(Fonte -

www.webpages.uidaho.edu/sustainability )

Para que houvesse uma forma de efetuar a cobrana dos servios prestados pela

fornecedora de energia eltrica (concessionria), foi disponibilizado um instrumento

chamado de Medidor, capaz de registrar a quantidade de energia eltrica que j foi

consumida.

2.2. Medidores de Energia

O primeiro modelo conhecido de medidor de energia eltrica, foi patenteado por Samuel

Gardiner em 1872. Seu uso se dava com algumas lmpadas ligadas em srie com uma tenso

constante e tudo comandado por uma nica chave, assim apenas era necessrio medir o

tempo que as lmpadas ficaram acesas. O nome dado a unidade de medio ficou conhecido

como lmpada-hora. Em 1903, a GE lanou o medidor de energia eltrica chamado Medidor

Tipo 1: o primeiro a fazer as medies em watt hora para corrente alternada produzida em

srie.

Atualmente o medidor mais usado pelas concessionrias e do tipo de induo

eletromecnico, por sua exatido e simplicidade que possibilita sua fabricao em srie e a

diminuio de custo. Sua robustez mecnica lhe assegura uma vida til de 20 a 30 anos sem

necessidade de manuteno. Outro tipo, o medidor eletrnico que faz uso de circuitos

integrados.

19

Tabela 2.1 Classificao dos medidores por tipo. (Fonte ANEEL)

Nas regies onde os medidores so mais novos, nota-se uma maior quantidade relativa

de medidores eletrnicos, como e verificado na Tabela 2.1, o que sugere que o medidor

eletrnico est substituindo o convencional nas novas ligaes. A partir dos dados enviados

pelas concessionrias, conclui-se que, em todo o Brasil, j h mais de 4,8 milhes de

medidores eletrnicos adquiridos (em estoque e instalados). Porm, a maioria limita-se s

mesmas funcionalidades dos medidores convencionais, ou seja, medem basicamente a

energia ativa consumida. (ANEEL)

A concessionria a maior interessada no perfeito funcionamento desses medidores,

mais sua interface com o consumidor pouco amigvel contendo uma fileira de ponteiros e

outros nmeros, que deveriam ser passados para o usurio de uma forma de leitura mais

fcil, para que possa exercer com mais facilidade seu gerenciamento de carga para um

consumo responsvel.

2.3 Medidores Monofsicos de Induo Eletromecnicos

O medidor tipo induo tem o funcionamento idntico ao motor de induo. Este tipo de

medidor ainda hoje o modelo mais utilizado pelas concessionrias na medio de energia

eltrica pelo seu custo e durabilidade.

20

Figura 2.3 Componentes bsicos do medidor tipo induo. (Fonte CREDER)

A Figura 2.3 ilustra o esquema do medidor de energia eltrica monofsico do tipo

ciclomtrico.

Bobina de potencial Bp, com grande nmero de espiras de fio fino de cobre (alta

resistncia), fica em paralelo com a carga;

Bobinas de corrente Bc com poucas espiras de fio grosso (baixa resistncia), ficam

em srie com a carga;

Ncleo de ferromagntico, justapostas, mas isoladas uma da outras para reduzir as

perdas por corrente de Foucault;

Disco de folha de alumnio de alta condutibilidade e leveza, nmero de voltas dadas

pelo disco proporcional ao consumo;

Im permanente para produzir conjugado frenador ou de amortecimento sobre o

disco.

As bobinas de corrente geram fluxos proporcionais corrente de energia eltrica. A

bobina de potencial gera um fluxo magntico proporcional tenso do circuito. Estes fluxos

iro ocasionar campos magnticos sobre o disco que provocaro o aparecimento de corrente

de Foucault.

21

Estas correntes em conjunto com os campos magnticos sero responsveis pelo

surgimento de um torque no disco.

O torque produzido ser proporcional potncia ativa da carga. O freio de Foucault (im

permanente) gera um campo magntico responsvel pela frenagem do disco. O torque de

frenagem ir proporcionar o equilbrio dinmico na rotao do disco, fazendo-o girar a uma

velocidade constante.

A potncia ativa consumida pela carga ser proporcional a velocidade do disco. A Figura

2.4 ilustra uma vista explodida do medidor monofsico e na Tabela 2.2 seus componentes

internos.

Figura 2.4 Vista explodida do medidor monofsico M12 daLandis&Gyr. (Fonte -

Landis&Gyr)

22

Tabela 2.2 Elementos do medidor monofasico M12.( Fonte - Landis&Gyr)

A leitura nos medidores com ponteiros e nmeros feita lendo cada relgio que o

nmero que ponteiro est indicando feita a anotao da direita para esquerda, j no digital

o nmero composto por esses algarismos o valor da leitura, como apresenta a Figura 2.5.

Figura 2.5 Viso frontal dos medidores respectivamente Ciclomtrico e Digital.

( Fonte COELBA)

Com o custo mais baixo e uma boa durabilidade, ele o mais usado pelas distribuidoras

de energia, mas por sua localizao ser externa e a existncia de vrios tipos de residncias

como, prdios de apartamentos, casas, stios e etc., dificulta para o consumidor exercer um

bom gerenciamento do seu consumo.

Schwendtner (1996) enfatiza que a utilizao dos medidores eletromecnicos do tipo

induo j dura aproximadamente 100 anos, havendo necessidade de modernizao para

integrao das tarifas de medio com outras funes associadas, como exemplo: medio

23

de energia ativa e reativa, medio de importao e exportao, medio de demandas

mxima e mdia, aplicao de diferentes estruturas tarifrias, perfil de consumo, etc.,

possibilitando maior confiabilidade e reduo dos custos de produo, instalao e

manuteno.

2.4. Medidor Eletrnico

No incio dos anos 80 com avano tecnolgico foi desenvolvido um registrador

eletrnico programvel, para atender as necessidades das concessionrias a implantarem

tarifas diferenciadas para consumidores de mdio e grande porte. O equipamento similar ao

medidor eletromecnico, tipo induo, no tinha propriedade de medir, apenas contar pulsos

recebidos de outros instrumentos e trabalhava junto com o medidor convencional. O

medidor eletrnico recebia e acumulava os pulsos, tanto de energia ativa quanto de energia

reativa, obedecendo programao estabelecida pela concessionria e gravava em sua

memria.

A evoluo veio na dcada seguinte quando o novo equipamento comeou a ter a

propriedade de medir a quantidade de energia consumida dispensando o uso de medidores

convencionais associados. Com o seu custo alto ficou restrito a alguns casos bastante

especficos.

Hoje, com seu custo bem mais acessvel, os medidores eletrnicos tm capacidade de

processamento, armazenamento e comunicao que vo alm de s medir o consumo de

energia. Permitem troca de informaes em tempo real e de forma bidirecional entre a

concessionria e o consumidor final e, ainda o monitoramento de qualidade de energia.

Possuem um erro de 1% e o consumidor pode ter acesso a vrias informaes tais como

potncia ativa, potncia reativa, potncia aparente, demanda mxima, fator de potncia,

tenso, corrente e uso de memria de massa para registro de consumo, com informaes de

data e hora.

O medidor eletrnico pode ser esquematizado de acordo com o diagrama de blocos que

est ilustrado na Figura 2.6.

24

Figura 2.6 Diagrama de blocos do medidor eletrnico GE I-210.(Fonte General Eletric)

Conforme o diagrama de blocos, o medidor dividido nas seguintes partes:

Dispositivos e sensores.

Circuito Medidor (Meter Chip) contm dois circuitos conversores analgico digital um para a corrente e outro para tenso, onde as medidas so feitas em

pequenos intervalos de tempo as medidas e guardadas em um registrador.

Microcontrolador (Microcontroller) Microcontrolador de 8 bits que faz a leitura do registrador do circuito medidor em intervalos de tempo e coloca o

resultado no display lcd e guarda na memria o consumo e outros parmetros por

data e hora.

Memria no Voltil (NVRAM) memria no voltil onde e armazenado todo o consumo, parmetros de calibragem, configuraes e parmetros do programa.

Fonte (Power Supply) fonte de alimentao de todo o sistema.

A Figura 2.7 ilustra o medidor eletrnico GE I- 210.

25

Figura 2.7 Medidor eletrnico de energia ativa e reativa GE I-210.

( Fonte - General Eletric)

2.5. Energia Eltrica

A energia mais bem descrita pelo o que ela pode fazer. No podemos ver a energia,

apenas seus efeitos; no podemos faz-la, apenas desperdi-la (ou seja, us-la de forma

ineficiente). Ao contrrio da comida e da moradia, a energia no valorizada por si prpria,

mas pelo que pode ser feito com ela. ( apud Campos, 2004)

Pode ter vrias formas: potencial, mecnica, qumica, eletromagntica, eltrica,

calorfica, etc. Essas vrias formas de energia podem ser transformadas umas nas outras. A

energia eltrica - ou eletricidade - como se designam os fenmenos em que esto

envolvidas cargas eltricas.

A energia eltrica baseada na gerao de diferena de potencial eltrico entre dois

pontos, que permitem estabelecer uma corrente eltrica entre ambos.

A energia eltrica ativa a energia que consumimos em nossas residncias. Ela medida

em (kwh) e somos tarifados pela quantidade que a usamos no perodo de um ms.

E a energia reativa medida em quilovolt-ampre-reativo-hora (Kvarh) apesar de ser

necessria para motores, transformadores, reatores de lmpadas e outros equipamentos com

26

rolamento, temos que mant-la sempre em observao, porque o excesso de energia reativa

exige condutores de maior seco e transformadores de maior capacidade. E somente a

relao com a energia ativa atravs do Fator de Potncia, podemos monitora-la mantendo os

nveis sempre entre 1,00 e 0,92.

2.6. Fator de Potncia

um ndice que relaciona a energia ativa e reativa de uma instalao eltrica, sendo um

dos principais indicadores de eficincia energtica. O fator de potncia prximo de 1 indica

pouco consumo de energia reativa em relao energia ativa.

Em conformidade com estabelecido pelo Decreto n 62724 de 17 de maio de 1968, com

a nova redao dada pelo Decreto n 75887, de 20 junhos de 1975, as concessionrias de

energia eltrica adotaram o Fator de Potncia 0,85 como referncia para limitar o

fornecimento de energia reativa.

O Decreto n 479 de 20 de maro de 1992 reiterou a obrigatoriedade de se manter o

Fator de Potncia o mais perto da unidade (1,00) tanto pelas concessionrias quanto pelos

consumidores, recomendando ainda ao Departamento Nacional de guas e Energia Eltrica

DNAEE, o estabelecimento de um novo limite de referncia para o Fator de Potncia

indutivo e capacitivo, bem como, a forma de avaliao e de critrio de faturamento de

energia reativa excedente e esse novo limite. (Fonte - ANEEL)

Aumento do limite mnimo do Fator de Potncia de 085 para 0,92.

Potncia ativa medida em kw, que efetivamente realiza trabalho, gerando calor, luz,

movimento, etc.

P = V I cos (2.1) Onde:

P a potncia ativa dada em Watts;

V a tenso dada em Volts;

I a corrente dada em Ampres;

ngulo do Fator d Potncia;

Potncia reativa medida em kvar, usada apenas para criar e manter os campos

eletromagnticos das cargas indutivas.

Q = V I sen (2.2)

27

A Figura 2.8 ilustra o diagrama de fazores onde observa o ngulo entre a potncia

reative e a potncia ativa.

Onde:

Q a potncia reativa dada em Var;

V a tenso dada em Volts;

I a corrente dada em Ampres;

ngulo do Fator de Potncia;

Figura 2.8 Diagrama de Fazores. ( Fonte CREDER)

A razo entre a potncia ativa e a potncia aparente de qualquer instalao se constitui

no Fator de Potncia.

,

(2.3)

2.7 Tarifas de Consumo

Os consumidores de energia eltrica pagam por meio da conta recebida da sua empresa

distribuidora de energia eltrica, um valor correspondente a quantidade de energia eltrica

consumida, no ms anterior, estabelecida em kWh (quilowatt-hora) multiplicada por um

valor unitrio, denominado tarifa, medida em R$/kWh (reais por quilowatt-hora), que

corresponde ao preo de um quilowatt consumido em uma hora. ( Fonte ANEEL)

28

As empresas de energia eltrica prestam este servio por delegao da Unio na sua rea

de concesso, ou seja, na rea em que lhe foi dado autorizao para prestar o servio pblico

de distribuio de energia eltrica. ( Fonte ANEEL)

Cabe Agncia Nacional de Energia Eltrica ANEEL estabelecer tarifas que

assegurem ao consumidor o pagamento de uma tarifa justa, como tambm garantir o

equilbrio econmico-financeiro da concessionria de distribuio para que ela possa

oferecer um servio com a qualidade, confiabilidade e continuidade necessrias. ( Fonte

ANEEL)

A ANEEL divide os consumidores em dois grandes grupos, Grupo A e Grupo B cada

um com sua subdivises:

XXXVII Grupo A: grupamento composto de unidades consumidoras com

fornecimento em tenso igual ou superior a 2,3 kV, ou atendidas a partir de sistema

subterrneo de distribuio em tenso secundria, caracterizado pela tarifa binmia e

subdividido nos seguintes subgrupos:

a) Subgrupo A1 tenso de fornecimento igual ou superior a 230 kV;

b) Subgrupo A2 tenso de fornecimento de 88 kV a 138 kV;

c) Subgrupo A3 tenso de fornecimento de 69 kV;

d) Subgrupo A3a tenso de fornecimento de 30 kV a 44 kV;

e) Subgrupo A4 tenso de fornecimento de 2,3 kV a 25 kV; e

f) subgrupo AS tenso de fornecimento inferior a 2,3 kV, a partir de

sistema subterrneo de distribuio.

XXXVIII grupo B: grupamento composto de unidades consumidoras com

fornecimento em tenso inferior a 2,3 kV, caracterizado pela tarifa monmia e

subdividido nos seguintes subgrupos:

a) Subgrupo B1 residencial;

b) Subgrupo B2 rural;

c) Subgrupo B3 demais classes; e

d) subgrupo B4 Iluminao Pblica. ( Fonte - ANEEL]

O grupo que tem destaque para o trabalho em questo e o Grupo B e subgrupo B1 que

compreende classe residencial e subclasse residencial baixa renda. Com a gradual instalao

29

dos novos medidores eletrnicos inteligentes que na Europa e Estados Unidos j so usados

largamente, deve entrar em vigor a Tarifa Branca onde o consumidor que tiver um bom

gerenciamento de seu consumo poder vir a ter algum benefcio.

Em 22 de novembro de 2011, a ANEEL criou uma nova modalidade tarifria para

consumidores conectados na baixa tenso: a tarifa branca. Trata-se de uma tarifa monmia

cuja cobrana baseia-se apenas na quantidade de energia consumida com trs postos

tarifrios: ponta, intermedirio e fora ponta. A nova modalidade direcionada a todos os

consumidores do grupo B, exceto os de baixa renda e iluminao pblica. A adeso tarifa

branca opcional para o consumidor, e sua efetiva aplicao depende ainda da adequao

dos medidores e das regras comerciais, ainda no definidas. (Fonte ANEEL)

A Figura 2.9 ilustra a comparao das tarifas normais com a tarifa branca.

Figura 2.9 Comparao entre a modalidade tarifria convencional e a tarifa branca.

(Fonte ANEEL)

Modalidade Tarifria opcional, com sinalizao horria, aplicada aos consumidores da

Baixa Tenso BT (atendidos em tenso inferior a 2,3 kV).

A data prevista para o incio da adeso pelos consumidores maro de 2014.

A sua aplicao depende do resultado desta AP ( Audincia Pblica), que trata dos

aspectos comerciais da Tarifa Branca, e da certificao de medidores eletrnicos pelo

Inmetro. ( Fonte - ANEEL)

30

Capitulo 3. Desenvolvimento

Neste captulo feito uma descrio de todo material usado no projeto vislumbrando

suas caractersticas tcnicas. O prottipo visa automatizar a leitura do medidor de energia

eltrica passando para o consumidor uma leitura completa de consumo instantneo e

acumulado, disponibilizando o valor em reais.

3.1. Arduino

Arduino uma plataforma de prototipagem eletrnica criado com o objetivo de permitir

o desenvolvimento de controle de sistemas interativos, de baixo custo e acessvel a todos.

Alm disso, todo material (software, bibliotecas, hardware) open-source, ou seja, pode ser

reproduzido e usado por todos sem a necessidade de pagamento de direitos autorais. Sua

plataforma composta essencialmente de duas partes: o Hardware e o Software. A Figura

3.1 ilustra arquitetura da placa Arduino.

Figura 3.1 Arquitetura Arduino. (Fonte - )

31

O hardware do Arduino muito simples, porm muito eficiente. Vamos analisar a partir

deste momento, o hardware do Arduino UNO. Esse hardware composto dos seguintes

blocos. Como ilustra a Figura 3.2.

Figura 3.2 Diviso de blocos do Arduino. ( Fonte - )

3.1.1. Fonte de Alimentao

Responsvel por receber a energia de alimentao externa, que pode ter uma tenso de

no mnimo 7 Volts e no mximo 16 Volts e uma corrente mnima de 300 mA. A fonte filtra

e depois regula a tenso de entrada para duas sadas: 5 Volts e 3,3 Volts. O requisito deste

bloco entregar as tenses de 5 e 3,3 Volts para que a CPU e os demais circuitos

funcionem.

3.1.2. Ncleo CPU

O ncleo de processamento de uma placa Arduino um micro controlador, uma CPU,

um computador completo, com memria RAM, memria de programa (ROM), uma unidade

de processamento de aritmtica e os dispositivos de entrada e sada. Tudo em um chip s. E

32

esse chip que possui todo hardware para obter dados externos, processar esses dados e

devolver para o mundo externo.

A linha utilizada a ATMega e os mais comuns so as placas com os chips ATMega8,

ATMega162 e ATMega328p.

3.1.3. Entradas e Saidas

O chip ATMEGA 328 ilustrado na figura 3.3, possui 28 pinos de conexes eltricas, 14

de cada lado. E atravs desses pinos, podemos acessar as funes do microcontrolador,

enviando dados para sua memria e acionando dispositivos externos.

Figura 3.3 Chip ATMEGA 328. (Fonte - )

No Arduino os pinos so divididos da seguinte forma:

14 pinos digitais de entrada ou sada (programveis)

6 pinos de entrada analgica ou entrada/sada digital (programveis)

5 pinos de alimentao (gnd, 5V, ref analgica)

1 pino de reset

2 pinos para conectar o cristal oscilador

Com os 14 pinos digitais e os 6 pinos analgicos que o Arduino pode ser conectado a

eletrnica externa. Dentre os pinos digitais existem dois que correspondem ao mdulo de

comunicao serial USART que permite comunicao com o computador.

33

3.1.4. Entradas Digitais

No total tm-se disponveis 20 pinos que podem ser utilizados como entradas digitais, os

14 pinos digitais mais os 6 pinos analgicos podem ser programados para serem entradas

digitais.

3.1.5 Entradas Analgicas

As sadas digitais podem ser usadas para uma variedade grande de acionamentos como

ligar um rele, acender um led, liberar voltagem 0v e 5v acionar motores uma infinidades de

emprego. Podem chegar a 20 portas digitais configurando as portas analgicas para se

comportar como digitais.

Pinos com Funes Especiais

PWM Pino gera sinal (0 e 1) onde o tempo que fica em nvel 1 (ligado) pode

ser controlado podendo assim controlar velocidades de motores ou gerar tenses

com valores controlados. Pinos 3,5,6,9,10 e 11.

Porta Serial USART usado um pino para transmitir e o outro para receber

dados no formato serial assncrono (USART). Podendo ser acessado

remotamente por conexo bluetooth. Pinos 0 (rx recebe dados) e pino 1 (tx envia

dados).

Comparador Analgico Pode ser usado para comparar tenses sem precisar de

programao. Pinos 6 e 7.

Interrupo Externa Pode ser conectado a um boto para desviar o programa

para outro bloco. Pinos 2 e 3

Porta SPI Comunicao serial sncrono tem uma rapidez maior que a USART e

muito usada para utilizao de cartes de memria SD e outras dispositivos.

Pinos 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) e 13 (SCK).

3.1.6. rea de Desenvolvimento e Estrutura da Linguagem

A linguagem de programao Arduino uma implementao do Wiring (subconjunto de

C++), que baseada no ambiente de programao Processing.

34

Tendo uma biblioteca chamada Wiring, ele possui a capacidade de programar em

C/C++. Isto permite criar com facilidade muitas operaes de entrada e sada, tendo que

definir apenas duas funes no pedido para fazer um programa funcional:

) A funo setup serve para inicializao da placa e do programa. Esta sesso

executada uma vez quando a placa ligada ou reconfigurada atravs do boto;

) A funo loop como se fosse a main () da placa. O programa escrito dentro da

funo loop executado indefinidamente, ou seja, ao terminar a execuo da ltima linha

desta funo, o programa inicia novamente a partir da primeira linha da funo loop e

continua a executar at que a placa seja desligada ou o boto de reset seja pressionado.

Para comear a programao do microcontrolador preciso a instalao de um software

que disponibilizado de graa, e depois procede a instalao da IDE (Integrated

Development Environment) que o ambiente de desenvolvimento do programa como ilustra

a figura 3.4:

Figura 3.4 IDE Arduino. (Fonte Curso Arduino )

3.2 Sensor de Corrente SCT - 013 - 000

Os sensores SCT 013que ilustra a Figura 3.5 so sensores conhecidos como

transformadores de corrente que so usados para medio de corrente alternada AC. Eles so

especialmente muito teis para medir o consumo de energia. Esses sensores tem seu ncleo

35

divididos sendo os mais indicados para uso em sistema em funcionamento os de alta tenso,

sem precisar ser feita nenhuma interveno tcnica com fios desencapados ou expostos so

sensores chamados no invasivos. A Figura 3.6 ilustra as caractersticas tcnicas do sensor.

Seu funcionamento feito por induo e tem em sua base um transformador com um

enrolamento no primrio e um enrolamento no secundrio. No secundrio compreende

muitas voltas de fio fino e no primrio enrolamento de poucas voltas de fio grosso. A

corrente que flui pelo primrio produz um campo magntico no ncleo, o que induz uma

corrente no secundrio.

A induo magntica de um campo em um ponto qualquer medida pela capacidade de

induzir Fora Eletromotriz (f.e.m.) em um condutor que se desloque no campo magntico.

Se o condutor tem 1 metro de cumprimento, a velocidade de deslocamento de 1 metro por

segundo e a f.e.m. induzida de 1 volt, a induo magntica de um weber por metro

quadrado (CREDER, 2008)

Figura 3.5 Sensor YHDC SCT 013. (Fonte YHDC)

Figura 3.6 Caractersticas tcnicas. (Fonte YHDC)

36

3.3 Protocolo ZigBee

O protocolo de rede ZigBee foi criado pela ZigBee Aliance em conjunto com a IEEE (

Institute of Eletrical and Eletronic Engineers), foi projetado para permitir comunicao sem

fio confivel, com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmisso para utilizao

de monitoramento e controle. O ZigBee utiliza a definio 802.15.4 do IEEE, que opera em

bandas de frequncia livres.

As caractersticas ressaltadas pelo protocolo so

Diferentes frequncias de operaes e taxas de dados 868 MHz e 20 Kbps; 915

MHz e 40 Kbps; 2.4 GHz e 250 Kbps;

Um mesmo pode executar diferentes papis na rede;

Possvel configurao em diversas topologias de rede;

Habilidade de se auto-organizar e de auto reestruturar;

Permite um nmero elevado de dispositivos conectado a rede (mximo de

65.535dispositivos por rede)

Alta durabilidade de bateria dos dispositivos;

Interoperabilidade, ou seja, capacidade de comunicar de forma transparente com

outros sistemas;

A Figura 3.7 ilustra o posicionamento do protocolo ZigBee no mercado de tecnologia sem

fio:

Figura 3.7 Posicionamento das tecnologias sem fio. (Fonte www.rogercom.com.br )

37

A rede ZigBee largamente usada em diversos tipos de aplicao como:

Automao e Controle Predial (Segurana, Controle de Acesso e Iluminao);

Controle Industrial (gerenciamento de ativos, controle de processos, etc.);

Perifricos para PC (Teclado, mouse e joystick);

Controle remoto de produtos eletrnicos;

Automao residencial e comercial;

Sade Pessoal (Monitorao de pacientes, Acompanhamento de Exerccio

Fsico).

O protocolo define uma estrutura de rede que incorpora os conceitos de redes ad hoc, as

caractersticas de conexo em malha e multi-hop. As topologias que podemos encontrar em

uma rede Zigbee so a topologia em estrela (star), em rvore (tree) e em malha (mesh). Os

principais componentes integrantes dessa rede so o coordenador (coordinator), os

roteadores (routers),e os clientes.

Coordenador (C): responsvel pela inicializao, distribuio de endereos,

manuteno, reconhecimento dos ns, entre outras funes.

Roteador (R): um n normal da rede, aumenta o alcance da rede zigbee, atravs

do re-encaminhamento das mensagens para os ns adjacentes, aumentando o alcance da

rede. Qualquer dispositivo na rede Zigbee pode atuar como roteador, alm de suas outras

funes.

Dispositivo final (DF): o local no qual so instalados os sensores ou atuadores.

Logo o n que consome menos energia, pois na maioria do tempo est em estado de

dormncia.

A Figura 3.8 ilustra as diferente topologias que a rede ZigBee pode atuar como: estrela,

cluster tree e mesh.

38

Figura 3.8 Topologias ZigBee. ( Fonte - ROGERCOM )

3.3.1 Manuteno da Rede Eltrica

com a tecnologia ZigBee que ocorrer uma mudana radical na maneira com que

feitos a manuteno do sistema eltrico urbano e tambm como feita a leitura mensal dos

consumidores.

Usando as redes ZigBee o tcnico das concessionrias no precisar mais subir no poste

de luz sem saber o problema, agora poder se comunicar com uma central instalada no poste

distribuidor da rea e far uma averiguao geral do sistema da rea e assim avaliar que

servio ter que ser feito. Tambm ocorrer uma mudana na maneira de se fazer a leitura

mensal do consumidor, agora podendo ser feita distncia pela rede sem precisar contato

visual.

Atravs de um PDA, como ilustra a Figura 3.9, ou algum outro dispositivo de avaliao,

com hardware Zigbee instalado, o tcnico efetuar a sincronizao com a rede, e far os

testes necessrios para descobrir a anormalidade e a medio do consumo.

39

Figura 3.9 Sistema eltrico com central ZigBee. ( Fonte www.rogercom.com.br )

3.4 Modulo de Comunicao XBee

Os mdulos XBee foram projetados para atender os padres IEEE 802.15.4 e apoiar as

necessidades nicas de baixo custo, baixo consumo de energia de rede de sensores sem fio.

Os mdulos exigem o mnimo de energia, pois quando no esto em funcionamento ficam

no estado sleep (dormindo) e proporcionam uma entrega confivel de dados entre os

dispositivos.

O kit usado para fazer a comunicao sem fio para o computador a uma distncia de no

mximo 150 metros de visada direta, contm os seguintes componentes relacionados abaixo:

1 x shield XBee (interface de conexo do XBee e Arduino) Figura 3.10;

1 x XBee Explorer (interface de conexo XBee para configurao) Figura 3.11;

2 x mdulos XBee;

2 x conectores de 6 pinos empilhveis;

2 x conectores de 8 pinos empilhveis;

40

Figura 3.10 - Montagem: XBee + XBee Shield + Arduino. (Fonte - Autor)

Figura 3.11 - Montagem: XBee + XBee Explorer.( Fonte - Autor)

Cada mdulo possui 20 pinos que exercem diferentes funes, que esto descritas na

Tabela 3.1. Como podemos ver, h pinos que podem exercer funes como entrada

analgica, entrada/sada digital, controle de fluxo e PWM. A maneira mais fcil para

configurar a funo de um determinado pino do mdulo ou mesmo outros parmetros,

atravs do programa X-CTU, programa disponibilizado gratuitamente pelo fabricante.

41

Tabela 3.1-Descrio dos pinos dos mdulos XBee/XBee-Pro ( Fonte ROGERCOM)

Figura 3.12 Ambiente de programao XBee X-CTU. ( Fonte - DIGI)

42

Os mdulos XBee/XBee Pro operam em dois modos diferentes, so eles:

Modo Transparente

Os dados recebidos da UART pelo pino DI(RX) so colocados na fila para

transmisso via RF. J os dados recebidos do canal de RF, so transmitidos atravs

do pino DO(TX). No modo transparente, os dados so transmitidos e recebidos da

mesma forma que uma comunicao Serial RS232 padro. Os mdulos dispem de

buffers de transmisso e recepo para um melhor desempenho na comunicao

serial. A Figura 3.13 ilustra o frame padro da comunicao RS232.

Figura 3.13 - Frame de dado padro RS232 (8-N-1).(Fonte - ROGERCOM)

Modo API (Aplication Programming Interface)

Esse modo de operao uma alternativa ao modo de operao Transparente

padro. O modo API baseado em frame e assim estende o nvel para o qual uma

aplicao de Host pode interagir com as capacidades de rede do mdulo.

No modo API os dados transmitidos e recebidos esto contidos em frames, que

definem operaes ou eventos dentro do mdulo. Atravs desse modo de operao

possvel um determinado mdulo enviar endereo fonte, endereo destino, nome

de um determinado n, sinal RSSI, estado, e muito mais. A Figura 3.14 ilustra a

estrutura de frame do modo de comunicao API.

43

Figura 3.14 - Estrutura do Frame de dados no modo API. ( Fonte - ROGERCOM)

3.5 Display de Cristal Liquido

Os mdulos LCD so interfaces perifricas de sada muito til em sistemas

microcontrolados e processados. Existem vrios tipos de Display LCD, sendo os mais

comuns so do tipo de caracteres e so especificados em nmeros de linhas por colunas

sendo encontrados em diversas configuraes como ilustra a Tabela 3.2.

Tabela 3.2 Mdulos LCD Disponveis.( Fonte QinGen Eletronic)

44

O que esta sendo usado no projeto e o Display LCD 20 x 4 com LED backlight (

iluminao de fundo) para facilitar a leitura durante a noite. O acionamento deste LED

feita pelos pinos 15 e 16 para mdulos comuns e sua alimentao varia de 100 a 200 mA.

Os mdulos utilizam um controlador prprio, permitindo sua interligao com outras

placas atravs de seu barramento de pinos, onde feita sua alimentao, comunicao de

dados e controle do mdulo com a placa. O controle de envio de bytes de instrues e bytes

de dados e gerenciados por um protocolo de comunicao.

Na Tabela 3.3 e feito uma descrio dos pinos do mdulo para sua conexo com a placa

Arduino e na Figura 3.15 ilustra o display lcd usado no projeto.

Tabela 3.3 - Descrio dos pinos de comunicao do LCD. ( Fonte - QinGen Eletronic )

45

Figura 3.15- Display QinGen QC2004A. (Fonte QinGen Eletronic)

46

Captulo 4. Modelo Proposto

O modelo que ser apresentado nesse captulo prope um monitoramento do consumo

feito pelo medidor eletromecnico instalado nas residncias monofsicas, onde ser usado

um sensor de corrente no invasivo, para ler a corrente que juntamente com os dados da

voltagem, o microprocessador ARTEmega 328 baseado na placa Arduino far os clculos

retornando para um display de lcd no local e para um notebook localizado a uma distncia

de no mximo 30 m os kwh acumulados e consumidos instantaneamente junto com o valor

em reais do consumo acumulado enquanto o mdulo estiver em funcionamento.

4.1 - Apresentaes do Prottipo e seus Componentes

Nesta fase feita a descrio minuciosa do modelo proposto com todas as fases de

montagem, especificando e descrevendo todos os problemas encontrados e como sero

contornados. O modelo ser montado em um pedao retangular de compensado medindo

45X30 cm. Foi escolhido esse tamanho para expor bem claramente todos os componentes.

A Figura 4.1 ilustra a topologia de atuao do medidor monofsico de consumo de

energia.

Figura 4.1 - Topologia do Modelo. (Fonte:Autor)

47

Segue abaixo todos os componentes que constitui o prottipo que far a medio de

energia de uma residncia monofsica:

1. 1 Base de compensado de 45x30 cm,

2. 1 Microcontrolador Arduino Uno,

3. 2 Mdulos XBee S1,

4. 1 Shield de XBee para arduino,

5. 1 Explorer XBee Serial para USB,

6. 1 Bateria de 9v,

7. 1 Display Lcd 20x4,

8. 1 Sensor de corrente no invasivo Yhdc SCT 013 000,

9. 2 Protoboards,

10. 1 Transformador AC/AC 220/9v,

11. 1 Filtro de linha de 5 tomadas,

12. 1 Sensor de tenso,

13. 1 Calibrao para o sensor de corrente,

4.2 - SENSORE DE TENSO

O microcontrolador Arduino no consegue obter os dados com a tenso normal, e suas

portas analgicas no aguentam, assim precisamos trata-la mais sem tirar suas variaes, e

temos uma equivalncia proporcional. Esse condicionamento feito usando um

transformador de corrente alternada 220V/9V, conectado a um circuito divisor de tenso

que reduzir a tenso para nveis que atenda os requisitos de entrada analgica do Arduino,

uma tenso positiva entre 0V a uma tenso de referencia de 5V.

Figura 4.2 Diagrama eltrico do sensor de tenso

48

4.3 Calibragem do Sensor de Corrente

Na pesquisa para colher o dado da corrente foi escolhido um sensor no invasivo Yhdc

SCT 013 000 por ter uma no linearidade pequena de 3% e para a proposta de um

monitor residencial de energia, o referido sensor no precisar estar ligado fisicamente a um a

um fio de alta tenso ele trabalha por induo, sendo seu ncleo dividido em dois e a fase

colocada em seu interior, consegue medir tenses de 0 a 100 A. e os dados passados so de 0

a 50 mA. . Para o Arduino temos que transformar essa variao em dados que as portas

analgicas consigam ler que e de 0 V. a 5 V. para isso e feito uma placa de equivalncia para

que a variao seja proporcional a variao da corrente. Para que o sinal no ultrapasse o

pico do divisor de voltagem calculado um resistor que seja o limitador para que o Arduino

no retorne valores negativos. Para isso temos que fazer os seguintes clculos:

Calcular o pico de corrente no primrio:

Pico no primrio = 100 (corrente rms) x = 141,4

Pico no secundrio = 141,4 / 2000 (n de voltas) = 0,0707 A

Resistncia ideal = ( 5 (pico arduino)/ 2) / 0,0707 = 35,4

Como no comum esse valor e recomendado 33 1%.

A Figura 4.3 ilustra o divisor de tenso criado para a variao da corrente e da tenso

ser reconhecida pelo Arduino para valores positivos.

Figura 4.3 Divisor de tenso com limitador de carga. (Fonte OpenEnergyMonitor)

49

4.4 Configurao dos Mdulos XBees

Os mdulos de comunicao XBees que se comunicam pela rede ZigBee podem ser

configurados de trs modos: coordenador , roteador e dispositivo final. O coordenador o

responsvel por receber todos os dados disponveis na rede, os roteadores so os dispositivos

que providenciam os acessos para que toda a rede se comunique e os dispositivos finais que

geralmente colhem os dados dos sensores.

Como o espao que o projeto demanda no chega a ser maior que a rea que o

dispositivo alcana, s vai ser usado um mdulo coordenador e outro mdulo dispositivo

final com a mesma rede como mostra Figura 4.3, como coordenador e a Figura 4.4, como

dispositivo final e na Figura 4.6 os mdulos montados em sua interfaces de comunicao

para o Arduino e para porta USB do computador.

Figura 4.4 Configurao do coordenador. (Fonte - Autor)

50

Figura 4.5 Configurao do dispositivo final. (Fonte - Autor)

Figura 4.6 Mdulos comunicadores XBee. (Fonte Autor)

51

4.5 Teste do Software

O software foi escrito na linguagem de programao chamada Wiring que uma

plataforma de prototipagem eletrnica de hardware livre, basicamente composta do conjunto

das linguagens C e do C++. Os recursos como classes e objeto desenvolvida para a placa

microcontrolada Arduino e usando a interface de desenvolvimento e compilao que um

ambiente de desenvolvimento integrado (IDE).

Com o sensor de tenso e os sinais do sensor de corrente tratado, posto em prtica o

teste para calcular a tenso, usando a biblioteca EmonLib.h e com o comando Serial.print o

resultado obtido ser impresso na tela do computador pela interface serial ligada ao Arduino.

Neste teste foi usado um multmetro para comparao. A Figura 4.7 demonstra o cdigo

usado e a figura 4.8 o teste comparado com o multmetro.

Figura 4.7 Cdigo para clculo da Tenso. (Fonte - Autor)

52

Figura 4.8 Teste fase 1 comparao com multmetro.(Fonte Autor)

4.5.1 Teste de Software Fase 2

Para uma segunda etapa de testes introduzido o sensor no invasivo SCT 013, no

intuito que o cenrio fique parecido a uma fase de uma residncia. introduzido um filtro de

linha com quatro tomadas para que os parelhos que sero testados sejam alimentados. A

conexo do sensor ser feita descascando o cabo de alimentao do filtro de linha e

introduzindo o fio positivo no interior do ncleo do sensor.

Os dados da variao da corrente ter que passar primeiro pela placa limitadora de carga

e depois para o pino 1A do Arduino.

53

Figura 4.9 Conexao do Sensor SCT 013. (Fonte - Autor)

Figura 4.10 Conexao cabos do sensor de corrente. (Fonte Autor)

54

Figura 4.11 Pino analgico A1entrada da variao do sensor. ( fonte Autor)

conectado outro dispositivo de sada de dados o display de cristal lquido 20 x 4, com

ele os dados ficaro a disposio no dispositivo. Sua conexo no Arduino segue a sequncia

de pinos ilustra na Tabela 4.1 e a Figura 4.12 ilustra a insero no cdigo do display lcd.

Tabela 4.1 Conexo dos pinos do display no Arduino. (Fonte - Autor)

55

Figura 4.12 - Cdigo verso final com lcd. (Fonte - Autor)

Foi acrescentado nesta fase o mdulo de comunicao remota XBee como ilustrado na

Figura 4.13, seu funcionamento dispensa qualquer configurao no cdigo o modulo fica

monitorando a sada serial e todo dado exposto por esta sada ser transmitido pelo mdulo

para o coordenador que esta conectado no computador localizado proximo.

56

Figura 4.13 Mdulo XBee conectado ao modelo. ( Fonte Autor)

4.6 Testes com o Dispositivo

O teste proposto para o dispositivo gerar uma tabela com um nmero de aparelhos com

potncias variadas, e a comparao ser com as informaes dos fabricantes contidas nos

prprios aparelhos como a potncia mxima e comparar com a potncia medida pelo

dispositivo. O resultado entre as potncias que os fabricantes estipulam e a potncias

medidas sero analisadas e faro uma comparao de linearidade do sensor.

57

Tabela 4.2 Tabela de comparao. ( Fonte Auto)

PRODUTO FABRICANTE

PT.MAX. PT. MEDIDA COMPARAO

NKS - Home

Torradeira modelo

00927

700 W 714 W + 14 W = + 2%

NESCAFE Cafeteira

DolceGusto 1340W 1164 W - 150 W = - 12%

BLECK&DECKER

FERRO DE PASSAR 1000 W 917 W - 83 W = - 15,92%

AIWA TELEVISOR

AR145 70 W 85w + 15 W = - 0.32%

ELETRULUX

ASPIRADOR DE PO 1200 W 1140 W - 60 W = - 5%

CORONA

CHUVEIRO

ELETRICO

7500 W 6380 W - 1120 W = -14,94%

Observa-se uma variao pequena das medidas feitas pelo dispositivo medidor e as

caractersticas informadas pelos fabricantes, tomando-se em conta que alguns aparelhos j

passam de trs anos de uso, o sensor de corrente em suas caractersticas mostra um erro de

3% que devemos levar em conta.

O dispositivo manteve um desempenho satisfatrio, em todas as medidas, contando que

as informaes dos fabricantes podem conter diferenas de tenso de uma margem de

segurana. As medies mantiveram uma margem relativamente pequena se comportando

bem para um monitoramento de consumo de uma residncia.

58

4.7 Apresentao do Modelo Gerado

O modelo gerado como ilustra a Figura 4.14, tem o propsito de monitorar uma

residncia monofsica possibilitando para o consumidor ter as informaes em tempo real

de seu consumo de kwh e o respectivo custo em moeda corrente. Possibilitando ainda um

planejamento de gastos e consumo consciente, fazendo com que o consumidor tenha como

reverter seus gastos de imediato sem precisar esperar as informaes da prestadora de

servio.

Figura 4.14 Medidor de Consumo. (Fonte Autor)

59

Captulo 5. Consideraes Finais

Este captulo reservado para as consideraes finais como os comentrios do que foi

desenvolvido em todas as fases do projeto comentando todos os resultados obtidos e

sugerindo para um novo projeto novas idias para complement-lo.

5.1 Concluso

A automao tornou-se objeto de grande estudo e desenvolvimento em vrias reas, as

empresas tomam conta deste tema, pois com ela veem a possibilidade de diminuir suas

despesas, seja com mo de obra humana que tem um custo mais alto, seja com a economia

esperada de energia ou o melhor aproveitamento do tempo na produo. Tais benefcios nem

sempre so imediatamente repassados ao mercado consumidor em funo da nova realidade

de custos reduzidos junto s empresas.

No setor eltrico a automao para as concessionrias de energia eltrica vem nesse

caminho de fazer primeiro a leitura do consumo remotamente, um bom corte nas suas

despesas com contratao de leitores, mais no e s isso. Podem proceder ao corte como o

religamento remoto, a tarifao sazonal e o controle de qualidade da energia fornecida.

Mais as empresas veem ai uma despesa muito grande para proceder a troca de todos os

relgios da populao, e assim ficamos na espera de uma deciso que nunca vem.

Com esse problema o projeto vem para mesmo usando o nosso relgio atual conseguir

uma leitura em tempo real e assim ter em mos as informaes recebidas da situao de

consumo atualizada e podendo proceder a um gerenciamento mais rpido e racional

comeando a proceder a um cosumo responsvel e sustentvel.

Com essa motivao chegamos ao concreto, o prottipo, para a situao de consumidor

residencial foi escolhido um sensor de corrente no invasivo, por ser mais seguro, sendo seu

funcionamento por induo a manipulao de fios de alta tenso esta descartada podendo ser

usado sem nenhuma restrio. Contemplamos ainda o uso da rede wifi ZigBee muito usada

para sensoriamento e com uma escalabilidade muito grande podendo aumentar muito sua

rea de atuao, com essa rede passaremos os dados para um computador situado

remotamente e um display no local para leitura dos mesmos dados.

60

O microcontrolador Arduino se portou muito bem em todas as fases do desenvolvimento

no seu processamento dos dados colhidos pelo sensor, foi acusado um pouco de rudo nos

pinos analgicos quando o sensor de corrente esta inativo.

Nos primeiros testes o modelo se portou muito bem, conseguindo obter os dados da

tenso com preciso, confirmada por multmetro. Em uma segunda fase foi introduzida a

variao da corrente para se obter a potncia ativa consumida e se portou muito bem

tambm, conseguindo obter as potncias dos aparelhos colocados para teste com uma

pequena defasagem da potncia mxima fornecida pelos fabricantes, ficando com uma

margem de defasagem em media de 10%. Para se ter maior preciso ser melhor o uso de

um analisador de energia para a comparao.

A comunicao com a rede wifi pelos mdulos XBee foi muito boa os mdulos

suportaram bem a distncia requerida pelo projeto e os dados no tiveram nenhuma perda ou

interferncia com outras redes existentes no local.

Finalizando o modelo de um relgio eletrnico muito vlido mesmo com as defasagens

de leitura observadas, o ndice de diferena no tira a importante finalidade de monitorar o

consumo de uma residncia monofsica. A leitura em tempo real muito importante para

um consumo responsvel e a contribuio da classe residencial importantssima pelo seu

volume que no para de crescer.

5.2 Trabalho Futuros

Para trabalhos futuros os dados recebidos do consumo poderiam ser melhor aproveitados

com um armazenamento em um banco de dados e com uma descrio de todos os picos de

consumo marcados com data e hora tendo assim o ciclo completo de monitoramento.

E um possvel aumento no monitoramento para uma residncia trifsica podendo assim

alcanar a maioria das moradias brasileiras.

61

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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gislason.pdf Acessado em 15 outubro de 2013

64

APNDICE A

Tabela 6.1 Custo geral do projeto

Produto Quantidade Preo Unit. R$ Preo Total R$

Arduino 01 69,00 69,00

Transformador 01 22,00 22,00

Sencor de Corrente 01 69,00 69,00

Display LCD 01 25,00 25,00

Kit XBee 01 330,00 330,00

Junpes kit 13,00 13,00

Filtro de Linha 01 25,00 25,00

Protoboard 2 32,00 64,00

Total = R$ 617,00

65

APNDICE B

////////// CONSUMO RESIDENCIAL //////////////////

////// AUTO MARCOS JOS DE CARVALHO FONTES

//// PROGRAMA PARA MONITORAMENTO DE CONSUMO DE ENERGIA

ELTRICA

#include "EmonLib.h" // Inclui a biblioteca Emon Lib que calcula tenso e corrente

#include // Inicializa a biblioteca Display de Cristal Lquido

EnergyMonitor emon1; // cria uma instncia

double conta_acumulada; // varivel que calcula o custo em reais

double potencia_acumulada; // varivel que calcula o KW/h

double potencia_ativa; // varivel que recebe o valor da Potncia Ativa

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); // inicializa o display LCD nos respectivos pinos do

Arduino

void setup()

{

Serial.begin(9600);

lcd.begin(20, 4); // Iniciando o objeto LCD de 4 linhas e 20 colunas

lcd.clear(); // Limpa a tela do lcd

emon1.voltage(2, 246, 1.7); // Tenso: pino de entrada, voltagem, rede de defasagem.

emon1.current(1, 61); // Corrente: pino de entrada, constante do sensor de corrente.

}

void loop()

{

emon1.calcVI(20,2000); // Calcula a tenso correspondente ao sinal de entrada

66

lcd.setCursor(0,0); // Coloca o cursor na posio coluna 0 , linha 0

lcd.print("Consumo Residencial"); // imprime consumo residencial na coluna 0, linha 0 do

LCD

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("Pot.Ativa="); // imprime potncia ativa na coluna 0, linha 1 do LCD

lcd.setCursor(0,2);

lcd.print("KW/h="); // imprime KW/h na coluna 0, linha 2 do LCD

lcd.setCursor(0,3);

lcd.print("Reais="); // imprime reais na coluna 0, linha 3 do LCD

float realPower = emon1.realPower; //recebe o valor da potencia ativa

potencia_acumulada=potencia_acumulada+(realPower/3600000); // calcula o KW/h e

acumla na variavel

conta_acumulada=potencia_acumulada*0.3756949; // calcula o custo em reais do KW/h e

acumula na variavel

Serial.print("Potencia Ativa = ");

Serial.print(realPower,4);

Serial.print(" Watts ");

lcd.setCursor(11,1);

lcd.print(realPower,2);

Serial.println(" ");



Serial.print("Potencia Acumulada = ");

Serial.print(potencia_acumulada,7);

Serial.print(" KW/h ");

lcd.setCursor(7,2);

lcd.print(potencia_acumulada,7);




67

Serial.print("Conta Acumulada = ");

Serial.print(" R$ ");

Serial.print(conta_acumulada,7);

lcd.setCursor(7,3);

lcd.print(conta_acumulada,7);




Serial.print( Segundos = );

Serial.print(millis()/1000); // Contagem em segundos o dispositivo esta funcionando



delay(2000);

}

Documents

Automaçao de Sensores de Corrente Eletrica