Analisador e Medidor Monofásico de Energia

1. ULBRA – Universidade Luterana do Brasil Analisador e Medidor Monofásico de Energia Jackson Popsin Orientador: MSc. Eng. Eletr. Dalton Luiz Rech Vidor 13 de Dezembro de 2010. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

2. O PROBLEMA 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

3. OBJETIVO 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

4. 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

5. 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

6. 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). DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

7. 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

8. 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

9. 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. PIC lendo dados do ADE7753 PIC escrevendo dados no ADE7753 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

10. Interface Serial SPI (método de validação do protocolo) DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

11. 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

12. INTERFACE DE ACESSO AOS REGISTRADORES DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

13. 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

14. CALIBRANDO T.1 = Carga de 96 T.2 = Carga de 192 T.3 = Carga de 288 T.4 = Carga de 96 em série com uma carga capacitiva de 940F, Xc = 11,28 @ 60Hz. 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

15. TESTES: Repetibilidade 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) DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

16. TESTES: Repetibilidade 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

17. TESTES: Repetibilidade (resultados) DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

18. BANCADA DE TRABALHO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

19. 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

20. SUGESTÕES PARA FUTURAS MELHORIAS • 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. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

21. OBRIGADO. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA