Transcript DesenvolvimentoDeUmAnalisadorEMediidorMonofásicoDeEnergia

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
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
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.
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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)
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
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.
Inicio
Inicializa
Biblioteca PIC
Serial, Fuses
Inicializa LCD,
Protocolo SPI e
Variaveis Globais
Carrega, sub
programas
Fim
(Aguarda
intervenção do
Usuário)
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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
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.
Valores medidos
Teste
IRMS (A)
Fator de Conversão
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.
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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)
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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.
Testes
Teórico x Padrão
T1
T2
T3
T4
T5
Padrão x Protótipo
Teórico x Protótipo
Tensão Corrente
Energia
Energia
Energia
nominal Nominal
Téorica
Desvio
Padrão
Desvio
Protótipo Desvio
(Volts)
(Amperés) (Wh)
Médio erro (Wh)
Médio erro (Wh)
Médio erro
116,0
0,918
70,953 -0,584 0,609
70,345 -0,908 0,557
69,788 -0,987 1,165
116,9
0,920
71,699 0,162 0,601
71,098 -0,155 0,469
70,629 -0,146 1,070
117,0
0,924
72,041 0,504 0,235
71,806 0,553 0,548
71,258 0,483 0,783
116,7
0,921
71,654 0,117 0,279
71,375 0,123 0,469
70,906 0,131 0,748
116,2
0,921
71,339 -0,198 0,301
71,640 0,387 0,346
71,294 0,519 0,045
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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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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.
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OBRIGADO.
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