medição de energia elétrica - jornada de engenharia elétrica 2015

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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

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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

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TRANSDUTORES TRADICIONAIS

Tensão

TP

Transdutor de efeito Hall

Divisor resistivo

* Isolador óptico

Corrente

TC

Transdutor de efeito Hall

Resistor Shunt

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TRANSDUTORES TRADICIONAIS

Tensão – TP

Transformador “abaixador”

Baseado da relação de transformação

Primário/secundário

Tensão alta

Primário

Tensão Baixa

Secundário

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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)

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TRANSDUTORES TRADICIONAIS

Tensão – Efeito Hall

Prós

Isolação Galvânica

Linearidade

AC/DC

Contras

Preço

Dificuldade de acesso

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TRANSDUTORES TRADICIONAIS

Tensão – Divisor resistivo

Prós

Barato e simples

AC/DC

Comportamento linear

Não interfere no sinal

Contras

Não existe isolamento

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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

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TRANSDUTORES TRADICIONAIS

Corrente – TC

Prós

Isolamento galvânico

Medição de grandes correntes

Contras

Apenas AC

Alto custo

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TRANSDUTORES TRADICIONAIS

Corrente – TC/

Modelos compactos

Modelos não invasivos

DIY

Possível alteração do range

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TRANSDUTORES TRADICIONAIS

Corrente – Transdutor Efeito Hall

Prós

Isolação galvânica

AC/DC

Simples utilização

Linearidade

Contras

Preço

Invasivo

Ruído de fundo

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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

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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

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CONVERSÃO DO SINAL

Soluções voltadas a medição de energia

Texas Instruments – ADS131E08

AFE Multi Phase

8 ADC ΣΔ 24 bit – 64ksps

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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

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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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