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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...
ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
 IMPORTÂNCIA E USOS
 TRANSDUTORES TRADICIONAIS
 CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
 CONVERSÃO DO SINAL...
IMPORTÂNCIA E USOS
 Tarifação
 Energia utilizada
 Energia fornecida
 Uso industrial
 Inversores
 Eficiência energéti...
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
 Tensão
 TP
 Transdutor de efeito Hall
 Divisor resistivo
 * Isolador óptico
 Corrente
 T...
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
 Tensão – TP
 Transformador “abaixador”
 Baseado da relação de transformação
 Primário/secun...
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
 Tensão – TP
 Prós
 Isolamento Galvânico
 Facilidade de uso
 Pode ser reaproveitado
 Contr...
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
 Tensão – Efeito Hall
 Prós
 Isolação Galvânica
 Linearidade
 AC/DC
 Contras
 Preço
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TRANSDUTORES TRADICIONAIS
 Tensão – Divisor resistivo
 Prós
 Barato e simples
 AC/DC
 Comportamento linear
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 Tensão – * Isolador Óptico
 Não é muito usual
 Prós
 Barato e simples
 AC/DC
 DIY - Adapt...
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
 Corrente – TC
 Prós
 Isolamento galvânico
 Medição de grandes correntes
 Contras
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TRANSDUTORES TRADICIONAIS
 Corrente – TC/
 Modelos compactos
 Modelos não invasivos
 DIY
 Possível alteração do range...
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
 Corrente – Transdutor Efeito Hall
 Prós
 Isolação galvânica
 AC/DC
 Simples utilização
 L...
TRANSDUTORES TRADICIONAIS
 Corrente – Resistor Shunt
 Prós
 “Simples”
 Não interfere no sinal
 Contras
 Perigoso
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CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
 Adequação dos sinais
 Tensão
 Abaixar a tensão
 Corrente
 Transformar em tensão
 Amplifi...
CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
 Para sinais AC
 Adicionar offset DC
 Necessário para operação em fonte simples
 Circuito p...
CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
 Para sinais DC com Resistor Shunt
 Qual o tipo de medição de corrente
 Righ-Side?
 O AmpOp...
CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
 É possível utilizar o resistor Shunt ou divisor
resistivo e garantir isolamento?
 SIM!
 Amp...
CONDICIONAMENTO DOS SINAIS
 Filtragem do sinal
 Filtro passivo
 Filtro ativo
 Simples
 Complexo
 Ambos
 Ferramentas...
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...
CONVERSÃO DO SINAL
 Tipos mais tradicionais
 SAR
 Presente nos uC’s e ADC’s de uso geral
 Sigma-Delta
 Aplicações de ...
CONVERSÃO DO SINAL
 Soluções voltadas a medição de energia
 Analog Devices - Linha ADE7xxx
 Single Phase / Multi Phase
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CONVERSÃO DO SINAL
 Soluções voltadas a medição de energia
 Texas Instruments - Linha MSP430
 uC 16 bits Low power
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CONVERSÃO DO SINAL
 Soluções voltadas a medição de energia
 Texas Instruments – ADS131E08
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 8 ADC ΣΔ 2...
CONVERSÃO DO SINAL
 Questão importante
 Simultaneous Sampling
 Conversores tradicionais
 Multiplexam os canais
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PROCESSAMENTO DO SINAL
 Através das formas de onda...
 Tensão e corrente rms
 THDi e THDv
 FD, FP
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 Aparen...
 Aplicação de filtro digital
 Ex.: Filtro de média móvel
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PROCESSAMENTO DO SINAL
O processamento dos dados
 Cálculo das potências
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 Quais e porque?
 Desenvolver os algoritmos de cálculo
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 Gerenciador de energia
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 Upgrade no sistema (2013)
 Upgrade - Gerenciador de energia
 Redução do circuito microcontrolado
EVOLUÇÃO DOS PROJETOS...
 Dissertação – Mestrado (2014)
 Desenvolvimento de um Smart Meter
 uC’s MSP430 – 2 dividindo tarefas e periféricos
 AD...
 Dissertação – Mestrado (2014)
 Desenvolvimento de um Smart Meter
EVOLUÇÃO DOS PROJETOS
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MUITO
OBRIGADO!!!
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Medição de Energia Elétrica - Jornada de Engenharia Elétrica 2015

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Palestra ministrado na Jornada da Engenharia Elétrica promovida pela UNIFRAN - Universidade de Franca, no dia 10 de setembro de 2015

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Medição de Energia Elétrica - Jornada de Engenharia Elétrica 2015

  1. 1. 1 Me. Haroldo Luiz Moretti do Amaral agaelema@gmail.com MEDIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Jornada das Engenharias UNIFRAN
  2. 2. 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 2
  3. 3. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO  IMPORTÂNCIA E USOS  TRANSDUTORES TRADICIONAIS  CONDICIONAMENTO DOS SINAIS  CONVERSÃO DO SINAL  PROCESSAMENTO DO SINAL  DESAFIOS ENVOLVIDOS  EVOLUÇÃO DOS PROJETOS 3
  4. 4. IMPORTÂNCIA E USOS  Tarifação  Energia utilizada  Energia fornecida  Uso industrial  Inversores  Eficiência energética  Uso consciente 4
  5. 5. TRANSDUTORES TRADICIONAIS  Tensão  TP  Transdutor de efeito Hall  Divisor resistivo  * Isolador óptico  Corrente  TC  Transdutor de efeito Hall  Resistor Shunt 5
  6. 6. TRANSDUTORES TRADICIONAIS  Tensão – TP  Transformador “abaixador”  Baseado da relação de transformação  Primário/secundário  Tensão alta  Primário  Tensão Baixa  Secundário 6
  7. 7. 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) 7
  8. 8. TRANSDUTORES TRADICIONAIS  Tensão – Efeito Hall  Prós  Isolação Galvânica  Linearidade  AC/DC  Contras  Preço  Dificuldade de acesso 8
  9. 9. TRANSDUTORES TRADICIONAIS  Tensão – Divisor resistivo  Prós  Barato e simples  AC/DC  Comportamento linear  Não interfere no sinal  Contras  Não existe isolamento 9
  10. 10. 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 10
  11. 11. TRANSDUTORES TRADICIONAIS  Corrente – TC  Prós  Isolamento galvânico  Medição de grandes correntes  Contras  Apenas AC  Alto custo 11
  12. 12. TRANSDUTORES TRADICIONAIS  Corrente – TC/  Modelos compactos  Modelos não invasivos  DIY  Possível alteração do range 12
  13. 13. TRANSDUTORES TRADICIONAIS  Corrente – Transdutor Efeito Hall  Prós  Isolação galvânica  AC/DC  Simples utilização  Linearidade  Contras  Preço  Invasivo  Ruído de fundo 13
  14. 14. TRANSDUTORES TRADICIONAIS  Corrente – Resistor Shunt  Prós  “Simples”  Não interfere no sinal  Contras  Perigoso  Sem isolação  Invasivo  Dissipação de potência 14
  15. 15. CONDICIONAMENTO DOS SINAIS  Adequação dos sinais  Tensão  Abaixar a tensão  Corrente  Transformar em tensão  Amplificar os sinais  AmpOp’s 15
  16. 16. CONDICIONAMENTO DOS SINAIS  Para sinais AC  Adicionar offset DC  Necessário para operação em fonte simples  Circuito passivo ou ativo 16 Virtual Ground
  17. 17. 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? 17
  18. 18. 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 18
  19. 19. CONDICIONAMENTO DOS SINAIS  Filtragem do sinal  Filtro passivo  Filtro ativo  Simples  Complexo  Ambos  Ferramentas online  WEBENCH® Filter Designer – TI  Analog Filter Wizard - AD 19
  20. 20. CONVERSÃO DO SINAL  Converter os sinais condicionados  Analógico  Domínio contínuo  Digital  Domínio discreto 20
  21. 21. CONVERSÃO DO SINAL  Conversor ADC  Amostragem do sinal  Frequência do sinal  Teorema de Nyquist  Resolução tem grande influência  Menor unidade mensurável 21
  22. 22. 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 22
  23. 23. 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 23
  24. 24. 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 24
  25. 25. CONVERSÃO DO SINAL  Soluções voltadas a medição de energia  Texas Instruments – ADS131E08  AFE Multi Phase  8 ADC ΣΔ 24 bit – 64ksps 25
  26. 26. CONVERSÃO DO SINAL  Questão importante  Simultaneous Sampling  Conversores tradicionais  Multiplexam os canais  1 único ADC  Conversores para Energy Metering  Múltiplos ADC’s  Conversão sincronizada 26
  27. 27. 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.. 27
  28. 28.  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 28
  29. 29.  Cálculo do FP 𝐹𝑃 = cos 𝜑 . (1 + 𝑇𝐻𝐷 𝑝) 1 + 𝑇𝐻𝐷𝑖 2 ∗ 1 + 𝑇𝐻𝐷𝑣 2 𝐹𝑃 = cos 𝜑1 1 + 𝑇𝐻𝐷𝑖 2 29 𝐹𝑃 = 𝑃 𝑆 PROCESSAMENTO DO SINAL
  30. 30. O processamento dos dados  Cálculo das potências 𝑃 = 𝑃1 + 𝑃 𝐻 = 𝑉1 ∗ 𝐼1 ∗ cos 𝜑1 + 𝑉𝑛 ∗ 𝐼 𝑛 ∗ cos 𝜑 𝑛 ∞ 𝑛=2 𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼1 ∗ cos 𝜑1 𝑄 = 𝑉 ∗ 𝐼1 ∗ sin 𝜑1 𝐷 = 𝑆2 − 𝑃2 − 𝑄2 𝑆 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 ∗ 𝐼𝑟𝑚𝑠 30 PROCESSAMENTO DO SINAL
  31. 31.  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 31
  32. 32.  TCC – Graduação (2012)  Gerenciador de energia  com sistema para medição de algumas grandezas  uC 8051, ADC 8 bit, limitações no hardware EVOLUÇÃO DOS PROJETOS 32
  33. 33.  TCC – Graduação (2012) EVOLUÇÃO DOS PROJETOS 33
  34. 34.  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 34
  35. 35.  Upgrade no sistema (2013)  Upgrade - Gerenciador de energia  Redução do circuito microcontrolado EVOLUÇÃO DOS PROJETOS 35
  36. 36.  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 36
  37. 37.  Dissertação – Mestrado (2014)  Desenvolvimento de um Smart Meter EVOLUÇÃO DOS PROJETOS 37
  38. 38. MUITO OBRIGADO!!! Haroldo Luiz Moretti do Amaral 38

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