Medição de energia elétrica: evolução de projetos e desafios técnicos
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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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- 1. 1 Me. Haroldo Luiz Moretti do Amaral agaelema@gmail.com MEDIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Jornada das Engenharias UNIFRAN
- 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. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO IMPORTÂNCIA E USOS TRANSDUTORES TRADICIONAIS CONDICIONAMENTO DOS SINAIS CONVERSÃO DO SINAL PROCESSAMENTO DO SINAL DESAFIOS ENVOLVIDOS EVOLUÇÃO DOS PROJETOS 3
- 4. IMPORTÂNCIA E USOS Tarifação Energia utilizada Energia fornecida Uso industrial Inversores Eficiência energética Uso consciente 4
- 5. TRANSDUTORES TRADICIONAIS Tensão TP Transdutor de efeito Hall Divisor resistivo * Isolador óptico Corrente TC Transdutor de efeito Hall Resistor Shunt 5
- 6. TRANSDUTORES TRADICIONAIS Tensão – TP Transformador “abaixador” Baseado da relação de transformação Primário/secundário Tensão alta Primário Tensão Baixa Secundário 6
- 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. TRANSDUTORES TRADICIONAIS Tensão – Efeito Hall Prós Isolação Galvânica Linearidade AC/DC Contras Preço Dificuldade de acesso 8
- 9. TRANSDUTORES TRADICIONAIS Tensão – Divisor resistivo Prós Barato e simples AC/DC Comportamento linear Não interfere no sinal Contras Não existe isolamento 9
- 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. TRANSDUTORES TRADICIONAIS Corrente – TC Prós Isolamento galvânico Medição de grandes correntes Contras Apenas AC Alto custo 11
- 12. TRANSDUTORES TRADICIONAIS Corrente – TC/ Modelos compactos Modelos não invasivos DIY Possível alteração do range 12
- 13. TRANSDUTORES TRADICIONAIS Corrente – Transdutor Efeito Hall Prós Isolação galvânica AC/DC Simples utilização Linearidade Contras Preço Invasivo Ruído de fundo 13
- 14. TRANSDUTORES TRADICIONAIS Corrente – Resistor Shunt Prós “Simples” Não interfere no sinal Contras Perigoso Sem isolação Invasivo Dissipação de potência 14
- 15. CONDICIONAMENTO DOS SINAIS Adequação dos sinais Tensão Abaixar a tensão Corrente Transformar em tensão Amplificar os sinais AmpOp’s 15
- 16. CONDICIONAMENTO DOS SINAIS Para sinais AC Adicionar offset DC Necessário para operação em fonte simples Circuito passivo ou ativo 16 Virtual Ground
- 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. 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. 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. CONVERSÃO DO SINAL Converter os sinais condicionados Analógico Domínio contínuo Digital Domínio discreto 20
- 21. CONVERSÃO DO SINAL Conversor ADC Amostragem do sinal Frequência do sinal Teorema de Nyquist Resolução tem grande influência Menor unidade mensurável 21
- 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. 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. 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. CONVERSÃO DO SINAL Soluções voltadas a medição de energia Texas Instruments – ADS131E08 AFE Multi Phase 8 ADC ΣΔ 24 bit – 64ksps 25
- 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. TCC – Graduação (2012) EVOLUÇÃO DOS PROJETOS 33
- 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. Upgrade no sistema (2013) Upgrade - Gerenciador de energia Redução do circuito microcontrolado EVOLUÇÃO DOS PROJETOS 35
- 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. Dissertação – Mestrado (2014) Desenvolvimento de um Smart Meter EVOLUÇÃO DOS PROJETOS 37
- 38. MUITO OBRIGADO!!! Haroldo Luiz Moretti do Amaral 38