Medicao de Energia Eletrica Utilizando Microcontrolador

Medição da Energia Elétrica Utilizando Microcontrolador

Objetivo

O objetivo deste projeto é construir dispositivos para a medição de energia elétrica um microcontrolador e transmitindo dados via rede sem fio a um Banco de Dados e Servidor Web. O sistema deve realizar a medição periódica dos dados de tensão e corrente elétrica instantâneos em um ponto de medição. A partir dos dados medidos calcula-se a potência instantânea que está sendo consumida, a qual deve ser armazenada em um banco de dados com a marca de tempo de cada medição. Para a obtenção da energia produzida em um período de tempo, um algoritmo deve fazer a integração das potências instantâneas geradas ao longo do período considerado e calcula a energia em quilowatts-hora.

Projetos anteriores

Projeto Integrador do TADS (2018)

Fundamentos sobre Energia Elétrica

Tensao, Corrente e Potencia CA

Material baseado na referência Open Energy Monitor com fundamentos sobre potência AC e medição da energia elétrica com Arduíno.

Sensor de Corrente ACS712

O sensor de corrente ACS712 é um sensor de efeito hall, capaz de medir correntes instantâneas de -30 A a 30 A (há modelos que medem de -20 A a 20 A e -5 A a 5 A).

A saída do sensor é ligada em uma entrada analógica do Arduíno devolvendo valores de 0 V a 5 V, para correntes entre -30 A a 30 A, respectivamente, com passos de 66 mV/A. Para os sensores de 20 A e 5 A os passos são 100 mV/A e 185 mV/A, respectivamente. Para uma corrente de 0 A a tensão na entrada analógica é 2,5 V, chamada de tensão de offset.

Leitura da corrente contínua pelo sensor analógico

A função map permite mapear diretamente o valor digital (0 a 1023) lido pelo sensor analógico (A0) diretamente em valores de corrente contínua (-30 A a 30 A):

int valorSensor = analogRead(A0);
int corrente = map(valorSensor, 0, 1023, -30, 30);
// mostrar valor da corrente lido pelo sensor

Projetos sobre Medição de Corrente e Potência CA

A leitura da corrente pelo sensor ACS712 é instantânea. Portanto, para medição de corrente alternada é necessário fazer amostragens em todo o ciclo da senoide da corrente alternada e depois calcular a corrente eficaz ou corrente RMS.

Corrente eficaz e corrente de pico

A corrente eficaz é a corrente que equivaleria a uma corrente contínua sobre uma carga. Esta corrente pode ser calculada de maneira simplificada para uma onda senoidal pela expressão:

$I_{eficaz}=I_{pico}/{\sqrt {2}}$ 

Portanto, para calcular o valor eficaz de uma corrente alternada pode-se implementar um algoritmo que faça amostragens do valor da corrente alternada e determine a corrente de pico, a partir do qual pode-se então determinar a corrente eficaz.

Exemplo de projeto

Usa valor de pico para calcular o valor eficaz de uma corrente alternada:

• https://portal.vidadesilicio.com.br/acs712-medindo-corrente-eletrica-alternada-continua/

Implementa um algoritmo que realiza 300 medições da corrente instantânea, espaçadas uma das outras por 0,6 ms, encontra o valor de pico da corrente e calcula a corrente eficaz.

Corrente RMS

O valor eficaz de uma corrente alternada também é chamado de RMS (root mean square).

O valor RMS é uma medida estatística calculada a partir da raiz do valor quadrático médio da forma de onda, dada pela expressão:

$x_{\mathrm {rms} }={\sqrt {{1 \over N}\sum _{i=1}^{N}x_{i}^{2}}}={\sqrt {{x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+\cdots +x_{N}^{2}} \over N}}$ 

Exemplo de projetos

Usam a raiz do valor quadrático médio para calcular a corrente RMS:

• https://github.com/openenergymonitor/EmonLib

A biblioteca EmonLib possui funções prontas para realizar a amostragem da corrente alternada e fornecer o valor eficaz.

• https://learn.openenergymonitor.org/electricity-monitoring/ac-power-theory/arduino-maths

Ilustra as funções e cálculos realizados pela biblioteca Emonlib para Arduíno.

O calculo realiza 50 a 100 amostragens a cada 20 ms. 100 para amostragem somente de corrente e 50 para amostragens de tensão e corrente. O número de amostragens é limitado pela leitura analógica do Arduíno e pelo tempo de cálculo.

• https://pastebin.com/NupAhKUc

Mostra o código usando calculo da raiz do valor médio quadrático.

• https://www.filipeflop.com/blog/medidor-de-corrente-ac-acs712-emonlib/

Utiliza a biblioteca Emonlib.

Potência e Energia Elétrica

A potência elétrica indica a quantidade de energia utilizada em um dado tempo em um circuito. É medida em Watts (W) e é dada pelo produto entre a tensão e a corrente elétrica.

P = V . I 

A energia elétrica é a potência elétrica demandada por uma carga durante uma unidade de tempo.

No sistema internacional a unidade de energia é o Joule (J).

1 J = 1 W . s 

Entretanto, as concessionárias de energia normalmente medem a energia elétrica consumida em kWh. No caso, o consumo de 1 kWh significa que a carga com potência de 1 kW (1000 W) ligada durante 1 hora (3600 s).

1 kWh = 1 J / 3600000

Medição da energia elétrica

Para medir a energia elétrica consumida por um ponto de consumo, pode-se realizar a medição periódica de dados de tensão (Volts) e corrente (Amperes) instantâneos, possibilitando calcular a potência instantânea (Watts):

P = V . I

A potência instantânea então pode ser armazenada em um banco de dados com a marca de tempo de cada medição.

Para a obtenção da energia elétrica consumida em um período de tempo, um algoritmo deve a integração das potências instantâneas geradas ao longo do período considerado e calcular a energia produzida:

Algoritmo de medição para Arduíno

1. Medir a corrente RMS (A) a cada segundo (s);
2. Calcular a potencia aparente (W) a cada segundo;

   P_Aparente = I_RMS * V_RMS

3. Realizar o somatório das potências ao longo do tempo, que resulta na energia (J);

   E = ∑ P_Aparente

4. Calcular a energia (kWh);

   E_kWh = E_J / 3600000

Referências

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Evandro.cantu (discussão) 14h58min de 8 de agosto de 2022 (-03)

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