Medição da Energia Elétrica em Ponto de Consumo

Objetivo

O objetivo deste projeto é construir um dispositivo para a medição da energia elétrica de um ponto de consumo utilizando um microcontrolador e transmitindo dados via rede sem fio a um Servidor Web. O sistema deve realizar a medição periódica dos dados de tensão e corrente elétrica instantâneos fornecido pelo ponto de consumo. A partir dos dados medidos calcula-se a potência instantânea 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.

Projeto Integrador do TADS - 2018-1

Alunos: Kaio Rocha Aguiar
Luis Felipe Miglioli De Oliveira
William Schwaab

Neste projeto foi implementada uma solução completa para a medida da energia consumida por um ponto de consumo ^[1]

Bolsa de Iniciação Científica IFPR/CNPq 2018-2019

Bolsista: João Victor Oliveira
Voluntários: Fernando Apolinário
Rafhael Pereira Zrenner
Orientador: Evandro Cantú

O objetivo deste trabalho é continuar o desenvolvimento do projeto, migrando a implementação do sensor para o microcontrolador ESP8266 e construindo uma nova aplicação para medida da energia gerada por um aerogerador ^[2].

Open Energy Monitor

A referência Open Energy Monitor possui excelente material com fundamentos sobre potência AC e também sobre 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

Corrente Alternada

A corrente alternada é uma corrente elétrica cujo sentido oscila no tempo.

A corrente alternada é gerada por fontes de tensão alternada, como geradores eletromecânicos. A forma de onda usual da tensão e da corrente alternada é senoidal.

A tensão secundária fornecida pelas concessionárias de energia elétrica é tensão alternada, de 127V/220V (fase-neutro/fase-fase) ou 220V/380V (fase-neutro/fase-fase), dependendo da região.

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.

Frequência e período da corrente alternada

A corrente alternada na rede de distribuição de energia elétrica no Brasil utiliza uma frequência de 60 Hz.

A relação entre frequência (f) em Hertz e o período (T) em segundos é:

 $f={\frac {1}{T}}$

Logo, o período de um ciclo completo da corrente alternada é de 16,67 ms.

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 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