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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ ESCOLA POLITÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - TELECOMUNICAÇÕES CRISTIAN WILLIAM ZOTTO DAL’NEGRO LUCAS TOLEDO DE ALMEIDA MEDIDOR DE ENERGIA ELÉTRICA – SMART GRID CURITIBA 2013 CRISTIAN WILLIAM ZOTTO DAL’NEGRO LUCAS TOLEDO DE ALMEIDA MEDIDOR DE ENERGIA ELÉTRICA – SMART GRID Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica – Telecomunicações da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Vilson Rodrigo Mognon CURITIBA 2013 Página reservada para ficha catalográfica que deve ser confeccionada após apresentação e alterações sugeridas pela banca examinadora. Deve ser impressa no verso da folha de rosto. A Biblioteca da PUCPR oferece o serviço gratuitamente. Para solicitar, necessário enviar o trabalho para o email [email protected] Em até 48h a ficha será encaminhada para o email do solicitante. CRISTIAN WILLIAM ZOTTO DAL’NEGRO LUCAS TOLEDO DE ALMEIDA MEDIDOR DE ENERGIA ELÉTRICA – SMART GRID Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica - Telecomunicações da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. COMISSÃO EXAMINADORA _____________________________________ Prof. Dr. James Alexandre Baraniuk Pontifícia Universidade Católica do Paraná _____________________________________ Prof. Dr. Marcelo Eduardo Pellenz Pontifícia Universidade Católica do Paraná _____________________________________ Prof. Mr. Vilson Rodrigo Mognon Pontifícia Universidade Católica do Paraná Curitiba, 22 de Novembro de 2013. Dedicamos primeiramente a Deus, aos nossos familiares, amigos e a todas as pessoas que nos ajudaram na elaboração deste trabalho. AGRADECIMENTOS Queremos agradecer primeiramente a Deus que nos deu o dom da vida e por sua fidelidade, nos dando saúde, sabedoria e ânimo ao longo desta jornada chamada de vida, também pela oportunidade de desenvolvermos este trabalho de conclusão de curso da melhor maneira possível. Também, agradecemos ao nosso orientador, professor Vilson Rodrigo Mognon que nos ajudou e nos mostrou o caminho nos momentos em que mais precisávamos, transcendendo a linha de apenas um orientador, mais sim de um professor comprometido com o projeto que tanto seus alunos desejam realizar. Agradecemos ao professor James Alexandre Baraniuk pelos efetivos retornos e conselhos ao longo deste ano que sem dúvida foram fundamentais no desenvolvimento deste trabalho de conclusão de curso. Em especial, agradecemos a todos os professores que ao longo desta graduação, disponibilizaram o máximo de sabedoria e conhecimento, com o objetivo de mostrar sua visão e compreensão da vida. Aos nossos colegas de classe, que ajudaram diretamente ou indiretamente neste projeto. Lucas Almeida agradece: A minha esposa Eliane B. G. Toledo de Almeida, que foi minha amiga, companheira, incentivadora, paciente, carinhosa e que me apoiou nos momentos de maior dificuldade ao longo desta graduação. A minha família, por sempre estarem me incentivando durante toda a graduação. Cristian Willian agradece: A minha família, pelo exemplo de vida que me deram. Por sempre estarem presentes e me apoiando nos mementos difíceis, seus conselhos e sabedorias. Porque sem vocês este momento não seria possível. A minha noiva Viviane Woiciechowski por ter me dado à honra de desfrutar a vida ao seu lado, pelo grande amor demonstrado a mim, pelas suas palavras de ânimo e apoio incondicional para este momento em minha vida. "Na vida, não temos a chance de fazer muitas coisas, porém as poucas devem ser feitas com excelência." (Jobs, 2005) RESUMO Este trabalho de conclusão de curso vem a descrever o projeto de “Medição de Energia Elétrica” para usuários de baixa tensão (residencial) utilizando alguns conceitos de Smart Grid. Através de um circuito eletrônico, será coletado o consumo equivalente de uma determinada residência, bem como será possível através deste medidor realizar o corte ou religamento da rede elétrica. Além disso, será proposto um firmware capaz de gerenciar as nossas tarifações a serem implementadas no Brasil em 2014 com o intuito de estimular o consumo da energia elétrica em horários de baixa demanda a fim de diminuir a sobrecarga que a rede elétrica apresenta nos horários de pico (entre 18 e 21 horas). O Medidor de Energia (Smart Grid) proposto conta com de sensores de corrente e tensão, circuito integrado de medição, memória para armazenamento das informações, porta ótica para comunicação externa, RTC, contator para o corte e religamento, saída serial USB e display para disponibilização das informações ao consumidor. Palavras-chave: Medição, Smart Grid, energia elétrica, consumo de energia. ABSTRACT This paper describes about project "electricity metering" for low voltage users (residential) developed with some concepts of Smart Grid. Using this electronic circuit, will be possible collect consumption, and also turn on and off the residence supply. With this system, also will be able managing electric tax, control mains overflow according rush time (between 18 and 21 hours) and stimulate the consumption out these times The Power Meter (Smart Grid) proposed consists of current and voltage sensors, integrated circuit measurement, data memory, external optical communication, RTC, switch on/off, USB serial output and human interface. Keywords: measurement, Smart Grid, electric power, energy consumption. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Diagrama em blocos genérico de um medidor eletrônico ................... 25 Figura 2 – Diagramade blocos do medidor de energia elétrica proposto ............. 30 Figura 3 – Esquemático da Fonte de Alimentação .............................................. 32 Figura 4 – Sinal da fonte de alimentação com capacitor eletrolítico .................... 32 Figura 5 – Layout da Fonte de Alimentação desenvolvida no inicio do projeto ... 33 Figura 6 – Protótipo da Fonte de alimentação implementada.............................. 34 Figura 7 – Dimensionamento ADE7753............................................................... 35 Figura 8 – Diagrama eletrônico do ADE7753 ...................................................... 36 Figura 9 – Entrada Canal 1 do ADE7753............................................................. 38 Figura 10 – Entradacanal 2 do ADE7753 .............................................................. 39 Figura 11 – Foto-acoplador PC817........................................................................ 40 Figura 12 – Pontos de sincronismo ZX .................................................................. 41 Figura 13 – Ilustraçãocruzamento de zero............................................................. 41 Figura 14 – Transformador de Corrente ................................................................ 42 Figura 15 – Fórmulas para o cálculo da carga RL do TC ...................................... 43 Figura 16 – Cálculos para a determinação da carga RL do TC ............................. 43 Figura 17 – Definição da tensão do TC e ganho do sinal ...................................... 44 Figura 18 – Esquemático do sensor de corrente ................................................... 44 Figura 19 – Fórmulas para o cálculo do divisor resistivo ....................................... 45 Figura 20 – Esquemático do sensor de tensão...................................................... 45 Figura 21 – Dimensões do ATmega16 .................................................................. 47 Figura 22 – Contator bi-estável .............................................................................. 50 Figura 23 – Circuito para acionamento do contator via microcontrolador .............. 51 Figura 24 – Diagrama do posicionamento do medidor na rede elétrica................. 52 Figura 25 – Módulo contator/transformador desenvolvido ..................................... 53 Figura 26 – Detalhamento das partes do módulo contator e sensor de corrente .. 54 Figura 27 – Layout geral da PCB desenvolvida para o projeto .............................. 55 Figura 28 – Circuito Fonte de Alimentação na PCB .............................................. 56 Figura 29 – Circuito Aquisição de Amostragem de Tensão e Corrente na PCB .... 57 Figura 30 – Circuito de Medição na PCB ............................................................... 58 Figura 31 – Circuito de Comunicação Serial na PCB ............................................ 59 Figura 32 – Circuito do Display LCD na PCB ........................................................ 60 Figura 33 – Circuito dos Led’s de energia Ativa, Reativa e Power na PCB .......... 61 Figura 34 – Circuito do Microcontrolador na PCB .................................................. 62 Figura 35 – Circuito de Memória e RTC na PCB ................................................... 63 Figura 36 – Circuito Contator na PCB.................................................................... 64 Figura 37 – Circuito de Acionamento Externo na PCB .......................................... 65 Figura 38 – Circuito da Porta Ótica na PCB .......................................................... 66 Figura 39 – Interface Serial ADE7753 ................................................................... 68 Figura 40 – Registrador de tensão RMS................................................................ 69 Figura 41 – Exemplo de comunicação com ADE7753 ........................................... 70 Figura 42 – Programa Hercules ............................................................................. 71 Figura 43 – Exemplo de barramento I2C ............................................................... 73 Figura 44 – Modo de comunicação com RTC ........................................................ 74 Figura 45 – Exemplo de comunicação com RTC ................................................... 74 Figura 46 – Modo de comunicação com RTC ........................................................ 75 Figura 47 – Exemplo de comunicação com EPPROM........................................... 75 Figura 48 – Firmware do projeto ............................................................................ 76 Figura 49 – Fluxograma inicializações ................................................................... 77 Figura 50 – Fluxograma Anti-fraude ...................................................................... 78 Figura 51 – Fluxograma Verifica Hora ................................................................... 79 Figura 52 – Fluxograma Calculo energia acumulada............................................. 80 Figura 53 – Fluxograma Verifica troca de horário .................................................. 81 Figura 54 – Fluxograma de tensão e corrente ....................................................... 82 Figura 55 – Fluxogama consumo de bandeiras ..................................................... 83 Figura 56 – Calculo do periodo de interrupção ...................................................... 84 Figura 57 – Diagrama de ligação para realização do ajuste do medidor ............... 88 Figura 58 – Equação para a determnação do erro percentual do medidor ............ 90 Figura 59 – Cronograma primeiro semestre de 2013 ............................................ 94 Figura 60 – Cronograma segundo semestre de 2013............................................ 95 Figura 61 – Esquema elétrico do circuito da Fonte de Alimentação .................... 103 Figura 62 – Esquema elétrico do circuito de Medição ......................................... 105 Figura 63 – Esquema elétrico do circuito de Processamento .............................. 107 Figura 64 – Esquema elétrico do circuito de RTC e Memória.............................. 109 Figura 65 – Esquema elétrico do circuito de Comunicação Serial ....................... 111 Figura 66 – Esquema elétrico dos circuitos Diversos .......................................... 113 Figura 67 – Layout da PCB final desenvolvida com a vista superior (Top) .......... 116 Figura 68 – Layout da PCB final desenvolvida com a vista inferior (Bottom)....... 117 Figura 69 – Foto do medidor desenvolvido com a vista superior ......................... 118 Figura 70 – Foto do medidor desenvolvido com a vista lateral ............................ 119 Figura 71 – Foto do medidor desenvolvido com a vista dos bornes .................... 120 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Especificações técnicas do transformador de corrente ........................... 43 Tabela 2 – Informações básicas do módulo de medição e corte/religa ..................... 54 Tabela 3 – Descrição das partes que compõem o sistema de ajuste do medidor..... 89 Tabela 4 – Lista de componentes do circuito da Fonte de Alimentação ................. 104 Tabela 5 – Lista de componentes do circuito de Medição....................................... 106 Tabela 6 – Lista de componentes do circuito de Processamento ........................... 108 Tabela 7 – Lista de componentes do circuito de RTC e Memória ........................... 110 Tabela 8 – Lista de componentes do circuito de Comunicação Serial .................... 112 Tabela 9 – Lista de componentes do circuito de Corte e Religamento ................... 114 Tabela 10 – Lista de componentes do circuito de Porta Ótica ................................ 114 Tabela 11 – Lista de componentes do circuito Display LCD ................................... 114 Tabela 12 – Lista de componentes do circuito de Acionamento ............................. 115 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS USART Transmissor/receptor serial e assíncrono RF Rádio frequência SPI Interface serial entre periféricos de comunicação síncrona Serial Port Interface MESTRE Periférico que gerência as ações para a comunicação síncrona ESCRAVO Periférico que responde ao mestre na comunicação síncrona MISO Master In Slave Out MOSI Master Out Slave In CS Habilita a comunicação entre mestre e escravo (chip select) ABNT Associação brasileira de normas técnicas ANEEL Agência nacional de energia elétrica SI Sistema Internacional de Medidas ISO International Standards Organization TC Transformador de corrente TP Transformador de potencial SHUNT Resistor específico utilizado para medição proporcional de corrente RTC Relógio de tempo real (real time clock) RX Entrada de recepção de sinal TX Saída de transmissão do sinal ADC Conversor analógico digital SNR Relação sinal ruído FP Fator de Potência LCD Liquid Crystal Display LED Light Emission by Diode ADE7753 Circuito integrado de medição de energia elétrica IC Integrated Circuit VREF Tensão de referência de 2,5V para o ADE7753 EEPROM Memoria não volátil para armazenamento de dados PCB Placa de circuito Impresso (Printed Circuit Board) BOM Lista de Materiais (Bill of materials) PGA Amplificador de Ganho ADC Conversor analógico para digital CLK Relógio de pulso síncrono (Clock) SCLK Serial Clock AVR STUDIO Software de programação para o ATMEGA16 ATMEGA Microcontrolador da Atmel SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 18 1.1 PROBLEMATIZAÇÃO .................................................................................. 18 1.2 OBJETIVOS.................................................................................................. 21 1.2.1 Objetivo Geral ............................................................................................. 21 1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................ 21 1.3 JUSTIFICATIVA............................................................................................ 22 2 REFERÊNCIAL TEÓRICO ........................................................................... 23 2.1 INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE MEDIÇÃO ............................................... 23 2.2 REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES: SMART GRID ................................. 26 2.3 DESENVOLVIMENTO DE SMART GRID NO BRASIL ................................ 27 3 CONCEITOS DE METODOLOGIA .............................................................. 29 3.1 TOPOLOGIA DO SISTEMA.......................................................................... 29 3.1.1 Medidor ........................................................................................................ 29 3.2 DIAGRAMA EM BLOCOS ............................................................................ 30 3.3 MEDIDOR DE ENERGIA MONOFÁSICO RESIDENCIAL............................ 31 3.3.1 FONTE DE ALIMENTAÇÃO ........................................................................ 31 3.3.1.1 Protótipo de fonte de alimentação desenvolvido .......................................... 33 3.3.2 MEDIDOR DE ENERGIA MULTIFUNCIONAL MONOFÁSICO ADE7753... 34 3.3.2.1 A escolha do Circuito de medição ................................................................ 34 3.3.2.2 O ADE7753................................................................................................... 35 3.3.2.3 Características construtivas do ADE7753..................................................... 35 3.3.2.4 Arquitetura para o ADE7753 ......................................................................... 36 3.3.3 CIRCUITO SENSOR DE CORRENTE ......................................................... 42 3.3.4 CIRCUITO SENSOR DE TENSÃO .............................................................. 45 3.3.5 PROCESSADOR ATMEGA16 ..................................................................... 46 3.3.5.1 Microcontrolador ATMEGA16 ....................................................................... 46 3.3.5.2 Características construtivas do ATmega16 .................................................. 47 3.3.6 REAL TIME CLOCK ..................................................................................... 47 3.3.6.1 O que é RTC................................................................................................. 48 3.3.6.2 Importância do RTC em um medidor ............................................................ 48 3.3.7 MEMÓRIA .................................................................................................... 49 3.3.8 COMUNICAÇÃO SERIAL USB ................................................................... 49 3.3.9 MÓDULO CONTATOR E TRANSFORMADOR DE CORRENTE ................ 50 3.3.9.1 Circuito Corte e Religa.................................................................................. 50 3.3.9.2 Ligação de um medidor - Fonte e Carga ...................................................... 52 3.3.9.3 Módulo: Contator, Transformador de Corrente, Fonte e Carga .................... 53 3.4 DESCRIÇÃO GERAL DO HARDWARE DESENVOLVIDO .......................... 55 3.4.1 Circuito Fonte de Alimentação .................................................................. 56 3.4.2 Circuito de Aquisição de Amostragem de Corrente e Tensão ............... 57 3.4.3 Circuito de Medição.................................................................................... 58 3.4.4 Circuito de Comunicação Serial USB ....................................................... 59 3.4.5 Circuito do Display LCD ............................................................................. 60 3.4.6 Circuito dos Led’s de energia Ativa, Reativa e Power............................. 61 3.4.7 Circuito Microcontrolador .......................................................................... 62 3.4.8 Circuito Memória e RTC ............................................................................. 63 3.4.9 Circuito Contator ........................................................................................ 64 3.4.10 Circuito Acionamento Externo .................................................................. 65 3.4.11 Circuito Porta Ótica .................................................................................... 66 3.5 DESENVOLVIMENTO DO FIRMWARE DO MEDIDOR ............................... 67 3.5.1 Comunicação SPI ....................................................................................... 67 3.5.2 Comunicação UART ................................................................................... 70 3.5.3 Comunicação I2C ........................................................................................ 72 3.5.4 Inicialização do Firmware .......................................................................... 76 3.5.5 Antifraude .................................................................................................... 78 3.5.6 Data e hora .................................................................................................. 79 3.5.7 Medição de Energia Acumulada ................................................................ 79 3.5.8 Medição de Tensão e Corrente .................................................................. 81 3.5.9 Bandeiras de Consumo .............................................................................. 82 3.5.10 Exatidão de consumo ................................................................................. 83 3.6 ENSAIOS PARA VALIDAÇÃO DO MEDIDOR ............................................. 84 3.6.1 Exatidão do Medidor .................................................................................. 84 3.6.2 Ensaio de Tarifações .................................................................................. 85 3.6.3 Comunicação Serial USB ........................................................................... 85 3.6.4 Ensaio de funcionamento do Contator ..................................................... 86 3.6.5 Ensaio do alarme Antifraude ..................................................................... 86 3.6.6 Ensaio do Mostrador .................................................................................. 86 3.6.7 Ensaio de Memória ..................................................................................... 87 3.7 AJUSTE DA MEDIÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA – EXATIDÃO ................. 87 3.7.1 Resumo básico do sistema de ajuste do medidor ................................... 90 3.8 RESULTADOS OBTIDOS NA VALIDAÇÃO DO MEDIDOR ......................... 91 3.8.1 Resultado da Exatidão do Medidor ........................................................... 91 3.8.2 Resultado do ensaio de Tarifações........................................................... 91 3.8.3 Resultado do ensaio Comunicação Serial USB ....................................... 92 3.8.4 Resultado do ensaio de funcionamento do Contator .............................. 92 3.8.5 Resultado do ensaio do alarme Antifraude .............................................. 92 3.8.6 Resultado do ensaio do Mostrador ........................................................... 93 3.8.7 Resultado do ensaio de Memória .............................................................. 93 3.9 CRONOGRAMA ........................................................................................... 94 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................... 96 4.1 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS................................................. 98 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 99 APÊNDICE A – ESQUEMÁTICO DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO ....................... 103 APÊNDICE B – LISTA DE COMPONENTES DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO .... 104 APÊNDICE C – ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO ........................... 105 APÊNDICE D – LISTA DE COMPONENTES DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO ......... 106 APÊNDICE E – ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO DE PROCESSAMENTO ........... 107 APÊNDICE F – LISTA DE COMPONENTES CIRCUITO DE PROCESSAMENTO108 APÊNDICE G – ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO RTC E MEMÓRIA ..................... 109 APÊNDICE H – LISTA DE COMPONENTES DO CIRCUITO RTC E MEMÓRIA .. 110 APÊNDICE I – ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO DE COMUNICAÇÃO SERIAL .... 111 APÊNDICE J – LISTA DE COMPONENTES DO CIRCUITO DE COM. SERIAL ... 112 APÊNDICE L – ESQUEMÁTICO DOS CIRCUITOS DIVERSOS ........................... 113 APÊNDICE M – LISTA DE COMPONENTES CIRCUITO CORTE E RELIGA ....... 114 APÊNDICE N – LISTA DE COMPONENTES CIRCUITO PORTA ÓTICA ............. 114 APÊNDICE O – LISTA DE COMPONENTES CIRCUITO DISPLAY LCD .............. 114 APÊNDICE P – LISTA DE COMPONENTES DO CIRCUITO ACIONAMENTO..... 115 APÊNDICE Q – LAYOUT DA PCB COM VISTA SUPERIOR (TOP) ..................... 116 APÊNDICE R – LAYOUT DA PCB COM VISTA INFERIOR (BOTTOM) ............... 117 APÊNDICE S – FOTOS DO MEDIDOR DESENVOLVIDO ..................................... 118 18 1 INTRODUÇÃO Durante a história da humanidade, o homem utilizando a inteligência a ele atribuída, realizou diversas descobertas a fim de reduzir seus esforços e aumentar seu conforto. Porém um fato marcante nesta evolução, fez com que as tecnologias atuais fossem possíveis em um espaço de tempo relativamente curto: A invenção da máquina a vapor, que é considerado um símbolo energético da Revolução industrial (CPFL, 2011). Deste modo, o fogo que antes era utilizado apenas como fonte para iluminação, preparação de alimento e entre outros, passou a realizar movimento, permitindo a construção de grandes fábricas e sua aplicação nos transportes. Nesta mesma época, as técnicas de explorações dos combustíveis fósseis também estavam em constante evolução, sendo que até hoje é considerado a principal fonte de energia nos transportes, na indústria e nos diversos campos da ciência moderna. Mas um fato que realmente fez com que esta evolução exponencial fosse possível foi à geração e o domínio da energia elétrica devido a sua eficiência para a transformação de calor, iluminação e energia mecânica, desempenhando um papel extremamente importante na sociedade, ao ponto de ser essencial para a maioria das atividades humanas desempenhadas na indústria, agricultura, residências, instituições e nas demais atividades fundamentais para a manutenção econômica dos países. Sendo assim, a geração, distribuição e medição da energia elétrica é constantemente aperfeiçoada pelo mercado de energia, tendo como base a geração limpa da energia com o mínimo de perdas. Dos três pilares deste sistema, a medição da energia elétrica será o grande tema abordado nesta pesquisa, a qual pretende promover a conservação e consumo responsável da energia elétrica. 1.1 PROBLEMATIZAÇÃO Através do domínio da energia elétrica, e sua disponibilização para a sociedade, abriu-se um leque gigantesco de produtos e serviços, os quais vieram a beneficiar, dando conforto, praticidade e diminuindo o tempo do que antes era longo. 19 Porém a capacidade de geração da energia elétrica infelizmente não acompanha tal crescimento tecnológico. Deste modo, falhas nas redes elétricas, como apagões começaram a surgir com maior frequência em certos horários de pico, prejudicando diversos serviços essenciais e privando das pessoas de utilizarem os produtos desenvolvidos. Além disso, poderão ocorrer os chamados blackouts devido a tempestades ou interferências na rede elétrica que podem demorar dias a serem resolvidos. Para a resolução destes problemas e para atender a demanda da população, foram desenvolvidos ao longo dos anos, alternativas tais como as construções de usinas hidroelétricas, solares, nucleares, eólicas, termoelétricas e por fim a tendência é partir para o conceito de Smart Grid. Todas estas alternativas tem seu lado positivo e negativo, sendo que a implementação destes geradores muitas vezes irá depender da geografia da região a ser construído o projeto, como no caso das usinas hidroelétricas, eólicas, solares. Deste modo as usinas termoelétricas se destacaram em um cenário mundial, estimando-se que 28,2% da energia produzidas no Brasil provem desse tipo de usina (FEDERAL, 2010). Esse tipo de usina tem sérios impactos na natureza, uma vez que para alimenta-las, são utilizados materiais derivados de petróleo, carvão ou gás, os quais são altamente poluentes a natureza. Usinas solares, eólicas e marítimas são ótimas fontes de geração de energia limpa, ou seja, utilizam os próprios recursos da natureza para gerar a energia elétrica, sem danifica-la ou agredi-la de forma constante. Infelizmente este tipo de usina são menos usuais, uma vez que sua eficiência é muito inferior ao comparar com as usinas termoelétricas e hidroelétricas. Além disso, é necessário à região estar localizada geograficamente de forma a propiciar de forma continua esta geração. No Brasil, por exemplo, as usinas eólicas representam apenas 0,97% da produção de energia nacional (FEDERAL, 2010). As usinas hidroelétricas são consideradas como intermediárias na questão da geração da energia. No Brasil, devido à sua geografia, grande parte da geração nacional é realizada através deste tipo de usina (FEDERAL, 2010). Sua eficiência é excelente, porém no conceito da geração de forma limpa, há divergências uma vez que tal solução causa um grande desequilíbrio ecológico, uma vez que há a necessidade de se fechar determinados trechos do rio, o qual acabará causando 20 inundações na proximidade, destruindo os habitats de animais, além da destruição da fauna e flora local. Por fim, existem a usinas nucleares, as quais são utilizadas em larga escala em países como França, Japão, Alemanha e Holanda. Esta solução quando bem controlada, pode ser um grande gerador de energia elétrica, porém há um grande risco para a população no caso de uma falha neste projeto ou na operação, como no caso dos incidentes das usinas de Chernobyl na Ucrânia devido a um erro operacional (Gray, 2002) e em Fukushima no Japão devido aos fortes terremotos de magnitude 8.8 que vieram a danificar o sistema de refrigeração dos reatores. Das diversas soluções citadas acimas, algumas já estão consolidadas no mercado e outras necessitam de teste em campo, como é o caso das usinas oceânicas (UFRJ, 2012). Além destas, uma solução que ainda está no processo de pesquisa e aplicações iniciais são as chamadas redes inteligentes de distribuição de energia elétrica, também conhecidas como Smart Grid. O conceito de Smart Grid e bem amplo, conforme descrito no livro Desvendando a Redes Inteligentes, sendo que “alguns especialistas focam o conceito mais na área de automação da rede, outros na cadeia de fornecimento de energia e outros ainda na melhoria dos canais de interação e serviços para o consumidor” (Toledo, 2012). Deste modo, ao utilizar o Smart Grid, a confiabilidade da rede de distribuição é alavancado, uma vez que análises de anomalias que antes não eram possíveis serem realizados fazem parte do dia a dia das operações das concessionárias. Uma das vantagens do sistema Smart Grid é controle do consumo da energia elétrica das residências remotamente, não necessitando o deslocamento de funcionários nas residências, tanto para a verificação do consumo, quanto para o corte ou religamento da rede elétrica. Além disso, em um futuro próximo, as residências serão designadas como “consumidor” e/ou “distribuidor”, ou seja, consumir e/ou fornecer energia elétrica para a rede será uma das características das residências. A problematização deste novo conceito chamado Smart Grid esta enquadrado ao fato que o mercado de geração e distribuição de energia elétrica é extremamente conservador no quesito de mudanças tecnológicas, uma vez que sua estrutura operacional já está montada há décadas e funcionando relativamente de forma 21 adequada. Assim, realizar qualquer tipo de mudança neste quadro é de difícil aceitabilidade pelos países. No Brasil, foi aprovado a AP120 da ANEEL que abre a possibilidade para as concessionárias de energia elétrica realizar a tarifação diferenciada conforme os horários utilizados. Deste modo, foram criadas as bandeiras Branca, Verde, Amarela e Vermelha, sendo que cada uma representa o valor a ser cobrado do consumidor (ANEEL, 2012). Segundo a agência, a tarifa Branca será vantajosa a fim de estimular o consumo de energia em horários em que há pouca demanda. Deste modo, será diminuída a fatura ao final do mês dos consumidores que se enquadrarem nestes horários. Esta tarifa será opcional, ou seja, caso o cliente não queira, será cobrada a tarifa convencional. Para que entre e vigor estas novas tarifações e para atendimento das novas redes elétricas inteligentes, será necessário o desenvolvimento e implantação de diversos equipamentos, dentre eles, os medidores de consumo, os quais deverão substituir os atuais eletromecânicos. 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo Geral Desenvolver um medidor eletrônico capaz de realizar a medição de consumo residencial conforme as novas tarifações que deverão ser aplicadas no mercado nacional em 2014. 1.2.2 Objetivos Específicos Os objetivos específicos do trabalho são: a) Desenvolver um medidor eletrônico residencial capaz de realizar as seguintes operações: medir a energia elétrica consumida, guardar as informações obtidas em uma memória, aplicar as novas tarifações (branca, vermelha, amarela e verde) com auxilio de um RTC, poder realizar leituras de informações do medidor via serial USB, apresentar informações de consumo e outra informações no display e alarme de fraude realizando o corte e o religamento da residência da rede elétrica. 22 b) Desenvolver um firmware capaz de executar todas as funções descritas acima de maneira simplificada, buscando-se uma precisão na medição da energia elétrica abaixo do que é aplicado atualmente no mercado nacional pelos medidores eletromecânicos (2%). 1.3 JUSTIFICATIVA Existem vários fatores em que a cada dia que passa, estão levando os países e as concessionárias de energia elétrica a adotarem medidas extremamente importantes no cenário da geração e distribuição da energia elétrica. Assim, uma das medidas importantes está concentrada na medição, controle de consumo e disponibilização da informação deste consumo de energia elétrica realizada pelo consumidor, os quais serão o foco desta pesquisa. No campo das perdas de energia pelas concessionárias, há grandes vantagens que podem ser percebidas ao utilizar os conceitos das novas redes elétricas inteligentes, tais como, o corte e religamento da energia elétrica de um ponto de medição, ao ser detectado uma possível intervenção não autorizada. Outra vantagem será a implementação do sistema de tarifação, o qual começará em 2014 a ser aplicado aos consumidores no Brasil, conforme informações da ANEEL. No campo da medição, a precisão no registro de consumo será alavancada, passando da medição eletromecânica para a medição totalmente eletrônica. Ao trabalhar no campo de sistemas digitais, estará sendo abertas diversas oportunidades de aplicações e serviços que poderão ser disponibilizados ao consumidor final, o qual terá um melhor parecer com relação à qualidade do fornecimento de energia. 23 2 2.1 REFERÊNCIAL TEÓRICO Introdução ao sistema de medição Hoje, devido à ascensão econômica das classes sociais C e D, muitas famílias estão podendo adquirir a tão sonhada casa própria ao até mesmo comprar eletros-domésticos e eletroeletrônicos que antes não tinham condições. Por consequência de fatores como estes há um grande crescimento no consumo de energia elétrica, e por sua vez há um foco do governo nas melhorias da gestão dos recursos energéticos, trazendo assim um novo e amplo nicho de mercado, desde a geração até o consumo da energia elétrica. Os medidores de energia elétrica são os sistemas utilizados para realizar a aquisição da energia consumida em uma determinada casa, comercio ou indústria, essa é a forma adotada para que possa ser mensurado o consumo e por tanto a cobrança pela utilização da energia elétrica. Para realizar a medição efetiva de consumo, este aparelho deverá ser capas de realizar a medição da tensão empregada na rede (a qual estará disponível ao consumidor) e a corrente utilizada na carga (no caso o consumidor). Desta forma em termos simples é possível determinar a potência utilizada e por consequência a energia consumida. Segundo o autor Fábio Toledo, “medidores eletrônicos de energia elétrica utilizam como base de transdução sensores de tensão e corrente, que geram sinais de pequena amplitude, quando comparados com os sinais originais, que servem de referência dessas grandezas para o subsequente processo de digitalização, posterior cálculo metrológico e efetivo registro do consumo de energia” (TOLEDO, 2012). Além disso, de acordo com o Fábio Toledo, para realizar a medição de tensão normalmente são utilizados circuitos com associação de resistores (divisor resistivo) geralmente utilizando resistores de precisão. Já para realizar a medição de corrente, são usualmente utilizados transformadores resistores Shunts ou até mesmo sensores de efeito Hall. Para este sistema, também é necessário empregar um circuito de proteção contra surtos de tensão, pois o circuito responsável por realizar a medição de tensão acaba propagando para os demais circuitos qualquer variação de tensão que possa haver na rede, podendo assim ocasionar problemas nos 24 demais circuitos de condicionamento e aquisição de sinais. Esta proteção normalmente é constituída de varistores posicionados na entrada dos circuitos de aquisição de tensão. (TOLEDO, 2012). Logo após a aquisição dos sinais de tensão e corrente (proporcionais ao consumo residencial), estes sinais são tratados por intermédio de um circuito específico para assim poder ser compatível com o sistema de digitalização. Desta forma os sinais podem ser digitalizados e enviados para o componente responsável pelo processamento e cálculos metrológicos do medidor. (TOLEDO, 2012). Hoje existem varias arquiteturas de medidores de energia elétrica disponíveis, os modelos de mais baixo custo são dotados apenas de uma unidade de processamento, normalmente um microcontrolador ou um processador digital de sinais (DSP) para assim realizar as funções de um medidor. Os modelos mais complexos possuem circuitos específicos como integradores para cálculo de funções metrológicas, microcontrolador para outros processamentos como gerenciamento de comunicação, memórias e funções antifraude e interface humano-computador (TOLEDO, 2012). Para os modelos mais avançados também são agregados uma porta de comunicação serial, utilizando protocolo de comunicação local. Essa posta possibilita a leitura instantânea dos dados gerados pelo medidor, além da configuração de parâmetros. Normalmente, apenas os medidores eletrônicos mais avançados essa posta de comunicação, uma vez que ele agrega custos ao medidor (TOLEDO, 2012). 25 Na Figura 1 é apresentado um diagrama da estrutura básica de um medidor eletrônico: Figura 1 – Diagrama em blocos genérico de um medidor eletrônico Fonte: Livro Desvendando as redes elétricas inteligentes, 2012. Nota: Medidor eletrônico padrão. Além disso, algumas grandezas devem ser consideradas para entender o um medidor de energia elétrica, tais como: • Energia Ativa: Segundo Marque a energia ativa “É o uso da potência ativa durante qualquer intervalo de tempo, sua unidade é o quilowatt-hora (kWh).” A energia ativa é “energia elétrica que pode ser convertida em outra forma de energia” (Marques, 2006, P.154). A energia Ativa é a grandeza física que efetivamente produz trabalho, ou seja, esta é a energia utilizada em residências, indústrias e comércio. • Energia Reativa: A energia Reativa é a energia elétrica que está relacionada ao campo elétrico e magnético, resultado da utilização de equipamentos como motores elétricos, transformadores e outros, dessa forma não produz trabalho. Esta grandeza é expressa em quilovolt-ampère reativo-hora (kVArh). “É a energia elétrica que circula continuamente entre os diversos campos elétricos e magnéticos de um sistema de corrente alternada, sem produzir trabalho” (Marques, 2006, P. 154). 26 • Energia Aparente: Já a energia aparente é a composição entre a energia ativa e a energia reativa. 2.2 Redes Elétricas Inteligentes: Smart Grid Em fevereiro de 2009, o presidente dos EUA, Barack Obama aprovou a liberação de um pacote de estímulos de cerca de US$ 3,4 bilhões de dólares destinados a acelerar as diversas áreas de pesquisa no que envolvem a geração, distribuição e gerenciamento inteligente da energia elétrica (Service, 2009). Deste modo, uma parte significativa destes recursos está sendo alocada para o desenvolvimento de abordagens mais avançadas para a produção de energia, transmissão e consumo de energia elétrica (Tamar Krishnamurti, 2011). Desta forma, as redes elétricas inteligentes, conhecido com Smart Grid se tornaram o grande tema no cenário interno dos EUA e consequentemente internacional. Anteriormente a este período, mais precisamente no ano de 2001, um fato envolvendo questões energéticas ficou marcado no Brasil: a redução em 20% da geração da energia elétrica em um período muito curto. Isto ocorreu em consequência das secas prolongadas, sendo que as usinas hidroelétricas responsáveis por 71% da geração da energia elétrica no país (FEDERAL, 2010) apresentavam suas produções de energia inferiores à demanda nacional (Kenzo, 2013). O combate à falta da energia elétrica é um dos ramos do conceito das redes inteligentes, o qual visa oferecer uma rede de transmissão e distribuição da energia com base na comunicação interativa entre as partes da cadeia de conversão de energia (Kenzo, 2013). Segundo Fábio Toledo, “o Smart Grid é uma visão a ser completada e que deve ser construída de acordo com as necessidades do mercado onde será implementado sempre tomando em conta as múltiplas perspectivas, entre elas, tecnológicas, ambiental, socioeconômicas e política-regulatória” (Toledo, 2012). Deste modo, um dos objetivos deste novo sistema será a implementação de uma rede inteligente que irá utilizar a tecnologia de comunicação digital bidirecional 27 para prestar serviços públicos com informações rápidas e detalhadas sobre o uso de eletricidade, blackouts e qualidade de energia. Seguindo estes novos conceitos, os clientes poderiam verificar em suas faturas os detalhamentos em termos de ciclos de lavagem da máquina, horas utilizadas de TV, o nível de conforto proporcionado pelo ar condicionado e entre outras diversas informações que estiverem disponíveis. Além disso, em um futuro próximo, a ideia de se medir detalhadamente o consumo de energia elétrica até o aparelho final, irá criar um ligação entre a unidade de energia elétrica consumida, no caso a residência e o serviço prestado pela concessionária (Giordano, 2012). Também será possível disponibilizar a eletricidade em termos de fonte de geração (renováveis ou fósseis), o tempo de consumo (dia/noite), tarifações diferenciadas, a prioridade de abastecimento (serviço de eletricidade crítico tais como hospitais), a qualidade da energia (alta ou baixa distorção harmônica) e entre outros serviços. Será possível oferecer aos consumidores uma oferta personalizada de energia elétrica a fim de atender suas reais necessidades, preferencias e restrições econômicas (Giordano, 2012). Para os clientes residenciais, para a implantação de um sistema o Smart Grid é necessário à instalação de um medidor inteligente, qual deverá ser capaz de permitir a leitura do medidor remotamente em uma base diária ou mesmo contínuo (Tamar Krishnamurti, 2011). Segundo Ricardo Kenzo, professor do Centro Universitário FEI, “Este medidor inteligente será um dos principais componentes das Smart Grids, uma vez que a medição inteligente ajudará a coordenar a geração de energia e o consumo de energia de modo mais eficiente, principalmente se as fontes de energias renováveis continuarem com suas expansões para o futuro” (Kenzo, 2013). 2.3 DESENVOLVIMENTO DE SMART GRID NO BRASIL No senário brasileiro, o sistema de Smart Grid está no inicio de sua implantação, este ambiente tem evoluído significativamente desde 2010, vários estudos tem sido apresentados pela ANNEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) e pelo Inmetro (Instituto de Metrologia, Qualidade e Tecnologia). Neste grupo também estão o ministério de Minas e Energia (MME) e a Associação Brasileira de 28 Distribuidores de Energia Elétrica (Abradee) os quais também estão elaborando vários estudos. (TOLEDO, 2012). Estes estudos são voltados a abordar politicas regulamentadoras, novos padrões de consumo (como por exemplo, sistema de tarifa branca), adequação das politicas públicas, visando à implantação de sistemas de redes elétricas inteligentes. Também se destacam neste cenário de discussões e análises, os estudos realizados pela concessionária Light, a qual é pioneira na aplicação da medição inteligente no Brasil e desde o início do século XXI conduz projetos nas mais variadas áreas do setor elétrico. O pioneirismo da Light e sua experiência até o presente momento lhe permitiram determinar, até certo ponto, os rumos da tecnologia (padronização e opções de implementação) e exercer influência, direta ou indireta, sobre os fornecedores de materiais relacionados à medição inteligente no Brasil (TOLEDO, 2012). No livro Desvendando as Redes Elétricas Inteligentes é descrito o todo o programa desenvolvido pela Light, o qual mostra a realidade nacional e como seria como implementação do Smart Grid, ou seja, são apresentados os projetos desenvolvidos e os seus resultados alcançados ao longo dos estudos desenvolvidos pela concessionária. De um modo geral, no Brasil já existem vários estudo, discussões e protótipos sendo desenvolvidos baseando-se muitas vezes nos projetos já desenvolvidos no exterior, porém muitos destes estão sendo tropicalizados para a realidade nacional. 29 3 CONCEITOS DE METODOLOGIA 3.1 TOPOLOGIA DO SISTEMA A proposta para o medidor de energia elétrica residencial Smart Grid está centrado na medição do consumo de energia elétrica utilzada na unidade consumidora (residência), utilizando-se dos diversos recursos que os medidores eletrônicos podem disponibilizar. 3.1.1 Medidor O medidor será dividido basicamente em três grupos: • Alimentação do sistema eletrônico; • Medição do consumo; • Processamento e periféricos; Para realizar a alimentação haverá uma fonte de tensão continua, o qual distribuirá energia suficiente para o bom funcionamento de todos os sitemas secundários. A medição será realizado utilizando um circuito de medição, o qual colherá dados provenientes de um sensor de corrente e de um sensor de TC. A gerência do sistema será encabeçado por um microcontrolador, o qual monitorará o CI de medição, recebendo os dados de consumo e processamento de todas as informações disponibilizadas pelas interfaces e periféricos, como memória, display, porta ótica, comunicação serial USB e entre outros. 30 3.2 DIAGRAMA EM BLOCOS Para descrever melhor o sistema proposto, foi desenvolvido um diagrama em blocos para melhor entendimento do sistema, conforme demonstrado na Figura 2. Figura 2 – Diagramade blocos do medidor de energia elétrica proposto Fonte: O Autor, 2013. Nota: Diagrama em blocos 1 – Medidor. 31 3.3 MEDIDOR DE ENERGIA MONOFÁSICO RESIDENCIAL Para realizar a medição de energia residencial, é necessário primeiramente definir como será caracterizado o hardware do equipamento, ou seja, estudar qual será a melhor arquitetura para satisfazer as necessidades do sistema e atender todas as normas estabelecidas pela ABNT. De acordo com a ABNT (Técnicas, 2006) “Fundada em 1940, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) é o órgão responsável pela normatização técnica no país, fornecendo a base necessária ao desenvolvimento tecnológico brasileiro”. Como a ABNT é um órgão responsável por todas as normatizações do Brasil, é necessário estabelecer qual será a norma base para medidores, neste caso a ABNT NBR 14519:2011, que nos traz o seguinte escopo: “Esta norma especifica os requisitos aplicáveis a medidores eletrônicos, monofásicos e polifásico, de índice e Classe A, B, C e D, para a medição de energia elétrica em corrente alternada encerrados em um mesmo invólucro.” (Comitê Brasileiro de Eletricidade, 2011). A proposta do medidor pode ser divididas em 3 partes: • Alimentação do hardware; • Aquisição de dados; • Processamento; 3.3.1 FONTE DE ALIMENTAÇÃO Com a finalidade de fornecer níveis de tensão adequados para o correto funcionamento medidor, foi desenvolvida uma fonte capaz de alimentar os circuitos de acionamento do contator, interface de comunicação, medição, processamento e demais periféricos que serão descritos neste projeto. Na figura abaixo é possível observar a fonte e os detalhes podem ser vistos no Apêndice A deste documento. 32 Figura 3 – Esquemático da Fonte de Alimentação Fonte: O Autor, 2013. Nota: Alimentação de circuitos geral. Inicialmente para proteção do circuito contra descargas elétricas de curta duração é utilizado um varistor que consiste basicamente de um bloco de óxido de zinco, com dois eletrodos. Este bloco tem um cero potencial de condutividade, deixando passar certo limite de potencial, como 170 volts por exemplo. No caso de a tensão exceder este limite, o excedente será transformado em calor e caso a sobre tensão continue por muito tempo, o varistor irá queimar, inutilizando o funcionamento da fonte, porém protegendo o circuito eletrônico (Araújo, 2005). Em seguida, o sinal é retificado em meia/onda através de um diodo retificador PTH, além de passar pelo resistor de potência de 330Ω. Na sequencia são utilizados capacitores eletrolíticos de 22µF para realizar a filtragem do sinal, para que possa fornecer corrente contínua para a o restante do circuito. Na Figura 4 é ilustrado o tratamento do sinal. Figura 4 – Sinal da fonte de alimentação com capacitor eletrolítico Fonte: O Autor, 2013. Nota: Filtro feito por um capacitor eletrolítico de grande valor. 33 Por fim, é realizado o tratamento do sinal através do componente LNK304, fornecendo um sinal tratado de 12V. Esta tensão então será utilizada no circuito de contator, descrito neste projeto. Da saída deste componente, estes 12V são enviados a dois circuitos integrados (U4 e U5), os quais realizam a regulação do sinal para 5V e 3,3V, respectivamente. Resumidamente, esta fonte de alimentação fornece ao ser alimentado com 127V senoidal, tensões contínuas de 5V e 12V, as quais são necessárias para alimentação dos circuitos do projeto. 3.3.1.1 Protótipo de fonte de alimentação desenvolvido Após desenvolver o esquemático no software Eagle, foi confeccionada a placa de circuito impresso com o objetivo de verifica-se o correto funcionamento do circuito desenvolvido para que ajuste, caso necessários fossem resolvidos antes da montagem do circuito completo, o qual envolve todos os demais circuitos, conforme demonstrado na Figura 5. Figura 5 – Layout da Fonte de Alimentação desenvolvida no inicio do projeto Fonte: O Autor, 2013. Nota: Alimentação de circuitos – circuito impresso Primeiro protótipo. Serão necessárias ainda algumas melhorias no desenho do layout até chegar à versão final da PCB. 34 Figura 6 – Protótipo da Fonte de alimentação implementada Fonte: O Autor, 2013. Nota: Protótipo para alimentação dos circuitos do projeto 3.3.2 MEDIDOR DE ENERGIA MULTIFUNCIONAL MONOFÁSICO ADE7753 Para programar este sistema fundamentalmente é necessário realizar a aquisição dos dados de consumo de energia residencial como a variação de Tensão, Corrente, Potencia Ativa e Reativa. Desta forma é possível definir um componente eletrônico que realize a aquisição destes dados com precisão e sem a necessidade de conceber um hardware complexo. 3.3.2.1 A escolha do Circuito de medição A escolha de um sistema de medição simples, veio ao encontro das características técnicas necessárias na medição de consumo residencial, sempre levando em consideração todas as normativas dadas pela ABNT, também foi levado em consideração o custo do medidor, tipo de aquisição que ele irá recolher da rede elétrica, percentual de erro de medição e protocolo de comunicação utilizado (para comunicar com o ATMEGA16). Tendo em vista estas características necessárias, o circuito de medição definido para o projeto foi o ADE7753. 35 3.3.2.2 O ADE7753 (Devices, 2010, p. 01) “O ADE7753 é um Circuito digital que possui circuitos de referência, sensor de temperatura, e todo o processamento de sinal necessário para realizar as medições de energia ativa, reativa e aparente e calculo de tensão e corrente RMS.” Este CI medidor é um dispositivo projetado pela empresa ANALOG DEVICE, desenvolvido para realizar medições elétricas com um nível elevado de precisão, este sistema opera em circuitos monofásicos. O ADE7753 possui dois canais, os quais são utilizados para receber os sinais senoidais dos dispositivos de entradas, para assim avaliar a tensão e a corrente de entrada (que será consumido pela casa). Este componente utiliza uma interface de comunicação denominada SPI (o qual será abordado mais a frente) para realizar a interface entre o microcontrolador e o ADE7753, sendo desta forma todas as aquisições de dados da residência enviada ao microcontrolador, o qual fará a tratativa adequada destas informações. 3.3.2.3 Características construtivas do ADE7753 O circuito de medição ADE7753 é um componente eletrônico do tipo SMD, com o “encapsulamento de alta densidade com terminais “asa de gaivota” com passo de 0.65mm, denominado tipo SSOP (Shrink Small Outline Package)” (Agostini, 2008). Este circuito integrado possui um dimensional de 7,6mm de comprimento, 7,4mm de largura e 2mm de altura como ilustrado na Figura 7. Figura 7 – Dimensionamento ADE7753 Fonte: Analog Device, 2010. Nota: Lead Shrink Small Outline Package [SSOP]. 36 3.3.2.4 Arquitetura para o ADE7753 Para um bom funcionamento o ADE7753 necessitará de uma arquitetura de hardware específica (já descrita pelo próprio fabricante) indicada na Figura 8, tanto para realizar a aquisição dos dados da residência quanto para ser capaz de transmitir ao microcontrolador essas informações. O ADE7753 deve ser alimentado com 5V (de acordo com as especificações da Analog Device) de corrente continua através de uma fonte de alimentação independente ao sistema de medição. Para a aquisição dos dados de consumo de energia elétrica da residência, o ADE7753 necessita de dois circuitos independentes que gere a proporção em menor escala de tensão da rede e da corrente da carga. No primeiro circuito é utilizado um TC (transformador de corrente) já no segundo circuito um divisor resistivo. Figura 8 – Diagrama eletrônico do ADE7753 Fonte: Analog Device, 2010. Nota: Test Circuit for Performance Curves with Integrator On. 37 É possível dividir este diagrama em algumas partes para melhor compreensão do funcionamento do circuito: • Canal V1P e V1N Como ilustrado na Figura 9, o canal 1 (V1P e V1N) é utilizado para receber a amostra de tensão do TC, proporcional a corrente consumida pela residência, ou seja, conforme o consumo aumenta a corrente elétrica que irá circular pelo TC aumentará, fazendo com que o ADE7753 perceba essa variação. Esta variação deverá ser medida pelo Circuito de medição desde 5mV até 0,5V. Para realizar uma medição de tensão tão baixa, internamente ele possui Amplificadores de Ganho Programável (PGA). Sabendo que o sinal a ser medido é uma onda senoidal, por tanto analógica, o ADE7753 também possui internamente um conversor analógico Digital (ADC) e um processador de sinal digital (DSP), para realizar a tratativa dos dados recebidos do TC pelo ADC. Como o projeto de um medidor necessita de precisão na aquisição da energia elétrica, os conversores ADC possuem 24 bits, retirando o máximo de informação do sinal e ainda são do tipo de segunda-ordem. Este ADC é denominado ADC Σ-Δ. Já o DSP é utilizado para calcular os dados que serão necessários (potência reativa, ativa e aparente). Além disso, o canal 1 ainda possui um sensor de temperatura e também um integrador digital selecionável os quais são utilizados em conjunto para realizar uma interface com o TC do tipo di/dt. Desta forma é possível obter um sistema confiável, tendo assim a garantia de estabilidade do sinal. 38 Figura 9 – Entrada Canal 1 do ADE7753 Fonte: O Autor, 2013. Nota: Medidor ADE7753 e Contator. • Canal V2P e V2N No canal 2 é inserido um divisor resistivo, como demonstrado na Figura 10, dessa forma é possível receber a amostra de tensão da rede proporcionalmente, podendo observar alguma variação. Normalmente este divisor resistivo deverá apontar a proporção de 127V (definido pelo projeto do medidor monofásico). Da mesma forma que o canal1 o canal 2 possui PGAs para amplificar o sinal, conversor ADC e processador digital. Para o canal 2 o DSP também é utilizado para adquirir o período do sinal da rede elétrica. 39 Figura 10– Entradacanal 2 do ADE7753 Fonte: O Autor, 2013. Nota: Medidor ADE7753 e Contator. • Foto-acoplador Para realizar toda a calibração do sistema o ADE7753 possui uma interface serial de dados (CF), esta interface é utilizada para realizar a correção de deslocamento do canal, a calibração de fase e a calibração de energia, para dessa forma garantir uma alta precisão no sistema. Para realizar essa calibração no circuito do ADE7753, foi inserido um componente denominado foto-acoplador (PC817) como demonstrado na Figura 11. Este componente nada mais é do que um led emissor de infravermelho, acoplado a um transistor receptor de infravermelho, assim mantendo a isolação elétrica entre o medidor e um sistema de calibração externo. 40 Figura 11– Foto-acoplador PC817 Fonte: O Autor, 2013. Nota: Medidor ADE7753 e Contator. • Cruzamento de Zero O pino 12 é denominado saída de cruzamento de zero externo (ZX), sendo utilizado para realizar o sincronismo com o sinal de tensão. Este sincronismo é realizado da seguinte forma: Conforme o circuito recebe pelo canal 2 a onda senoidal equivalente à tensão de entrada da residência, o ZX realiza o sincronismo de sinal cada vez em este sinal senoidal passa pelo nível zero de tensão, como destacado na Figura 12. 41 Figura 12– Pontos de sincronismo ZX Fonte: O Autor, 2013. Nota: Senoidal 60 Hz para o ZX. No momento em que o circuito verifica que o sinal passou pela referencia de 0V, o ZX libera um pulso digital de sincronismo para o inicio da leitura dos registradores. (Devices, 2010) “Este sinal é usado internamente no ciclo de linha de energia ativa e aparente, o que permite a calibragem“. Como ilustrado na Figura 13 é possível observar que o cruzamento de zero é gerado a partir da saída LPF1. Figura 13– Ilustraçãocruzamento de zero Fonte: Analog Device, 2010. Nota: Zero-Crossing Detection on Channel 2. 42 • Alimentação Para a alimentação, o ADE7753 necessita de uma tensão de 5V de corrente continua, e ele apresentará um baixo consumo, segundo o fabricante, na casa dos 25mW de potência. O canal Digital VDD (DVDD) é a alimentação de todo o circuito digital. Além da alimentação geral do CI, também é necessário utilizar essa tensão de 5V como a referência para os sinais que são adquiridos nos canais de entrada. Desta forma é realizada a alimentação do sistema analógico pelo VDD (AVDD). • Registradores O recebimento das informações dos canais um e dois, que equivalem ao consumo residencial, são armazenadas nos registradores do ADE7753. Essas informações servem de base para a medição, e são elas que serão acessadas pelo microprocessador, e disponibilizadas ao fornecedor de energia. 3.3.3 CIRCUITO SENSOR DE CORRENTE Conforme o datasheet do componente ADE7753 é necessário um sensor de corrente capaz de fornecer um sinal de tensão o qual irá representar o fluxo de corrente que estará passando pelo medidor, ou seja, o consumo efetivo de carga. Este sensor de corrente deve ser conectado no ADE7753 nos pinos V1P e V1N, o qual não deve fornecer tensão entre os pinos superior a 500mV. Visando um baixo custo, alta precisão (0,1% de erro) e a facilidade para implementação, o transformador de corrente DCT104 do fabricante Oswell foi o escolhido para o projeto, conforme Figura 14 (Meter, 2009). Figura 14– Transformador de Corrente Fonte: Oswel, 2011. Nota: Transformador utilizado normalmente para medidores de energia elétrica. 43 Na Tabela 1 é possível verificar as principais especificações deste componente: Tabela 1 – Especificações técnicas do transformador de corrente Fonte: Oswel, 2011. Nota: Tabela retirada do site do fabricante. Conforme verificado na Tabela 10, além de sua precisão extremamente alta, sua relação de transformação é 1:2500. Deste modo, este transformador é utilizado em larga escala na indústria de manufatura de medidores de energia elétrica, devido a sua alta precisão, com qualidade para medidores classe 0,5% ou 1%. Assim, ficou definido que este componente é ideal para o desenvolvimento deste projeto, uma vez que não requer nenhum circuito de alimentação ou configuração adicional que necessite grandes custos para funcionar. Para a implementação deste transformador de corrente como sensor de corrente, é necessário descobrir o valor da resistência RL que determina a tensão nos pinos V1P-V1N do ADE7753, uma vez que será utilizada como corrente nominal 15A e máxima em 120A com tensão nominal de 127V/60Hz no medidor. Figura 15 – Fórmulas para o cálculo da carga RL do TC á á á á çã = = = á √2 á × Fonte: Sadiku, 2005. Figura 16 – Cálculos para a determinação da carga RL do TC á = 0,5 48 = 120 = 48 2500 = 10,42Ω Fonte: Sadiku, 2005. 44 Ao definir RL igual a 10,42Ω a tensão máxima que este resistor irá gerar será de 0,5V. Como por padrão do componente não é recomendado aplicar o limite máximo de tensão na entrada do CI (±0,5V), será definido então o valor de RL como sendo 10Ω. Figura 17 – Definição da tensão do TC e ganho do sinal = × = 10Ω × 48 = $480 Fonte: Sadiku, 2005. Deste modo, é apresentando acima os cálculos para a determinação da carga RL que o transformador de corrente deve ter em sua entrada para atender as condições de projeto a fim de não danificar o ADE7753. Além disso, conforme o datasheet do ADE7753, ao utilizar como sensor de corrente um transformador de corrente, é recomendável a utilização de dois filtros passa-baixa para evitar aliasing, conforme Figura 18. Figura 18 – Esquemático do sensor de corrente Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido conforme especificação do fabricante Analog Device. 45 3.3.4 CIRCUITO SENSOR DE TENSÃO Conforme o datasheet do componente ADE7753 é necessário um sensor de tensão capaz de fornecer um sinal o qual irá representar a referência do sinal de entrada proveniente da concessionária (padrão 127V). Este sensor de tensão deve ser conectado no ADE7753 nos pinos V2P e V2N, o qual não deve fornecer tensão entre os pinos superior a 500mV. Deste modo será implementado no projeto um divisor resistivo, o qual tem por finalidade reduzir o sinal de tensão da rede elétrica proporcionalmente de 127V para 0,5mV. Para a implementação deste circuito como sensor de tensão, é necessário definir os valores de cada um dos resistores (R e R) que determinará a tensão nos pinos V2P-V2N do ADE7753, uma vez que será utilizada como tensão de referência 127V e sobretensão máxima de 20%. Figura 19– Fórmulas para o cálculo do divisor resistivo Rx 3R Rx 0,5V = 150V 3R V&'( = Vin R = 100 × Rx Rx = 1kΩ R = 100kΩ Fonte: Sadiku, 2005. Figura 20 – Esquemático do sensor de tensão Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido conforme especificação do fabricante Analog Device. 46 3.3.5 PROCESSADOR ATMEGA16 Após a definição do sistema de medição, se torna necessário definir o processador que irá realizar todas as interfaces entre a residência (energia medida pelo ADE7753) e a concessionaria distribuidora de energia. Esse processador necessita possuir algumas características bem específicas como: a) Alimentação compatível com o ADE7753; b) Interface de comunicação SPI; c) Linguagem de programação C/C++; d) Baixo custo e de fácil aquisição; e) Fácil manipulação de hardware e software; Com estas especificações, é possível definir qual será o melhor processador para o medidor, neste caso a escolha foi o ATMEGA16. 3.3.5.1 Microcontrolador ATMEGA16 ”O ATMEGA16 microcontrolador de baixa potência do tipo CMOS de 8 bits baseado nos microcontroladores AVR com a melhor arquitetura RISC. Executando varias instruções em um único ciclo de clock, o ATmega16 alcança uma capacidade aproximada de 1 MIPS por MHz, permitindo ao projetista otimizar o sistema com um baixo consumo de energia em função da velocidade de processo” (Atmel, 2006). O microcontrolador ATmega16 é um microcontrolador desenvolvido pela empresa ATMEL, desenvolvido na Noruega. Este microcontrolador apresenta uma ótima eficiência de processamento e uma arquitetura voltada à programação em linguagem C, opera com alimentação de 5V contínuos. Possui memória flash programável, e custo acessível. Como o ADE7753 opera com tensão de 5V, este microcontrolador se encaixa bem na arquitetura do projeto, sendo assim dispensável a utilização de um conversor de nível para diminuir ou aplicar o nível lógico do sinal. Este microcontrolador também tem agregado algumas funcionalidades chaves para o desenvolvimento do medidor de energia elétrica como: gerador de clock independente, memória FLASH E EEPROM, interface de comunicação UART, I2C, SPI, sistema de relógio de tempo real (RTC), interface para display LCD. 47 3.3.5.2 Características construtivas do ATmega16 O microcontrolador ATmega16 definido para o projeto é um componente do tipo SMD. Este circuito integrado possui um dimensional de 10mm de comprimento, 10mm de largura e 1,2mm de altura como ilustrado na Figura 21. Figura 21 – Dimensões do ATmega16 Fonte: Atmel Corp, 206. Nota: 44-lead, 10 x 10 mm Body Size, 1.0 mm Body Thickness,0.8 mm Lead Pitch, Thin Profile Plastic Quad Flat Package (TQFP). 3.3.6 REAL TIME CLOCK Considerando a arquitetura do microcontrolador e das funcionalidades do medidor de energia, é caracterizada a necessidade de utilizar um Real Time Clock (RTC). 48 3.3.6.1 O que é RTC Segundo Alan Shaw “sistemas de tempo real são sistemas de computação que monitoram, respondem ou controlam um ambiente externo. Esse ambiente está conectado ao sistema de computação através de sensores, atuadores e outras interfaces de entrada e saída.” “O sistema de computação deve satisfazer a varias restrições, temporais e outras, impostas a ele pelo comportamento de tempo real do mundo externo com o qual faz interface. Daí vem o nome tempo real. Outro nome para muitos desses sistemas é sistemas reativos, porque seu propósito primordial é responder ou reagir a sinais provenientes de seu ambiente” (Shaw, 2001). Um sistema é dito de tempo real quando ele responde a sinais provenientes de um relógio de uma forma previsível e rápida, dessa forma podendo obter precisamente a amostragem de tempo. 3.3.6.2 Importância do RTC em um medidor Entrando hoje na era dos medidores de consumo de energia elétrica inteligentes, os sistemas smart grid, varias funcionalidades devem ser implementadas para atingir a necessidade do mercado e atuar em conjunto a concessionaria para reduzir o consumo de energia. Uma destas funções é o sistema que está às portas de ser implementado no Brasil, o sistema de tarifação de energia elétrica chamada Tarifa Branca. “As tarifas horárias possuem duas grandes funções: induzir a modulação de carga para a otimização do carregamento do sistema e atribuir aos usuários distintas responsabilidades pelo uso da rede.” (XX Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica, 2012). A tarifação Branca funcionará da seguinte forma: Haverá três diferentes patamares para a tarifação de energia, conforme o horário de consumo. Nos dias uteis (de segunda a sexta) será empregada uma tarifa mais baixa durante boa parte do dia, mas no horário denominado horário de pico, no inicio da noite, a tarifa se tornará mais cara. Ainda haverá uma terceira variação, a qual será entre estes dois periodos (de pico e de menor consumo). Já nos sábados, domigos e feriados a tarifa mais barata será empregada em todo o dia (Agência Nacional de Energia Elétrica, 2012). Dessa forma o medidor necessariamente terá que possuir um relogio interno, o qual será utilizado para definir em qual horário o cliente está consumindo energia e dessa forma gerar o calculo de consumo proporcional a tarifa branca. 49 3.3.7 MEMÓRIA As memórias são circuitos integrados extremamente importantes nos projetos eletrônicos digitais em geral devido ao armazenamento temporário ou permanente de programas e dados, onde que os dados entende-se por 0 ou 1 (Sedra, 2007). Basicamente existem dois tipos de memórias: voláteis e não-voláteis. As memórias voláteis perdem as informações nelas armazenadas quando ocorre a interrupção da energia elétrica. Já as memórias não-voláteis mentêm as informações nelas armazenadas mesmo com a queda da energia elétrica. Além disso, as memórias não-voláteis podem ser dos seguintes tipos: • ROM: gravado na fábrica apenas uma única vez; • PROM: gravado pelo usuário apenas uma única vez; • EPROM: gravado pelo usuário diversas vezes, utilizando raios ultravioletas para apagar os dados nela contido; • EEPROM: gravado pelo usuário diversas vezes, necessitando de apenas uma correta alimentação do componente. Desta maneira, neste projeto será utilizado uma memória não-volátil EEPROM para o armazenamento dos dados de consumo da unidade consumidora. 3.3.8 COMUNICAÇÃO SERIAL USB Para comunicação externa, o medidor utilizará como interface de comunicação UART USB SERIAL. Através deste dispositivo será possível obter do medidor todos os parâmetros de medição, além de horário, faixa de tarifação e entre aos demais recursos que o medidor pode fornecer. Este opcional é muito importante, uma vez que ao ocorrer, por exemplo, a falha do display, é possível verificar o consumo realizado em um determinado mês pela unidade consumidora, neste caso, uma residência, não sendo perdido o registro de consumo. No Apêndice I é possível verificar o esquemático do circuito de comunicação serial, o qual utiliza o componente FT232R - USB UART, que é uma interface USB para UART de série com a saída do gerador de relógio opcional IC, disponível no modo de interface para bits síncronos e assíncronos. 50 3.3.9 MÓDULO CONTATOR E TRANSFORMADOR DE CORRENTE 3.3.9.1 Circuito Corte e Religa Seguindo as novas tendências das redes inteligentes, as quais definem as características que os medidores deverão ter, será mostrado o conceito de corte e religamento remoto. Esta ação é necessária quando é detectada a falta de pagamento de uma fatura ou uma possível alerta de intervenção não autorizada (fraude) e até mesmo qualquer outra atividade que necessite conectar/desconectar o usuário da rede elétrica. Assim, não é mais necessário o deslocamento de um colaborador até a residência, trazendo enormes vantagens para a concessionária de energia elétrica. Deste modo, o Contator tem um papel extremamente importante no medidor. Este dispositivo eletromecânico é destinado a estabelecer ou interromper frequentemente um circuito qualquer, neste caso, a rede elétrica de uma determinada residência de corrente máxima de 100A. Internamente neste componente existe uma bobina, onde que ao passar uma determinada corrente elétrica, é criado um campo magnético no seu núcleo que atrai um contato elétrico. Deste modo é possível ligar ou desligar um circuito externo. Deste modo, o contator escolhido para o projeto que atenda estas características foi o 722 DR biestável do fabricante Gruner, conforme Figura 22. Figura 22 – Contator bi-estável Fonte: Gruner, 2011. Nota: Catálogo do fabricante Gruner. 51 Seu funcionamento é descrito da seguinte forma: Ao injetar um pulso de 12V no terminal ON, o mesmo fecha contato e libera a passagem do fluxo de corrente. Ao injetar um pulso de 12V no terminal OFF, é aberto o contato, não sendo possível a passagem da corrente elétrica para a residência. O terminal do meio (COM) é o comum, utilizado para ambos os pinos. Deste modo, a vantagem de se utilizar este tipo de contator está na economia de energia, uma vez que é necessário apenas um pulso de curta duração para a abertura ou fechamento do contator, ao contrário de um contator convencional, o qual é necessário a constante alimentação no terminal do componente para que se permaneça no estado de “fechado”, implicando no aumento do consumo de energia elétrica. O microcontrolador será o responsável pelo comando de abertura ou fechamento do contator, porém, este componente fornece uma tensão máxima de 5V. Deste modo, não é possível acionar o contator diretamente pelo microcontrolador. Deste modo, foi desenvolvido o circuito da Figura 23 para que fosse possível o acionamento do contator com um pulso de 5V do microcontrolador: Figura 23 – Circuito para acionamento do contator via microcontrolador Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito necessário para corte e religamento da residência. 52 Com o circuito acima, é possível acionar o contator através de um sinal de 5V do microcontrolador, sendo que ao injetar este sinal no pino LIGA, é fechado um curto entre os pinos ON e o plano terra AGND através transistor Mosfet Q1. Assim, é fechado um circuito e descarregada a carga do capacitor de C15 (1000µF) sobre o pino Comum, acionado o contator. Da mesma forma, é feito para o pino desliga. 3.3.9.2 Ligação de um medidor - Fonte e Carga Em um medidor de energia elétrica existem os dois conceitos: a Fonte e a Carga. Basicamente a fonte é a rede elétrica padrão do país, no caso do Brasil, 127V/60Hz. Deste modo, é conectado na entrada do medidor a fase e o neutro (monofásico no caso do projeto desenvolvido) e na saída é conecta a fiação que vai normalmente para o quadro de distribuição geral da residência, conforme exemplificado na Figura 24 abaixo: Figura 24 – Diagrama do posicionamento do medidor na rede elétrica Fonte: O Autor, 2013. Nota: Diagrama representativo da ligação elétrica do medidor. Conforme a norma NBR 14519:2011, o tipo de ligação do medidor projetado é DIRETO, ou seja, em um mesmo barramento estão são derivadas a tensão e a corrente para o circuito de medição eletrônico. “Medidor para ligação direta: medidor de energia elétrica destinado a ser ligado diretamente ao circuito a ser medido. 53 Medidor para ligação indireta: medidor de energia elétrica destinado a ser ligado ao circuito a ser medido através de transformadores para instrumentos” (ABNT, 2006). Deste modo, o medidor deverá estar ligado em série na rede elétrica, sendo que ao passar o fluxo de corrente pelo barramento, ele deve ser capaz de captar esta corrente, processar, salvar e mostrar para o cliente o consumo realizado. 3.3.9.3 Módulo: Contator, Transformador de Corrente, Fonte e Carga Compreendido os blocos do contator, do sensor de corrente, da fonte e da carga, é apresentado o protótipo do módulo completo, acoplado em uma base mecânica, conforme Figura 25 abaixo: Figura 25 – Módulo contator/transformador desenvolvido Fonte: O Autor, 2013. Nota: Protótipo desenvolvido para acoplar o contator, o TC e conexão da Fonte e Carga. Na Figura 26 é possível ver os detalhamentos do módulo contator, sensor de corrente e entrada/saída de fase e neutro. 54 Figura 26 – Detalhamento das partes do módulo contator e sensor de corrente Fonte: O Autor, 2013. Nota: Este módulo representa protótipo. Tabela 2 – Informações básicas do módulo de medição e corte/religa Descrição Item Entrada da fase da rede elétrica (fonte) 1 Entrada e saída do neutro da rede elétrica 2 Saída da fase para a residência (carga) 3 Conector para alimentação da placa e amostragem de corrente 4 Transformador de corrente 5 Contator biestável 6 Conexão entre o barramento de saída do contator e loop da fase da residência 7 Conexão entre o barramento de entrada do contator e loop da residência 8 Cablagem para o acionamento do contator (on, off e comum) 9 Conector para a fonte de alimentação contínua de tensão (DC) 10 Loop de neutro do medidor para a residência 11 Loop de fase do medidor para a residência 12 Fonte: O Autor, 2013. 55 3.4 DESCRIÇÃO GERAL DO HARDWARE DESENVOLVIDO Este tópico tem por objetivo descrever o hardware desenvolvido, sendo demostrado a descrição básica dos circuitos, bem como a sua localização na PCB. Figura 27 – Layout geral da PCB desenvolvida para o projeto Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. 56 3.4.1 Circuito Fonte de Alimentação Figura 28 – Circuito Fonte de Alimentação na PCB Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. Este circuito é alimentado por uma tensão alternada proveniente da rede elétrica (127VAC) através dos bornes “FASE” e “NEUTRO”, os quais estão devidamente separados para que em caso de uma sobrecarga de curta duração não seja gerado arcos elétricos que podem vir danificar o circuito eletrônico. Em sua saída, é fornecida uma tensão contínua de 12V para o circuito do Contator (alimentação capacitor C15) e 5V para alimentação dos demais circuitos do projeto. Todos os detalhes de conexão deste circuito podem ser observados no Apêndice A deste documento. 57 3.4.2 Circuito de Aquisição de Amostragem de Corrente e Tensão Figura 29 – Circuito Aquisição de Amostragem de Tensão e Corrente na PCB Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. Estes dois circuitos são responsáveis pela obtenção da amostragem referente à tensão da rede elétrica e da corrente que circula pelo medidor, sendo utilizados estes dois sinais de amplitude máxima de ±0,5VAC no circuito de medição, descrito no próximo tópico. No primeiro circuito (Amostragem de Corrente) é gerado pelo transformador de corrente (TC) uma corrente extremamente baixa (relação do TC 1:2500) proporcional a corrente que está percorrendo o loop principal do medidor (máxima de 120A). Deste modo, é utilizado um resistor shunt de 10Ω para que a queda de tensão máxima no componente seja de ±0,5VAC ao ser aplicada uma corrente máxima de 120A. Já no segundo circuito (Amostragem de Tensão), é apresentando um divisor resistivo formado por quatro resistores em série devidamente enfileirados para que em caso de uma sobrecarga de curta duração não sejam gerados pequenos arcos elétricos que podem vir danificar o circuito eletrônico. 58 Foram utilizados três resistores de 100KΩ em vez de apenas um resistor de 300KΩ devido a potência ser baixa deste componentes SMD (na ordem de 1/4W). Todos os detalhes de conexão deste circuito podem ser observados no Apêndice C deste documento. 3.4.3 Circuito de Medição Figura 30 – Circuito de Medição na PCB Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. Este circuito é composto por um circuito integrado, conhecido como ADE7753, o qual é dedicado exclusivamente para a medição do consumo de energia elétrica, possuindo internamente um conversor analógico Digital (ADC) e um processador de sinal digital (DSP), para realizar a tratativa dos dados recebidos do TC e Divisor Resistivo através do ADC. Também possui Amplificadores de Ganho Programável (PGA) para quando a amplitude máxima do sinal amostrado for inferior ±0,5VAC. Este sinal que o componente deve receber é gerado através dos sensores de corrente e tensão descrito no tópico acima. 59 Este circuito também é composto por capacitores na ordem de 33nF responsáveis por gerar filtros passa-baixa para evitar aliasing do sinal amostrado da rede elétrica. Todos os detalhes de conexão deste circuito podem ser observados no Apêndice C deste documento. 3.4.4 Circuito de Comunicação Serial USB Figura 31 – Circuito de Comunicação Serial na PCB Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. Este circuito é responsável pela comunicação serial entre o medidor e um computador, com o objetivo de obter todas as informações geradas durante a medição da energia, tarifação, datas e horários (RTC), alarmes, tensão e corrente e todos os demais recursos que o medidor pode oferecer. Sua conexão é USB e é utilizados o componente FT232RL e sua interface de comunicação UART. Conta também com indicadores de comunicação (TX e RX) através de Led’s vermelho e verde. 60 Todos os detalhes de conexão deste circuito podem ser observados no Apêndice I deste documento. 3.4.5 Circuito do Display LCD Figura 32 – Circuito do Display LCD na PCB Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. Este circuito é responsável pela indicação das informações presentes do medidor, como a quantidade de energia consumida, data e horário (RTC), faixa de tarifação, indicação da tensão e corrente instantânea do medidor e entre outras diversas funcionalidades que o medidor pode apresentar. Está incluído neste circuito um potenciômetro analógico responsável pelo ajuste do contraste do display LCD. Todos os detalhes de conexão deste circuito podem ser observados no Apêndice L deste documento. 61 3.4.6 Circuito dos Led’s de energia Ativa, Reativa e Power Figura 33 – Circuito dos Led’s de energia Ativa, Reativa e Power na PCB Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. Estes componentes são responsáveis por indicar se o medidor está ligado, através do Led “POWER”, indicar a quantidade de watt-hora consumido pelo medidor. Conforme adotado, estes led’s devem pulsar toda vez que o medidor registrar 1 (um) Watt-hora de consumo, permanecendo ligado pelo período de 150ms. Assim, no processo produtivo, no momento do ajuste do medidor, será utilizada esta indicação para se conhecer o erro percentual do medidor e ajustar este erro para o máximo possível de 0% e após este ajuste, o medidor não deve ultrapassar os limites inferiores e superiores da classe do medidor (1%). Todos os detalhes de conexão deste circuito podem ser observados no Apêndice L deste documento. 62 3.4.7 Circuito Microcontrolador Figura 34 – Circuito do Microcontrolador na PCB Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. Neste circuito está concentrado um dos principais componentes do projeto: Microcontrolador Atmega16. É através deste componente que é feito todo o gerenciamento das informações geradas pelos circuitos periféricos, como o circuito de medição, RTC, memória, comunicação serial, display e todos os demais circuitos que compõem o projeto. Este circuito é composto de capacitores que realizam a linearização do sinal de alimentação, um cristal de 16 MHz para a geração de pulsos síncronos (clock) e um conector (JP2) para a gravação do firmware. Já em seus pad’s são conectados as entradas e saídas de dados gerados pelos circuitos do projeto. Todos os detalhes de conexão deste circuito podem ser observados no Apêndice E deste documento. 63 3.4.8 Circuito Memória e RTC Figura 35 – Circuito de Memória e RTC na PCB Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. Neste circuito estão concentrados também dois importantes componentes do projeto: Memória (U6) e RTC (U3). No primeiro circuito é apresentando a memória EEPROM 128K, a qual tem por finalidade armazenar todas as informações de consumo do medidor, devendo gravar em diferentes registros as diferentes faixas de tarifação (Branca, Amarela e Vermelha). Já no segundo circuito é apresentando o relógio de tempo real (RTC), o qual fornece ao microcontrolador a data e horário real. Este circuito também é composto por um cristal de 32,768 KHz para a geração de pulsos síncronos (clock) e uma bateria de 3V para que em uma eventual falha de energia, a data e hora não seja desconfigurada. Todos os detalhes de conexão destes circuitos podem ser observados no Apêndice G deste documento. 64 3.4.9 Circuito Contator Figura 36 – Circuito Contator na PCB Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. Este circuito é responsável pelo acionamento dos contatos de abertura e fechamento do relé biestável (contator) através de um pulso enviado pelo microcontrolador. Para o acionamento do contator, é utilizada uma carga gerada por um capacitor de 1000µF, o qual deve ser alimentado por uma tensão contínua de 12V gerada pela fonte de alimentação. Todos os detalhes de conexão deste circuito podem ser observados no Apêndice L deste documento. 65 3.4.10 Circuito Acionamento Externo Figura 37– Circuito de Acionamento Externo na PCB Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. Neste circuito estão concentradas três chaves micro-switch que podem ser acionadas externamente: ANTI-FRAUDE, RESET e RESET-MEMÓRIA. A primeira chave (ANTI-FRAUDE) é responsável pela indicação que o medidor foi aberto (fraudado), onde que ao inserir a tampa principal do medidor, esta chave é pressionada e qualquer tentativa de abertura do medidor, a mesma é deixa de ficar acionada (nível lógico 0), alertando o microcontrolador através de uma função de interrupção. O microcontrolador por sua vez, ao receber o sinal de fraude, envia um pulso ao contator, abrindo-se o contato e desligando a residência da rede elétrica. A segunda chave (RESET) tem por objetivo reiniciar o programa que está sendo executado, além de ser utilizada para acessar outras funções, como desbloqueio da fraude. Já a terceira chave (RESET-MEMÓRIA) foi incluída para facilitação do ajuste do firmware do protótipo desenvolvido, com o objetivo de zerar o consumo de 66 energia armazenado na memória do medidor, facilitando a execução dos diversos ensaios realizados durante o desenvolvimento do projeto. Esta chave não necessariamente necessita ser incluída no produto final. Todos os detalhes de conexão deste circuito podem ser observados no Apêndice L deste documento. 3.4.11 Circuito Porta Ótica Figura 38– Circuito da Porta Ótica na PCB Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. Este circuito é responsável pela comunicação ótica entre o medidor e o computador, com o objetivo de se obter todas as informações geradas durante a medição da energia, tarifação, datas e horários (RTC), alarmes, tensão e corrente e todos os demais recursos que o medidor pode oferecer. Sua conexão é realizada através de um foto-emissor (TX) posicionado no cabo de comunicação serial do computador, o qual realiza o envio de solicitações ou/e informações diretamente ao foto-receptor (RX) da placa eletrônica do medidor. 67 Desta forma, o medidor recebendo estas solicitações ou/e informações, realiza o processamento e aquisição dos dados e envia novamente ao computador as respostas através de um foto-emissor (TX) conectado a placa eletrônica, sendo recebidas pelo computador através de um foto-receptor (RX), estabelecendo-se assim, a comunicação entre os dispositivos envolvidos. Todos os detalhes de conexão deste circuito podem ser observados no Apêndice L deste documento. 3.5 DESENVOLVIMENTO DO FIRMWARE DO MEDIDOR Visando o bom funcionamento de todos os hardwares envolvidos no medidor de energia elétrica, se torna necessário desenvolver um sistema para o ATMEGA16 de forma que seja possível realizar a aquisição de todos os dados provenientes da rede elétrica, processamento de forma precisa e operações necessárias nos instantes corretos. O firmware foi dividido nos seguintes itens: 1) Interfaces entre periféricos: • Comunicação SPI; • Comunicação Serial UART; • Comunicação I2C. 2) Processamento de dados: • Antifraude; • Data e hora; • Medição de Energia Acumulada; • Medição de Tensão e Corrente; • Bandeiras de Consumo; • Exatidão de consumo; 3.5.1 Comunicação SPI A comunicação denominada Serial Peripheral Interface (SPI) é responsável pela interface entre periféricos de comunicação síncrona e serial utilizando o método Mestre e Escravo (Master/Slave) isso significa que toda a comunicação será gerida 68 por um único periférico (Master), normalmente utilizado um microcontrolador, e os demais periféricos envolvidos (Slaves) responderão ao mestre, ou seja, toda a interface deverá seguir uma ordem onde o mestre solicita a ação e o escravo executa. Para esta comunicação, é necessária a utilização de quatro sinais distintos, sendo eles: • SCLK - Clock Serial gerado pelo microcontrolador; • MISO - Master-in Slave-out Data; • MOSI - Master-out Slave-in Data; • CS - Chip Select. SCLK é utilizado para garantir o sinal síncrono de clock para a comunicação e é gerado pelo mestre. O MISO envia dados do periférico escravo para o mestre já o MOSI envia os dados do mestre ao escravo. O sinal CS permite que o mestre inicie e finalize a comunicação com os escravos envolvidos. A utilização desta interface é necessária, pois é a forma de comunicação com o chip medidor de energia ADE7753. São necessárias duas operações distintas para o bom funcionamento do ADE7743, operação de leitura e operação de escrita. Figura 39 – Interface Serial ADE7753 Fonte: Analog Device, 2010. Nota: Test Circuit for Performance Curves with Integrator On. 69 Inicialmente o mestre deverá habilitar a comunicação pelo pino CS, após informar se a operação será de leitura (00) ou escrita (01), em seguida o endereço do registrador que será acessado. Caso seja uma operação de leitura, após isso o escravo retornará o valor do registrador selecionado, mas se for uma operação de escrita, o mestre deverá enviar a palavra de escrita para o escravo. Utilizando um exemplo do ADE7753, deseja-se realizar a leitura de tensão RMS da rede elétrica. Primeiramente, é necessário definir o endereço do registrador, utilizando o datasheet do ADE7753. De acordo com o datasheet em hexadecimal o endereço do registrador é 0x17. Figura 40– Registrador de tensão RMS Fonte: Analog Device, 2010. Nota: Test Circuit for Performance Curves with Integrator On. Desta forma é possível definir a forma de onde que deverá ser enviada pelo mestre para o ADE7753, lembrando que o sinal inteiro é composto de palavras de 8bits. O sinal deverá ser escrito da seguinte forma: Leitura + endereço + clock para retorno do escravo (lembrando que o retorno do escravo será 24bits). 70 Figura 41 – Exemplo de comunicação com ADE7753 Fonte: O Autor, 2013. Nota: Simulação de solicitação de leitura registrador VRMS. Desta forma o ADE7753 retornará um valor hexadecimal o qual o microcontrolador deverá interpretar, fornecendo o valor referente em decimal, proporcional a medição. 3.5.2 Comunicação UART A comunicação serial denominada UART (universal Asynchronous Receiver/Transmitter) é a forma de interface mais comum em circuitos de comunicação serial (Baldassin, 2013). É chamado de universal devido ao formato do dado e velocidade poder ser ajustado conforme a necessidade da aplicação ou do sistema em que irá receber as informações. Para a interface UART, existem dois métodos padrões os quais baseiam em UART, RS-232 e RS-422. Essa comunicação é assíncrona, ou seja, comandos devem ser passados para sincronizar a comunicação, geralmente é utilizado um bit de Start antes dos bits que compõem a palavra e após o termino do envio um bit de stop, normalmente também é utilizado um bit denominado de paridade para checar possíveis erros na transmissão. 71 É possível entender a forma de comunicação UART, imaginando o seguinte cenário, supondo uma necessidade de transmissão de dados de um computador para outro, os dados são recebidos pela UART do computador 1, o sistema transforma a palavra paralela em uma sequencia de bits e envia um em cada vez, a UART do segundo computador recebe os bits e os agrupa novamente em forma de palavras. A comunicação UART se aplicará no projeto de uma forma de gerar uma interface entre o medidor e um computador qualquer, para assim facilitar na forma de visualização dos dados provenientes do ADE7753 e ajudar na calibração do medidor. Sendo assim é necessária a utilização de um software que possa gerir a comunicação UART e interpretar os dados emitidos pelo ATMEGA16 os apresentando na tela do computador. Para isso foi definido como base o programa denominado Hercules por se tratar de um software gratuito capaz de realizar as operações necessárias para o projeto. Figura 42 – Programa Hercules Fonte: O Autor, 2013. Nota: Tela de utilização do Hercules. 72 O firmware do medidor de energia envia as informações de energia, data e hora, bandeira de tarifação, tensão e corrente e consumo em um período de um segundo, estas informações poderão ser observadas utilizando um notebook, por exemplo, conectado no medidor por um cabo USB. 3.5.3 Comunicação I2C "O protocolo I2C é um protocolo para comunicação serial com diversos periféricos, destinado a aplicações de baixo custo e transferência de dados de volume mediano. Ele possui a característica de permitir o envio de mensagens broadcast (para todos os periféricos). Além disso, diversos microcontroladores possuem o protocolo I2C implementados" (Bezerra, 2004). Este método de comunicação foi desenvolvido em 1996 e atualmente ele é amplamente utilizado em dispositivos eletrônicos, como por exemplo, em microcontroladores e microprocessadores ligados em barramentos, drivers LCD, portas de Input e Output, memórias voláteis (RAM) e memórias não voláteis (EPPROM) e conversores de dados. Isto foi possível, pois o conceito do I2C é a criação de um barramento de "2 fios" para a redução da complexidade de circuitos e otimização da produção, denominado Inter-Integrated Circuito (I2C) ou seja "barramento de interconexão de circuitos integrados, que constituem uma interface simples, prática e padronizada" (Aplicações do protocolo I²C em sistemas microcontrolados, 2012). As principais vantagens de uma comunicação I2C são: Poder utilizar vários hardwares ligados em um mesmo barramento de comunicação, pois é possível a definição de endereçamento de acesso via software, possibilidade de inclusa e exclusão de componentes no barramento sem afetar outros dispositivos conectados, desenvolvimento de firmware simplificado, facilidade no desenvolvimento de circuitos impressos, baixo consumo de corrente e uma baixa propensão á ruídos. O Barramento I2C consiste fisicamente em dois trechos de circuitos, ou seja, duas vias, sendo a primeira via onde será emitido um sinal de CLOCK chamado neste caso de SCL (serial Clock Line), já a segunda linha é a responsável pela comunicação bidirecional de dados denominada SDA (Serial Data Line). Neste 73 método de interface, o sistema que inicia a comunicação é denominado mestre, e os demais componentes seus escravos. Sendo assim, o Clock sempre deverá ser gerado pelo mestre e a troca de informação torna-se serial. Estas informações são compostas de dados, endereços e comandos. Sendo assim o mestre poderá realizar comandos de leitura ou de escrita nos demais periféricos acoplados no barramento. Figura 43 – Exemplo de barramento I2C Fonte: Silva, Ítallo Santos Lima e, 2012. Nota: Diagrama ilustrando um barramento I2C Para o medidor de energia elétrica, esta interface se torna necessária devido à utilização de um relógio de tempo real (RTC) e memória EPPROM, os quais são compatíveis com esta forma de comunicação. É necessária a criação de um barramento, no hardware, conectando o RTC e a memória junto com o ATMEGA16. A forma de como é tratada as solicitações de dados é similar ao adotado na interface SPI. Utilizando um exemplo para melhor entender o sistema, supondo que o ATMEGA16 necessite ler um dado do RTC (registrador de minutos, por exemplo) e em seguida escreve o dado na memória EPPROM. Primeiramente é necessário conhecer o endereço de cada um dos componentes. De acordo com o datasheet do RCT seu endereço é 1101000, já para a memória é 1010A2A1A01 como é apenas um chip de memória A2 = A1 = A0 = 1. 74 Para a comunicação com o RTC deverá então seguir a sequencia: /0 0 + Endereço + leitura ou escrita + registrador + leitura do dado RTC Figura 44 – Modo de comunicação com RTC Fonte: Maxim Integrated, 2008. Figura 45 – Exemplo de comunicação com RTC Fonte: O Autor, 2013. Nota: Simulação de solicitação de leitura registrador minutos. Para a comunicação com a memória deverá então seguir a sequencia: Start + Endereço + leitura ou escrita + endereço da memória (16bits) + Start + endereço + dados a serem escritos 75 Figura 46 – Modo de comunicação com RTC Fonte: Microchip, 2004. Nota: Data Write—Slave Receiver Mode Figura 47 – Exemplo de comunicação com EPPROM Fonte: O Autor, 2013. Nota: Simulação de solicitação de escrita na memória. Desta forma todos os dados do RTC e memória podem ser acessados, e quando necessário, realizar a escrita em cada registrador. 76 3.5.4 Inicialização do Firmware Visando realizar a medição de energia o sistema de medição possui um software dividido em três arquivos bases, sendo eles: 1. Datatypes.h - Arquivo onde estão contidas todas as constantes do medidor, bem como endereços de memórias, referências de registradores entre outros. Este arquivo é utilizado para comunicar com todas as variáveis de acordo com o microcontrolador utilizado, facilitando a migração do sistema para diversas plataformas. 2. Hal.c - Arquivo composto de todas as funções, operações matemáticas e interfaces de comunicação; 3. Main.c - Firmware propriamente dito, gerencia de todo o sistema; Figura 48 – Firmware do projeto Fonte: O Autor, 2013. Esta metodologia de projeto foi adotada visando utilizar os conhecimentos adquiridos em sistemas embarcados com a intensão de facilitar, se necessário, a migração de um microcontrolador para outro. Esta forma foi adotada no inicio de projeto, pois não havia muita visibilidade de como componentes, por exemplo, o 77 ADE7753 se comportaria perante as solicitações do microcontrolador ATMEGA16, desta forma se tornando mais fácil a alteração do hardware. Tendo uma sequência cronológica é possível entender facilmente o funcionamento do firmware do medidor, para a criação do sistema, foram utilizadas ferramenta de confecção de fluxogramas (Microsoft Visio), os quais serão apresentados no decorrer deste assunto. Inicialmente ao entrar em estado de trabalho o programa entrará em operação executando as funções de inicialização, as quais têm por objetivo estabelecer os parâmetros necessários para o bom funcionamento do medidor, definindo as interfaces de comunicações (SPI, I2C, UART), logo após a inicialização, o sistema criará dois pontos de interrupção, para monitoramento do botão antifraude, e para o0 pulso de calibração (indicado por um diodo emissor de luz). Na sequência são enviados parâmetros para o ADE7753, eles são utilizados para calibrar os registradores necessários para realizar a medição de energia, por exemplo, e também desabilitar registradores que não serão implementados. Por ultimo é inicializado o relógio de tempo real. Isso pode ser observado na Figura 49. Figura 49 – Fluxograma inicializações Fonte: O Autor, 2013. 78 3.5.5 Antifraude Um ponto importante no sistema é a atuação do sistema denominado Antifraude, o qual tem por objetivo tentar inibir intervenções não autorizadas no equipamento de medição, desta forma há uma interrupção que é executada se o medidor for aberto. Esta operação consiste em uma interrupção, que ao ser ativado pela chave antifraude, grava em um ponto da memória EPPROM, uma constante que será interpretada como medidor fraudado, após isso é descrito na tela "Medidor Fraudado" e o contator de corte-religa é acionado, fazendo com que a casa seja desacoplada da rede elétrica. Por ultimo o medidor entrará um estado de bloqueio, impossibilitando que o usuário continue utilizando os serviços da concessionária, de acordo com a Figura 50. Para que este mecanismo funcione de acordo, logo após a inicialização do sistema, ele fará uma leitura da memória, caso seja observada que o medidor encontra-se em estado de "Medidor Fraudado" novamente será emitido à mensagem de fraude no display e o contator não será rearmado. Caso contrário, o sistema desconsiderará esta operação ligando o contator e inserindo a casa junto à rede elétrica. Figura 50 – Fluxograma Anti-fraude Fonte: O Autor, 2013. 79 3.5.6 Data e hora Já a operação inicial de data e hora é utilizada para verificar o horário em que o medidor se encontra. Para isso o ATMEGA16 fará uma solicitação através da interface I2C ao RTC com a intenção de saber qual é o horário atual do medidor, desta forma podendo indicar qual é a bandeira de consumo do medidor. De acordo com a bandeira em que o medidor se encontrar, um endereço de memória será acessado, nesta memória estará o consumo até o momento na bandeira determinada. Esta lógica está apresentada na Figura 51. Figura 51 – Fluxograma Verifica Hora Fonte: O Autor, 2013. 3.5.7 Medição de Energia Acumulada A primeira condição que será demonstrada no display será a energia consumida nas três bandeiras, desta forma, o ATMEGA16 fará a leitura dos três endereços da memória onde se encontram os valores de energia, estes valores serão somados. 80 Na sequência o medidor entrará em uma função em que ficará durante um período de tempo mostrando os valores de energia consumidas naquele instante, para isso o ATMEGA16 realizara a leitura do registrador AENERGY do ADE7753 utilizando a interface SPI, descrita anteriormente, o chip de medição retornará um valor inteiro de 24bits. O microcontrolador realizará uma operação matemática para interpretar o valor proveniente do ADE7753 e gerar no display o valor compatível ao consumo de energia (Figura 52). Figura 52 – Fluxograma Calculo energia acumulada Fonte: O Autor, 2013. Após a execução desta função, novamente o ATMEGA16 fara a verificação da hora, com a intenção de verificar se a o horário mudou para a próxima bandeira, caso tenha ocorrido à troca de bandeira, o ultimo valor lido referente à bandeira anterior, será gravado no seu respectivo endereço de memória como demonstrado na Figura 53. Esta função se repetirá ao longo de todo o firmware. 81 Figura 53 – Fluxograma Verifica troca de horário Fonte: O Autor, 2013. 3.5.8 Medição de Tensão e Corrente A próxima função a apresentar valores ao usuário será a medição de tensão e corrente, para isso o ATMEGA16 efetuará a leitura sequencial de dois registradores do ADE7753, sendo eles VRMS e IRMS. As informações provenientes do transformador de corrente e do divisor resistivo são armazenada instante após instante nestes registradores, ou seja, realizar a leitura destas variáveis trará os valores de tensão da rede elétrica e da corrente de demanda da residência. Mesma forma que a energia, há uma função que mantem o ATMEGA16 monitorando estes valores de tensão e corrente, logo após a aquisição destes dados, através de operações matemáticas, são transformados estes valores (provenientes do ADE7753) em valores correspondentes a tensão e corrente da rede elétrica como demonstrado na Figura 54. 82 Figura 54 – Fluxograma de tensão e corrente Fonte: O Autor, 2013. 3.5.9 Bandeiras de Consumo Tendo sido demonstrado os valores de energia acumulada, tensão e corrente, é necessário neste momento apresentar ao usuário o consumo de energia em cada bandeira, desta forma o firmware verificará qual é o horário neste instante e logo após realizará a aquisição de energia do ADE7753, sendo lida a sequência na memória referente a faixa de horário atual. Através de equações matemáticas é calculado o consumo para aquela bandeira e demonstrado no display. Logo após é novamente verificado se houve a troca de bandeira, se sim, o ultimo valor de energia é gravado na memória. 83 Figura 55 – Fluxogama consumo de bandeiras Fonte: O Autor, 2013. 3.5.10 Exatidão de consumo Para aferir a Exatidão do medidor de energia elétrica é utilizada uma função de interrupção, esta função tem por objetivo executar a leitura do consumo de energia registrado pelo ADE7753 a cada período de tempo, o objetivo é determinar o momento, com a maior precisão possível, em que há o incremento de 1kWh. Desta forma cada vez que houver este incremento, um diodo emissor de luz (LED) irá piscar, gerando um pulso para a aferição. 84 Inicialmente é necessário definir a frequência em que o sistema entrará na interrupção, pelas características estipuladas no inicio do projeto, sabe-se que os limites do medidor são de cerca de 127V e 120A, desta forma é possível determinar a energia consumida em uma hora. Figura 56 – Calculo do periodo de interrupção G =H 0 ×0 = I × × ∆0 = 127 × 120 × 1ℎ = 15.240NOℎ 15,240 × 103 Oℎ 1Oℎ 0 = 60 × 60 çã = 0,236 ≅ 200 Fonte: O Autor, 2013. Assim é possível gerar a interrupção, a qual será executada a cada 200ms. Ao ser acionada a interrupção, a função comparará a ultima informação adquirida de energia do ADE7753 com o valor atual, verificando se o valor medido é maior ou igual a 1kWh, caso seja, o LED é acionado, caso contrario não irá acontecer nada. Este valor de 1kWh, na verdade, é um numero inteiro de 24bit, o qual se tornou uma constante de calibração do medidor, sendo que ao variar este valor, é possível alterar o erro do medidor, facilitando sua calibração. 3.6 ENSAIOS PARA VALIDAÇÃO DO MEDIDOR 3.6.1 Exatidão do Medidor O medidor será colocado em uma bancada de ajuste e algumas faixas de corrente. Na sequencia será lida à quantidade de pulsos que o medidor estará enviando para o led de indicação de energia ativa com uma corrente especifica sendo aplicada no medidor. Após o termino da contagem dos pulsos lidos pelo sensor de captação, será calculado o erro do medidor, comparando-se a quantidade de pulsos ele deveria ter detectado e a quantidade de pulsos recebida, determinando-se assim o erro percentual do medidor. 85 Resultado Esperado: O medidor será aprovado se o erro percentual permanecer dentro da faixa especificada de 2%, conforme é aplicado atualmente no mercado nacional de medição. 3.6.2 Ensaio de Tarifações Com o intuito de verificar o correto funcionamento das novas tarifações, serão simulados diversos horários no medidor e verificados ao aplicar uma corrente se o mesmo irá registrar o consumo conforme aquele horário. Por exemplo, caso seja simulado o horário do medidor entre as 18 e 21 horas, o medidor deverá mostrar no display e salvar na memória a quantidade de energia registrada naquele horário, para que a concessionário possa estar cobrando a partir de 2014 do consumidor uma taxa por ter consumido a energia naquele determinado horário. Também será ajustado o horário do medidor e aplicado uma determinada corrente, devendo o mesmo ficar ligado durante um período de tempo (48 horas, por exemplo) e ao final deste período, será avaliado se os registros das tarifações foram salvos corretamente na memória e se a somatória dos registros for igual ao registo do consumo total (sem tarifações), como é feito atualmente pelas concessionárias. Resultado Esperado: O medidor será aprovado se os registros das diversas tarifações forem iguais ao registro total (sem tarifações). Para validação efetiva, o professor orientador ou qualquer outro membro devidamente designado pela banca poderá acompanhar o ensaio. 3.6.3 Comunicação Serial USB Como intuito de verificar o correto funcionamento da comunicação serial USB, serão realizadas diversas leituras dos parâmetros detectados pelo medidor, como tensão, corrente, energia durante um determinado período (24 horas, por exemplo) e verificado se os valores de resposta são condizentes com os valores apresentados no display do medidor. Resultado Esperado: O medidor será APROVADO se os registros lidos via Comunicação Serial USB forem condizentes com os valores apresentados no display do medidor. Para validação efetiva, o professor orientador ou qualquer outro membro devidamente designado pela banca poderá acompanhar o ensaio. 86 3.6.4 Ensaio de funcionamento do Contator Será simulado no microcontrolador o envio de um comando de corte ou religamento da unidade consumidora da rede elétrica por um determinado período (24 horas, por exemplo) e verificado se o contator irá responder conforme programado. Resultado Esperado: O medidor será APROVADO se o contator for alterado do estado fechado para o estado de aberto ao ser enviado um comando pelo microcontrolador. Para validação efetiva, o professor orientador ou qualquer outro membro devidamente designado pela banca poderá acompanhar o ensaio. 3.6.5 Ensaio do alarme Antifraude Será testado à chave micro-switch antifraude, a qual tem por objetivo enviar ao microcontrolador um sinal indicando que uma possível tentativa de fraude foi realizada ao abrir o medidor, mostrando com clareza ao operador de campo que o medidor possivelmente foi fraudado ou que apresenta falha do fabricante (microswitch com defeito, falha na injeção da mecânica, montagem incorreta em linha de produção e entre outros). Resultado Esperado: O medidor será APROVADO se ao abrir o medidor, o contator for acionado (abertura dos contatos elétricos), devendo ser travado o funcionamento do medidor e inserido imediatamente no display a mensagem de fraude. Para validação efetiva, o professor orientador ou qualquer outro membro devidamente designado pela banca poderá acompanhar o ensaio. 3.6.6 Ensaio do Mostrador Será observada no display do medidor a quantidade de energia consumida em um determinado instante de tempo, aplicando-se corrente elétrica controlada e potencial da rede elétrica. Resultado Esperado: O medidor será APROVADO se ao aplicar uma corrente elétrica controlada por um intervalo de tempo ou pulsos, o medidor registar em seu display o valor aproximado apresentando no medidor padrão que será colocado em série no circuito. 87 3.6.7 Ensaio de Memória Será observado no display do medidor o funcionamento da memória, ao ser detectado uma falha no fornecimento de energia elétrica na rede de distribuição. Resultado Esperado: O medidor será APROVADO se ao ocorrer uma falha de fornecimento de energia elétrica pela concessionária responsável, o registro do último intervalo de consumo de energia deverá ser indicado no display. 3.7 AJUSTE DA MEDIÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA – EXATIDÃO Após o desenvolvimento do firmware do medidor, houve-se a necessidade de ajustar a energia consumida pelo ADE7753 e gerenciada pelo Atmega16, para que o erro percentual da medição realizada não se ultrapassa os 2% aplicados em campo atualmente pelas concessionárias. Deste modo, para que o ajuste do medidor seja realizado com sucesso, alguns parâmetros para o medidor foram adotados, tomando como referência os medidores desenvolvidos pelos grandes fabricantes de medição de energia, conforme abaixo: • Constante Eletrônica do medidor (Ke): 1Wh/pulso • Constante de Calibração do medidor (Kh): 1Wh/pulso Assim, ficou definido que o microcontrolador deverá enviar ao led responsável pela indicação da energia Ativa (LED6 - Apêndice E - Esquemático do Circuito de Processamento) 1 pulso a cada 1 Watt-hora consumido, sendo utilizado para isso, um sensor de captação. Com o pulso captado pelo sensor, será utilizado um Contador de Pulsos Digital, o qual deverá receber este pulso e decrementar a contagem de pulsos selecionada no equipamento. Em série com o medidor do projeto a ser ajustado será inserido um medidor, com erro de 0,05%, o qual será o Padrão de Referência da energia consumida pela carga. Deste modo, ao término da decrementação dos pulsos enviados pelo medidor do projeto, o Contador de Pulsos Digital deverá congelar no display do medidor 88 padrão o consumo realizado naquele momento e desta forma, é possível obter o erro percentual entre o consumo de energia medida pelo medidor padrão e o medidor a ser ajustado (projeto desenvolvido). Abaixo é exposto o diagrama de ligação dos equipamentos utilizados para realizar o ajuste do medidor desenvolvido: Figura 57 – Diagrama de ligação para realização do ajuste do medidor Fonte: O Autor, 2013. Nota: Diagrama contendo todas as ligações para a realização do ajuste do medidor. 89 Na tabela abaixo é possível observação a descrição das partes do diagrama de ligação necessário para o ajuste do medidor. Tabela 3 – Descrição das partes que compõem o sistema de ajuste do medidor Descrição Item Variac: Tem a função de realizar a variação da tensão alternada proveniente da 1 rede elétrica Transformador de Corrente (TC): Tem a função de gerar corrente alternada ao 2 ser aplicado à tensão alternada proveniente da rede elétrica e gerada pelo Variac; A corrente elétrica gerada pelo TC entra no borne de “fase linha” do medidor, 3 percorre o loop de corrente, passa pelo sensor de amostragem de corrente do medidor e sai pelo borne de “fase carga”. Na sequencia, a corrente entra na entrada (IN) do “Medidor padrão” e sai na saída OUT, fechando-se assim o circuito serie. O Led é utilizado para a verificação da Exatidão do medidor. Deste modo, a 4 cada 1 Watt-hora consumido pelo medidor, este Led deve pulsar, uma vez definido a constante do medidor em 1 Wh/pulso. O sensor é responsável pela captação do pulso emitido pelo Led de energia 5 ativa do medidor, devendo enviar este sinal captado na entrada “Input” do equipamento “Contador de Pulsos Digital”. O Contador de Pulsos Digital desempenha um papel fundamental para a 6 realização da verificação da Exatidão do medidor. Nele é possível selecionar a quantidade de watt-hora que se deseja verificar no “Medido padrão”, zerar e iniciar o consumo de energia ativa do medidor padrão. O Medidor Padrão tem o objetivo de mostrar a quantidade de energia ativa que está sendo consumida pelo “Projeto medidor” através do Led de indicação. Assim, por exemplo, se o medidor estive-se com seu erro ideal, ou seja, 0% seria mostrado no display, por exemplo, exatos 10 watt-hora (10,0000). Fonte: O Autor, 2013. 7 90 3.7.1 Resumo básico do sistema de ajuste do medidor Inicialmente deve-se selecionar a quantidade de Watt-hora que se deseja verificar no painel frontal, neste caso, será selecionado, por exemplo, 10 Watt-hora. Também se deve zerar o display do Medidor padrão, selecionando a opção “Reset” do equipamento. Como a constante do “Projeto medidor” é 1Wh/pulso, o equipamento irá realizar uma contagem de 10 pulsos recebidos do sensor na entrada “Input” ao iniciar o processo apertando o botão “Start”. Ao término desta contagem, o mesmo envia um único sinal para o “Medidor padrão” através da saída “Output” para que o registro de consumo de energia ativa no medidor padrão fique em stand-by (congelada) no display. É possível verificar o erro do medidor aplicando-se a equação da figura abaixo: Figura 58 – Equação para a determnação do erro percentual do medidor G (%) = 100% R S 100% 0 U0 H / T V Fonte: O Autor, 2013. Para efeito de ilustração, é exemplificada uma situação de ajuste do medidor: • Quantidade de Pulsos Selecionado (Contador de Pulsos Digital): 10 • Leitura Realizada (medidor padrão): 10,01987 Watt-hora G (%) = 100% R S G 100% × 10,01987 V 10 (%) = R0,1987% Deste modo, foi possível determinar que o erro percentual que o medidor desenvolvido apresentou com relação ao medidor padrão foi de -0,1987%, ou seja, bem abaixo dos 2% que são aplicados atualmente no mercado nacional de medição de energia elétrica. 91 3.8 RESULTADOS OBTIDOS NA VALIDAÇÃO DO MEDIDOR 3.8.1 Resultado da Exatidão do Medidor O medidor foi submetido ao ajuste e o ensaio de Exatidão, o qual teve por objetivo verificar se o medidor esta medindo corretamente o consumo de energia elétrica através de um medidor padrão. O medidor foi colocado em uma bancada, realizado o ajuste e aplicado diversas faixas de corrente. Na sequencia foi lida à quantidade de pulsos que o medidor enviou para o led de indicação de energia ativa conforme a corrente especifica que estava sendo aplicada no medidor. Após o termino da contagem dos pulsos lidos pelo sensor de captação, foi calculado manualmente o erro do medidor, através da comparação entre quantidade de pulsos ele deveria ter detectado e a quantidade de pulsos fisicamente recebido pelo sensor de captação, determinandose assim o erro percentual do medidor. Conforme os resultados obtidos na tabela abaixo, os erros percentuais não ultrapassaram o limite máximo estabelecido de 2% de erro ao comparar com o consumo adquirido pelo medidor padrão. 3.8.2 Resultado do ensaio de Tarifações Ensaio 1: Conforme ensaios realizados no laboratório da PUCPR, foi verificado o correto funcionamento das novas tarifações após a simulação de diversos horários no medidor e verificado que ao aplicar uma corrente que o mesmo registrou consumo conforme aquele horário. Ensaio 2: Foi configurado o RTC do medidor para todas as faixas de tarifações e aplicado um corrente com o objetivo de verificar o registro do consumo nestas faixas. Desta forma, o medidor mostrou no display e salvou na memória a quantidade de energia registrada naquele horário. Assim, é possível realizar a cobrança de uma taxa adicional na fatura mensal do usuário devido ao fato que ter consumido a energia no horário de pico, por exemplo. Também é possível disponibilizar descontos na fatura do usuário por ter consumido energia elétrica em horários de baixa demanda de energia, por exemplo. Ensaio 3: Foi ajustado o horário de 12:00 p.m. no medidor e aplicada uma determinada corrente, onde que o mesmo ficou ligado durante um período de 24 92 horas e ao final deste período, foi avaliado o medidor e constatado que os registros das tarifações foram salvos corretamente na memória. Também ficou constatado que a somatória dos registros nas diferentes faixas de tarifações ficou igual ao registo do consumo total (sem tarifações), comprovando-se o funcionamento correto do sistema de tarifação. 3.8.3 Resultado do ensaio Comunicação Serial USB Foram realizadas diversas leituras dos parâmetros detectados pelo medidor, como tensão, corrente, energia durante o período de 12 horas, sendo verificado que os valores recebidos são condizentes com os valores apresentados no display do medidor. 3.8.4 Resultado do ensaio de funcionamento do Contator Durante a etapa de desenvolvimento do projeto, foram testadas diversas vezes o circuito de CORTE e RELIGA com o objetivo de garantir-se o correto funcionamento do circuito. Deste modo, inicialmente foi desenvolvido o circuito do Contator separado do projeto completo, e aplicado curtos sinais de amplitude 5V gerado por uma fonte contínua convencional, simulando assim o pulso que seria enviado pelo microcontrolador. Deste modo, puderam-se realizar alguns ajustes no circuito e na montagem dos componentes, uma vez que foi possível assim detectar uma pequena falha na montagem do componente Q1 - Transistor MOSFET NDS355N (invertido). Assim, resolvidos os detalhes do desenvolvimento e montagem do circuito, foi substituída a fonte pelo microcontrolador e realizadas diversas simulações de abertura e fechamento do contator pelo período de aproximadamente 4 horas. Deste modo, não foram detectadas falhas no Contator ao ser alterado o estado físico fechado para o estado físico aberto e vice-versa ao ser enviado os comandos pelo microcontrolador. 3.8.5 Resultado do ensaio do alarme Antifraude Foram testados por diversas vezes o acionamento da chave micro-switch antifraude, sendo observado que ao abrir a tampa principal do medidor, 93 imediatamente foi mostrado no display à mensagem de “Medidor Fraudado” e imediatamente a isso, acionado o corte da passagem da corrente elétrica através do contator, mostrando com clareza que o medidor sobre uma fraude ou falha do próprio fabricante do medidor, como micro-switch com defeito, falha na injeção da mecânica, montagem incorreta em linha de produção e entre outros. Deste modo, o medidor foi aprovado se abrir o medidor, sendo acionado o contator (abertura dos contatos elétricos), travado o funcionamento do medidor e inserido no display a mensagem de fraude. 3.8.6 Resultado do ensaio do Mostrador Foram observados no display do medidor correta quantidade de energia consumida em um determinado instante de tempo, aplicando-se corrente elétrica controlada e potencial da rede elétrica. Para isso, foi utilizado como parâmetro um medidor padrão para comparação dos resultados obtidos. Assim, o medidor foi considerado aprovado ao aplicar-se uma corrente elétrica controlada por um intervalo de pulsos (selecionado 50 pulsos), sendo registrado em seu display o valor aproximado ao valor apresentando no medidor padrão colocado em série no circuito. 3.8.7 Resultado do ensaio de Memória Foi observado no display do medidor o funcionamento correto da memória, ao ser simulado uma falha no fornecimento de energia elétrica na rede de distribuição. Deste modo, o medidor foi considerado aprovado ao simular uma falha de fornecimento de energia elétrica pela concessionária responsável, desligando-se o medidor da rede elétrica e ligando-o após 5 minutos, não sendo observadas perdas dos registros de consumo salvos na memória que são disponibilizados nos display do medidor conforme a tarifações vigentes. 94 3.9 CRONOGRAMA Visando um bom andamento do projeto, a equipe desenvolveu um cronograma com as datas chaves do projeto bem como as ações necessárias para a realização e conclusão com êxito, desta forma é possível notar um bom planejamento de todas as tarefas. Figura 59 – Cronograma primeiro semestre de 2013 Fonte: O Autor, 2013. Nota: Cronograma de controle semanal. 95 Figura 60 – Cronograma segundo semestre de 2013 Fonte: O Autor, 2013. Nota: Cronograma de controle semanal. 96 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS O desenvolvimento do projeto abordado neste documento permitiu aos alunos envolvidos um grande aprimoramento e utilização dos diversos conhecimentos adquiridos ao longo da graduação e da própria vida. Temas como sustentabilidade energética, sistema eficiente de medição de energia, transparência ao consumidor, estímulo de consumo de energia elétrica em horários de pouca demanda, segurança do sistema, confiabilidade do produto e entre outros diversos temas foram constantemente abordados e discutidos. Deste modo, foi criado um grande caminho e visão para o desenvolvimento de um produto voltado para a realizada atual do mercado nacional e internacional energético. Com isso, foram realizadas diversas pesquisas voltadas para as redes elétricas inteligentes, conhecidas como Smart Grid e que já são realidade em diversos países e que será realidade no Brasil nos próximos anos. Após a absorção dos conceitos que envolvem esta área da Engenharia, foram sendo desenvolvidos pequenos protótipos, como fontes de alimentação, circuitos de corte e religamento de relé biestável, medição de energia através de componentes específicos e até mesmo a utilização de kits educacionais do laboratório da Universidade com o objetivo de escolher os componentes e circuitos que melhor se adequavam a realizado do projeto desenvolvido. Com isso, foram aperfeiçoadas diversas técnicas de elaboração de projeto, obtendo-se um melhor desempenho do produto. Para isso, foram introduzidos diversos componentes e circuitos de segurança, como varistores e posicionamento de componentes que poderiam ser susceptíveis a sobrecargas da rede e que poderiam causar danificações do circuito eletrônico ou até mesmo apresentar riscos de acidentes aos envolvidos. Assim, após testar e aprovar os diversos componentes e estrutura física do medidor (mecânica) partiu-se então para o desenvolvimento do protótipo na versão final, utilizando todos os recursos e suportes disponíveis no laboratório de Engenharia Elétrica da Universidade. Paralelamente ao desenvolvimento do hardware, iniciou-se então o desenvolvimento do firmware com a consciência de que o desafio era grande, tendo em vista programar um sistema de monitoramento de consumo de energia com o 97 monitoramento de tempo real, com uma precisão abaixo dos 2%, desenvolvido especificamente para o uso residencial. De acordo com os objetivos, o ADE7753 deveria ser capaz de realizar a aquisição dos dados de tensão e corrente proveniente do hardware desenvolvido, apresentando o menor erro possível, em relação aos equipamentos utilizados para a aferição do mesmo (multímetro, amperímetro e medidor de consumo de energia de precisão). A principio surgiram inúmeras dificuldades para realizar a comunicação entre o chip de medição e o controlador, como por exemplo, identificar um ADE7753 queimado, ou erros na concepção dos primeiros protótipos, ou ainda criar a interface de comunicação SPI sem muita base de funcionamento, ou descobrir quais registradores deveriam ser acionados e desabilitados para que o chip entrasse em operação. Após a colocação em funcionamento do chip de medição, a configuração dos componentes como memória, RTC, Display e porta serial se tornaram mais simples, pois pontos que geraram dificuldades na comunicação com o ADE7753 foram evitados e corrigidos, trazendo mais robustez ao firmware. Desta forma foi possível assegurar o bom funcionamento do firmware e do hardware, necessitando assim apenas a calibração do equipamento para atingir o objetivo de um erro inferior a 2%. Por fim, com todo o hardware e firmware apresentando funcionamento normal, partiu-se para uma grande sequencia de testes e ensaio para finalmente comprovar o funcionamento e a robustez do projeto, sendo aprovado em todos os ensaios realizados. Como foi referido, o proposito deste projeto foi desenvolver um medidor de energia elétrica partindo-se das definições de componentes e circuitos (hardware) e desenvolvimento de firmware capaz de englobar a gestão das tarifas a serem implantadas no país a partir de 2014, um sistema de detecção de intervenções não autorizadas e a medição da energia elétrica com precisão, conforme aplicado em campo pelas grandes montadoras de medidores de energia elétrica. 98 4.1 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS Chegando nesta etapa de conclusão do projeto, tendo em vista a possibilidade de aplicação comercial como produto existe ainda algumas melhorias que poderão ser implantadas. Focando um pouco no medidor, se tornaria necessário, neste momento a implementação do firmware referente à porta óptica do medidor, visando atender o padrão estipulado pela ABNT, para que assim possam ser executados os comandos estabelecidos pela norma em campo através de um notebook ou similar. Neste nosso caso, para comunicação externa entre o medidor e o computador, foi utilizado a Serial USB UART, a qual forneceu as mesmas informações que seriam disponibilizadas através desta porta ótica. Também é interessante realizar um monitoramento da Qualidade Energética proveniente da concessionária, desta forma trazendo mais ferramentas ao consumidor no momento de falhas de equipamentos durante a utilização da energia elétrica. No que diz respeito ao conceito Smart Grid, este equipamento deverá ser capaz de comunicar-se com os demais medidores ao seu redor, criando assim pequenas redes de gestão de energia. Para isso poderiam ser utilizadas ferramentas de interface como fibras ópticas ou até mesmo comunicação via rede wireless. Também é interessante a abordagem do objetivo do Smart Grid, o qual traz a necessidade de que o usuário se torne também um gerador de energia, possibilitando que assim seja feito um sistema de compensação da energia produzida e possibilidade de envia-la a rede elétrica da concessionaria. Por ultimo, a ideia de criar uma central, instalada na rede elétrica da concessionária com o objetivo de monitorar os medidores a sua volta, podendo realizar acesso as suas informações, realizando intervenções remotamente (sem a necessidade de um funcionário em campo) e gerenciar o consumo desta região e estimar, por exemplo, possíveis fraudes de energia elétrica na rede. 99 REFERÊNCIAS ABNT. 2006. Sobre a Entidade: Associação Brasileiras de Normas Técnicas. Site da Associação Brasileiras de Normas Técnicas. [Online] 2006. 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Rio de Janeiro : SENDI, 2012. 103 APÊNDICE A – ESQUEMÁTICO DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO Figura 61– Esquema elétrico do circuito da Fonte de Alimentação Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. 104 APÊNDICE B – LISTA DE COMPONENTES DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO Tabela 4 – Lista de componentes do circuito da Fonte de Alimentação FONTE DE ALIMENTAÇÃO Componentes Valor Toler Posição Qtde Encapsu. Fabricante PartNumber Capacitor 22µF 20% C21/C22 2 PTH SAMXON EKM226M2GI25RR Capacitor 100µF 20% C29 1 PTH SAMXON EKM107M1EE11RR Capacitor 0,1µF 10% C24 1 0805 YAGEO CC0805KRX7R9BB104 Capacitor 220µF 20% C27 1 PTH SAMXON EKM227M1EF12RR Capacitor 0,1µF 20% C28/C30 2 0603 YAGEO CC0603MRX7R7BB104 Capacitor 10µF 20% C25 1 PTH SAMXON EKM106M1HD11RR Capacitor 1nF 10% C23 1 0603 YAGEO CC0603KRX7R9BB102 Capacitor 0,1µF 20% C19 1 PTH SUYANG MPX104MBPCBY CI LNK304 - U4 1 DIP-8 POWER INTEGRATIONS LNK304PN CI L78L33ABD - U5 1 SOIC-8 ST MICROELECTRONICS L78L33ABD-TR Diodo RET US1M - D2 1 DO-214 FAIRCHILD RGF1M Diodo RET RGF1M - D2 1 DO-214 VISHAY US1M Diodo RETIFI - D3 1 DO-41 INVAC RGP02-40 Indutor 1mH 10% L3/L5 2 PTH BOURNS RLB0912-102KL Led Vermelho - D1 1 PTH LIGITEK LHR13233/A21 Resistor 330Ω 5% R23 1 PTH YAGEO RC0805JR-07300RL Resistor 560KΩ 1% R24/R25/R26 3 1206 YAGEO RC1206FR-07560K Resistor 10KΩ 1% R27 1 0603 YAGEO RC0603FR-0710K Resistor 13KΩ 1% R29 1 0603 YAGEO RC0603FR-0713K Resistor 2,2KΩ 1% R28 1 0603 YAGEO RC0603FR-072K2 Resistor 470 1% R32 1 0603 YAGEO RC0603FR_07470RL Resistor 1,2Ω 5% R22 1 0805 YAGEO RC0805JR-071R2 Varistor 510VAC 10% VDR1 1 PTH PANASONIC ERZV20D821 Fonte: O Autor, 2013. Nota: Componentes adquiridos no mercado de componentes eletrônicos (China). 105 APÊNDICE C – ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO Figura 62 – Esquema elétrico do circuito de Medição Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. 106 APÊNDICE D – LISTA DE COMPONENTES DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO Tabela 5 – Lista de componentes do circuito de Medição CIRCUITO DE MEDIÇÃO Componentes Valor Toler Posição Qtde Encapsu. Fabricante PartNumber Capacitor 10µF 20% C1/C4/C9 3 PTH SAMXON EKM106M1HD11RR Capacitor 0,1µF 10% C2/C3/C10 3 0805 YAGEO CC0805K*X7R7BB104 Capacitor 33nF 20% C5/C6/C7/C8 4 PTH EPCOS B32529-33NF/250V Capacitor 22pF 5% C11/C12 2 0603 PHYCOMP CC0603JRNP09BB220 Cristal 3,579MHZ 30 PPM Y1 1 PTH CALTRON X-3.579545 CI ADE7753 - U10 1 SSOP20 ANALOGIC DEVICE ADE7753ARSZ-ND CI OPTO - U2 1 DIL04 FAIRCHILD FOD817ASD Conector 2 VIAS 180° - JP3 1 PTH MOLEX BR 5045 22-04-1021 Resistor 1KΩ 5% R2/R3/R5/R9 4 1206 YAGEO RC1206FR_071KL Resistor 100KΩ 1% R6/R7/R8 3 1206 CALCHIP RM12F1003CT Resistor 470Ω 5% R13 1 0805 CALCHIP RM10J471CT Resistor 10Ω 1% R1 1 1206 PHYCOMP RC1206JR-0710R Fonte: O Autor, 2013. Nota: Componentes adquiridos no mercado de componentes eletrônicos (China). 107 APÊNDICE E – ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO DE PROCESSAMENTO Figura 63 – Esquema elétrico do circuito de Processamento Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito baseado no esquemático eletrônico do Kit educacional Atmega16 desenvolvido pelo prof. Vilson Mognon. 108 APÊNDICE F – LISTA DE COMPONENTES CIRCUITO DE PROCESSAMENTO Tabela 6 – Lista de componentes do circuito de Processamento CIRCUITO DE PROCESSAMENTO Componentes Valor Toler Posição Qtde Encapsu. Fabricante PartNumber CI 16K Bytes - U2 1 TQFP44 ATMEGA ATMEGA16 Capacitor 100nF 10% C38/C39/C40/C41/C42 5 0805 CALCHIP GMC21X7R104K50NT Capacitor 15pF 5% C43/C44 2 0805 CALCHIP GMC21CG220J50NT Cristal 16MHz 3ppm Y3 1 XTAL-CIL ABRACON CORP AB26T Conector 2X3 - JP2 1 90° KONO KAXXGRT Indutor 10µH 5% L1 1 0805 MURATA BLM21AG151SN1 Led Vermelho - LED1/LED6 2 PTH LIGITEK LHR13233/A21 Resistor 470Ω 5% R20/R31 2 0805 CALCHIP RM10J471CT Fonte: O Autor, 2013. Nota: Componentes adquiridos no mercado de componentes eletrônicos (China). 109 APÊNDICE G – ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO RTC E MEMÓRIA Figura 64 – Esquema elétrico do circuito de RTC e Memória Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito baseado no esquemático eletrônico do Kit educacional Atmega16 desenvolvido pelo prof. Vilson Mognon. 110 APÊNDICE H – LISTA DE COMPONENTES DO CIRCUITO RTC E MEMÓRIA Tabela 7 – Lista de componentes do circuito de RTC e Memória IRCUITO DE RTC E MEMÓRIA Componentes Valor Toler Posição Qtde Encapsu. Fabricante PartNumber Bateria 3V - BAT1 1 10,5mm RENATA BAT CR2032 MFR Capacitor 100nF 10% C31/C32 2 0805 CALCHIP GMC21X7R104K50NT CI RTC - U3 1 SOIC8 DALLAS SEMIC DS1307Z CI EEPROM - U6 1 SOIC8 MICROCHIP 24LC128-E/SN Cristal 32,768 KHz 3ppm Y2 1 XTAL-CIL ABRACON CORP AB26T Resistor 3KΩ 5% R37/R38/R39/R40/R41 5 0805 CALCHIP RM10J302CT Fonte: O Autor, 2013. Nota: Componentes adquiridos no mercado de componentes eletrônicos (China). 111 APÊNDICE I – ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO DE COMUNICAÇÃO SERIAL Figura 65 – Esquema elétrico do circuito de Comunicação Serial Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito baseado no esquemático eletrônico do Kit educacional Atmega16 desenvolvido pelo prof. Vilson Mognon. 112 APÊNDICE J – LISTA DE COMPONENTES DO CIRCUITO DE COM. SERIAL Tabela 8 – Lista de componentes do circuito de Comunicação Serial CIRCUITO COMUNICAÇÃO SERIAL Componentes Valor Toler Posição Qtde Encapsu. Fabricante PartNumber CI USB-UART - U7 1 TSSOP-28 FTDI CHIP FT232RL Conector - - MINI-USB 1 SMD MULTICOMP USB-MC32598 Capacitor 100nF 10% C33/C34/C35/C36 4 0805 CALCHIP GMC21X7R104K50NT Capacitor 10µF 10% C37 1 SMD-B KEMET T491B106K016AS Indutor 10µH 5% L1 1 0805 MURATA BLM21AG151SN1 Led GREEN - LED3 1 0805 ROHM SML-210MTT86 Led RED - LED4 1 0805 DIALIGHT 597-3121-207 Resistor 27Ω 1% R42/R43 2 0805 ROHM MCR10EZHF27R0 Resistor 470Ω 5% R30/R45 2 0805 CALCHIP RM10J471CT Fonte: O Autor, 2013. Nota: Componentes adquiridos no mercado de componentes eletrônicos (China). 113 APÊNDICE L – ESQUEMÁTICO DOS CIRCUITOS DIVERSOS Figura 66 – Esquema elétrico dos circuitos Diversos Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito da porta ótica e display baseado no esquemático eletrônico do Kit educacional Atmega16 desenvolvido pelo prof. Vilson Mognon. 114 APÊNDICE M – LISTA DE COMPONENTES CIRCUITO CORTE E RELIGA Tabela 9 – Lista de componentes do circuito de Corte e Religamento CIRCUITO DE CONTE E RELIGAMENTO Componentes Valor Toler Posição Qtde Encapsu. Fabricante PartNumber Capacitor 100nF 10% C16/C17 2 0805 YAGEO CC0805K*X7R7BB104 Capacitor 1000µF 20% C15 1 PTH EPCOS AG B41851A5108M*** Contator 722-DR 1% SH1 1 PTH GRUNER 722-DR-R-1A-B-105 Conector 3 VIAS 180° - JP3 1 PTH MOLEX BR 5045 22-04-1021 Diodo SINAL - D1 1 SOT-23 FAIRCHILD BAV74 Resistor 68R 5% R14 1 0805 YAGEO RC0805JR-**68RL Resistor 2,2MΩ 5% R15/R16 2 0805 YAGEO RC0805JR-**2M2L Resistor 47KΩ 5% R17/R18 2 0805 YAGEO RC0805JR-**47KL Transistor MOSFET - Q1/Q2 2 SOQ-23 FAIRCHILD NDS355N Fonte: O Autor, 2013. Nota: Componentes adquiridos no mercado de componentes eletrônicos (China). APÊNDICE N – LISTA DE COMPONENTES CIRCUITO PORTA ÓTICA Tabela 10 – Lista de componentes do circuito de Porta Ótica CIRCUITO PORTA ÓTICA Componentes Valor Toler Posição Qtde Encapsu. Fabricante PartNumber Led Foto Emissor - LED7 1 TIL32 VISHAY TSMF4710 Resistor 470Ω 5% R49 1 0805 CALCHIP RM10J471CT Resistor 10KΩ 5% R51 1 0805 YAGEO 232273061103 Resistor 3KΩ 5% R50 1 0805 CALCHIP RM10J302CT Transistor BC817 - Q9 1 SOT23 NXP BC817-25 Transistor Foto Receptor - Q8 1 TIL78 OSRAM SFH320FA-3 Fonte: O Autor, 2013. Nota: Componentes adquiridos no mercado de componentes eletrônicos (China). APÊNDICE O – LISTA DE COMPONENTES CIRCUITO DISPLAY LCD Tabela 11 – Lista de componentes do circuito Display LCD CIRCUITO DISPLAY LCD Componentes Toler Posição Qtde Encapsu. Fabricante PartNumber Display Valor LCD BACKLIGHT - DS1 1 16 pinos BOLYMIN BC1602ABNHEH Resistor 56Ω 5% R21 1 0805 CALCHIP RM12J560CT Resistor 1,5KΩ 5% R46 1 0805 CALCHIP RM10J152CT Potenciômetro 10KΩ - PT1 1 PTH MILCOMPO 3386F HORIZONTAL Transistor BC817 - Q4 1 SOT23 NXP BC817-25 Fonte: O Autor, 2013. Nota: Componentes adquiridos no mercado de componentes eletrônicos (China). 115 APÊNDICE P – LISTA DE COMPONENTES DO CIRCUITO ACIONAMENTO Tabela 12 – Lista de componentes do circuito de Acionamento CIRCUITO ACIONAMENTO Componentes Valor Toler Posição Qtde Encapsu. Fabricante PartNumber Resistor 10KΩ 1% R10/R12/R19 1 0603 YAGEO RC0603FR-0710K Chave Táctil 7mm - SW1/SW2/SW3 3 PTH KOSAN KT-1105-TFAM Fonte: O Autor, 2013. Nota: Componentes adquiridos no mercado de componentes eletrônicos (China). 116 APÊNDICE Q – LAYOUT DA PCB COM VISTA SUPERIOR (TOP) Figura 67 – Layout da PCB final desenvolvida com a vista superior (Top) Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. 117 APÊNDICE R – LAYOUT DA PCB COM VISTA INFERIOR (BOTTOM) Figura 68 – Layout da PCB final desenvolvida com a vista inferior (Bottom) Fonte: O Autor, 2013. Nota: Circuito desenvolvido na ferramenta Eagle. 118 APÊNDICE S – FOTOS DO MEDIDOR DESENVOLVIDO Figura 69 – Foto do medidor desenvolvido com a vista superior Fonte: O Autor, 2013. Nota: Vista superior do medidor desenvolvido. 119 Figura 70 – Foto do medidor desenvolvido com a vista lateral Fonte: O Autor, 2013. Nota: Vista lateral do medidor desenvolvido. 120 Figura 71 – Foto do medidor desenvolvido com a vista dos bornes Fonte: O Autor, 2013. Nota: Vista dos bornes de alimentação do medidor desenvolvido.
