O Que é um Medidor de Energia Elétrica Inteligente.

O medidor de energia elétrica é um dispositivo que registra “unidades de energia” ao longo do tempo. Esta é a definição básica de um medidor de energia elétrica sendo que a única parte difícil de entender no conceito é o que chamamos de “unidades de energia”.

O que são Unidades de Energia?

Para entender sobre as unidades de energia, devemos entender primeiramente o que é energia.

A definição mais simples para a energia é que a mesma pode ser definida como “o produto da potência pelo tempo”. Em outras palavras, a energia elétrica é “a potência consumida por alguma carga em um período de tempo específico”. Sendo assim, o modo matemático de descrever Energia pode ser colocado conforme a fórmula abaixo:

Energia (E) = Potência (P) X Tempo (T)

Ou, E = P x T

Agora, se 1 KiloWatt de Potência foi consumido por alguma carga por 1 hora continuamente, então podemos dizer que “1 Unidade de Energia” foi consumida neste intervalo de tempo. Teremos então a seguir a explicação matemática para a definição:

Se Potência Consumida = 1 KiloWatt por 1 Hora, então a Energia Consumida = 1 Kilo-Watt-Hora (kWH)

Temos então que 1 unidade = 1 KWH

A medição precisa da quantidade de unidades que uma carga consume é o principal objetivo do medidor de energia elétrica.

O que é Demanda Máxima (DM) para o Medidor de Energia Elétrica?

Outro recurso importante fornecido pelo medidor de energia elétrica é o Indicador de Demanda Máxima (DM).

Como o próprio nome sugere, a DM informa sobre a carga máxima ou demanda de um consumidor específico. Ela é utilizada para cobrar multas aos consumidores pois identifica se os consumidores estão usando mais carga do que a carga contratada na concessionária.

Além disso, a Demanda Máxima também ajuda na previsão de carga futura de longo do tempo a medida em que houver expansão da infraestrutura elétrica.

Figura – medidor de energia Elétrica – Demanda.

Para entender como os medidores de energia calculam a Demanda Máxima, vamos dar um exemplo de uma casa onde todos estão executando alguma atividade que consome energia ao mesmo tempo.

Assim, alguém está passando suas roupas com ferro de 1000 watts ao mesmo tempo em que o aparelho de ar condicionado de 1000 watts está ligado.

Outras pessoas presentes em outros cômodos estão usando 3 ventiladores de 100 watts cada e com 3 luzes de 24 watts cada ligadas para iluminar o ambiente. Em suma, todos os aparelhos elétricos dessa casa estão funcionando e neste momento temos exatamente o pico de carga dessa casa.

Se esse tempo de pico de carga permanecer com pouca variação por 15 a 30 minutos, o medidor de energia elétrica registrará o valor de DM de 2.372 kWatts.

Matematicamente:

Ferro de passar = 1000 Watts

Ar Condicionado = 1000 Watts

3 ventiladores = 3 x 100 watts = 300 watts

3 luzes = 3 x 24 watts = 72 watts

Carga Total no momento = 1000 Watts + 1000 Watts + 300 Watts + 72 Watts = 2372 Watts

Ou seja valor de DM = 2,372 kWatts

Importância do Medidor de Energia Elétrica.

O medidor de energia elétrica é o componente mais importante para as empresas fornecedoras de eletricidade pois ele desempenha um papel fundamental na geração de receita para essas corporações.

Os medidores de energia antigos só eram capazes de calcular as unidades de energia. No entanto, com o avanço da tecnologia, inúmeras funcionalidades foram adicionadas aos medidores e no cenário atual de fornecimento de eletricidade que demanda fornecimento e melhor aproveitamento energético, o objetivo de um medidor de energia elétrica não é apenas capturar as unidades de energia e sim registrar outras informações importantes para a análise da qualidade de energia. As informações registradas podem ser utilizadas para:

Controle de carga

Gerenciamento de carga conforme períodos de demanda;

Distribuição Tarifária;

Indicações de perdas ou roubo de eletricidade;

Auditoria Energética;

Medição de outros componentes elétricos importantes como tensão, corrente, fator de potência, demanda.

Princípio de Funcionamento do Medidor de Energia Elétrica:

Existem muitos tipos de medidores de energia com diferentes princípios de funcionamento. O princípio básico de funcionamento de todos os medidores de energia é o mesmo, exceto para o medidor de energia elétrica tipo disco (antigos) e  como estes tipos de medidores são obsoletos, não há necessidade de discuti-los aqui. Para entendermos o básico, vamos pegar o exemplo mais simples pois todos os outros medidores são meramente uma forma atualizada deste.

Abaixo temos um diagrama de blocos básico de um medidor de energia elétrica digital com visor LCD:

Figura – Diagrama de Blocos de um medidor de energia Elétrica.

Circuito de Alimentação do Medidor de Energia Elétrica:

O objetivo deste circuito é alimentar todo o sistema. A fonte de alimentação pode ser fornecida ao sistema tanto por uma fonte independente quanto pela própria fase da carga medida desde que a tensão seja compatível.

Para energizar os componentes do medidor de energia tais como o microcontrolador, o visor de LCD e a EEPROM, mesmo que seja adquirida diretamente da carga, a energia precisa ser retificada e atingir níveis de tensão de 5V a 24V em corrente contínua visto que os circuitos internos funcionam com esta tensão.

Circuito de Medição de Corrente do Medidor de Energia Elétrica:

Há muitas maneiras de medir a corrente e para isso, vários tipos de sensores estão disponíveis no mercado (Veja no artigo de transformador de corrente). Para medir a corrente, o sensor deve ser aplicado em série ao condutor da carga para que toda a corrente possa passar pelo sensor.

O transformador de corrente é a melhor opção neste caso devido ao seu preço e eficiência. Assim, temos hoje no mercado alguns tipos de transformador de corrente onde os mais usuais funcionam por efeito Hall.

Neste caso, o condutor da carga medida passa por um orifício isolado no transformador de corrente que pelo efeito Hall converte a corrente para um valor menor antes de enviar a mesma para o medidor de energia.

Circuito De Medição De Tensão do Medidor de Energia Elétrica:

Existem dois métodos principais para medir a tensão. Um é através do divisor de tensão e o outro é através do transformador de potencial. Quando a tensão é muito alta (maior do que 500 volts), um transformador de potencial deve ser usado para isolar o circuito sensível a alta tensão.

No entanto, no caso de 220 volts, um circuito divisor de tensão é a melhor opção. Muitos fabricantes de medidores de energia usam este método divisor de tensão para fazer o circuito de medição de tensão.

Visor de Cristal Líquido do Medidor de Energia Elétrica:

Um visor de LCD é o “rosto” do medidor de energia elétrica pois ele permite a visualização da leitura dos parâmetros medidos. Normalmente, tem-se a necessidade de exibição das seguintes variáveis no visor de LCD de um medidor de energia elétrica:

Consumo de Potência Ativa em KWh;

Consumo de Potência Aparente em KVAr;

Tempo total de consumo de kWh;

fator de potência;

Tensão de Pico;

Corrente de Pico;

Potência Total e Demanda Máxima.

EEPROM (memória de leitura programável apagável eletricamente):

A EEPROM é outra parte importante do medidor de energia elétrica pois ela armazena as variáveis medidas (exemplificadas anteriormente) a cada intervalo de tempo (geralmente a cada 15 minutos). Assim, a análise dos valores medidos podem ser analisados futuramente em caso de qualquer discrepância.

Microcontrolador:

Você pode chamar o micro-controlador como o cérebro do medidor de energia Elétrica. Neste caso um fabricante de medidores pode usar qualquer microcontrolador de mercado como PIC, Atmel, AVR ou ARM dependendo apenas de suas restrições.

Além disso, existem os microcontroladores concebidos “especificamente para medições de energia” que também podem ser encontrados no mercado. A finalidade do microcontrolador aqui é coletar valores analógicos do circuito de corrente e tensão e depois convertê-los em valores digitais através de um conversor AD.

Após a conversão, uma multiplicação dos valores digitais de corrente e tensão é feita pelo microcontrolador para obter os valores do consumo de energia. Podem ser feitos vários cálculos também a fim de obter o fator de potência e outros parâmetros.

Estes valores então são adicionados ao registro de memória do medidor. No final, todos os valores podem ser exibidos no visor de LCD e/ou armazenados na memória EEPROM.

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Transformador de Corrente Veja Quais os Tipos.

O transformador de corrente (TC), é um tipo de “instrumento de transformação” projetado para produzir uma corrente alternada em seu enrolamento secundário proporcional à corrente que está sendo medida no enrolamento primário.



Assim, a função do transformador de corrente é reduzir uma corrente medida na alta tensão a um valor muito menor dando condição para que seja feita a medição e o monitoramento  da corrente elétrica real que flui em uma linha de transmissão alternada (CA).



Importante reforçar que o princípio de operação de um transformador de corrente é ligeiramente diferente do que vemos em um transformador de tensão comum. Adiante veremos como ele funciona.



Transformador de Corrente Típico

Ao contrário do transformador de tensão ou de potência, o transformador de corrente consiste em apenas uma ou poucas voltas de fio de cobre no enrolamento primário podendo ser este enrolamento primário de uma única volta plana ou uma bobina de arame de alta resistência com um orifício central como mostrado na Figura abaixo:

Figura – transformador de corrente Comum.


Devido a este tipo de arranjo, o transformador de corrente é freqüentemente chamado também de “transformador série”, pois o enrolamento primário, que dificilmente tem mais do que algumas voltas está em série com o condutor de corrente ligado a carga.



O enrolamento secundário, no entanto, pode possuir um grande número de voltas de bobina enroladas em um núcleo laminado de material magnético com baixa perda.



Este núcleo tem uma grande área de seção transversal de modo que a densidade de fluxo magnético criada seja baixa usando-se assim um fio de área transversal muito menor, dependendo do quanto que a corrente deverá ser reduzida, independentemente da conexão da carga.



O enrolamento secundário fornecerá uma corrente em curto-circuito na forma de um amperímetro, ou em uma carga resistiva, até que a tensão induzida no secundário seja grande o suficiente para saturar o núcleo ou causar falha por queda excessiva de tensão.



Ao contrário de um transformador de tensão, a corrente primária de um transformador de corrente não depende da corrente de carga secundária e a corrente secundária é geralmente classificada em um padrão de 1 Ampere ou 5 Amperes podendo ser selecionável.



Existem três tipos básicos de transformadores de corrente: enrolamento, toroidal e barra.



Transformador de Corrente Enrolamento – O enrolamento primário do transformador é fisicamente conectado em série com o condutor que transporta a corrente medida que flui no circuito.



A magnitude da corrente secundária depende da relação de voltas do transformador.



Transformador de corrente Toroidal – Estes não contêm um enrolamento primário. Em vez disso, a corrente que flui no condutor pode ser medida fazendo o condutor passar através de uma janela ou orifício no transformador toroidal.



Alguns transformadores de corrente têm um “núcleo dividido” que permite que ele seja aberto, instalado e fechado, sem desconectar o circuito ao qual eles estão conectados.
Transformador de Corrente do Tipo Barra – Este tipo de transformador de corrente usa o cabo real ou a barra do circuito principal como o enrolamento primário, o que equivale a um único giro.




Eles são totalmente isolados da alta tensão de operação do sistema e são geralmente aparafusados ​​ao dispositivo de transporte de corrente.

Como vimos, o transformador de corrente pode reduzir o nível de corrente de milhares de amperes para uma saída padrão com uma relação conhecida para 5 Amps ou 1 Amp.

Assim, um medidor de energia elétrica e dispositivos de controle pequenos e precisos podem ser usados ​​com os TCs pois estarão isolados de qualquer rede de alta tensão.

Há uma variedade de aplicações de medição e usos para o transformador de corrente, como medidores de Wattímetros, medidores de fator de potência, medidores de watt-hora, relés de proteção ou bobinas de trip em disjuntores magnéticos, ou MCB’s.

Geralmente o transformador de corrente e o amperímetro são utilizados ​​juntos como um par combinado no qual o projeto do transformador de corrente é tal que forneça uma corrente secundária máxima correspondente a uma deflexão em escala total no amperímetro.



Na maioria dos transformadores de corrente, existe uma relação inversa aproximada entre as duas correntes nos enrolamentos primário e secundário. É por isso que a calibração do TC geralmente deve ser feita para um tipo específico de amperímetro.



A maioria dos tipos de transformador de corrente possuem uma classificação secundária padrão de 5 amperes, sendo as correntes primária e secundária expressas como uma razão de 100/5. Isso significa que a corrente primária é 20 vezes maior que a corrente secundária de modo que, quando 100 amperes estiverem fluindo no condutor primário, resultará em 5 amperes fluindo no enrolamento secundário.




Um transformador de corrente de, digamos, 500/5, produzirá 5 amps no secundário para 500 amps no condutor primário (100 vezes maior).



A medida que aumentamos o número de enrolamentos secundários (N2), a corrente secundária será muito menor que a corrente no circuito primário que está sendo medida. Isto porque, conforme N2 aumenta, I2 diminui em uma quantidade proporcional.


Em outras palavras, o número de voltas e a corrente nos enrolamentos primário e secundário estão relacionados por uma proporção inversa.

Um transformador de corrente, como qualquer outro transformador, deve satisfazer a equação abaixo que não é muito diferente do que ocorre no transformador de tensão de enrolamento duplo sendo essa relação de voltas é igual a:

A relação acima irá indicar qual a relação de voltas no primário e  no secundário lembrando que o secundário poderá ter várias voltas e a relação entre o primário e o secundário poderá ser bastante grande. Por exemplo, suponha que a corrente que passa pelo enrolamento primário seja 100A e que o enrolamento secundário deverá ter uma corrente padrão de 5A.

Temos então que a relação entre as correntes primária e secundária será de 100A para 5A ou 20: 1. Em outras palavras, a corrente primária será 20 vezes maior que a corrente secundária.



Deve-se notar, no entanto, que um transformador de corrente classificado como 100/5 não é o mesmo que um classificado como 20/1 ou subdivisões de 100/5. Isso ocorre porque a proporção de 100/5 expressa a “corrente nominal de entrada/saída” e não a relação real entre as correntes primária e secundária. Observe também que o número de voltas e a corrente nos enrolamentos primário e secundário estão relacionados por uma proporção inversa.



Mudanças relativamente grandes em uma relação de transformadores de corrente podem ser obtidas modificando as voltas primárias através da janela do Transformador de Corrente, onde uma volta no primário é igual a um passo e mais de uma volta pela janela resulta na razão elétrica sendo modificada.

Assim, por exemplo, um transformador de corrente com uma relação de, digamos, 300/5A pode ser convertido para outro de 150/5A ou mesmo 100/5A passando o condutor principal principal através de sua janela interna duas ou três vezes.

Isso permite que um transformador de corrente de valor mais alto forneça a corrente de saída máxima para o amperímetro quando usado em linhas de corrente primárias menores.

Figura Transformador de Corrente – Relação de Corrente e Voltas.


Exemplo No1 do Transformador de Corrente.

Um transformador de corrente do tipo barra que tem 1 volta em seu primário e 160 voltas em seu secundário deve ser usado com uma faixa padrão de amperímetros que têm uma resistência interna de 0,2Ω.


O amperímetro é necessário para fornecer uma deflexão completa quando a corrente primária é de 800 Amps. Calcule a tensão secundária máxima e secundária no amperímetro.

Corrente Secundária:

Tensão através do amperímetro:

Podemos ver acima que, como o secundário do transformador de corrente está conectado através do amperímetro, que tem uma resistência muito pequena, a queda de tensão no enrolamento secundário é de apenas 1,0 volt na corrente primária total.


No entanto, se o amperímetro for removido, o enrolamento secundário efetivamente se torna um circuito aberto e, portanto, o transformador atua como um transformador elevador. Isso se deve em parte ao aumento muito grande no fluxo de magnetização no núcleo secundário, já que a reatância secundária influencia a tensão induzida secundária porque não há corrente oposta no enrolamento secundário para evitar isso.

Os resultados são uma voltagem muito alta induzida no enrolamento secundário igual à razão de: Vp (Ns/Np) sendo desenvolvida através do enrolamento secundário.

Assim, por exemplo, suponha que nosso transformador de corrente acima seja usado em uma linha de alimentação trifásica de 480 volts. Assim sendo:

Por esta razão, um transformador de corrente nunca deve ser deixado em circuito aberto ou operado sem carga quando a corrente principal estiver fluindo através dele, assim como um transformador de tensão nunca deve operar em um curto-circuito.



Se o amperímetro (ou carga) tiver que ser removido, um curto-circuito deve ser colocado primeiro nos terminais secundários para eliminar o risco de choque.



Esta alta tensão ocorre porque quando o secundário está em circuito aberto, o núcleo de ferro do autotransformador opera em um alto grau de saturação e sem nada para pará-lo, produz uma tensão secundária muito grande e, em nosso exemplo simples ela foi calculada em 76.8kV!.



Esta alta tensão secundária pode danificar o isolamento ou causar choque elétrico se os terminais do TC forem acidentalmente tocados.



Transformador de Corrente Portátil



Existem muitos tipos especializados de transformadores de corrente disponíveis. Um tipo popular com característica portátil que pode ser usado para medir o carregamento do circuito é chamado de “alicate amperimétrico”.



Os alicates amperimétricos abrem e fecham em torno de um condutor de corrente e medem sua corrente determinando o campo magnético em torno dele, fornecendo uma leitura de medição rápida geralmente em um mostrador digital sem desconectar ou abrir o circuito.




Assim como o TC portátil, também estão disponíveis transformadores de corrente de núcleo dividido que têm uma extremidade removível, de modo que o condutor de carga ou a barra de distribuição não precisa ser desconectado para instalá-lo. Estes estão disponíveis para medir correntes de 100 até 5000 amperes, com tamanhos de janela quadrada de 1 “a mais de 12” (25 a 300mm).




Então, para resumir, o Transformador de Corrente (TC) é um tipo de transformador de instrumento usado para converter uma corrente primária em uma correntee secundária através de um meio magnético.



Seu enrolamento secundário fornece então uma corrente muito reduzida que pode ser usada para detectar sobrecorrente, subcorrente, corrente de pico ou condições de corrente média.



Uma bobina primária do transformador de corrente é sempre conectada em série com o condutor principal, podendo também sendo referida como um transformador em série. A corrente nominal secundária é classificada em 1A ou 5A para facilitar a medição.



A construção pode ser uma única volta primária como nos tipos Toroidal, Enrolamento ou Bara, ou algumas voltas primárias enroladas, geralmente para baixas relações de corrente.



Os transformadores de corrente devem ser usados ​​como dispositivos de corrente proporcional. Portanto, um enrolamento secundário do transformador de corrente nunca deve ser operado em um circuito aberto, assim como um transformador de tensão nunca deve ser operado em um curto-circuito.

Tensões muito altas serão o resultado do circuito secundário aberto de um transformador de corrente energizado, de modo que seus terminais devem estar em curto-circuito se o amperímetro for removido ou quando um TC não estiver em uso antes de energizar o sistema.

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