Capitulo 2- Sistemas de medição de Energia Elétrica

Capitulo 2- Sistemas de medição de Energia Elétrica

CAPITULO 2

  1. Sistemas de medição de Energia Elétrica

    1. Introdução

    2. Medidores de energia elétrica

    3. Principais fabricantes

    4. Princípio de funcionamento

    5. Custos

    6. Considerações finais

    1. Introdução

Medidor de energia elétrica é um dispositivo ou equipamento eletromecânico e/ou eletrônico capaz de mensurar o consumo de energia elétrica. A unidade mais usada é kWh. Está presente na maioria de casas e habitações no mundo moderno. Pode ser ligado diretamente entre a rede elétrica e a carga (casa) ou através de transformadores de acoplamento de tensão e/ou corrente.

Este tipo de ligação é comumente utilizado em indústrias e consumidores de média (13,8 kV a 34,5 kV) e alta tensão (69 kV a 230 kV). Seus erros podem variar de menos de 0,02% a até 2,00% em condições controladas (25ºC +/- 5ºC, tensão nominal e corrente nominal) e dependem da aplicação desejada. Nas residências são comumente utilizados medidores de classe 2 (erro relativo percentual de +/- 2,00 %).

Este trabalho aborda uma proposta de construção de um protótipo de um medidor de energia elétrica digital utilizando circuitos microcontrolados. O protótipo é um dispositivo capaz de fornecer o consumo em Kwh, o fator de potencia, a tensão e a corrente RMS da energia elétrica de uma carga através do monitoramento da tensão e da corrente elétrica na mesma, exibindo as informações em tempo real, as quais podem ser usadas para diversas aplicações. O equipamento desenvolvido oferece flexibilidade quanto às informações que podem ser disponibilizadas para diversas finalidades, por meio da adequação do firmware.

Este dispositivo objetiva informar o gasto relativo parcial e/ou total da energia elétrica consumida pelo consumidor tendo assim um controle maior sobre os seus gastos e sua conta relativa à mesma. Além disso, a aferição da concessionária responsável se torna mais simples, fácil, mais segura, com menor margem de erro de leitura, informa, através de histórico guardado na memória do medidor, possíveis irregularidades e problemas no fornecimento de energia elétrica.

A principal motivação para a realização deste trabalho é a necessidade de modernização no setor de medição e serviços relacionados ao fornecimento de energia elétrica.

    1. Medidores de energia elétrica

      1. Evolução dos Medidores

O primeiro medidor destinado à quantificação do consumo de energia elétrica conhecido foi desenvolvido e patenteado por Samuel Gardiner, em 1872. Tratava-se de um medidor de lâmpada-hora para aplicação em corrente contínua, que indicava o período que uma lâmpada permanecia acesa. Por ser uma carga conhecida, com corrente praticamente constante, o cálculo do consumo resumia-se ao produto do tempo ligado pela potência nominal da carga. A figura 1.1 representa o medidor de Samuel Gardiner.

Em 1878, J.B. Fuller desenvolveu um medidor de lâmpada-hora para operação em corrente alternada, composto por um relógio cujo mecanismo de escape era acionado por um par de bobinas que vibravam à freqüência de alimentação, produzindo assim o avanço da contagem. Este medidor é exibido na figura 1.2.

Figura 1.1 Medidor de lâmpada-hora de Samuel Gardiner.

O uso de medidores de lâmpada-hora mostrava-se eficiente apenas quando usados com cargas conhecidas que na maioria eram lâmpadas, deixando a desejar quando as cargas apresentavam variações de potência ao longo do período de operação. Entre 1878 e 1880, Edison desenvolveu o primeiro medidor de quantidade de eletricidade, em vez de quanto tempo o circuito ficou energizado. Tratava-se de um medidor químico, conforme pode ser visto na foto representada pela figura 1.3.

Figura 1.2 Medidor de Lâmpada-Hora de 1878, J.B. Fuller.

Figura 1.3 Medidor químico de energia de Edison.

Em meados da década de 1880, Elihu Thomsom, com o auxílio de Thomas Duncan, desenvolveu um wattímetro-registrador destinado à medição de consumo de energia, capaz de operar em corrente alternada ou contínua. Foi usado intensivamente em 1889, e permaneceu como o principal meio de medição de consumo até 1892, quando foi substituído por medidores de watthora. A figura 1.4 representa o protótipo do wattímetro-registrador.

Figura 1.4 Wattímetro-registrador de Thomsom e Duncan.

Os primeiros medidores de watt-hora com precisão e confiabilidade suficientes para a aplicação em medição de consumo de energia foram desenvolvidos em 1892, por Thomas Duncan. Inicialmente construídos para a medição em circuitos monofásicos, foram logo adaptados à medição polifásica de energia. Modelos capazes de operar em sistemas de corrente contínua e alternada também foram desenvolvidos, permitindo a aplicação do instrumento a todos os sistemas de distribuição existentes, conforme figura 1.5.

Figura 1.5 Medidor de Watt-hora de Duncan.

      1. Medidores de quilowatt-hora atuais

A energia elétrica disponibilizada pelas concessionárias para o consumidor final é quantificada através de um equipamento denominado “Medidor”. Este equipamento é caracterizado por padrões técnicos dos órgãos oficiais de metrologia e apropriado às suas normas. O medidor mais utilizado pelas concessionárias em aplicação residencial de grupo B1, na sua maioria, é o medidor eletromecânico, devido ao fato de seu baixo custo e disponibilidade, visto que sua utilização como meio de medida do consumo é antiga, e foi aperfeiçoado ao logo do tempo.

O medidor eletromecânico de potência ativa conforme pode ser visto na figura 1.6 possui uma bobina de corrente que conduz a corrente de linha, e a bobina de potencial mede a tensão submetida através da linha. Ambos os enrolamentos são feitos sob uma estrutura metálica de forma a criar dois circuitos eletromagnéticos. Um disco leve de alumínio é suspenso na região do campo magnético criado pela bobina de corrente, conforme pode ser visto na figura 1.6. Neste disco são induzidas correntes parasitas ou correntes de Focaut de modo a fazer com que o disco gire no seu próprio eixo. O número de rotações do disco é proporcional à energia consumida pela carga em um certo intervalo de tempo, e a medida é feita em quilowatt- hora (kWh).

Figura 1.6 – Mecanismos do medidor eletromecânico.

A indicação é feita através de mecanismos semelhante a ponteiros de relojoaria, portanto assim é conhecido popularmente por relógio. Pode ser visto na figura 1.7 o medidor com disco central de alumínio um dos equipamentos medidor mais conhecido atualmente.

Figura 1.7 Medidor da Westinghouse Electric Corporation

      1. Precisão do medidor eletromecânico

Os medidores eletromecânicos de indução utilizados com a finalidade de faturamento do consumo de energia de uma instalação são normalmente da classe 2.0, ou seja, possuem erro máximo de ±2% do valor indicado para sua faixa nominal de operação, dentro do tempo de vida previsto para seu funcionamento. Embora seja um valor relativamente alto, considerando as perdas que podem onerar tanto o fornecedor quanto o consumidor de energia elétrica, torna-se aceitável quando se considera o acréscimo de custos que representaria a utilização massiva de instrumentos com uma faixa de precisão mais elevada.

      1. Limitações dos medidores eletromecânicos

O medidor eletromecânico de indução apresenta, devido às suas características operacionais de construção, como o uso de componentes indutivos tais como as bobinas, algumas limitações e restrições para que sua operação seja confiável. Alguns fatores podem ser citados, como:

a) Interferência na operação na presença de corrente contínua:

Por se tratar de um instrumento concebido para a utilização com correntes alternadas, a presença de componentes de corrente contínua afeta a precisão do medidor, por produzirem deformações nos fluxos magnéticos produzidos, podendo inclusive levar à saturação os núcleos ferromagnéticos das bobinas do medidor;

b) Precisão variável conforme a condição de operação:

Os medidores eletromecânicos de indução possuem uma faixa bem definida de operação na qual apresentam a precisão nominal. Para valores muito baixos de potência a precisão diminui, pois o atrito do conjunto mecânico é alto em relação ao torque eletromagnético produzido pelo disco;

c) Sensibilidade mecânica:

Os mecanismos destes instrumentos são sensíveis a vibrações e choques produzidos por elementos externos, dificultando sua aplicação em ambientes mecanicamente instáveis ou em aplicações embarcadas.

      1. Precisão de medidores eletrônicos

Medidores eletrônicos de energia são construídos normalmente na classe 0,8, porém a maioria dos medidores encontrados no mercado possui classe de precisão de 1%. A facilidade em se obter instrumentos de precisão mais elevada decorre principalmente do fato de inexistir limitações mecânicas nos elementos envolvidos no processo de medição e registro, e também da possibilidade de se empregar sensores de maior precisão. A figura 1.8 representa um medidor monofásico para aplicação residencial.

Figura 1.8 Medidor eletrônico monofásico de aplicação residencial

      1. Limitações dos medidores eletrônicos

Pelo fato do emprego de circuitos e dispositivos baseados em semicondutores, o medidor eletrônico pode se mostrar um equipamento sensível a surtos de tensão eventualmente presentes no sistema de distribuição. O projeto do dispositivo envolve necessariamente cuidados para que estes tipos de eventos não comprometam o funcionamento dos componentes sensíveis, preservando a confiabilidade e precisão do equipamento de medida.

    1. Principais fabricantes

    2. Principio de funcionamento

Princípio de funcionamento: as interações entre os campos gerados por uma Bobina de Potencial e por uma Bobina de Corrente proporcionam a rotação de um disco de alumínio magneticamente suspenso.

O medidor eletromecânico de potência ativa possui uma bobina de corrente que conduz a corrente de linha, e a bobina de potencial mede a tensão submetida através da linha. Ambos os enrolamentos são feitos sob uma estrutura metálica de forma a criar dois circuitos eletromagnéticos. Um disco leve de alumínio é suspenso na região do campo magnético criado pela bobina de corrente. Neste disco são induzidas correntes parasitas ou correntes de Focaut de modo a fazer com que o disco gire no seu próprio eixo. O número de rotações do disco é proporcional à energia consumida pela carga em um certo intervalo de tempo, e a medida é feita em quilowatt-hora (kWh).

Figura 1.9 Medidor eletromecânico monofásico de aplicação residencial e seu mecanismo de medição

Já no medidor eletrônico uma amostra da tensão e da corrente é fornecida à carga e transferida a um sistema microprocessado que, de forma digital, calcula a potência e a energia consumida pela carga.

Figura 2.0 Medidor eletrônico monofásico de aplicação residencial e seu mecanismo de medição

    1. Custos

A utilização de medição digital da energia elétrica é cada vez mais evidente no Brasil. O setor alvo até pouco tempo, o industrial, esteve na ponta de utilização de medidores digitais, porém o uso em escala residencial se mostra favorável. Hoje, mais de 90% do parque nacional ainda é de medidores analógicos e o principal entrave à entrada do produto eletrônico no Brasil era o seu alto preço, inviável para o mercado residencial. Atualmente, porém, essa tecnologia está mais acessível, para se ter uma idéia, um medidor digital para consumidores industriais custa entre R$ 279 e R$ 558, e para clientes residenciais, entre R$ 133 e R$ 286, valores muito próximos aos dos analógicos. Além disso, os equipamentos de medição digital nacional possibilitam o combate às fraudes e roubos de energia.

    1. Considerações finais

Neste capítulo tem-se uma amostragem geral sobre medidores de energia elétrica diversos no decorrer da história e a amostragem introdutória do medidor eletrônico com suas novas possibilidades de serviços. Os benefícios tanto para a concessionária quanto para o consumidor com a medição parcial proporcionando um maior controle na utilização de energia elétrica, podendo-se ter uma economia da mesma e um maior controle quanto a eventuais irregularidades, erros e problemas na medição.

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