Desenvolvimento de circuitos para monitoramento do consumo de energia elétrica e auxílio na escolha do tipo de tarifa

To validate the postulated thesis, tests were carried out to measure the equipment used, prior and definitive implementation of the assembled device. Within the evaluated, it can be observed that the circuits fulfill their objective of measuring current and voltage, generating data to provide the analysis of the implementation of the white tariff in the enterprise.

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS

Objetivos Gerais
Objetivos Específicos

Auxiliar os usuários das concessionárias de energia elétrica a entender seu comportamento de consumo para simular a implantação da tarifa branca; Monitore o consumo de energia elétrica de um equipamento específico e da obra em geral.

JUSTIFICATIVA

O objetivo holístico desta pesquisa é estudar a implementação de um sistema de monitoramento de energia elétrica para auxiliar no processo de mudança para a tarifa branca, visualizando assim o impacto econômico dessa mudança.

ESTRUTURA DO TRABALHO

O trabalho visa, portanto, avaliar a viabilidade de mudança para a tarifa branca a partir do acompanhamento e entendimento do comportamento do consumo de energia elétrica ao longo dos dias de um mês inteiro, de forma a visualizar quanto em reais será consumido em cada tipo de categoria de horas. O estudo pode contribuir para o conhecimento tarifário e para a redução financeira da conta de energia elétrica de empresas que operam principalmente em horário comercial.

Estrutura Tarifária

Modalidade Tarifária

Tarifa Branca

Benefícios de Implementação
Formas de Implementação

Medidores de Energia Elétrica

Princípio de Funcionamento

Hardware Livre

Arduino

Trabalhos Correlacionados

Também conhecida como DDP - Diferença de Potencial, a medida de tensão nada mais é do que a diferença entre um determinado ponto e outro ponto de referência, que geralmente é o terra. Usando um voltímetro, duas pontas são conectadas aos condutores de cada cabo, permitindo que a tensão seja medida em volts, conforme mostra a Figura 5.

METODOLOGIA

Arduino e Componentes

Arduino UNO
Módulo Cartão Micro Sd Card Pic Leitor Gravador
Módulo Sensor de Tensão AC - ZMPT101B
Sensor de Corrente Não Invasivo 50A SCT-013
Real Time Clock RTC DS3231
Display LCD 16x2 com I2C e Backlight Azul
Buzzer
LED RGB
Componentes para Conexão e Proteção

Com limite de leitura de cartão Micro SD de até 128 GB, o módulo permite o registro dos dados coletados pelo sistema integrado embutido, bem como a leitura dos dados existentes em sua memória, aumentando assim as possibilidades de aplicações para este módulo . O módulo permite a medição de um circuito bifásico a partir das duas entradas em sua construção, após ser conectado a dois fios que também estão conectados à rede elétrica, é possível iniciar a medição da Tensão Alternada. Esta Tela tem em sua estrutura a possibilidade de apresentar até 32 caracteres, sendo 16 deles na horizontal em duas linhas.

Permite conexão a um computador para leitura e transferência de informações e a possibilidade de ser um cabo para alimentar o Arduino, o cabo da Figura 18 possui uma conexão USB normal em uma ponta e uma porta USB tipo A na outra ponta para conectar ao Arduino. São cabos convencionais em sua construção, mas possuem dois tipos principais, o tipo macho, o cabo verde, e o tipo fêmea, o cabo amarelo. Um cabo fêmea tem uma ponta condutora em uma ponta e um local para aceitar outro tipo de cabo na outra ponta, sendo possível conectar um cabo macho, por exemplo.

Ele fornece a conexão entre os componentes e o Arduino, a placa de teste, Figura 20, permite a comunicação vertical entre as conexões feitas em cada um dos orifícios mostrados em sua estrutura, permite por exemplo expandir a quantidade de entradas através da saída de 5 V de o Arduino, que possui apenas um, que possibilita a alimentação de todos os componentes que são utilizados quando outra fonte de tensão é necessária. Os resistores possuem um sistema de cores em sua estrutura para distinguir a capacidade resistiva do componente, que é medida em Ω (Ohm).

Alicate Wattímetro True RMS 1000A Politerm

Para realizar a medição de corrente é necessário utilizar a braçadeira da estrutura do equipamento para o cabo desejado, pois a medição de tensão requer cabos categoria 1 na figura 25, estes permitirão fazer a diferença de potencial para encontrar os valores de tensão .

Softwares Utilizados

Fritzing
Power BI
IDE Arduino

O cabo tipo 2 na foto permite a conexão a um computador para armazenar dados no disco rígido da máquina. O software também permite a visualização dos dados em formato gráfico ao longo do tempo, os dados são gerados a cada segundo, permitindo assim uma comparação precisa devido à quantidade de informações geradas ao longo do tempo, além de permitir a exportação dos dados para CSV coletados para uso em outras ferramentas. Como plataforma para trabalhar a visualização de dados, o Power BI, Figura 28, foi escolhido devido a sua fácil comunicação com arquivos grandes, como no formato criado pelo algoritmo desenvolvido, permitindo assim um processamento mais eficiente e visualização de dados ricos, mais diversificados.

Como principal forma de comunicação com o Arduino, o Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE), Figura 29, serve como ponto de contato para envio do software desenvolvido, que fica armazenado na memória do microcontrolador, e também permite a visualização dos dados coletados dados . A IDE disponibiliza ao usuário uma interface que mostra possíveis erros no algoritmo, onde começa e onde deve continuar no loop infinito do microcontrolador, tudo na linguagem C++.

DESENVOLVIMENTO DE CIRCUITOS MEDIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA 44

Sistema Embarcado para Medição Específica
Sistema Embarcado para Medição Geral
Sistemas Embarcados Desenvolvidos

Aferição de Medidas

Lógica de Aferição
Aferição Externa
Aferição Interna

Devido à disponibilidade de apenas dois sensores de corrente, o sistema foi construído para atender a medição de sistemas monofásicos e bifásicos com até 3 (três) fios, sendo um fio o neutro. Em seguida, permitindo que os dois cabos reais sejam medidos, imprimindo a data e a hora da medição, salvando as informações em um cartão microSD. Os componentes que precisam de um padrão de referência para sua calibração são os Sensores de Corrente e Tensão, portanto, usar um alicate wattímetro permite fazer uma comparação muito próxima do que os sistemas integrados estão fazendo durante sua operação.

Eles foram conectados aos mesmos cabos de medição que o Arduino mediu por pelo menos 17 (minutos) e gerou pelo menos 600 (seiscentos) dados de medição, o primeiro e o último minuto da medição foram descartados para descartar valores inconsistentes do cabo conexão, dando 15 (quinze) minutos úteis de comparação para cada medição de cada componente. Após feitas as configurações necessárias para o funcionamento de ambos, o equipamento permaneceu intacto e ininterrupto pelos próximos 17 (dezessete) minutos. Para possibilitar a medição de corrente, foi utilizado um filtro de linha de fiação aberta, com cada medidor de corrente conectado a um cabo, exceto o zero.

A medição de tensão ocorreu na abertura do mesmo cabo utilizado no sistema arduino para obtenção dos valores. Utilizando a mesma bancada de apoio do sistema embarcado, Figura 33, o computador foi conectado à pinça Wattímetro e por 17 (dezessete) minutos o equipamento permaneceu íntegro e ininterrupto.

IMPLEMENTAÇÃO DOS CIRCUITOS

Local de Implementação

Principais Equipamentos Elétricos do Local

Estrutura dos Sistemas Embarcados

Sistema Embarcado para Medição Específico

Lógica de Implementação

Devido ao compartimento estar em um local com pouco espaço e com certo risco de choque elétrico, o espaço é melhor aproveitado na construção do medidor geral, Figura 36, para que o espaço não seja um problema. Mas por suas características distintas, este tópico discute detalhadamente como cada circuito foi implementado. Para medir a corrente e a tensão, foi utilizado um filtro de linha, seu cabo de proteção aberto permite ver e medir a corrente de cada uma das três fases do circuito.

Nenhum outro equipamento foi selecionado para medir o consumo, pois, segundo os moradores, nenhum outro equipamento é de categoria essencial para o pleno funcionamento nos horários de ponta e intermediário. Para obter todo o consumo de uma instalação bifásica, é necessário medir as duas fases que alimentam todo o circuito, figura 37, sendo necessário medir o medidor de energia, pois pode haver fuga de corrente entre o padrão de entrada, local onde o efetivamente medido pela concessionária, e o quadro de distribuição, garantindo uma simulação precisa do consumo medido pela concessionária. O circuito foi montado na caixa de medição para que a capa protetora pudesse ser colocada.

Duas baterias externas foram utilizadas para alimentar o circuito para manter o circuito ligado por aproximadamente 4 (quatro) dias e 12 (doze) horas.

ANÁLISE DOS RESULTADOS

Aferição das Grandezas

Aferição Interna
Aferição Externa
Precisão das Medições

Algoritmo Desenvolvido
Análises dos Dados Coletados

Implementação da Tarifa Branca

A Tabela 4 ilustra em porcentagem o valor mínimo, o menor valor entre todos os dados acima, o valor máximo, o maior valor entre todos e a média entre todos os minutos. A segunda medição, Figura 41, demonstra que o circuito acompanha a oscilação da corrente consumida pelo aparelho, mantendo-se constante em seu valor mínimo. A Tabela 5 ilustra em porcentagem o valor mínimo, o menor valor entre todos os dados acima, o valor máximo, o maior valor entre todos e a média entre todos os minutos.

A Tabela 6 ilustra o valor mínimo, o valor mínimo entre todos os dados acima, o valor máximo, o valor mais alto entre todos e a média entre todos os minutos em porcentagem. Para gerar a visualização acima, foram utilizados os valores atuais truncados, transformando os dados em um número inteiro, diminuindo a quantidade de variação presente. É possível visualizar a calibração dos sensores de corrente e data e hora e iniciar o processo de gravação em um arquivo TXT no microSD.

Observando os valores obtidos com o preço da tarifa convencional, Tabela 12, nota-se que de acordo com os dados obtidos, a implementação da tarifa branca à residência será um fator positivo, o que gerará um saldo, neste caso de R$ 15,09, com impostos inclusos. Recortando os valores obtidos e analisando apenas o consumo com os valores da tarifa branca apenas no período fora da ponta, Tabela 13, é possível chegar a 46% do valor cobrado somente nesse período, portanto ponta e valores intermediários representam 54%. Todos os dias úteis para medição geral com valores de tarifa branca oferecem um valor reduzido em relação à tarifa convencional.

Analisando uma taxa de erro dos sensores para +5% em cima da potência final, chegamos a valores de R$ 73,56 e R$ 88,87 para o consumo da tarifa branca e da tarifa convencional respectivamente, o que ainda mostra ser um cenário de forma positiva para o consumidor.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A aplicação de ambos os sistemas não se limita a residências, é importante avaliar as limitações físicas dos módulos de corrente e tensão, uma vez que estas sejam respeitadas, o tipo de objeto não se torna um problema. Ao oferecer uma ampla gama de locais de aplicação, pode reduzir drasticamente as contas de energia dos consumidores, bem como o uso de equipamentos elétricos durante os horários de pico de demanda de hoje. Os sistemas não foram construídos com a intenção de passar um veredicto aos consumidores, mas sim fornecer uma análise detalhada do consumo que possa auxiliar na tomada de decisão.

EnergyMonitor emon1; //INICIAR BIBLIOTECA PARA MEDIÇÕES ATUALIZADAS int pino_sct1 = A0; // PINO DE MEDIÇÃO DA FASE 1.