Sistema de aquisição e consulta de consumos de energia elétrica

José Carlos Ferreira Dias Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor Manuel João Sepúlveda dezembro de 2021 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica ii Despacho RT - 31 /2019 - Anexo 3 DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica iii AGRADECIMENTOS A realização desta dissertação deve-se, em parte, à colaboração de diversas pessoas. Em primeiro lugar, quero agradecer ao Professor Manuel João Sepúlveda pela disponibilidade, compreensão e todo o conhecimento partilhado, que em muito contribuiu para o sucesso deste projeto. Deixo o meu sincero agradecimento à Marcela, à Bárbara, à Sara e ao Zé pela amizade, companheirismo e por toda ajuda e paciência demonstradas. Ao Sr. Américo, quero agradecer todo o material disponibilizado, a partilha de experiência e disponibilidade. Por fim, o maior agradecimento é feito à minha mãe pelo apoio e pelo esforço que tornou possível o meu percurso académico e a minha formação enquanto pessoa. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica iv Despacho RT - 31 /2019 - Anexo 4 DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica v RESUMO Num mundo cada vez mais exigente, cuja dependência da tecnologia e energia elétrica é crescente, a monitorização de consumos de equipamentos assume um papel fundamental, nomeadamente na gestão de consumos energéticos. Esta contribui também para uma melhor eficiência energética que, por sua vez, se reflete na redução de custos associados ao consumo de energia elétrica. A monitorização e controlo remotos, possibilitam ainda verificar remotamente os consumos dos equipamentos, bem como ligá-los ou desligá-los quando necessário. Esta dissertação visa a criação de uma plataforma que, para além da monitorização energética, possa atuar ( on/off ) sobre o equipamento e transmitir remotamente dados e estatísticas de consumo, auxiliando o consumidor na gestão energética. Inicialmente são definidas as características elétricas de operação do sistema que constituem a base inicial para a concretização do projeto. Estas relacionam-se com questões de funcionamento interno e permitem garantir o bom desempenho do equipamento. Para a realização do projeto, é utilizado o hardware necessário para a medição das grandezas envolvidas (tensão e corrente) e para controlo dos equipamentos. De forma a perceber o comportamento do sistema e obter uma base comparativa para análise de resultados, são feitas simulações que permitem validar os resultados da montagem. Quanto ao software do sistema, é desenvolvido um conjunto de instruções, recorrendo a um microcontrolador, para leitura e tratamento de dados, para controlo do sistema ( on / off ) e para o envio de dados através de uma rede Wi-Fi. De forma a melhorar a acessibilidade de leitura e compreensão de dados, por parte de um utilizador, é desenvolvida uma plataforma em forma de website . A realização deste projeto permite evidenciar a utilidade da monitorização remota no quotidiano, particularmente em uso doméstico, dando a possibilidade de o utilizador conhecer o estado e o consumo de um dado equipamento. A partir disto, o utilizador é capaz de identificar o perfil energético de cada um dos equipamentos e atuar de acordo com o melhor cenário de consumo. Palavras-Chave: Monitorização de equipamentos, controlo remoto, eficiência energética, qualidade de energia, base de dados, plataforma digital. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica vi ABSTRACT In an increasingly demanding world, whose dependence on technology and electric energy is growing, the monitoring of equipment consumption takes a fundamental role, namely in the management of energy consumption. This also contributes to a better energy efficiency which, in turn, is reflected in the reduction of costs associated with the consumption of electric energy. The remote monitoring and control, make it possible still to verify the consumption of equipment remotely, as well as turning them on and off when necessary. This dissertation aims the creation of a platform that, beyond the energy monitoring, can act (on/off) on the equipment and remotely send consumption information and statistics, helping the consumer in energy management. Initially the electric characteristics of operation of the system are defined which constitute the initial foundation to the project implementation. These are relative to internal working matters and allow to guarantee a good equipment performance. For the making of the project, the necessary hardware is used to measure the involved magnitudes (voltage and current) and to control the equipment. In order to understand the behavior of the system and obtain a comparative basis for results analysis, simulations are performed to validate the results of the assembly. As for the system software, a set of instructions is developed, resorting to a microcontroller, to read and process data, to control the system (on/off) and to send data through a Wi-Fi network. In order to improve the reading and comprehension accessibility, by a user, a platform in the form of a website is developed. The realization of this project highlights the usefulness of remote monitoring in everyday life, particularly in domestic use, providing the possibility for the user to know the state and consumption of a given equipment. From this, the user is able to identify the energy profile of each of the equipment and act according to the best consumption scenario. Keywords: Equipment monitoring, remote control, energy efficiency, power quality, database, digital platform. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica vii ÍNDICE Agradecimentos .................................................................................................................................. iii Resumo ............................................................................................................................................... v Abstract.............................................................................................................................................. vi Índice de Figuras ................................................................................................................................ xi Índice de Tabelas .............................................................................................................................. xix Lista de Abreviaturas, Siglas e Acrónimos .......................................................................................... xx 1. Introdução .................................................................................................................................. 1 1.1 Enquadramento .................................................................................................................. 1 1.2 Motivação ........................................................................................................................... 5 1.3 Objetivos ............................................................................................................................. 6 1.4 Metodologia ........................................................................................................................ 6 1.5 Estrutura da Dissertação ..................................................................................................... 7 2. Revisão Bibliográfica ................................................................................................................... 8 2.1 Estado da Arte .................................................................................................................... 8 2.2 Equipamentos em Comercialização ..................................................................................... 9 2.3 Conceitos Teóricos .............................................................................................................. 9 2.3.1 Estrutura de um medidor de energia inteligente ........................................................... 9 2.3.2 Potência ativa, potência aparente e fator de potência ................................................. 10 2.3.3 Energia ...................................................................................................................... 10 2.3.4 Valor eficaz ................................................................................................................ 11 2.3.5 Harmónicos ............................................................................................................... 12 2.3.6 Distorção harmónica total .......................................................................................... 14 2.3.7 Transformada rápida de Fourier ................................................................................. 14 2.3.8 Efeito Hall .................................................................................................................. 15 2.3.9 Filtro passa-baixo ativo ............................................................................................... 17 2.3.10 Barramento de comunicação serial I2C ...................................................................... 18 2.3.11 Frequência de Nyquist e teorema da amostragem ...................................................... 19 3. Especificações Práticas e Métodos ............................................................................................ 21 3.1 Especificações do Sistema de Monitorização ...................................................................... 21 3.2 Diagrama de Blocos do Hardware do Sistema .................................................................... 21 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica viii 3.3 Seleção e Contextualização dos Componentes ................................................................... 22 3.3.1 Sensor de tensão LEM LV 25-P .................................................................................. 22 3.3.2 Sensor de corrente LEM LA 55-P ............................................................................... 25 3.3.3 NodeMCU ................................................................................................................. 28 3.3.4 Conversor analógico-digital Adafruit Industries ADS1115 ............................................ 28 3.3.5 LCD 2004A com módulo I2C PCF8574T.................................................................... 30 3.3.6 Relé Songle SLA-05VDC-SL-C ..................................................................................... 32 3.3.7 Regulador de tensão STMicroelectronics 7805CV ....................................................... 35 3.3.8 Amplificador operacional quadruplo Texas Instruments LM324-N ............................... 36 3.3.9 Especificações do conversor AC/DC para fonte de alimentação .................................. 36 3.3.10 Conversor AC/DC RECOM Power RAC20-15DK .......................................................... 38 3.4 Aplicação de Métodos e Cálculos ....................................................................................... 39 3.4.1 Condicionamento de sinal .......................................................................................... 39 3.4.2 Cálculo do valor eficaz ............................................................................................... 44 3.4.3 Cálculo da potência ativa ........................................................................................... 44 3.4.4 Cálculo da potência aparente ..................................................................................... 44 3.4.5 Cálculo do fator de potência ...................................................................................... 45 3.4.6 Cálculo da FFT .......................................................................................................... 45 3.4.7 Cálculo da distorção harmónica total ......................................................................... 46 4. Simulação e Montagem do Hardware do Sistema ...................................................................... 47 4.1 Simulação do Hardware do Sistema .................................................................................. 47 4.1.1 Alimentação .............................................................................................................. 47 4.1.2 Circuito do equipamento ............................................................................................ 48 4.1.3 Simulação do sensor de tensão ................................................................................. 49 4.1.4 Simulação do sensor de corrente ............................................................................... 51 4.1.5 Simulação do condicionamento de sinal para o sinal de tensão .................................. 52 4.1.6 Simulação do condicionamento de sinal para o sinal de corrente ................................ 54 4.1.7 Simulação completa do hardware .............................................................................. 56 4.2 Apresentação das PCB ...................................................................................................... 56 4.2.1 PCB do sensor de tensão ........................................................................................... 56 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica ix 4.2.2 PCB do sensor de corrente ........................................................................................ 57 4.2.3 PCB do condicionamento de sinal e ADC ................................................................... 58 4.3 Montagem do Hardware do Sistema .................................................................................. 61 4.3.1 Sensor de tensão ....................................................................................................... 61 4.3.2 Sensor de corrente .................................................................................................... 63 4.3.3 Condicionamento de sinal .......................................................................................... 66 4.3.4 ADC .......................................................................................................................... 72 4.3.5 LCD........................................................................................................................... 80 4.3.6 Montagem final.......................................................................................................... 82 5. Programa da Placa de Desenvolvimento .................................................................................... 84 5.1 Fluxograma de Controlo .................................................................................................... 84 5.2 Estrutura do Programa ...................................................................................................... 85 5.3 Controlo Remoto ............................................................................................................... 86 5.4 Configuração de Ligação à Rede Wi-Fi ................................................................................ 86 5.5 Valor Eficaz ....................................................................................................................... 89 5.6 FFT ................................................................................................................................... 90 5.7 Distorção Harmónica Total ................................................................................................ 98 5.8 Envio para a Escrita na Base de Dados ............................................................................ 100 5.9 LCD ................................................................................................................................ 101 6. Plataforma de Monitorização ................................................................................................... 102 6.1 Base de Dados ................................................................................................................ 102 6.1.1 Diagrama entidade-relacionamento .......................................................................... 102 6.1.2 Tabela “Utilizadores” ............................................................................................... 103 6.1.3 Tabela “Notificacoes” .............................................................................................. 103 6.1.4 Tabela “Tarifas” ...................................................................................................... 104 6.1.5 Tabela “TarifasPeriodos” ......................................................................................... 104 6.1.6 Tabela “AcoesAgendadas” ....................................................................................... 105 6.1.7 Tabela “Unidades” .................................................................................................. 105 6.1.8 Tabela “UnidadesAtribuir” ....................................................................................... 105 6.1.9 Tabela “LeiturasRMS” ............................................................................................. 106 6.1.10 Tabela “FFT” ........................................................................................................... 106 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica xvi Figura 147. Resultados da FFT em MATLAB ..................................................................................... 94 Figura 148. Valores do canal do ADC, desenhados no Excel, do sensor de tensão para o teste da FFT ........................................................................................................................................................ 95 Figura 149. Valores do canal do ADC, desenhados no Excel, do sensor de corrente para o teste da FFT ........................................................................................................................................................ 95 Figura 150. FFT, desenhada no Excel, pela placa para a tensão ........................................................ 96 Figura 151. FFT, desenhada no Excel, pela placa para a corrente ..................................................... 96 Figura 152. Valores da FFT pelo MATLAB para a tensão .................................................................... 97 Figura 153. Valores da FFT pelo MATLAB para a corrente ................................................................. 97 Figura 154. Amplitudes das frequências múltiplas ímpares para a tensão do secador na potência máxima ........................................................................................................................................................ 98 Figura 155. Amplitudes das frequências múltiplas ímpares para a corrente do secador na potência máxima ............................................................................................................................................ 98 Figura 156. Amplitudes das frequências múltiplas ímpares para a tensão da máquina de costura ..... 98 Figura 157. Amplitudes das frequências múltiplas ímpares para a corrente da máquina de costura ... 98 Figura 158. DHT da tensão para o secador no nível máximo ............................................................. 99 Figura 159. DHT da corrente para o secador no nível máximo ........................................................... 99 Figura 160. DHT da tensão para a máquina de costura ..................................................................... 99 Figura 161. DHT da corrente para a máquina de costura .................................................................. 99 Figura 162. Diagrama entidade relacionamento da base de dados .................................................. 102 Figura 163. Tabela da base de dados "Utilizadores" ....................................................................... 103 Figura 164. Tabela da base de dados "Notificacoes" ....................................................................... 104 Figura 165. Tabela da base de dados "Tarifas” ............................................................................... 104 Figura 166. Tabela da base de dados "TarifasPeriodos" .................................................................. 104 Figura 167. Tabela da base de dados "AcoesAgendadas" ............................................................... 105 Figura 168. Tabela da base de dados "Unidades" ........................................................................... 105 Figura 169. Tabela da base de dados "UnidadesAtribuir" ................................................................ 106 Figura 170. Tabela da base de dados "LeiturasRMS" ...................................................................... 106 Figura 171. Tabela da base de dados "FFT" ................................................................................... 106 Figura 172. Tabela da base de dados "DHT" .................................................................................. 107 Figura 173. Tabela da base de dados "Potencia" ............................................................................ 107 Figura 174. Logotipo ...................................................................................................................... 108 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica xvii Figura 175. Página inicial website ................................................................................................... 108 Figura 176. Novo utilizador ............................................................................................................. 109 Figura 177. Novo utilizador exemplo de erro ................................................................................... 109 Figura 178. Entrar na página .......................................................................................................... 110 Figura 179. Entrar exemplo de erro ................................................................................................ 110 Figura 180. Página principal exemplo ............................................................................................. 111 Figura 181. Estrutura "Consumos" ................................................................................................. 111 Figura 182. Página geral "Consumos" ............................................................................................ 112 Figura 183. Consumo por unidade .................................................................................................. 112 Figura 184. Página "Consulta"........................................................................................................ 113 Figura 185. Menu da página "Consulta" ......................................................................................... 113 Figura 186. Estrutura "Qualidade de energia" ................................................................................. 113 Figura 187. Página "Distorção Harmónica Total" ............................................................................ 114 Figura 188. Menu de seleção da página "Distorção Harmónica Total" ............................................. 114 Figura 189. FFT de tensão na página "Análise do Espectro Harmónico" .......................................... 115 Figura 190. FFT de corrente na página "Análise do Espectro Harmónico" ........................................ 115 Figura 191. Menu da página "Análise do Espectro Harmónico" ....................................................... 115 Figura 192. Estrutura "Controlo Remoto” ........................................................................................ 116 Figura 193. Página "Novo Agendamento" escolher unidade ............................................................ 116 Figura 194. Página "Novo Agendamento" escolher ação ................................................................. 117 Figura 195. Página "Novo Agendamento" escolher data e agendar .................................................. 117 Figura 196. Página "Remover Agendamento" escolher unidade ....................................................... 119 Figura 197. Página "Remover Agendamento" escolher agendamento .............................................. 120 Figura 198. Página "Remover Agendamento" escolher unidade ....................................................... 120 Figura 199. Página "Ligar/Desligar" escolher unidade .................................................................... 120 Figura 200. Página "Ligar/Desligar" ligar unidade ........................................................................... 121 Figura 201. Página "Ligar/Desligar" desligar unidade ..................................................................... 121 Figura 202. Página "Ligar/Desligar" erro de ligação ........................................................................ 121 Figura 203. Estrutura "Definições" .................................................................................................. 121 Figura 204. Página "Inserir Unidade" .............................................................................................. 122 Figura 205. Página "Inserir Unidade" sucesso ................................................................................ 122 Figura 206. Página "Inserir Unidade" erro....................................................................................... 123 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica xviii Figura 207. Página "Remover Unidade" .......................................................................................... 123 Figura 208. Página "Remover Unidade" remover unidade ............................................................... 123 Figura 209. Página "Tarifas" com exemplo de tarifa simples ........................................................... 124 Figura 210. Página "Tarifas" opções ............................................................................................... 124 Figura 211. Página "Tarifas" com exemplo de tarifa bi-horária semanal ........................................... 125 Figura 212. Página "Tarifas" com exemplo de tarifa tri-horária semanal .......................................... 125 Figura 213. Página "Reset" ............................................................................................................ 126 Figura 214. Página "Reset" reset unidade ....................................................................................... 126 Figura 215. Página "Reset" erro de ligação ..................................................................................... 126 Figura 216. Página "Sobre" ............................................................................................................ 127 Figura 217. Sistema de notificações ............................................................................................... 127 Figura 218. Sistema de notificações com detalhes .......................................................................... 128 Figura 219. Modelo 3D da PCB de condicionamento de sinal vista de baixo .................................... 135 Figura 220. Modelo 3D da PCB de condicionamento de sinal vista de frente ................................... 135 Figura 221. Modelo 3D da PCB de condicionamento de sinal vista de trás ...................................... 136 Figura 222. Modelo 3D da PCB de condicionamento de sinal vista do lado esquerdo ....................... 136 Figura 223. Modelo 3D da PCB de condicionamento de sinal vista do lado direito ........................... 137 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica xix ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1. Valores das opções de ganho do PGA do ADS1115 ............................................................ 30 Tabela 2. Resumo do estado dos contactos do relé ........................................................................... 33 Tabela 3. Consumos de corrente relé sem consumir ......................................................................... 37 Tabela 4. Consumos de corrente relé a consumir .............................................................................. 37 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica xx LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÓNIMOS A Ampere AC Alternating Current ADC Analog-to-Digital Converter AMI Advanced Metering Infrastructure AMPOP Amplificador Operacional B Byte CPU Central Processing Unit CSS Cascading Style Sheets dB Decibel DC Direct Current DFT Discrete Fourier Transform DHT Distorção Harmónica Total EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory ERSE Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos FFT Fast Fourier Transform GPIO General-Purpose Input/Output h hora HAN Home Area Network HTML HyperText Markup Language Hz Hertz I2C Inter-Integrated Circuit IDE Integrated Development Environment IoT Internet of Things IP Internet Protocol IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change LCD Liquid Crystal Display MAC Media Access Control NAN Neighbourhood Area Network PCB Printed Circuit Board Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica xxi PGA Programmable-Gain Amplifier PHP HyperText Preprocessor RMS Root Mean Square SCL Serial Clock SDA Serial Data SoC System-on-Chip SPS Samples Per Second SQL Structured Query Language SRAM Static Random-Access Memory THD Total Harmonic Distortion V Volt VA Volt-Ampere W Watt WAN Wide Area Network Wb Weber Wh Watt-hora Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 1 1. INTRODUÇÃO Este capítulo tem como objetivo apresentar a motivação que leva à realização desta dissertação, bem como, apresentar o seu enquadramento e objetivos. É feita também uma descrição da estrutura do documento. 1.1 Enquadramento Nem sempre existiu um interesse na monitorização de energia e eficiência energética. A preocupação com estes temas desenvolveu-se quando se tornaram visíveis os efeitos das alterações climáticas. De acordo com [1], os conceitos de efeito de estufa e aquecimento global começaram a aparecer no século XIX. No entanto, apenas em 1988 foi criado o IPCC ( Intergovernmental Panel on Climate Change ) que, hoje em dia, é o órgão das Nações Unidas responsável cientificamente pela informação relacionada com as mudanças climáticas. O desenvolvimento dos sistemas de monitorização de energia domésticos passou por diversas fases. Nos últimos anos tem existido uma transição dos contadores de energia tradicionais para sistemas de monitorização inteligente [2]. Os contadores eletromecânicos (Figura 1) eram os contadores mais usados para medição de eletricidade até 1970. [2] Figura 1. Exemplo de contador eletromecânico Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 2 Devido ao facto de estes contadores apenas medirem energia elétrica, surgiu a necessidade de se medirem outros parâmetros elétricos e de comunicação destes pelo contador. Foram então criados os contadores eletrónicos (Figura 2). Figura 2. Exemplo de contador eletrónico Os contadores eletrónicos, para além da energia elétrica, permitem a medição e apresentação de valores de tensão, corrente, frequência, fator de potência, potência ativa, potência reativa, potência aparente e alguns parâmetros de qualidade de energia [2]. Além disto, estes permitem envio das leituras, remota e automaticamente. Porém, a sua comunicação funciona só num sentido (do contador para o consumidor ou fornecedor de energia). Por consequência, surgem os contadores inteligentes (Figura 3). Figura 3. Exemplo de contador inteligente No caso dos contadores inteligentes as suas funcionalidades são as mesmas dos contadores eletrónicos, em termos de medição de energia e parâmetros elétricos. Porém, possuem comunicação nos dois Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 3 sentidos (entre o contador e o consumidor ou fornecedor de energia e ‘vice-versa’). Esta bidirecionalidade permite aos fornecedores de energia compreender melhor as necessidades energéticas e realizar manutenções de forma mais eficiente. Os contadores inteligentes enviam ainda informação sobre os custos e as tarifas. Alguns destes, são dotados da capacidade de gerir a carga que está ligada a eles de forma a reduzir o consumo de eletricidade e, por consequência, o custo associado [2]. Um diagrama que representa as diferenças evolutivas entre os contadores referidos, é apresentado na Figura 4, de acordo com [2][3]. Figura 4. Diagrama evolutivo dos contadores Os contadores inteligentes, quando combinados a outros equipamentos inteligentes de uma habitação, formam uma rede de área doméstica ou HAN ( Home Area Network ). Quando um conjunto de HAN se conectam, formam uma rede de área vizinha ou NAN ( Neighbourhood Area Network ). Por sua vez, a interligação de várias redes NAN dá origem a uma rede de área alargada ou WAN ( Wide Area Network ). Estas redes, quando integradas a componentes de software e hardware , a gestão de dados e outros sistemas de monitorização, formam uma infraestrutura de medição avançada ou AMI ( Advanced Metering Infrastructure ) [3][4][5]. As AMI são uma componente chave das redes inteligentes, ou Smart Grid (Figura 5). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 4 Figura 5. Exemplo de Smart Grid Uma Smart Grid é uma rede elétrica que consegue integrar, de forma inteligente, as ações de todos os utilizadores ligados a ela (consumidores, produtores e ambos) de forma a fornecer energia sustentável, Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 11 𝐸𝐸=�𝑃𝑃(𝐹𝐹) 𝑑𝑑𝐹𝐹 𝜏𝜏 0 (2.5) onde: 𝑃𝑃(𝐹𝐹) – valor instantâneo da potência; 𝜏𝜏 – período total da onda. 2.3.4 Valor eficaz Os valores dos sinais alternados de tensão e corrente são representados por ondas sinusoidais. É, portanto, necessário arranjar uma solução que represente o valor do sinal de uma forma quantitativa. Uma solução poderia passar por efetuar uma média dos valores do sinal. Porém, numa onda sinusoidal, em metade do tempo os valores são positivos e na outra metade os valores são negativos, pelo que a média destes é 0. Ou seja, esta solução não resulta em informação útil [20]. É necessário arranjar uma forma de efetuar uma média dos valores da onda, que forneça uma boa representação quantitativa da tensão ou da corrente que está a ser fornecida, algo comparável aos valores contínuos de tensão e corrente [20]. A solução passa por realizar um algoritmo matemático que devolve um valor Root Mean Square (RMS) ou valor eficaz. Para calcular o valor RMS, começa-se por determinar os quadrados do valor da onda. De seguida, faz-se uma média com estes valores. Por fim, aplica-se a raiz quadrada ao resultado da média [20]. A expressão que representa o valor RMS é [19][21]: 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆=�1 𝜏𝜏�𝑉𝑉(𝐹𝐹)2 𝑑𝑑𝐹𝐹 𝜏𝜏 0 (2.6) onde: 𝑉𝑉(𝐹𝐹) – valor instantâneo da onda; 𝜏𝜏 – período total da onda. Uma representação visual deste processo é mostrada na Figura 7. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 12 Figura 7. Representação visual do processo de cálculo do valor eficaz (Adaptado de: [17]) Como é visível na figura acima, tem-se uma onda de tensão 𝑉𝑉(𝐹𝐹) e uma onda de tensão 𝑉𝑉2(𝐹𝐹), cujos valores são os quadrados dos valores da primeira onda. Determinando-se os quadrados do valor da onda de tensão 𝑉𝑉(𝐹𝐹), eliminam-se os seus valores negativos. Na figura, 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚= 1 para 𝑉𝑉(𝐹𝐹), logo, 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 para 𝑉𝑉2(𝐹𝐹) é o mesmo valor. A média de 𝑉𝑉2(𝐹𝐹) é, então, 12 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚. De forma a calcular o valor RMS de 𝑉𝑉(𝐹𝐹), procede-se ao processo inverso, efetuando-se a raiz quadrada da média de 𝑉𝑉2(𝐹𝐹), ou seja, �12 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚= 0,707 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚. Logo, o valor RMS de uma onda é 0,707 da sua amplitude máxima [20]. Quando se refere um valor de corrente ou tensão para um equipamento ou instalação alternados, este valor é, normalmente, um valor RMS. 2.3.5 Harmónicos Para as formas de onda de tensão e de corrente, os harmónicos podem ser entendidos como componentes sinusoidais de frequência múltipla da frequência fundamental [22]: 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 ℎ =ℎ 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝐹𝐹 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑛𝑛𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑉𝑉 (2.7) onde: ℎ – Múltiplo inteiro da frequência fundamental. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 13 A Figura 8 mostra uma onda de tensão à frequência de 50𝐻𝐻𝐻𝐻 (𝑉𝑉1) e ondas (𝑉𝑉3, 𝑉𝑉5 e 𝑉𝑉7) de amplitude menor, que representam harmónicos a frequências múltiplas da primeira, nomeadamente, 150𝐻𝐻𝐻𝐻, 250𝐻𝐻𝐻𝐻 e 350𝐻𝐻𝐻𝐻. Figura 8. Exemplo de onda fundamental com ondas harmónicas (Adaptado de: [22]) Na Figura 9 é possível visualizar as mesmas ondas, mas com uma outra onda (𝑉𝑉𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑚𝑚𝑇𝑇) que é o resultado da soma da onda fundamental com as ondas harmónicas. Figura 9. Exemplo de onda fundamental com ondas harmónicas e a onda da sua soma (Adaptado de: [22]) Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 14 A onda 𝑉𝑉𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑚𝑚𝑇𝑇 possuí distorção. Este comportamento ocorre quando ondas perfeitamente sinusoidais (𝑉𝑉1, 𝑉𝑉3, 𝑉𝑉5 e 𝑉𝑉7) são somadas. Também é possível realizar o processo inverso, decompondo-se uma onda de um determinado sinal nas ondas sinusoides que o compõem [22]. 2.3.6 Distorção harmónica total A Distorção Harmónica Total (DHT), ou do inglês Total Harmonic Distortion (THD), é usada como um indicativo importante de qualidade de energia em sistemas de distribuição [22]. A DHT considera o peso de cada componente harmónico de um sinal. Esta é calculada pela raiz quadrada da soma dos quadrados do valor RMS dos harmónicos, a dividir pelo valor RMS da fundamental. A expressão equivalente a esta descrição é [23][24]: 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝐷𝐷𝐻𝐻𝐷𝐷=�∑𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝐹𝐹 ℎ𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹ó𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹ℎ2𝑁𝑁 ℎ=2 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝐹𝐹 ℎ𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹ó𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹1 (2.8) 2.3.7 Transformada rápida de Fourier A transformada rápida de Fourier , ou do inglês Fast Fourier Transform (FFT), é um algoritmo eficiente que implementa a transformada discreta de Fourier , ou do inglês Discrete Fourier Transform (DFT) [25]. A DFT converte uma amostra de um sinal do domínio do tempo para o seu domínio em frequência, permitindo assim fazer a sua análise espectral [26][27]. Por exemplo, na Figura 10 é possível ver uma onda com distorção. Esta distorção é provocada pela soma das suas componentes sinusoidais (Figura 11). A FFT converte a onda da Figura 11 (que se encontra no domínio do tempo) na onda da Figura 12 (que se encontra no domínio da frequência). Assim, com esta última é possível ver as diferentes amplitudes às diferentes frequências que compõe a onda da Figura 11, permitindo fazer a sua análise espectral. Figura 10. Exemplo de onda com distorção Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 15 Figura 11. Exemplo das componentes sinusoidais de uma onda com distorção Figura 12. Exemplo de FFT de uma onda com distorção 2.3.8 Efeito Hall O conceito do efeito Hall pode ser explicado recorrendo à Figura 13 e à Figura 14. Na primeira figura é possível visualizar um elemento Hall (por exemplo uma placa de um metal condutor) onde é conduzida uma corrente (I) fornecida por uma bateria. Colocando um voltímetro com os seus pontos de medição em lados opostos do elemento Hall , a tensão medida é de 0V. Já na segunda figura, quando é aplicado um campo magnético perpendicular ao fluxo de corrente, aparece uma tensão no elemento Hall que pode ser medida. Este efeito é designado por efeito Hall [28][29]. Figura 13. Conceito Efeito Hall sem campo magnético (Adaptado de: [28]) Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 16 Figura 14. Conceito Efeito Hall com campo magnético (Adaptado de: [28]) Uma das aplicações do efeito Hall é para leitura de sinais. Um dos tipos de sensores que recorrem ao efeito Hall são os closed loop . Um exemplo deste tipo de sensor de tensão e de corrente pode ser visto na Figura 15 e Figura 16, respetivamente. Este tipo de sensores usa a tensão Hall , gerada pelo campo magnético de 𝐼𝐼𝑃𝑃, e cria uma corrente de compensação 𝐼𝐼𝑆𝑆. Esta corrente é proporcional em amplitude a 𝐼𝐼𝑃𝑃 mas com o sentido contrário, fazendo com que o fluxo magnético total, medido pelo elemento Hall , seja de 0Wb [30]. A corrente 𝐼𝐼𝑆𝑆 passa na resistência 𝑅𝑅𝑚𝑚 gerando uma tensão que pode ser lida. Figura 15. Princípio de funcionamento de um sensor do tipo closed loop para um sensor de tensão Figura 16. Princípio de funcionamento de um sensor do tipo closed loop para um sensor de corrente Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 17 2.3.9 Filtro passa-baixo ativo Um filtro passa-baixo rejeita frequências de um sinal acima de uma dada frequência, chamada frequência de corte (𝑓𝑓𝐶𝐶) [31]. O circuito do filtro-passa baixo ativo pode ser visto na Figura 17. Figura 17. Circuito de exemplo do circuito passa-baixo ativo No filtro da figura anterior, para frequências menores do que a frequência de corte definida, este funciona como um amplificador no modo inversor. A Figura 18 mostra um exemplo de resposta do filtro. Figura 18. Exemplo de resposta de um filtro ativo passa-baixo É possível ver que, na banda passante, existe um ganho de 0𝑑𝑑𝑑𝑑 e na banda de rejeição existe um ganho negativo, provocando uma atenuação do sinal. Esta atenuação acontece quando 𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆í𝑑𝑑𝑆𝑆 𝑉𝑉𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑆𝑆𝑑𝑑𝑆𝑆 é inferior a 1, ou seja, quando o ganho em 𝑑𝑑𝑑𝑑 é inferior 0. A expressão que traduz esta relação é [32][33][34]: 𝐺𝐺𝐹𝐹𝑛𝑛ℎ𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑=20 log10( 𝑉𝑉 𝑆𝑆𝑚𝑚í𝑑𝑑𝑚𝑚 𝑉𝑉𝐸𝐸𝐸𝐸𝑇𝑇𝐸𝐸𝑚𝑚𝑑𝑑𝑚𝑚) (2.9) Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 18 2.3.10 Barramento de comunicação serial I2C O I2C ( Inter-Integrated Circuit ) é um barramento de comunicação de 2 fios, bidirecional, para controlo entre circuitos integrados [35][36]: o fio SDA ( Serial Data ) e o fio SCL ( Serial Clock ). Permite ainda transferência de dados a diferentes velocidades: Standard , Fast , Fast Plus , High-speed e Ultra-speed [35]. Todos os equipamentos ligados ao barramento são endereçáveis por software e existe sempre uma relação master / slave entre os equipamentos. O master é aquele equipamento que inicia e termina uma transferência e o slave é o equipamento que é endereçado pelo master [35]. As transferências começam com a condição Start e terminam com a condição Stop . Enquanto a linha do SCL está no estado lógico High , uma transição do nível lógico High para o nível lógico Low , na linha do SDL, indica uma condição Start e uma transição do nível lógico Low para o nível lógico High uma condição Stop [35][36] (Figura 19). Figura 19. Condições Start e Stop do protocolo I2C (Adaptado de: [35]) Depois da condição de Start , o master envia o endereço do slave que pretende endereçar. Depois, é enviado um bit que indica se o master quer realizar uma transferência ( Write ) ou fazer um pedido de dados ( Read ). Se o bit em questão for igual a 0, é uma operação Write e se for 1 é uma operação Read . Uma transferência de dados é sempre terminada por uma condição Stop [35]. Este processo pode ser visualizado na Figura 20. Figura 20. Transferência de dados completa do protocolo I2C (Adaptado de: [35]) Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 19 2.3.11 Frequência de Nyquist e teorema da amostragem A frequência de Nyquist é a frequência de amostragem mínima para a reconstrução fidedigna de um sinal amostrado [37][38][39]: 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑁𝑁𝑁𝑁𝐹𝐹𝐹𝐹𝑛𝑛𝑁𝑁𝐹𝐹= 2 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝐹𝐹á𝑥𝑥𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹 (2.10) A 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝐹𝐹á𝑥𝑥𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹 é a componente de maior frequência que se quer ler. O teorema da amostragem diz que, se uma frequência de amostragem for maior ou igual à frequência de Nyquist , então uma reconstrução confiável de um sinal amostrado é possível [37]: 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹𝑁𝑁𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐴𝐴𝑑𝑑𝐹𝐹≥𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑁𝑁𝑁𝑁𝐹𝐹𝐹𝐹𝑛𝑛𝑁𝑁𝐹𝐹 (2.11) Quando esta condição não é cumprida acontece um fenómeno designado por aliasing . Na Figura 21 é possível ver uma onda que está a ser amostrada a 2 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑛𝑛𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑉𝑉 𝑑𝑑𝐹𝐹 𝑂𝑂𝑛𝑛𝑑𝑑𝐹𝐹 (losangos amarelos) e a 43 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑛𝑛𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑉𝑉 𝑑𝑑𝐹𝐹 𝑂𝑂𝑛𝑛𝑑𝑑𝐹𝐹 (triângulos verdes). A Figura 22 mostra a onda resultante da amostragem a 2 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑛𝑛𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑉𝑉 𝑑𝑑𝐹𝐹 𝑂𝑂𝑛𝑛𝑑𝑑𝐹𝐹. Nesta é possível ver que, comparativamente com a Figura 21, a onda resultante é triangular e não sinusoidal. Já na Figura 23 é mostrado o resultado da amostragem a 43 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑛𝑛𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑉𝑉 𝑑𝑑𝐹𝐹 𝑂𝑂𝑛𝑛𝑑𝑑𝐹𝐹. Aqui, devido à frequência de amostragem usada, a onda resultante tem uma frequência de 13 da frequência fundamental da onda original. Este é o fenómeno aliasing [40]. Figura 21. Onda amostrada a duas vezes e a quatro terços da sua frequência (Adaptado de: [40]) Figura 22. Onda resultante da amostragem a duas vezes a frequência da onda (Adaptado de: [40]) Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 20 Figura 23. Onda resultante da amostragem a quatro terços da frequência da onda (Adaptado de: [40]) Por fim, é possível comprovar que a frequência de amostragem deve ser, no mínimo, igual à frequência máxima que se pretende amostrar. Na realidade, a frequência de amostragem deve ser bastante maior do a frequência de Nyquist , sendo que em [40] é defendido que de cinco vezes a frequência máxima é uma melhor escolha. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 27 𝐼𝐼𝑃𝑃 𝑁𝑁𝑃𝑃=𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑁𝑁𝑆𝑆 𝑁𝑁𝑃𝑃 𝑁𝑁𝑆𝑆=𝐼𝐼𝑆𝑆 𝐼𝐼𝑃𝑃 10 1000=𝐼𝐼𝑆𝑆 𝐼𝐼𝑃𝑃  𝐼𝐼 𝑆𝑆 = 0,01 𝐼𝐼 𝑃𝑃 (3.5) Como se pode verificar, com 10 voltas, o 𝐼𝐼𝑆𝑆 será 100 vezes menor que 𝐼𝐼𝑃𝑃, ao contrário do primeiro exemplo onde era 1000. Obtém-se assim uma resolução na corrente que é favorável para o caso de a corrente no primário ser pequena. Logo, conclui-se que, quanto maior o número de voltas dadas, melhor. No lado do secundário, é necessário selecionar-se uma resistência de medição, 𝑅𝑅𝑀𝑀. Segundo o datasheet , para uma alimentação ±15𝑉𝑉, uma corrente no primário de ±50𝑉𝑉𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 e uma temperatura de até 70°𝐶𝐶, o valor da resistência escolhida pode estar entre os 50Ω e os 160Ω. Portanto, é escolhida uma resistência de 63Ω. Partindo do princípio que 𝑅𝑅𝑀𝑀=63Ω: 𝐼𝐼𝑃𝑃 𝑁𝑁𝑃𝑃=𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑁𝑁𝑆𝑆  𝑁𝑁𝑃𝑃 𝑁𝑁𝑆𝑆=𝐼𝐼𝑆𝑆 𝐼𝐼𝑃𝑃 𝐼𝐼𝑆𝑆=𝑁𝑁𝑃𝑃 𝑁𝑁𝑆𝑆 𝐼𝐼𝑃𝑃 𝐼𝐼𝑆𝑆=𝑁𝑁𝑃𝑃 1000 𝐼𝐼𝑃𝑃 e 𝑅𝑅𝑀𝑀=𝑉𝑉𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑉𝑉𝑀𝑀=𝑅𝑅𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑉𝑉𝑀𝑀=63 𝑁𝑁𝑃𝑃 1000 𝐼𝐼𝑃𝑃 𝑉𝑉 𝑀𝑀 = 0,063 𝑁𝑁 𝑃𝑃 𝐼𝐼 𝑃𝑃 (3.6) onde: 𝑉𝑉𝑀𝑀 – Tensão medida no secundário. Assim, teoricamente, a tensão nominal de medição pode ser calculada por 𝑉𝑉𝑀𝑀= 0,063 𝑁𝑁𝑃𝑃 𝐼𝐼𝑃𝑃. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 28 3.3.3 NodeMCU A NodeMCU (Figura 31), é uma placa de desenvolvimento IoT com o módulo Wi-Fi SoC ( System-on-Chip ) ESP8266 da Espressif Systems . Figura 31. Placa NodeMCU Esta é a placa escolhida por possuir um bom balanço entre custo, eficiência energética e desempenho. Algumas das suas especificações, parte destas vistas no datasheet do ESP8266 [43], são: • Tensão de entrada entre 4,5𝑉𝑉 a 10𝑉𝑉; • Frequência do CPU ( Central Processing Unit ) de 80𝑅𝑅𝐻𝐻𝐻𝐻 e 160𝑅𝑅𝐻𝐻𝐻𝐻; • Memória flash de 4𝑅𝑅𝑑𝑑; • Memória SRAM ( Static Random-Access Memory ) de 64𝐾𝐾𝑑𝑑; • 17 GPIO ( General-Purpose Input/Output ); • Um canal de ADC ( Analog-to-Digital Converter ) com resolução de 10 bits ; • Comunicação Wi-Fi à frequência de 2,4𝐺𝐺𝐻𝐻𝐻𝐻. 3.3.4 Conversor analógico-digital Adafruit Industries ADS1115 Devido ao facto de a placa escolhida no subcapítulo anterior ter apenas um canal conversor analógicodigital (ou ADC) e este projeto carecer de dois canais (um para as leituras do sensor de tensão outro para as do de corrente), é necessário recorrer a um ADC externo. O ADC escolhido é o Adafruit Industries ADS1115 (Figura 32). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 29 Figura 32. ADC ADS1115 De acordo com o datasheet [44], este ADC possuí quatro canais de leitura, uma resolução de 16 bits , uma taxa de amostragem programável de 8𝑆𝑆𝑃𝑃𝑆𝑆 ( Samples Per Second ) a 860𝑆𝑆𝑃𝑃𝑆𝑆, um amplificador de ganho programável, ou PGA ( Programmable-Gain Amplifier ), e um baixo consumo de energia. Este apresenta dois modos operação possíveis: o single-shot e o contínuo. Contém ainda um comparador programável. No modo single-shot o ADC encontra-se num modo de baixo consumo ( power-down ). Quando é necessário fazer uma leitura, o ADC saí deste modo, tira uma leitura e volta ao modo power-down . Este modo é recomendado para leituras esporádicas. No modo contínuo, o ADC tira leituras continuamente sem necessitar de entrar e sair do modo power-down . Assim, o modo single-shot apresenta uma poupança maior de energia e o modo contínuo possui uma velocidade de leitura mais rápida. Um circuito exemplificativo da ligação do ADS1115 à placa NodeMCU é apresentado na Figura 33. Figura 33. Circuito de ligação do ADS1115 onde: Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 30 𝐷𝐷1 e 𝐷𝐷2 – GPIO da placa relativos à comunicação I2C; 𝑆𝑆𝐶𝐶𝑆𝑆 e 𝑆𝑆𝐷𝐷𝑉𝑉 – Pinos do ADC relativos à comunicação I2C; 3𝑉𝑉 e 𝐺𝐺 – Saída da alimentação da placa; 𝑉𝑉5𝐷𝐷𝐶𝐶 e 𝐺𝐺𝑁𝑁𝐷𝐷 – Entrada para a alimentação do ADC. Este ADC, segundo o datasheet , suporta valores de leitura máximos de 𝑉𝑉5𝐷𝐷𝐶𝐶+ 0,3𝑉𝑉 e mínimos de 𝐺𝐺𝑁𝑁𝐷𝐷−0,3𝑉𝑉. O ADS1115 possuí ainda um PGA. Isto significa que, para uma resolução de 16 𝑏𝑏𝑛𝑛𝐹𝐹𝑁𝑁, é possível escolher os limites da tensão de leitura e desta forma obter uma maior resolução na tensão por bit . Destes 16 𝑏𝑏𝑛𝑛𝐹𝐹𝑁𝑁, apenas 15 𝑏𝑏𝑛𝑛𝐹𝐹𝑁𝑁 são realmente de resolução, pois o 𝑏𝑏𝑛𝑛𝐹𝐹 mais significativo é para o sinal do valor. Tabela 1. Valores das opções de ganho do PGA do ADS1115 Ganho Limites de tensão (V) Tensão por bit ( 𝒎𝒎𝒎𝒎 ) 2/3 ±6,144 0,1875 1 ±4,096 0,125 2 ±2,048 0,0625 4 ±1,024 0,03125 8 ±0,512 0,015625 16 ±0,256 0,0078125 Este ADC apenas lê valores positivos. No entanto, a coluna referente aos limites de tensão assume valores positivos ou negativos. Isto acontece visto que este pode ler no modo de leitura single-ended , se estiver a fazer uma leitura num canal, ou no modo diferencial, se estiver a fazer uma diferença entre as leituras de dois canais. Neste último caso, embora as tensões de entrada sejam positivas, a sua diferença pode ser negativa. 3.3.5 LCD 2004A com módulo I2C PCF8574T Para se exibirem os valores lidos e calculados pela placa, é utilizado um LCD ( Liquid Crystal Display ) do tipo 2004A (Figura 34 e Figura 35) com o módulo I2C PCF8574T (Figura 35 e Figura 36). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 31 Figura 34. LCD 2004A Figura 35. LCD2004A visto de trás com o módulo PCF8574T Figura 36. Módulo I2C PCF8574T Um exemplo de ligação deste LCD à placa NodeMCU pode ser visto na Figura 37. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 32 Figura 37. Circuito de ligação do LCD 2004A com o PCF8574T onde: 𝐷𝐷1 e 𝐷𝐷2 – GPIO da placa relativos à comunicação I2C; 𝑆𝑆𝐶𝐶𝑆𝑆 e 𝑆𝑆𝐷𝐷𝑉𝑉 – Pinos do ADC relativos à comunicação I2C; 3𝑉𝑉 e 𝐺𝐺 – Saída da alimentação da placa; 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 e 𝐺𝐺𝑁𝑁𝐷𝐷 – Entrada para a alimentação do ADC. As informações de ligações e dos pinos podem ser vistas nos datasheet do LCD 2004A [45] e do PCF8574T [46]. 3.3.6 Relé Songle SLA-05VDC-SL-C Para fazer o contro On / Off remotamente, é necessário recorrer ao auxílio de um relé. O relé escolhido para o efeito é o Songle SLA-05VDC-SL-C (Figura 38). Figura 38. Relé SLA-05VDC-SL-C Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 33 Este relé é alimentado a 5𝑉𝑉 𝐷𝐷𝐶𝐶 e permite uma corrente máxima de 30𝑉𝑉 a 250𝑉𝑉 𝑉𝑉𝐶𝐶, conforme o datasheet [47]. Possuí um optoacoplador que isola eletricamente o controlo da alimentação do relé. Os seus pinos são mostrados na Figura 39. Figura 39. Pinos do SLA-05VDC-SL-C onde: +𝐷𝐷𝐶𝐶 e −𝐷𝐷𝐶𝐶– Alimentação do optoacoplador; +𝐽𝐽𝐷𝐷 e −𝐽𝐽𝐷𝐷– Alimentação do relé; 𝐼𝐼𝑁𝑁 – Sinal da placa para controlo do relé; 𝑁𝑁𝑂𝑂 – Terminal normalmente aberto; 𝑁𝑁𝐶𝐶 – Terminal normalmente fechado; 𝐶𝐶𝑂𝑂𝑅𝑅 – Comum dos terminais; 𝐻𝐻 – Escolha do modo de operação do relé para modo High ; 𝑆𝑆 – Escolha do modo de operação do relé para modo Low . O modo de operação é escolhido através de um jumper , visível na Figura 38 e representado na Figura 39. O modo escolhido neste projeto é o modo de operação High . A Tabela 2 mostra o estado dos contactos, com base no modo de operação, e o sinal de controlo no pino 𝐼𝐼𝑁𝑁. Tabela 2. Resumo do estado dos contactos do relé Modo de operação 𝑰𝑰𝑰𝑰 Estado do contacto 𝑰𝑰𝑵𝑵 Estado do contacto 𝑰𝑰𝑵𝑵 Low Low Fechado Aberto Low High Aberto Fechado High Low Aberto Fechado High High Fechado Aberto Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 34 Na tabela anterior, importa referir que, quando o contacto está no estado “Fechado”, um equipamento conectado ao relé está ligado e ‘vice-versa’. Quando o modo de operação e o 𝐼𝐼𝑁𝑁 se encontram no mesmo estado, a bobina está energizada. Neste projeto, utilizam-se os terminais 𝑁𝑁𝐶𝐶 e 𝐶𝐶𝑂𝑂𝑅𝑅. Como o relé funciona no modo High, para o equipamento se ligar é necessário um sinal a Low . Isto significa que, quando o aparelho está ligado, a bobina não está energizada e o pino de controlo está Low. Estando o sistema neste estado, implica que a bobina não consuma energia enquanto que os restantes componentes necessários ao funcionamento do sistema o fazem. Na situação em que o aparelho está desligado, a bobina está energizada, fazendo com que esta consuma energia e os restantes componentes consumam menos energia ou energia residual. Em suma, se bobina estiver a fazer o seu consumo máximo, o resto dos componentes está a consumir menos e ‘vice-versa’, evitando assim uma sobreposição de consumos. Opta-se pelo uso do relé desta forma para limitar a potência do equipamento, traduzindo-se num menor consumo energético. Existem também mais dois jumpers que, caso estejam colocados, fazem a tensão de alimentação do optoacoplador +𝐷𝐷𝐶𝐶 e −𝐷𝐷𝐶𝐶 ser a mesma do relé +𝐽𝐽𝐷𝐷 e −𝐽𝐽𝐷𝐷. O jumper que define se +𝐷𝐷𝐶𝐶 e +𝐽𝐽𝐷𝐷 estão ligados não está colocado, mas o que define se −𝐷𝐷𝐶𝐶 e −𝐽𝐽𝐷𝐷 estão ligados está. Isto porque o optoacoplador necessita de 3,3𝑉𝑉 (+𝐷𝐷𝐶𝐶 e −𝐷𝐷𝐶𝐶) e o relé precisa de 5𝑉𝑉 (+𝐽𝐽𝐷𝐷 e −𝐽𝐽𝐷𝐷). Os pinos −𝐷𝐷𝐶𝐶 e −𝐽𝐽𝐷𝐷 estão ligados pois estes representam a massa. A Figura 40 representa esquematicamente o estado de funcionamento descrito. Figura 40. Circuito de ligação do SLA-05VDC-SL-C Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 35 3.3.7 Regulador de tensão STMicroelectronics 7805CV Para a alimentação de alguns componentes, nomeadamente a placa, o ADC, o LCD, o relé e para o offset do circuito de condicionamento de sinal do sensor de tensão, é necessária a utilização de um regulador de tensão. Este permite obter 5𝑉𝑉 𝐷𝐷𝐶𝐶 a partir de valores de tensão até 35 𝐷𝐷𝐶𝐶. O componente escolhido para o efeito é o 7805CV (Figura 41). Figura 41. Regulador de tensão 7805CV Os respetivos pinos estão na Figura 42, retirados do datasheet [48]. Figura 42. Pinos do 7805CV Para a montagem do componente, é utilizado o circuito de utilização recomendado pelo datasheet (Figura 43). Figura 43. Circuito do 7805CV Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 36 3.3.8 Amplificador operacional quadruplo Texas Instruments LM324-N O LM324-N é um componente composto por quatro amplificadores operacionais (AMPOP), pelo que este é o componente selecionado para o projeto. Este componente pode ser visualizado na Figura 44. Figura 44. Amplificador operacional (AMPOP) LM324-N O seu esquemático pode ser visto na Figura 45, retirada do datasheet [49]. Figura 45. Pinos do LM324-N 3.3.9 Especificações do conversor AC/DC para fonte de alimentação A escolha do conversor AC/DC ( Alternating Current / Direct Current ) tem por base as tensões de alimentação dos componentes anteriormente selecionados. Posto isto, a tensão de alimentação selecionada é de ±15𝑉𝑉 DC. Conhecida a tensão de alimentação da fonte, resta saber a intensidade de corrente que é necessária fornecer ao circuito. Contudo, como explicado no subcapítulo 3.3.6, o relé não consume o seu valor de corrente aquando do consumo máximo de alguns dos restantes componentes. Logo, na realidade existem dois perfis de consumo: um em que o relé consome e alguns dos restantes componentes consomem menos e outro em que todos consumem o seu normal, exceto o relé. A Tabela 3 mostra o consumo de corrente típico e máximo por componente, segundo os respetivos datasheets , para o caso em que o relé não estar a consumir. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 43 Figura 53. Circuito completo do condicionamento de sinal Para o sensor de tensão, o circuito completo pode ser visto na Figura 54: Figura 54. Circuito completo do condicionamento de sinal para o sinal de tensão onde: 𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑇𝑇𝐸𝐸𝑇𝑇𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇 – Sinal de tensão à saída do sensor de tensão; 𝑉𝑉5𝐷𝐷𝐶𝐶 – Tensão 5𝑉𝑉 DC; 𝑉𝑉𝐶𝐶𝑇𝑇𝐸𝐸𝑑𝑑𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑇𝑇𝐸𝐸𝑚𝑚𝑑𝑑𝑇𝑇𝑇𝑇𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇 – Sinal de tensão de saída do segundo estágio para a tensão. Já para o sensor de corrente, o respetivo circuito completo está representado na Figura 55: Figura 55. Circuito completo do condicionamento de sinal para o sinal de corrente onde: 𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑇𝑇𝐸𝐸𝐶𝐶𝑇𝑇𝐸𝐸𝐸𝐸𝑆𝑆𝐸𝐸𝑇𝑇𝑆𝑆 – Sinal de tensão à saída do sensor de corrente; 𝑉𝑉𝐶𝐶𝑇𝑇𝐸𝐸𝑑𝑑𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑇𝑇𝐸𝐸𝑚𝑚𝑑𝑑𝑇𝑇𝑇𝑇𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇 – Sinal de tensão de saída do segundo estágio para a corrente. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 44 A frequência de corte para ambos os cenários, com 𝐶𝐶1=10𝑛𝑛𝐹𝐹 e 𝑅𝑅5=22𝑘𝑘Ω, é: 𝑓𝑓𝐶𝐶=1 2 𝜋𝜋 𝐶𝐶1 𝑅𝑅5 𝑓𝑓𝐶𝐶=1 2×𝜋𝜋×10𝐸𝐸×22𝑘𝑘 𝑓𝑓𝐶𝐶=723,432𝐻𝐻𝐻𝐻 3.4.2 Cálculo do valor eficaz Após a leitura dos valores reais de tensão e corrente nos sensores, 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑑𝑑𝐹𝐹𝑉𝑉, é necessário calcular o seu valor eficaz, ou valor RMS, 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆, traduzido pela expressão: 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆=�1 𝑁𝑁�𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑑𝑑𝐹𝐹𝑉𝑉𝑃𝑃2 𝑁𝑁 𝑃𝑃=1 (3.10) Para este projeto, o número de amostras lidas (𝑁𝑁) por cada ciclo da placa, para cada uma das grandezas, é de 2048, pelo que: 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆=�1 2048 �𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑑𝑑𝐹𝐹𝑉𝑉𝑃𝑃2 2048 𝑃𝑃=1 3.4.3 Cálculo da potência ativa Com os valores instantâneos de 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐷𝐷𝑑𝑑𝑛𝑛𝑁𝑁ã𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑑𝑑𝐹𝐹𝑉𝑉 e 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐶𝐶𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝑑𝑑 𝑅𝑅𝑑𝑑𝐹𝐹𝑉𝑉 é possível o cálculo da potência ativa: 𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑛𝑛𝐴𝐴𝐹𝐹 (𝑊𝑊) = 1 𝑁𝑁�𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐷𝐷𝑑𝑑𝑛𝑛𝑁𝑁ã𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑑𝑑𝐹𝐹𝑉𝑉𝑃𝑃 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐶𝐶𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝑑𝑑 𝑅𝑅𝑑𝑑𝐹𝐹𝑉𝑉𝑃𝑃 𝑁𝑁 𝑃𝑃=1 (3.11) Com 𝑁𝑁=2048: 𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑛𝑛𝐴𝐴𝐹𝐹=1 2048 �𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐷𝐷𝑑𝑑𝑛𝑛𝑁𝑁ã𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑑𝑑𝐹𝐹𝑉𝑉𝑃𝑃 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐶𝐶𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝑑𝑑 𝑅𝑅𝑑𝑑𝐹𝐹𝑉𝑉𝑃𝑃 2048 𝑃𝑃=1 3.4.4 Cálculo da potência aparente Tendo os valores eficazes de tensão e corrente 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐷𝐷𝑑𝑑𝑛𝑛𝑁𝑁ã𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆 e 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐶𝐶𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝑑𝑑 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆, é possível calcular a potência aparente: Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 45 𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑉𝑉𝐴𝐴𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝑑𝑑= 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐷𝐷𝑑𝑑𝑛𝑛𝑁𝑁ã𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐶𝐶𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝑑𝑑 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆 (3.12) 3.4.5 Cálculo do fator de potência Para o cálculo do fator de potência é usada a seguinte equação: 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐴𝐴𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹= 𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑛𝑛𝐴𝐴𝐹𝐹 𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑉𝑉𝐴𝐴𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝑑𝑑 (3.13) 3.4.6 Cálculo da FFT Com os valores reais de tensão e corrente, é realizado o cálculo da FFT. Esta FFT é um algoritmo que converte o domínio de um sinal. Neste caso, converte o domínio em tempo para o domínio em frequência. A partir desta conversão é possível decompor o sinal original, obtendo as suas diferentes amplitudes para as diferentes frequências. Estas amplitudes a diferentes frequências são chamadas de harmónicos e este algoritmo permite fazer a sua análise. Para este projeto, a frequência fundamental do sinal é de 50𝐻𝐻𝐻𝐻. Quando vista a FFT de um sinal ideal, a única amplitude apresentada seria aos 50𝐻𝐻𝐻𝐻, como se pode ver na Figura 84. Figura 56. FFT Ideal Na realidade isto não acontece, existindo outras amplitudes a outras frequências (harmónicos) A Figura 57 é um exemplo desta situação. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 46 Figura 57. FFT exemplo 3.4.7 Cálculo da distorção harmónica total Com os valores da análise da FFT, obtêm-se os valores das amplitudes para uma dada frequência, 𝑉𝑉𝐹𝐹𝐴𝐴𝑉𝑉𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐻𝐻𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹ó𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹. Com estes valores, é possível calcular a distorção harmónica total, 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝐷𝐷𝐻𝐻𝐷𝐷. 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝐹𝐹𝐹𝐹 𝐷𝐷𝐻𝐻𝐷𝐷=�∑𝑉𝑉𝐹𝐹𝐴𝐴𝑉𝑉𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐻𝐻𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹ó𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹𝑃𝑃2𝑁𝑁 𝑃𝑃=2 𝑉𝑉𝐹𝐹𝐴𝐴𝑉𝑉𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐻𝐻𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹ó𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹1 (3.14) O valor 𝑉𝑉𝐹𝐹𝐴𝐴𝑉𝑉𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐻𝐻𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹ó𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 é o valor da amplitude à frequência fundamental que, neste caso, é de 50𝐻𝐻𝐻𝐻. No presente projeto, é calculada a 𝑉𝑉𝐹𝐹𝐴𝐴𝑉𝑉𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐻𝐻𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹ó𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 até ao 11º harmónico. São usados os valores de amplitude às frequências múltiplas ímpares da fundamental, até à frequência do 11º harmónico, obtida por: 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝐹𝐹 11º ℎ𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹ó𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹=11 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝐹𝐹 𝑓𝑓𝐹𝐹𝑛𝑛𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑉𝑉=50 ×11 =550 𝐻𝐻𝐻𝐻 Assim, são usados os valores de 𝑉𝑉𝐹𝐹𝐴𝐴𝑉𝑉𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐻𝐻𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹ó𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 para as frequências de 150 𝐻𝐻𝐻𝐻, 250 𝐻𝐻𝐻𝐻, 350 𝐻𝐻𝐻𝐻, 450 𝐻𝐻𝐻𝐻 e 550 𝐻𝐻𝐻𝐻 (𝑁𝑁= 5). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 47 4. SIMULAÇÃO E MONTAGEM DO HARDWARE DO SISTEMA Neste capítulo são apresentados os resultados experimentais obtidos através da aplicação e implementação dos métodos e componentes definidos anteriormente. São elaboradas simulações do hardware do sistema de modo a dimensionar, testar e perceber o funcionamento do mesmo. Posteriormente, procede-se à montagem e testagem do hardware . 4.1 Simulação do Hardware do Sistema Após serem definidas as especificações necessárias, e com estas em conta, é dado início às simulações do hardware . Estas são realizadas recorrendo ao programa PSIM. A simulação do hardware do sistema é feita de forma a ser percebido o seu comportamento e tornar possível os testes de dimensionamento dos componentes necessários ao seu funcionamento. Os parâmetros de controlo da simulação estão na Figura 58. Figura 58. Parâmetros da simulação completa do sistema 4.1.1 Alimentação O sistema necessita de alimentação para o seu funcionamento. Neste contexto específico, são necessários três tipos diferentes de alimentação: da rede elétrica (230V AC), +/- 15V DC e 5V DC. A Figura 59 mostra a parte da simulação da alimentação. Como é possível visualizar, a alimentação da rede fornece energia para o funcionamento do conversor AC/DC que funciona como fonte de +/-15V DC e esta por sua ver é usada por um regulador para se obter os 5V DC. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 48 Figura 59. Simulação da alimentação O conversor AC/DC usado como fonte de +/- 15V DC é o que foi apresentado em 3.3.10 e o regulador é do tipo 7805, referido em 3.3.7. 4.1.2 Circuito do equipamento Na simulação do circuito do equipamento é utilizado uma carga resistiva, inspirada num equipamento real. Trata-se de um secador com o seu nível de potência no mínimo. Assim, é possível comparar-se posteriormente a simulação com a realidade. Na Figura 60, o equipamento é representado por uma resistência que é alimentado pela rede elétrica. Existe ainda um interruptor sempre ligado, que representa o relé apresentado em 3.3.6, e também saídas para os sensores de tensão e corrente. Figura 60. Simulação do equipamento A onda e valor RMS de tensão são apresentados na Figura 61 e Figura 62, respetivamente. Já para a corrente, a onda e valor RMS apresentam-se na Figura 63 e Figura 64, respetivamente. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 49 Figura 61. Onda de tensão do equipamento Figura 62. Valor RMS da tensão do equipamento Figura 63. Onda de corrente do equipamento Figura 64. Valor RMS da corrente do equipamento 4.1.3 Simulação do sensor de tensão No que diz respeito ao sensor de tensão, são feitas duas simulações: uma que mostra o seu conceito e outra necessária para mostrar o seu funcionamento com os parâmetros reais. Como é possível ver na Figura 65, existe um transformador para simular a bobina do sensor. No lado primário do sensor de tensão existe uma resistência. Os valores deste são apresentados no subcapítulo Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 50 3.3.1. Existe ainda uma resistência no lado do secundário de valor unitário que representa a resistência de medição. Figura 65. Simulação do conceito do sensor de tensão A Figura 66 ilustra a corrente no primário (a vermelho) e secundário (a azul). Figura 66. Ondas de corrente no primário e secundário do sensor de tensão É necessária uma resistência de valor unitário para verificar o conceito do sensor de tensão. No entanto, para simular o seu funcionamento, surge a necessidade de provocar a corrente do lado do secundário para recriar a realidade. É o que acontece na Figura 67, onde é visível uma fonte de corrente do lado do secundário cuja resistência de medição já contém o seu valor real. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 51 Figura 67. Simulação do funcionamento do sensor de tensão A onda de tensão na resistência de medição pode ser visualizada na Figura 68 e o seu valor RMS na Figura 69. Figura 68. Onda de tensão na resistência de medição do sensor de tensão Figura 69. Valor RMS da tensão no sensor de tensão 4.1.4 Simulação do sensor de corrente Quanto à simulação do sensor de corrente, como é visível na Figura 70, existe um transformador para simular uma bobina do sensor e uma resistência de medida no lado do secundário. Os seus valores são os já apresentados no subcapítulo 3.3.2. O número de voltas no primário é 6. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 52 Figura 70. Simulação do funcionamento do sensor de corrente Na Figura 71 é visível o sinal de tensão da resistência de medição e o seu valor RMS encontra-se na Figura 72. Figura 71. Onda de tensão na resistência de medição do sensor de corrente Figura 72. Valor RMS da tensão no sensor de corrente 4.1.5 Simulação do condicionamento de sinal para o sinal de tensão A simulação do condicionamento de sinal para o sinal de tensão é necessária para perceber o seu comportamento. A Figura 73 mostra dois AMPOP em modo somador inversor. Estes AMPOP são os referentes ao componente do subcapítulo 3.3.8. No primeiro AMPOP, é possível ver o sinal proveniente do sensor de tensão a ser somado a 5V DC. Esta soma é atenuada e invertida, sendo este o primeiro estágio. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 59 Figura 89. Esquemático da PCB de condicionamento de sinal Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 60 Posteriormente, efetuou-se o desenho da PCB (posicionamento dos componentes e respetivas ligações). A Figura 90 mostra a camada superior da PCB ( top layer ) e a Figura 91 a camada inferior ( bottom layer ). Figura 90. Vista da camada superior da PCB de condicionamento de sinal Figura 91. Vista da camada inferior da PCB de condicionamento de sinal São também adicionados ao projeto da PCB os modelos 3D de cada componente. Seguidamente, é mostrada uma vista 3D na Figura 92. Outras vistas são apresentadas nas figuras do Apêndice I. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 61 Figura 92. Modelo 3D da PCB de condicionamento de sinal vista de cima 4.3 Montagem do Hardware do Sistema Ao longo deste subcapítulo, é apresentada a montagem do hardware do sistema e é elaborada uma análise comparativa às simulações realizadas no subcapítulo 4.1. Para a montagem e testagem, são usados dois tipos de equipamentos: um secador de cabelo com dois perfis de potência (com potência nominal de 1200W) e uma máquina de costura (com potência nominal de 1000W). 4.3.1 Sensor de tensão Visto que o projeto se restringe sempre à tensão da rede, apenas é mostrado um teste para este sensor. A Figura 93 mostra o valor da tensão de alimentação lido no multímetro. O valor na simulação foi introduzido manualmente e corresponde à Figura 62. Figura 93. Leitura do valor de tensão de alimentação Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 62 Após análise da figura acima, a tensão está dentro dos limites de tensão segundo a NP EN 50160 [51]. O valor da tensão à saída do sensor de tensão é mostrado na Figura 94. Figura 94. Leitura do valor de tensão à saída do sensor Este valor é próximo daquele calculado em 3.3.1. Contudo, quando se utilizam os valores reais medidos das resistências usadas (𝑅𝑅𝑃𝑃=33,73𝑘𝑘Ω e 𝑅𝑅𝑀𝑀=122,8Ω) e a tensão de alimentação medida na Figura 93, 𝑉𝑉𝑃𝑃=230,3𝑉𝑉, obtem-se: 𝐼𝐼𝑆𝑆= 2,5 𝐼𝐼𝑃𝑃 𝐼𝐼𝑆𝑆= 2,5 𝑉𝑉𝑃𝑃 𝑅𝑅𝑃𝑃 𝐼𝐼𝑆𝑆= 2,5 × 230,3 33730 𝐼𝐼𝑆𝑆=17,069𝐹𝐹𝑉𝑉 e 𝑅𝑅𝑀𝑀=𝑉𝑉𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑉𝑉𝑀𝑀=𝑅𝑅𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑉𝑉𝑀𝑀=122,8 × 17,069 𝑉𝑉𝑀𝑀= 2,096𝑉𝑉 Logo, e assumindo algumas perdas dos componentes, o valor obtido na realidade de 𝑉𝑉𝑀𝑀= 2,067𝑉𝑉 é muito próximo ao teórico de 𝑉𝑉𝑀𝑀= 2,096𝑉𝑉. O valor teórico também é muito próximo ao obtido na simulação (Figura 69). Conclui-se, portanto, que o sensor de tensão funciona corretamente. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 63 4.3.2 Sensor de corrente Para os testes do sensor de corrente, são utilizados o mesmo secador, mas com os dois níveis de potência diferentes, e a máquina de costura. O primeiro teste é feito com o secador com o nível de potência mais fraco, que coincide com a simulação do sistema realizada. Na Figura 95 é possível ver o seu valor de corrente. Este é muito semelhante ao da simulação (Figura 64). Figura 95. Leitura RMS do valor de corrente no secador à potência mínima Já na Figura 96, é possível ver o valor de tensão à saída do sensor de corrente. Figura 96. Leitura do valor de tensão à saída do sensor de corrente para o secador à potência mínima Usando a equação apresentada no subcapítulo 3.3.2 e considerando: o número de voltas usado na realidade, 𝑁𝑁𝑃𝑃= 6; o valor real medido da resistência de medida, 𝑅𝑅𝑀𝑀=65Ω e o valor de corrente medido na Figura 95, 𝐼𝐼𝑃𝑃= 2,559𝑉𝑉, tem-se: 𝑅𝑅𝑀𝑀=𝑉𝑉𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑉𝑉𝑀𝑀=𝑅𝑅𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑉𝑉𝑀𝑀=𝑅𝑅𝑀𝑀 𝑁𝑁𝑃𝑃 𝑁𝑁𝑆𝑆 𝐼𝐼𝑃𝑃 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 64 𝑉𝑉𝑀𝑀=65 ×6 1000× 2,559 𝑉𝑉𝑀𝑀= 0,998𝑉𝑉 Portanto, é possível constatar que a leitura 𝑉𝑉𝑀𝑀= 1,004𝑉𝑉 e o valor calculado 𝑉𝑉𝑀𝑀= 0,998𝑉𝑉 são próximos. Verifica-se também que o valor teórico é muito próximo do valor da simulação (Figura 72). Para o segundo teste é usado o mesmo secador, mas com o seu nível de potência no máximo. O valor da sua leitura de corrente e da sua tensão de saída do sensor são mostrados na Figura 97 e Figura 98, respetivamente. Figura 97. Leitura RMS do valor de corrente no secador à potência máxima Figura 98. Leitura do valor de tensão à saída do sensor de corrente para o secador à potência máxima Usando o valor 𝐼𝐼𝑃𝑃= 5,02𝑉𝑉 da Figura 97, tem-se: 𝑅𝑅𝑀𝑀=𝑉𝑉𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑉𝑉𝑀𝑀=𝑅𝑅𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑉𝑉𝑀𝑀=𝑅𝑅𝑀𝑀 𝑁𝑁𝑃𝑃 𝑁𝑁𝑆𝑆 𝐼𝐼𝑃𝑃 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 65 𝑉𝑉𝑀𝑀=65 ×6 1000× 5,02 𝑉𝑉𝑀𝑀= 1,958𝑉𝑉 Comparando novamente o valor teórico com o valor da leitura à saída do sensor, pode verificar-se que estes são semelhantes. Para o terceiro teste, recorre-se à máquina de costura. A sua leitura de corrente e o seu valor de tensão à saída do sensor estão visíveis na Figura 99 e Figura 100, respetivamente. Figura 99. Leitura RMS do valor de corrente na máquina de costura Figura 100. Leitura do valor de tensão à saída do sensor de corrente para a máquina de costura Usando o valor 𝐼𝐼𝑃𝑃= 4,02𝑉𝑉 (Figura 99), tem-se: 𝑅𝑅𝑀𝑀=𝑉𝑉𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑉𝑉𝑀𝑀=𝑅𝑅𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑉𝑉𝑀𝑀=𝑅𝑅𝑀𝑀 𝑁𝑁𝑃𝑃 𝑁𝑁𝑆𝑆 𝐼𝐼𝑃𝑃 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 66 𝑉𝑉𝑀𝑀=65 ×6 1000× 4,02 𝑉𝑉𝑀𝑀= 1,568𝑉𝑉 Constata-se, novamente, a proximidade entre o valor teórico e o valor de leitura. Assume-se, assim, que o sensor de corrente funciona como pretendido. 4.3.3 Condicionamento de sinal Na apresentação dos testes de condicionamento de sinal, de forma a validar o seu funcionamento, são feitas comparações entre o seu comportamento teórico espectável (apresentado em 3.4.1) e as simulações realizadas em 4.1.5 e 4.1.6. É elaborado um teste para o condicionamento de sinal do sensor de tensão e é usado o secador no seu nível de potência mínimo para tal. A Figura 101 mostra a onda no osciloscópio à saída do sensor de tensão e a Figura 102 mostra os seus valores. Figura 101. Onda no osciloscópio à saída do sensor de tensão Figura 102. Valores no osciloscópio da onda à saída do sensor de tensão É possível encontrar uma proximidade entre a forma de onda da Figura 68 e Figura 101 e os valores da Figura 69 e Figura 102. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 67 Seguidamente, na Figura 103, é mostrada a onda à saída do primeiro estágio. Figura 103. Onda no osciloscópio para a tensão à saída do estágio 1 Comparativamente à Figura 75, os resultados são semelhantes. O resultado do segundo estágio pode ser visto na Figura 104. Figura 104. Onda no osciloscópio para a tensão à saída do estágio 2 Comparando com a Figura 76, é possível ver a existência de uma semelhança. Para o condicionamento de sinal do sensor de corrente são feitos três testes: o primeiro para o secador no nível de potência mínimo, o segundo para o secador no seu nível de potência máximo e terceiro para a máquina de costura. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 68 O equipamento do primeiro teste foi selecionado de forma a comparar os seus resultados com os da simulação. A onda no osciloscópio à saída do sensor de corrente apresenta-se na Figura 105 e os respetivos valores na Figura 106. Figura 105. Onda no osciloscópio à saída do sensor de corrente Figura 106. Valores no osciloscópio da onda à saída do sensor de corrente É demonstrada uma semelhança quando a onda é comparada à da Figura 71 e quando os valores são comparados aos da Figura 72. A onda de saída do primeiro estágio é a apresentada na Figura 107, podendo esta ser comparada com a da Figura 80. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 75 𝑅𝑅𝑀𝑀=𝑉𝑉𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝐼𝐼𝑆𝑆=𝑉𝑉𝑀𝑀 𝑅𝑅𝑀𝑀 𝐼𝐼𝑆𝑆=𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸 𝑅𝑅𝑀𝑀 Para o sensor de corrente, sabendo que 𝑅𝑅𝑀𝑀=65Ω, tem-se: 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇=𝐼𝐼𝑆𝑆 0,006 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇=�𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝐷𝐷𝑆𝑆𝐸𝐸𝑑𝑑𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑑𝑑𝑆𝑆 𝑅𝑅𝑀𝑀� 0,006 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇=�𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝐷𝐷𝑆𝑆𝐸𝐸𝑑𝑑𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑑𝑑𝑆𝑆 −0,998158 �+2,593659 0,067628 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇=14,814 𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑇𝑇𝐸𝐸𝐶𝐶𝑇𝑇𝐸𝐸𝑑𝑑𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑇𝑇𝐸𝐸𝑚𝑚𝑑𝑑𝑇𝑇−38,152 Finalmente com: 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇=14,814 𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑇𝑇𝐸𝐸𝐶𝐶𝑇𝑇𝐸𝐸𝑑𝑑𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑇𝑇𝐸𝐸𝑚𝑚𝑑𝑑𝑇𝑇−38,152 e 𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆𝑇𝑇𝐸𝐸𝐶𝐶𝑇𝑇𝐸𝐸𝑑𝑑𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑇𝑇𝐸𝐸𝑚𝑚𝑑𝑑𝑇𝑇=𝑆𝑆𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐶𝐶 4,096 32767 deduz-se: 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇=�𝑆𝑆𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐶𝐶 4,096 32767�14,814 −38,152 É obtida, novamente, uma só equação, desta vez para a corrente. Esta serve para converter diretamente a leitura do ADC no valor real. A partir destas equações, é feita a leitura dos valores pela placa. Para o efeito, utiliza-se, inicialmente, uma biblioteca oficial da marca do sensor. Porém, os resultados obtidos não são satisfatórios, pelo que, é testada também uma biblioteca personalizada. De seguida, são feitas algumas alterações no código da placa de forma a aumentar a velocidade de amostragem, isto é, colocar a velocidade do próprio ADC no máximo possível, aumentar a frequência do CPU para o dobro e aumentar a velocidade da comunicação por I2C. Para os testes são utilizadas 2048 amostras utilizando o modo de leitura single-ended e é comparado o seu tempo de amostragem, recorrendo ao modo de operação single-shot e contínuo. A Figura 115 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 76 mostra o resultado da amostragem para o sensor de tensão, através da biblioteca oficial no modo single-shot , com os dados recolhidos da placa e desenhados na ferramenta Excel. Figura 115. Onda de tensão do ADC, desenhada no Excel, pela biblioteca oficial no modo single-shot Neste teste, para 2048 valores lidos o tempo total de execução medido é de 0,983𝑁𝑁, o que implica uma frequência de amostragem de 𝑁𝑁ú𝑚𝑚𝑆𝑆𝐸𝐸𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝐴𝐴𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇𝐸𝐸𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑃𝑃𝑇𝑇𝐴𝐴𝐸𝐸𝑚𝑚 =2048 0,983=2083,418𝐻𝐻𝐻𝐻. De seguida, é elaborado um teste com a biblioteca personalizada no modo single-shot (Figura 116). Figura 116. Onda de tensão do ADC, desenhada no Excel, pela biblioteca personalizada no modo single-shot Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 77 Para a mesma quantidade de valores o tempo é de 1,001𝑁𝑁. Logo, a frequência de amostragem é 𝑁𝑁ú𝑚𝑚𝑆𝑆𝐸𝐸𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝐴𝐴𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇𝐸𝐸𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑃𝑃𝑇𝑇𝐴𝐴𝐸𝐸𝑚𝑚 =2048 1,001=2045,954𝐻𝐻𝐻𝐻. A Figura 117 mostra o teste para a biblioteca personalizada para o modo contínuo. É de salientar que, durante o desenvolvimento deste projeto, a biblioteca oficial não apresentou suporte para o modo contínuo. Figura 117. Onda de tensão do ADC, desenhada no Excel, pela biblioteca personalizada no modo contínuo O tempo total para este teste é de 0,152𝑁𝑁, para as mesmas 2048 amostras, o que implica uma frequência de amostragem de 𝑁𝑁ú𝑚𝑚𝑆𝑆𝐸𝐸𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝐴𝐴𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇𝐸𝐸𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑃𝑃𝑇𝑇𝐴𝐴𝐸𝐸𝑚𝑚 =2048 0,152=13473,684𝐻𝐻𝐻𝐻. Existe, portanto, um aumento significativo na velocidade de amostragem no modo contínuo, que também é visível quando se compara a Figura 116 à Figura 117 (que são testes da mesma biblioteca). Os mesmos testes são efetuados para o sensor de corrente. A Figura 118 mostra o teste para a biblioteca oficial em modo single-shot . Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 78 Figura 118. Onda de corrente do ADC, desenhada no Excel, pela biblioteca oficial em modo single-shot Neste teste o tempo total é de 0,983𝑁𝑁, pelo que a frequência de amostragem é 𝑁𝑁ú𝑚𝑚𝑆𝑆𝐸𝐸𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝐴𝐴𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇𝐸𝐸𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑃𝑃𝑇𝑇𝐴𝐴𝐸𝐸𝑚𝑚 = 2048 0,983=2083,418𝐻𝐻𝐻𝐻. A Figura 119 mostra o teste da biblioteca personalizada em modo contínuo. Figura 119. Onda de corrente do ADC, desenhada no Excel, pela biblioteca personalizada em modo single-shot Para um tempo total de 1𝑁𝑁, neste teste, a frequência de amostragem é 𝑁𝑁ú𝑚𝑚𝑆𝑆𝐸𝐸𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝐴𝐴𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇𝐸𝐸𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑃𝑃𝑇𝑇𝐴𝐴𝐸𝐸𝑚𝑚 =2048 1= 2048𝐻𝐻𝐻𝐻. O teste em modo contínuo da biblioteca personalizada pode ser visto na Figura 120. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 79 Figura 120. Onda de corrente do ADC, desenhada no Excel, pela biblioteca personalizada em modo contínuo Tendo em conta o tempo total de 0,152𝑁𝑁, a frequência de amostragem 𝑁𝑁ú𝑚𝑚𝑆𝑆𝐸𝐸𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝐴𝐴𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇𝐸𝐸𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑃𝑃𝑇𝑇𝐴𝐴𝐸𝐸𝑚𝑚 =2048 0,152= 13473,684𝐻𝐻𝐻𝐻. Relembrando: 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝐹𝐹 11º ℎ𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹ó𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹=𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝐹𝐹 𝑓𝑓𝐹𝐹𝑛𝑛𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝑉𝑉×11 =50 ×11 =550 𝐻𝐻𝐻𝐻 Segundo o teorema de amostragem a frequência de amostragem deve ser maior ou igual do que o dobro da frequência de Nyquist , sendo que a frequência máxima que se quer ler no âmbito desta dissertação é 550𝐻𝐻𝐻𝐻. Assim: 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑁𝑁𝑁𝑁𝐹𝐹𝐹𝐹𝑛𝑛𝑁𝑁𝐹𝐹= 2 × 550𝐻𝐻𝐻𝐻 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑁𝑁𝑁𝑁𝐹𝐹𝐹𝐹𝑛𝑛𝑁𝑁𝐹𝐹=1100𝐻𝐻𝐻𝐻 e 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝑁𝑁𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐴𝐴𝑑𝑑𝐹𝐹≥2 × 550𝐻𝐻𝐻𝐻 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝑁𝑁𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐴𝐴𝑑𝑑𝐹𝐹≥1100𝐻𝐻𝐻𝐻 No entanto, quando existem harmónicos que se querem estudar através da FFT, a frequência de amostragem deve ser dez vezes maior do que a maior frequência a ser analisada [52]. Assim: 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝑁𝑁𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐴𝐴𝑑𝑑𝐹𝐹≥10 ×550𝐻𝐻𝐻𝐻 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹ê𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝑁𝑁𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐴𝐴𝑑𝑑𝐹𝐹≥5500𝐻𝐻𝐻𝐻 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 80 Uma vez que, ambos os valores de frequência de amostragem dos testes realizados são superiores a 5500𝐻𝐻𝐻𝐻, concluí-se que o critério imposto por [52] é respeitado. É, então, escolhido para o projeto o modo contínuo da biblioteca personalizada. Após testes com ambos os canais do ADC, torna-se necessário fazer algumas alterações às funções de conversão dos valores do ADC para os valores reais. Assim: 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇=�𝑆𝑆𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐶𝐶 4,096 32767� 283,799 −556,58 passou a 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇=�𝑆𝑆𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐶𝐶 4,096 32767� 303,821 −576,276 e 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇=�𝑆𝑆𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐶𝐶 4,096 32767� 14,814 −38,152 ficou como 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑆𝑆𝑚𝑚𝑇𝑇=�𝑆𝑆𝑑𝑑𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐶𝐶 4,096 32767� 15,624 −38,352 4.3.5 LCD Para além de serem guardados numa base de dados, os dados previamente referidos são também apresentados num LCD. De seguida, são apresentadas algumas imagens que mostram o seu funcionamento para diferentes situações (Figura 121, Figura 122, Figura 123, Figura 124 e Figura 125). Na Figura 123, o “S” é a potência aparente do equipamento que é calculada através da multiplicação da tensão “V” pela corrente “I”. O “P” é a potência eficaz calculada pela média da multiplicação dos valores de tensão e corrente instantâneos. O “DHT” é a Distorção Harmónica Total, ou THD. A “FF” é a frequência fundamental da onda de tensão (obtido aquando da FFT e corresponde à frequência da maior amplitude da FFT) e o “FP” é o fator de potência. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 81 Figura 121. LCD com pedido de configuração à rede Wi-Fi Figura 122. LDC com indicação que o equipamento está desligado remotamente Figura 123. LDC com os valores iniciais Figura 124. LDC com um exemplo de valores de leitura 1 Figura 125. LDC com um exemplo de valores de leitura 2 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 82 4.3.6 Montagem final A montagem final do hardware é feita em caixa de aparelhagem. Seguidamente, são apresentadas algumas imagens desta montagem (Figura 126, Figura 127, Figura 128 e Figura 129). Figura 126. Montagem final vista exterior Figura 127. Montagem final vista interior Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 83 Figura 128. Montagem final vista interior com tampa 1 Figura 129. Montagem final vista interior com tampa 2 Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 84 5. PROGRAMA DA PLACA DE DESENVOLVIMENTO No presente capítulo, são apresentadas as funções mais importantes do programa que efetua o controlo do hardware e possibilita o tratamento e apresentação de dados. É apresentado o fluxograma de controlo para o código da placa de desenvolvimento, bem como, a estrutura do programa, algumas das funções que o compõem e testes das mesmas. 5.1 Fluxograma de Controlo O fluxograma de controlo é apresentado na Figura 130. Figura 130. Fluxograma de controlo do programa Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 91 Na Figura 142 é possível ver alguns parâmetros da simulação. Figura 142. Parâmetros da simulação da geração de harmónicos O parâmetro “Time step” diz respeito ao período em que um valor é impresso no ecrã da onda mostrada. O “Total time” representa o tempo total da simulação. Com o inverso do “Time step” consegue-se calcular a frequência de impressão dos valores, através de: 1 0.00018181≈5500𝐻𝐻𝐻𝐻. Também é possível conhecer o número de valores mostrados na onda, dividindo o tempo total da simulação pelo intervalo de tempo a que cada valor é mostrado 0,37234688 0.00018181=2048. A onda de tensão do circuito é visível na Figura 143 e a respetiva FFT na Figura 144. Figura 143. Onda de tensão do circuito de geração de harmónicos Figura 144. FFT da onda de tensão do circuito de geração de harmónicos Nesta fase, são retirados os valores dos pontos da onda da Figura 143 e guardados numa variável no código da FFT, para se obterem resultados que possam ser comparados à Figura 144. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 92 Para os testes da FFT foram comparadas duas bibliotecas diferentes. Uma delas é das mais usadas para a realização de FFT em placas deste tipo. A outra era, inicialmente, uma biblioteca para o módulo ESP32 (um módulo da família ESP8266, usado neste projeto). De seguida, é efetuada uma revisão completa a esta última e realizadas as alterações necessárias, de modo a esta poder funcionar em conjunto com o ESP8266. O teste da primeira biblioteca é apresentado na Figura 145. Os dados foram retirados da placa e desenhados na ferramenta Excel. Figura 145. Teste da FFT, desenhado no Excel, da primeira biblioteca Como é visível, existe uma semelhança entre a forma da FFT da Figura 145 e a da Figura 144. Contudo, os valores das amplitudes não são próximos. Devido ao facto de esta operação ser pesada em termos de cálculos, é medido também o tempo de execução da FFT. O tempo total de execução para esta biblioteca é de 0,1395𝑁𝑁. Para a segunda biblioteca (a que foi alterada para o ESP8266), o respetivo teste é mostrado na Figura 146. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 93 Figura 146. Teste da FFT, desenhado no Excel, da biblioteca alterada Quando comparada com a da Figura 144, é possível ver que a forma da FFT é ainda mais semelhante em relação à da Figura 145. Os valores de amplitude são muito próximos aos da Figura 144. Além disso, o tempo de execução da FFT para esta biblioteca é de 0,02103𝑁𝑁, ou seja, quase 7 vezes mais rápida. Portanto, é escolhida a segunda biblioteca para a realização da FFT no código da placa. Surge também a necessidade de criar um algoritmo de FFT no programa MATLAB que permita testar a FFT dos valores reais. Para tal, usam-se os valores amostrados dos sensores (retirados da placa) para alimentar o programa do MATLAB. Com estes, é realizada a FFT que é, posteriormente, comparada com a FFT para os mesmos valores, feita pela placa. O código em MATLAB pode ser visto no Apêndice IV e o seu teste na Figura 147. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 94 Figura 147. Resultados da FFT em MATLAB Os resultados mostram a semelhança no formato da FFT, bem como, a proximidade nas amplitudes, quando comparados aos da Figura 144. Assume-se, então, que o programa funciona como pretendido. Validados os algoritmos de realização da FFT, procede-se ao teste com os valores reais obtidos pelo ADC. A Figura 148 representa os valores lidos do sensor de tensão e a Figura 149 os valores do sensor de corrente. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 95 Figura 148. Valores do canal do ADC, desenhados no Excel, do sensor de tensão para o teste da FFT Figura 149. Valores do canal do ADC, desenhados no Excel, do sensor de corrente para o teste da FFT As FFT criadas pela placa, para os valores anteriores, apresentam-se na Figura 150 e Figura 151, respetivamente. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 96 Figura 150. FFT, desenhada no Excel, pela placa para a tensão Figura 151. FFT, desenhada no Excel, pela placa para a corrente Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 97 Para comparar a FFT realizada pela placa com a realizada pelo MATLAB, usa-se o código elaborado no MATLAB do Apêndice IV. Os valores de entrada são os mesmos usados pela placa para a realização da sua FFT. O resultado disto encontra-se na Figura 152 e Figura 153. Figura 152. Valores da FFT pelo MATLAB para a tensão Figura 153. Valores da FFT pelo MATLAB para a corrente Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 98 Quando comparada a Figura 150 à Figura 152 e a Figura 151 à Figura 153, pode comprovar-se a semelhança na forma e nas amplitudes das FFT. Evidencia-se, assim, o bom funcionamento do algoritmo da FFT no código da placa. O código que faz o tratamento da FFT (não o algoritmo que a calcula) pode ser visto no Apêndice II. 5.7 Distorção Harmónica Total Para o cálculo da distorção harmónica total, ou DHT, usa-se o valor da amplitude da onda à frequência fundamental e os valores de amplitude das frequências múltiplas ímpares, obtidos pela FFT. A função de código do Apêndice II filtra os harmónicos múltiplos ímpares. São estes os valores usados para o cálculo da DHT. O resultado deste algoritmo quando aplicado no teste do secador no seu nível de potência máximo pode ser visto na Figura 154 e Figura 155. Figura 154. Amplitudes das frequências múltiplas ímpares para a tensão do secador na potência máxima Figura 155. Amplitudes das frequências múltiplas ímpares para a corrente do secador na potência máxima Para a máquina de costura, o resultado do algoritmo referido encontra-se na Figura 156 e na Figura 157. Figura 156. Amplitudes das frequências múltiplas ímpares para a tensão da máquina de costura Figura 157. Amplitudes das frequências múltiplas ímpares para a corrente da máquina de costura Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 99 A função usada para o cálculo da DHT é: //Função da classe calculations void calculations::calculateDHT() { //Variável auxiliar para guardar o valor rms float pot = 0; //Ciclo que faz a soma dos quadrados e recebe o tamanho da classe for(int i = 2; i < magdhtsize; i=i+2) { pot = pot + pow(magdht[i], 2); } //Faz a raiz quadrada pot = sqrt(pot); //Divide pelo valor da amplitude à frequência fundamental e coloca em percentagem pot = pot/magdht[0]*100; //Guarda na variável da classe o valor dht this->dht = pot; //Mostra no monitor o valor de DHT e RMS Serial.println(""); Serial.println("Distorcao harmonica total " + grandeza + ": " + String(dht, 3)); Serial.println("Valor RMS " + grandeza + ": " + String(rms, 3)); } Os resultados da DHT para o secador com a potência no máximo aparecem na Figura 158 e Figura 159. Figura 158. DHT da tensão para o secador no nível máximo Figura 159. DHT da corrente para o secador no nível máximo Para a máquina de costura, os resultados da DHT estão na Figura 160 e na Figura 161. Figura 160. DHT da tensão para a máquina de costura Figura 161. DHT da corrente para a máquina de costura Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 100 Se for realizado o cálculo manual das DHT com base nos valores da Figura 154, Figura 155, Figura 156 e Figura 157, obtêm-se os valores da Figura 158, Figura 159, Figura 160 e Figura 161, respetivamente. Logo, o cálculo da DHT funciona corretamente. 5.8 Envio para a Escrita na Base de Dados Quando todos os dados estão calculados, são de seguida enviados para um servidor e guardados, por este, numa base de dados. A função que trata desse envio é: //Função que escreve na base de dados void WriteDatabase(String rmst, String magnitudet, String frequenciat, String dhtt, String grandezat, String rmsc, String magnitudec, String frequenciac, String dhtc, String grandezac, String potencia) { //Verifica o estado da ligação Wi-Fi if(WiFi.status() == WL_CONNECTED) { //Cria novo cliente Wi-Fi WiFiClient wifi; //Cria novo cliente HTTP HTTPClient http; //Inicia com o caminho indicado http.begin(wifi, serverName); //Especifica o tipo de conteúdo que vai no header http.addHeader("Content-Type", "application/x-www-form-urlencoded"); //Prepara os dados da request HTTP POST String httpRequestData = grandezat + "rms=" + rmst + "&magnitude" + grandezat + "=" + magnitudet + "&frequencia" + grandezat +"=" + frequenciat + "&" + grandezat + "dht=" + dhtt + "&" + grandezac + "rms=" + rmsc + "&magnitude" + grandezac + "=" + magnitudec + "&frequencia" + grandezac +"=" + frequenciac + "&" + grandezac + "dht=" + dhtc + "&unidade=" + WiFi.macAddress() + "&potencia=" + potencia; //Imprime a informação do pedido Serial.println(""); Serial.print("Dados da request HTTP: "); Serial.println(httpRequestData); //Envia a request HTTP POST int httpResponseCode = http.POST(httpRequestData); //Verifica se a request foi bem sucedida if(httpResponseCode > 0) { Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 107 Na sua composição existe uma grandeza como chave primária, um número de unidade como chave primária e estrangeira, a amplitude, a frequência e a data como chave primária e serve para guardar os valores FFT. 6.1.11 Tabela “DHT” A Figura 172 mostra a tabela “DHT”. Figura 172. Tabela da base de dados "DHT" Esta contém uma grandeza como chave primária, um número de utilizador como chave primária e estrangeira, um valor e uma data como chave primária e o seu propósito é guardar os valores DHT. 6.1.12 Tabela “Potencia” Na Figura 173 é visualizada a tabela “Potencia”. Figura 173. Tabela da base de dados "Potencia" Nesta existe um número de unidade como chave primária e estrangeira e um valor e uma data como chave primária. É aqui que se guardam os valores de potência eficaz para o cálculo da energia consumida e custo associado a esta. O algoritmo em PHP ( HyperText Preprocessor ), do lado do servidor, que recebe os valores da placa de desenvolvimento e faz o seu tratamento encontra-se no Apêndice V. 6.2 Website No presente subcapítulo é apresentada a plataforma para complementar o hardware . Este último é, daqui em diante, referido como unidade de aquisição de consumos de energia elétrica ou, simplesmente, unidade de aquisição. Esta plataforma toma a forma de um website , que pode ser acedido através de Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 108 um computador ou dispositivo móvel. Para o efeito, são utilizados um servidor (máquina virtual com o sistema operativo Ubuntu que é a mesa da base de dados), a linguagem de marcação HTML ( HyperText Markup Language ), a linguagem de estilos CSS ( Cascading Style Sheets ) e as linguagens de programação JavaScript, PHP, Python e Bash. O logotipo criado para o website é o da Figura 174. Figura 174. Logotipo 6.2.1 Página inicial Acedendo ao website, é apresentada a página inicial (Figura 175). Figura 175. Página inicial website É aqui que se pode criar um novo utilizador (Figura 176). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 109 Figura 176. Novo utilizador Importa referir que, este formulário, previne erros de envio e não avança com o pedido enquanto todos os campos não estiverem preenchidos e as palavras-passe forem iguais (Figura 177). Em caso de sucesso, envia uma mensagem para o e-mail do website . Figura 177. Novo utilizador exemplo de erro A palavra-passe passa por um algoritmo de dupla encriptação no lado do utilizador. O resultado deste algoritmo é enviado no pedido e guardado na base de dados. A palavra-passe do utilizador não passa pela web , ficando assim mais protegida. O algoritmo desenvolvido, recorrendo à ferramenta Notepad++, é: Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 110 $password = trim($_POST['password']); $hashPassword = password_hash(md5($password), PASSWORD_DEFAULT); Após definidas as credenciais de acesso, é possível entrar no website (Figura 178). Figura 178. Entrar na página Nesta fase, existe também deteção de erros (Figura 179). Figura 179. Entrar exemplo de erro 6.2.2 Página principal A página principal é visível na Figura 180. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 111 Figura 180. Página principal exemplo Aqui, são apresentadas algumas informações tais como, o consumo total diário (em kWh), o preço associado (€) e o consumo instantâneo (W ou, caso o valor seja superior ou igual a 1000W, kW). 6.2.3 Consumos A estrutura dos “Consumos” pode ser vista na Figura 181. Figura 181. Estrutura "Consumos" Quando se acede à opção “Consumos”, é apresentada uma página geral com algumas informações diárias (Figura 182). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 112 Figura 182. Página geral "Consumos" Aqui percebe-se intuitivamente o peso dos consumos das unidades de aquisição no consumo total. É igualmente possível ver os gastos (€) por unidade e o seu valor específico de consumo (kWh), passando o cursor numa das secções do gráfico (Figura 183). O conjunto de funções que calculam valores de consumo e custo diários, o código correspondente aos estilos da página e à apresentação da mesma e as funções que desenham o gráfico e apresentam os valores do custo são apresentados no Apêndice VI. Figura 183. Consumo por unidade Existe ainda a possibilidade de se fazerem consultas de consumos das unidades de aquisição, acedendo à opção “Consulta” (Figura 184). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 113 Figura 184. Página "Consulta" Nesta página pode ser escolhido um período de tempo selecionando duas datas, para o qual se mostra o consumo e o custo por unidade. Existe também uma opção para descarregar a tabela em alguns formatos convenientes (Figura 185). Um exemplo desta funcionalidade é mostrado no Apêndice VII. Figura 185. Menu da página "Consulta" 6.2.4 Qualidade de energia Nesta secção são mostrados alguns indicadores de qualidade de energia. Estes correspondem aos valores da DHT e FFT e a sua estrutura pode ser vista na Figura 186. Figura 186. Estrutura "Qualidade de energia" Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 114 Na página “Distorção Harmónica Total” (Figura 187), escolhendo uma unidade (Figura 188) é são mostradas informações relativas à DHT. Figura 187. Página "Distorção Harmónica Total" Figura 188. Menu de seleção da página "Distorção Harmónica Total" Para o dia, mês e ano selecionados, é feita uma média das DHT. No caso da tensão, a DHT média calculada é comparada ao valor de 5%, pois, de acordo com [54], a DHT calculada não deverá exceder os 4%. Porém, o valor 5% é um valor mais apropriado a este contexto específico e à forma como os valores da DHT são obtidos (para pequenos períodos de tempo e não para períodos de 600𝑁𝑁 como em [54]). A página “Análise do Espectro Harmónico” pode ser vista na Figura 189 e Figura 190. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 115 Figura 189. FFT de tensão na página "Análise do Espectro Harmónico" Figura 190. FFT de corrente na página "Análise do Espectro Harmónico" Após selecionar uma unidade, uma grandeza e uma data, surge a FFT da combinação selecionada. Existem também opções para descarregar a FFT em alguns formatos convenientes (Figura 191). Figura 191. Menu da página "Análise do Espectro Harmónico" Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 116 6.2.5 Controlo remoto Nesta secção é evidenciada a possibilidade do controlo remoto (ligar ou desligar) das unidades de aquisição, seja por agendamento ou no imediato. A sua estrutura é apresentada na Figura 192. Figura 192. Estrutura "Controlo Remoto” A opção “Agendar” permite fazer um novo agendamento ou remover um agendamento feito previamente. Em “Novo Agendamento” é possível marcar um agendamento para uma unidade de aquisição, como é visível na Figura 193. Figura 193. Página "Novo Agendamento" escolher unidade Após escolher uma unidade, é necessário selecionar a ação pretendida para a mesma (Figura 194). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 123 Figura 206. Página "Inserir Unidade" erro Também é exequível a remoção de uma unidade, em “Remover Unidade” (Figura 207 e Figura 208). Figura 207. Página "Remover Unidade" Figura 208. Página "Remover Unidade" remover unidade Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 124 Na secção “Tarifas” pode alterar-se o tipo de tarifa elétrica e modificar os valores conforme o valor real da fatura do utilizador (Figura 209). Basta selecionar o tipo de tarifa que se pretende, (Figura 210) e mudar os valores na tabela. Figura 209. Página "Tarifas" com exemplo de tarifa simples Figura 210. Página "Tarifas" opções Na Figura 211 e Figura 212 é possível ver mais algumas opções de tarifas elétricas. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 125 Figura 211. Página "Tarifas" com exemplo de tarifa bi-horária semanal Figura 212. Página "Tarifas" com exemplo de tarifa tri-horária semanal Os valores que aqui se podem inserir, são utilizados para o cálculo dos gastos em euros. A página “Reset” serve para reiniciar as definições da placa, tais como as credenciais Wi-Fi (Figura 213). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 126 Figura 213. Página "Reset" É necessário selecionar a unidade que se presente e reiniciar (Figura 214). Figura 214. Página "Reset" reset unidade Caso não seja possível estabelecer a ligação à unidade pretendida, é mostrada uma mensagem a alertar para tal situação (Figura 215). Figura 215. Página "Reset" erro de ligação 6.2.7 Sobre A página “Sobre” é uma página acessória que contém um e-mail de contacto e um formulário (Figura 216). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 127 Figura 216. Página "Sobre" Este website está ainda dotado de um botão para encerrar a sessão e também um sistema de notificações (Figura 217). Figura 217. Sistema de notificações As notificações servem para indicar quando um agendamento foi feito e para mostrar um resumo do dia anterior, a cada primeira visita de um novo dia. Selecionando nos detalhes, aparecem o dia e hora a que a notificação foi criada (Figura 218). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 128 Figura 218. Sistema de notificações com detalhes Como nota orientativa, para uma primeira utilização de uma unidade de aquisição e do website , os passos devem ser os seguintes: 1. Configurar a ligação Wi-Fi (5.4); 2. Criar uma conta no website (6.2.1); 3. Registar a unidade (6.2.6); 4. Definir as tarifas (6.2.6); 5. Ligar a unidade ou agendar para esta se ligar (6.2.5). Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 129 7. CONCLUSÃO E TRABALHO FUTURO Neste capítulo são apresentadas as principais conclusões retiradas do desenvolvimento desta dissertação, bem como, as dificuldades que se experienciaram no decorrer da mesma. O trabalho que ficou por desenvolver e possíveis melhorias que podem ser implementados no futuro são também aqui referidos. 7.1 Conclusões O objetivo desta dissertação foi desenvolver um sistema de monitorização remota para consumos de equipamentos. Para tal, tornou-se necessário perceber como são compostos e como funcionam estes sistemas. O entendimento de como operam estes sistemas permitiu levantar as especificações de sistema para o sistema de monitorização em questão. Tendo por base as especificações do sistema e com as escolhas dos sensores de tensão e corrente, foram selecionados os componentes necessários com os parâmetros mais adequados para o projeto. A escolha da placa foi determinante na medida em que era necessário escolher uma que tratasse do controlo do hardware , tratamento dos dados e envio dos mesmos por Wi-Fi, e que ao mesmo tempo tivesse uma relação equilibrada entre custo, eficiência enérgica e desempenho. Devido ao facto de a placa escolhida ter só um canal de ADC e serem necessários dois (um para o sensor de tensão e outro para o sensor de corrente), foi necessário recorrer a um ADC externo. A escolha de uma placa com um só canal de ADC foi feita conscientemente, pois, com um ADC externo de baixo custo e pouco consumo de energia, é possível obter-se uma resolução bastante superior e maior rapidez de leitura. Para apresentação dos valores localmente recorreu-se a um LCD. Este permite visualizar a informação retirada num dado momento, numa dada unidade do sistema de monitorização. A informação é apresentada na forma de valores numéricos calculados através de fórmulas matemáticas e algoritmos. O controlo remoto foi possível com auxílio de um relé. Este é controlado pela placa de desenvolvimento, que por sua vez, é comandada por um utilizador via Wi-Fi . Recorreu-se a um regulador de tensão pela necessidade de se obterem certos níveis de tensão inferiores, dos até então necessários, em sítios específicos do hardware . Este regulador usa um nível de tensão superior para obter uma tensão inferior. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 130 Foram utilizados AMPOP para o circuito de condicionamento de sinal. Este circuito permitiu obter as modificações necessárias ao sinal de saída dos sensores de tensão e corrente, de forma a estes poderem ser usados pelo ADC externo. À saída dos sensores existe um sinal alternado de tensão, cujos valores máximos absolutos podem atingir valores acima do máximo aceite pelo ADC. Este, além de ter um valor máximo estipulado, só aceita valores positivos. Daí surgiu a necessidade do uso do circuito de condicionamento de sinal. Com este, os valores à saída dos sensores são alterados, de forma a ficarem somente positivos e dentro do valor máximo permitido pelo ADC. Após a escolha de todos os componentes envolvidos no hardware do sistema, foi possível fazer uma análise ao consumo de corrente do mesmo. De acordo com esta análise e com as necessidades de tensão dos componentes, selecionou-se um conversor AC / DC que funcionou como fonte de alimentação para o projeto. Por forma a serem evitados alguns problemas associados ao uso de uma breadboard (como fios ou componentes soltos, o uso excessivo de espaço e peso ou a possibilidade existirem curto-circuitos e maus contactos), foi desenhada uma PCB para o circuito de condicionamento de sinal e ADC. Contudo, esta não foi implementada. De seguida, foi efetuada uma simulação completa ao hardware do sistema. Esta teve como objetivo verificar o comportamento do sistema, bem como, apurar se os valores para os componentes estavam bem determinados. Com os resultados obtidos na simulação, passou-se à montagem do hardware . Foram realizados testes que culminaram numa análise comparativa com as simulações acima referidas. Com isto, foi possível comprovar o bom funcionamento do hardware . Desenvolveu-se o fluxograma de controlo do programa da placa de desenvolvimento e a escrita do seu código e realizaram-se testes aos diferentes módulos do mesmo. Alguns destes módulos são a configuração para a ligação a uma rede WiFi , os cálculos dos valores e o envio destes para um servidor para a escrita numa base de dados. De forma a tornar exequível a apresentação e tratamento dos valores calculados pela placa, surgiu a ideia de criar uma plataforma digital. Para tal, foi necessário selecionar a forma como estes valores seriam armazenados para alimentar esta plataforma, optando-se pelo uso de uma base de dados. A plataforma tomou a forma de um website , cujas funcionalidades são: registar um novo utilizador; registar uma unidade do sistema de monitorização sob um nome pretendido; ver e consultar informações sobre consumos energéticos das várias unidades de monitorização bem como os seus gastos em euros correspondentes; ver alguns indicadores de qualidade de energia; fazer um controlo remoto imediato numa unidade escolhida ou fazer o seu agendamento; adicionar, remover ou reiniciar unidades e definir Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 131 os valores da tarifa para o cálculo do custo, em euros, da energia consumida. Existe ainda um sistema funcional de notificações que apresenta algumas informações úteis ao utilizador. Em conclusão, este projeto permitiu desenvolver um sistema de monitorização remoto de consumo dos equipamentos cumprindo com os objetivos previamente estipulados. As principais dificuldades sentidas ao longo do projeto estão relacionadas com a escolha mais adequada de alguns componentes e com a reestruturação de algumas bibliotecas, para que estas pudessem ser usadas com a placa de desenvolvimento em questão. 7.2 Trabalho Futuro Como perspetiva futura de trabalho, existem algumas tarefas que ficam por fazer e melhorias que podem ser realizadas. Uma destas passa pela avaliação da possibilidade de escolha de sensores que ocupem menos espaço, que tenham um custo menor e que sejam mais eficientes a nível energético. Faltou ainda concluir a PCB para o condicionamento de sinal e ADC, bem como a sua impressão e soldagem dos componentes. Uma outra sugestão futura é desenhar uma PCB única que englobe todos os componentes e realizar a sua implementação de forma a poupar o máximo espaço possível. Com isto, seria possível também escolher uma caixa de aparelhagem mais pequena. Poderiam ter sido elaboradas também alterações ao website de forma a integrar os valores de potência aparente, fator de potência e frequência fundamental. Em conclusão, as tarefas e melhorias passam por reduzir o consumo de energia, o custo e o espaço ocupado. Sistema de Aquisição e Consulta de Consumos de Energia Elétrica 132 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] B. Bolin, A history of the science and politics of climate change: The role of the intergovernmental panel on climate change , 1st ed. Cambridge University Press, 2007. [2] K. S. K. Weranga, S. Kumarawadu, and D. P. Chandima, Smart Metering Design and Application , 1st ed. Springer, 2014. [3] D. B. Avancini, J. J. P. C. Rodrigues, S. G. B. Martins, R. A. L. Rabêlo, J. Al-Muhtadi, and P. 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