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Elaborado por: Carlos Lopes; Eliseu Epalanga e Roberto Tembu
INTRODUÇÃO
Este trabalho trata o papel dos medidores de energia elétrica; o dimensionamento e montagem de um medidor de energia elétrica. Medidor de energia elétrica é um dispositivo ou equipamento eletromecânico e/ou eletrônico capaz de mensurar o consumo de energia elétrica. A unidade mais usada é kWh. Está presente na maioria de casas e habitações no mundo moderno. Pode ser ligado diretamente entre a rede elétrica e a carga (casa) ou através de transformadores de acoplamento de tensão e/ou corrente. Este tipo de ligação é comumente utilizado em indústrias e consumidores de média (13,8 kV a 34,5 kV) e alta tensão (69 kV a 230 kV). Seus erros podem variar de menos de 0,02% a até 2,00% em condições controladas (25ºC +/- 5ºC, tensão nominal e corrente nominal) e dependem da aplicação desejada. Nas residências são comumente utilizados medidores de classe 2 (erro relativo percentual de +/- 2,00 %).
Este trabalho vai demonstrar como dimensionar e montar um medidor de energia
elétrica.
1. ENERGIA ELÉTRICA DA GERAÇÃO À MEDIÇÃO
A energia é um ingrediente essencial do desenvolvimento socioeconômico e crescimento econômico (Goldemberg, 1998). A evolução, o crescimento e o desenvolvimento de um país estão diretamente relacionados à sua disponibilidade energética e as tecnologias desenvolvidas para sua utilização e as iniciativas governamentais, neste setor, foram fundamentais para o crescimento da disponibilidade energética, com a viabilização do surgimento das companhias de eletricidade, construções de usinas elétricas e de órgãos públicos vinculados ao setor energético. A energia elétrica é originada a partir da energia mecânica, eletromagnética ou química, proveniente de fontes hidráulica, térmica, solar, nuclear ou eólica, entre outras. Sua disponibilidade instantânea, sem odor ou sujeira, transportada em altíssima velocidade e, em muitos casos, vencendo imensas distâncias entre os pontos de geração e de uso, tornou-a essencial para o desenvolvimento industrial dos últimos séculos. Porém, uma vez criada, conta com uma grande desvantagem, que é a restrição ao seu armazenamento. O transporte, até o consumidor final, é realizado por empresas especializadas, que utilizam como meio as linhas de transmissão e de distribuição. Essa disponibilização, caracterizada como um serviço prestado ao consumidor final tem um preço, que é basicamente composto pelos custos associados à produção, ao transporte e à distribuição da energia elétrica. Os custos da produção/geração estão associados aos investimentos necessários à ampliação da oferta, aos custos de manutenção e operação, à opção energética, à vida útil e à capacidade dos empreendimentos. As empresas geradoras, no Brasil, em sua grande maioria, ainda são estatais e estão alocadas como provedoras regionais (Furnas, Eletronorte, Chesf),
fiscalização do cumprimento dessa regulamentação e do nível de qualidade com que essa atividade está sendo desenvolvida.
1.1. Medição de Energia
Mioduski (1982) explicita que “o homem não possui nenhum senso que possa ser usado na determinação quantitativa dos fenômenos elétricos. Logo, esses fenômenos devem ser traduzidos de modo que possam ser avaliados pelo experimentador, sendo o mais comum a observação visual”. Como conseqüência desta circunstância, utilizam-se os equipamentos de medição, que possuem sensores e elementos registradores. O primeiro medidor destinado à quantificação do consumo de energia elétrica conhecido foi desenvolvido e patenteado por Samuel Gardiner, em 1872. Tratava-se de um medidor de lâmpada-hora para aplicação em corrente contínua, que indicava o período que uma lâmpada permanecia acesa. Por ser uma carga conhecida, com corrente praticamente constante, o cálculo do consumo resumia-se ao produto do tempo ligado pela potência nominal da carga. A figura 1 representa o medidor de Samuel Gardiner. Figura 1 - Medidor de lâmpada-hora de Samuel Gardiner de 1872. Fonte: Dahle, 2009.
Em 1878, J.B. Fuller desenvolveu um medidor de lâmpada-hora para operação em corrente alternada, composto por um relógio cujo mecanismo de escape era acionado por um par de bobinas que vibravam à freqüência de alimentação, produzindo assim o avanço da contagem. Este medidor é exibido na figura 2. Figura 2 - Medidor Lâmpada-Hora de 1878, J.B. Fuller. Fonte: Dahle, 2009. O uso de medidores de lâmpada-hora mostrava-se eficiente apenas quando usados com cargas conhecidas que na maioria eram lâmpadas, deixando a desejar quando as cargas apresentavam variações de potência ao longo do período de operação. Entre 1878 e 1880, Edison desenvolveu o primeiro medidor de quantidade de eletricidade, em vez de quanto tempo o circuito ficou energizado. Tratava-se de um medidor químico, conforme pode ser visto na foto representada pela figura 3.
Duncan. Inicialmente construídos para a medição em circuitos monofásicos, foram logo adaptados à medição polifásica de energia. Modelos capazes de operar em sistemas de corrente contínua e alternada também foram desenvolvidos, permitindo a aplicação do instrumento a todos os sistemas de distribuição existentes.
1.2. Medidores Atuais
O medidor de energia elétrica do tipo indução é constituído dos seguintes componentes básicos:
- Elemento motor;
- Elemento móvel (disco);
- Ímã permanente (com a função de freio magnético);
- Registrador;
- Dispositivos de ajuste;
- Estrutura para montagem dos componentes. O elemento motor consiste de dois circuitos magnéticos com as respectivas bobinas de potencial e de corrente, cujos campos magnéticos resultantes são proporcionais à corrente e à tensão do circuito medido. Os fluxos resultantes das correntes que atravessam as bobinas de potencial e de corrente induzem correntes de Foucault no disco, feito de material condutor, que se encontra no entreferro. A interação das correntes induzidas no disco com os fluxos magnéticos das bobinas dá origem a quatro conjugados. O sentido da força eletromagnética, determinada pelo produto vetorial dos respectivos fluxos e corrente define o sentido da rotação do disco. O conjugado motor tem o valor maior que a fricção nos mancais e o atrito que o ar oferece ao disco em movimento. Assim, para um equilíbrio entre o conjugado motor e as rotações do disco, introduz-se um conjugado de restrição em forma de um ímã permanente, sendo proporcional à velocidade do disco e dependente do fluxo do ímã. O registrador em forma de ciclômetro ou ponteiros indica a energia medida, integrando e multiplicando pelas respectivas constantes. Schwendtner (1996) enfatiza que a utilização dos medidores eletromecânicos do tipo indução já dura aproximadamente 100 anos, havendo necessidade de modernização para
integração das tarifas de medição com outras funções associadas, como exemplo: medição de energia ativa e reativa, medição de importação e exportação, medição de demandas máxima e média, aplicação de diferentes estruturas tarifárias, perfil de consumo, etc., possibilitando maior confiabilidade e redução dos custos de produção, instalação e manutenção. A utilização dos equipamentos eletrônicos visa atender às mudanças estruturais no mercado de energia. Países como Estados Unidos, Reino Unido e Noruega, que trabalham com mercados desregulados, requerem novas técnicas de medição e com funções adicionais, para disponibilizar novos serviços aos consumidores e atender a novas estruturas tarifárias.
1.3. Sistemas de Medição e Leitura Utilizados
Atualmente, os sistemas de medição e leitura utilizados são:
- Medição distribuída;
- Medição distribuída com leitura centralizada;
- Medição distribuída com telemedição;
- Medição e leitura centralizada;
- Medições pré-pagas. Algumas características importantes de cada um desses sistemas são apresentadas a seguir.
1.3.1 Medição Distribuída:
O sistema de medição distribuída implica na instalação de equipamentos de medição individual, em cada unidade consumidora, e pode atender às classes de consumo residencial, comercial, industrial, poder público e serviço público. Este sistema é oriundo do início do processo de implantação dos serviços de distribuição de energia elétrica e exige a presença do leiturista para aquisição dos dados registrados de consumo e demanda, para as tratativas comerciais subsequentes do processo de faturamento e cobrança da concessionária.
e) Possibilidade de adiar a realização da instalação elétrica para o final da construção; f) Melhoria da condição mercadológica ( marketing ), por diferenciação e atratividade de um novo produto; g) Possibilidade de conexão do sistema de medição aos de automação em prédios “inteligentes”.
Concessionárias:
a) Compatibilidade com o atual sistema e procedimentos de coleta de dados de faturamento; b) Facilidade na padronização das instalações; c) Flexibilização e agilização na emissão de faturas; d) Redução do tempo de leitura dos medidores; e) Eliminação de erros na coleta das leituras e na entrada do sistema de processamento de faturas da empresa e fim dos erros de digitação, principalmente, no caso de leitura remota; f) Maior segurança contra fraudes, permitindo detectar e indicar irregularidades no local; g) Possibilidade de se implantar tarifas diferenciadas ao longo do dia (tarifa amarela); Busway – Barramentos blindados para alimentação elétrica. h) Disponibilidade de medição de grandezas elétricas: kW, kWh, kVAr, kVArh, kVA, FP, I, V, %THD (reativos com harmônicos programáveis); i) Acesso de forma remota ou local a todas as grandezas disponíveis, através de softwares. j) As principais desvantagens, perante o sistema convencional, são os maiores investimentos necessários e os custos envolvidos na qualificação do pessoal e na manutenção da tecnologia empregada. Geralmente, aplica-se este sistema às unidades consumidoras localizadas em shopping centers , prédios comerciais, residenciais e condomínios em geral.
1.3.3. Medição Distribuída com Telemedição:
A medição distribuída com telemedição caracteriza-se por um moderno sistema, utilizando-se de medidores eletrônicos sofisticados, onde as operações de leitura, suspensão do fornecimento e restabelecimento da energia elétrica podem ser realizadas de forma remota. A comunicação entre a concessionária e a unidade de medição pode ser realizada via rádio ou linha telefônica, possibilitando o agendamento de procedimentos de leitura, comunicação de falhas, detecção de fraudes, localização de perdas de energia e identificação de interrupções na rede. Esta tecnologia permite um grande avanço de qualidade e agilidade nos serviços, bem como a possibilidade de liberação dos dados de leitura em tempo real aos clientes, passando a disponibilizá-los, inclusive, o pagamento da fatura, via internet, caracterizando um diferencial de atendimento da concessionária a seus clientes. A principal desvantagem desse sistema fica por conta da ausência de inspeção física nas unidades de medição, sendo necessária a realização de visitas periódicas nas unidades, para garantir a confiabilidade dos dados e a segurança das instalações.
1.3.4. Medição e Leitura Centralizada
Este sistema tem por objetivo tornar a distribuição de energia elétrica eficiente e moderna, permitindo o total controle dos dados de consumo do consumidor e podendo eliminar parte das perdas comerciais e técnicas de energia, necessitando que seja efetuado um projeto de implantação para a integração ao sistema convencional. Este sistema pode ser empregado em qualquer agrupamento de unidades consumidoras, mas, geralmente, é utilizado para atender aos consumidores residenciais de baixa renda e instalado em áreas de grande concentração de ligações clandestinas. A medição e a leitura são realizadas de forma centralizada. Não há a presença física de um aparelho de medição localizado em cada unidade consumidora. Este sistema, na versão baixa renda, apresenta aspectos positivos e negativos, conforme segue:
cobrança considerada, exigindo, neste caso, a integração de acesso ao lançamento de débito em conta bancária do responsável pela unidade consumidora. Para viabilizar a funcionalidade do sistema, utilizam-se medidores eletrônicos, capazes de medir uma série de grandezas elétricas totalizadas por períodos de tempo, registrar faltas de energia e realizar atividades automáticas de desligamento e religamento de uma unidade consumidora, dependendo do crédito de energia disponível e/ou dos limites estabelecidos, permitindo avaliar a qualidade da energia fornecida e aumentar o controle sobre as unidades consumidoras.
1.4. TARIFAÇÃO
1.4.1 Definições e Conceitos
Por definição a potência é a capacidade de produção de energia por unidade de tempo enquanto energia é a capacidade de realizar algum trabalho ao longo do tempo.
Horário de Ponta:
O horário de ponta’ é o período de 3 (três) horas consecutivas exceto sábados, domingos e feriados nacionais, definido pela concessionária em função das características de seu sistema elétrico. Em algumas modalidades tarifárias, nesse horário a demanda e o consumo de energia elétrica têm preços mais elevados. O horário fora de ponta corresponde às demais 21 horas do dia.
Períodos:
Para efeito de tarifação, o ano é dividido em dois períodos, um período seco que compreende os meses de maio a novembro (7 meses) e um período úmido, que compreende os meses de dezembro a abril (5 meses). Em algumas modalidades tarifárias, no período seco o consumo tem preços mais elevados.
1.4.2 Modalidades Tarifárias e Tarifação
São duas as modalidades tarifárias. Os consumidores do Grupo B (baixa tensão) têm tarifa monômia, isto é, são cobrados apenas pela energia que consomem. Os consumidores do Grupo A tem tarifa binômia, isto é, são cobrados tanto pela demanda quanto pela energia que consomem. Estes consumidores podem enquadrar-se em uma de três alternativas tarifárias: Tarifação Convencional, Tarifação horo-sazonal Verde, ou Tarifação horo-sazonal Azul (compulsória para aqueles atendidos em tensão igual ou superior a 69 kV).
1.4.3 Classificação dos consumidores
Os consumidores são classificados pelo nível de tensão em que são atendidos. Os consumidores atendidos em baixa tensão, em geral em 127 ou 220 volts, como residências, lojas, agências bancárias, pequenas oficinas, edifícios residenciais e boa parte dos edifícios comerciais, são classificados no Grupo B. É o caso da maioria dos prédios públicos federais. O Grupo B é dividido em sub-grupos, de acordo com a atividade do consumidor. Os consumidores residenciais, por exemplo, são classificados como B1, os rurais como B2. Os consumidores atendidos em alta tensão, acima de 2300 volts, como indústrias, shopping centers e alguns edifícios comerciais, são classificados no Grupo A. Esse grupo é subdividido de acordo com a tensão de atendimento, como mostrado na tabela abaixo.
podem ser amplificadas para valores absurdos e a opção passa a ser a utilização de Filtro de dissintonia para correção destas harmônicas. Instalações elétricas em sua maioria possuem cargas indutivas. A principal característica das cargas indutivas é que elas necessitam de um campo eletromagnético para operar. Por este motivo, elas consomem dois tipos de potência elétrica: Potência ativa (kW) para realizar o trabalho de gerar calor, luz, movimento, etc. e Potência reativa (kVAr) para manter o campo eletromagnético, sendo que esta não produz trabalho útil, mas circula entre o gerador e a carga, exigindo do gerador e do sistema de distribuição de energia elétrica uma corrente adicional. A potência ativa e a potência reativa, juntas, formam a potência aparente (kVA). Quando a potência aparente é maior que a potência ativa, a concessionária precisa fornecer, além da corrente útil (ativa), uma corrente reativa. A relação entre as potências aparente (S), ativa (P) e reativa (Q) pode ser observada no triangulo que se segue abaixo. Figura 5 - Relação entre as potências aparente , ativa e reativa Fonte: http://www.eletrica.info/wp-content/uploads/2009/05/fatorpotencia.jpg: 06/ . Onde: Potência Ativa (KW): Potência realmente gasta em dispositivos que oferecem resistência, no circuito resistivo a tensão anda em fase com a corrente (V-I)=0º, e é expresso em KW. Potência Reativa (KVAr): Potência utilizada para a criação de campos magnéticos, necessário ao funcionamento de equipamentos industriais (motores, transformadores, reatores,
etc.), sendo expresso seu valor em Kvar, no circuito indutivo a tensão anda adiantada da corrente (V-I)=90º. Potência aparente (KVA): soma vetorial das potências ativa e reativa, ou seja, é a potência total absorvida pela instalação. Fator de potência: é a razão entre potência ativa e potência aparente. Em circuitos de corrente alternada (CA) puramente resistivos, as ondas de tensão e de corrente elétrica estão em fase, ou seja, mudando a sua polaridade no mesmo instante em cada ciclo. Quando cargas reativas estão presentes, tais como capacitores ou condensadores e indutores, o armazenamento de energia nessas cargas resulta em uma diferença de fase entre as ondas de tensão e corrente. Uma vez que essa energia armazenada retorna para a fonte e não produz trabalho útil, um circuito com baixo fator de potência terá correntes elétricas maiores para realizar o mesmo trabalho do que um circuito com alto fator de potência. Figura 6 - Ondas de tensão (V) e corrente (I) em fase. A carga possui característica resistiva (FP=1), Ângulo de fase φ=0°a resistiva (FP=1). Ângulo de fase φ=0°a resistiva (FP=1). Ângulo de fase φ=0°a resistiva (FP=1). Ângulo de fase φ=0° Fonte: http://www.eletrica.info/fator-de-potencia-o-que-e: 05/ Usualmente as concessionárias não são autorizadas a cobrar a energia reativa dos consumidores do Grupo B mesmo quando o limite é excedido. Esse panorama pode mudar em breve, mas o fato é que a cobrança, em geral, é encontrada apenas nos consumidores do Grupo A. O limite de energia reativa é indicado de forma indireta, através do fator de potência. De acordo com a Resolução 456, as instalações elétricas dos consumidores devem ter um fator de potência não inferior a 0,92 (reativo ou indutivo).
consumidora. É o chamado custo de disponibilidade, presente nas tarifas aplicáveis ao faturamento de unidades consumidoras atendidas em baixa tensão de fornecimento.
2 TRANSMISSÃO POR RF DO SINAL
Com o intuito de melhorar os serviços de medição do consumo de energia, economia do tempo emprego para leitura dos medidores por parte dos funcionários das companhias elétricas e, a consequente redução de certos custos, surgiram algumas tecnologias que facilitaram e melhoraram muito o gerenciamento da energia, envolvendo mais os consumidores nesse processo, dando mais opções à estes que lhes facilitam o controle da equação de fornecimento-demanda. Uma dessas soluções foi a criação de redes, sem fio, de baixo custo, fornecendo um sistema de comunicação que permite acompanhar, quase que de forma instantânea, os valores do consumo de energia de estão a ser registados nos medidores, facilitando o controle sobre ele. Essas redes estão a ser criadas com o chamado padrão Zigbee , que por ser um padrão aberto ( open standard ) tem ganhado grande notoriedade da indústria moderna, por isso, muitas delas estão produzindo dispositivos com ZigBee incluso, e a norma técnica está em rota para se tornar um padrão ( standard ) para automação residencial e de controle de rede elétrica. Em 2002 a necessidade de uma tecnologia de HAN ( home área network ) de baixo custo e banda estreita, levou um grupo de fabricantes e comerciantes a implementar a norma IEEE 802.15.4. Eles deram ao grupo o nome de ZigBee Alliance , provavelmente porque a implementação do 802.15.4 permite aos dispositivos comunicarem-se uns com outros – na forma e roteamento de sinais – de forma similar a abelhas que voam aparentemente de modo randômico para informar a outras abelhas sobre o caminho e a distância para encontrar pólen. Este modo de configuração de rede permite a dispositivos com ZigBee a encontrar outros dispositivos, de forma apropriada ( ad hoc ), automática e configurar uma comunicação fim-a-
