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Contador de Energia Elctrica Trifsico

Andr Domingos Gomes

Dissertao para obteno do Grau de Mestre emEngenharia Electrotcnica e de Computadores

JriPresidente: Prof. Marcelino Bicho dos SantosOrientador: Prof. Pedro Miguel Pinto RamosCo-Orientador: Eng.o Joo Rosa DiasVogais: Prof. Antnio Joaquim dos Santos Romo Serralheiro

Novembro de 2012

Agradecimentos

Primeiro, quero agradecer aos meus pais por todo o apoio e motivao ao longo dos anos.

Agradeo ao Professor Pedro Ramos e ao Engenheiro Joo Rosa Dias pela disponibilidade, cons-

tante apoio e prontido de resposta durante as diversas fases da dissertao.

Agradeo a Joo Pina dos Santos pelos inmeros conselhos tcnicos e concedimento de acessos

aos laboratrios fora de horas.

Agradeo tambm aos meus colegas pela ajuda e companheirismo durante os longos anos de curso.

Um especial agradecimento ao Pedro Pinto pela enorme ajuda no fabrico de PCBs e outros aspec-

tos prticos da dissertao.

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Resumo

Nos dias de hoje, o mercado de produo e de distribuio de energia elctrica atingiu um nvel

de complexidade que requer sistemas de medio de baixo custo e baixo consumo energtico. Os

contadores electromecnicos tradicionais so muito limitados e esto a ser substitudos por contadores

electrnicos, os quais implementam de forma eficaz vrias funcionalidades como diferenciao entre

tarifas horrias, armazenamento de medies, proteco contra de falhas de energia, visualizao dos

dados armazenados e comunicao remota.

Este projecto consiste no desenvolvimento de um contador de energia elctrica trifsico para uso do-

mstico. Foi escolhido um circuito integrado especfico para medio de energia elctrica em sistemas

trifsicos de entre trs fabricantes, para o qual foram desenvolvidos circuitos analgicos de condiciona-

mento dos sinais de entrada a medir. Este integrado tambm a unidade central de processamento

do sistema que controla um ecr LCD, onde so exibidos menus automticos que podem tambm ser

percorridos atravs de interruptores, armazena dados numa memria Flash e implementa protocolos

de comunicao externa atravs de desacopladores pticos, porta srie e infravermelhos. O sistema

alimentado atravs de uma fonte AC/DC capacitiva obtida da prpria rede trifsica. Alm da fonte, o

sistema dispe de uma bateria, a qual entra em funcionamento na eventualidade de uma falha ener-

gtica e permite guardar as mais recentes medies. O sistema autnomo e dispe de proteces

contra alteraes dos valores medidos.

Palavras Chave

Contador de energia, Conversor Analgico-Digital (ADC), Amplificador Operacional(OPAMP), Micro-

controlador, Memria Flash, Comunicao Remota.

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Abstract

The electricity production and distribution market has reached such a complexity level that it requires

measurement systems with higher accuracy and lower power comsumption. Electromechanical watt-

hour meters are limited and are being replaced by electronic watt-hour meters, these not only reproduce

the same funcitionalities of electromechanical meters but also distinguish between hourly rates, store

measurement data, display it and transfer it through remote communication. All of this in a system

protected against power failures.

This project consists in the development of an electronic three-phase watt-hour meter. An integrated

circuit specific for energy metering on three-phase systems was chosen from three producers. For this IC

circuits for signal conditioning were developed to fit the signals being measured into the ADCs dynamic

range. This integrated circuit is also the systems central processing unit that controls an LCD display,

allows browsing through a menu with two switches, stores data in a flash memory and implements

remote communication protocols via optocouplers, serial port and infrared. The system is supplied by

an AC/DC capacitive power supply obtained from the three-phase network. In addition to the power

supply, the system features a rechargeable battery that keeps the system running in case of a power

failure allowing for the latest measurements to be saved. The system is autonomous and capable of

detecting attempts of tempering with the recorded data.

Keywords

Watt-Hour Meter, Analog to Digital Converter(ADC), Operational Amplifier (OPAMP), Microcontroller,

Flash Memory, Remote Communication.

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ndice

Agradecimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i

Resumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii

Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v

Lista de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi

Lista de Tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv

Lista de Acrnimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii

1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Motivao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Enquadramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Objectivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5 Potncia e energia elctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Estado da arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1 Contadores electromecnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Contadores Electrnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Conversores Analgico-Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4 Fonte de Alimentao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4.1 Fonte de alimentao com transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4.2 Fonte de alimentao Capacitiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.5 Sensores de Tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.6 Sensores de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 Arquitectura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1 Microcontrolador para contagem de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

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3.2 Condicionamento dos sinais de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2.1 Circuito de Condicionamento de Tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2.2 Circuito de condicionamento de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.3 Memria Flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3.1 Registo Peridico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3.2 Registo do Fecho de Facturao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3.3 Registo Histrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.4 Distribuio dos dados na memria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.4 Mostrador LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4.1 Menu principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4.2 Tarifrios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.5 Comunicao externa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.5.1 Comunicao RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.5.2 Comunicao por infravermelhos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.5.3 Comunicao por desacopladores pticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.6 Comunicao interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.6.1 Protocolo SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.6.2 Protocolo I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.7 Proteco contra fraudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.7.1 Abertura da caixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.7.2 Interferncias Electromagnticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.8 Bateria e circuito de carregamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4 Rotinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.1 Processo de segundo plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2 Processo de primeiro plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.3 Eliminar a componente DC dos sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45