BR102019018403A2 - Sensor de corrente elétrica de precisão 5% para extensa faixa de valores entre 0,03 e 63 amperes - Google Patents

Abstract

a presente invenção diz respeito a um sensor de corrente elétrica, com precisão de até 5% com capacidade de operação nas faixas de corrente 0,03 até 63 amperes. sua principal vantagem está na possibilidade de se fazer leitura de correntes muito baixas e de correntes altas, no mesmo sensor. esta característica não é encontrada nos medidores comerciais, que frequentemente precisam de dois ou mais sensores para o range apresentado.

Description

SENSOR DE CORRENTE ELÉTRICA DE PRECISÃO 5% PARA EXTENSA FAIXA DE VALORES ENTRE 0,03 E 63 AMPERES Campo Técnico

001 A presente invenção diz respeito a a um SENSOR DE CORRENTE ELÉTRICA, PARA AS FAIXAS DE VALORES ENTRE 0,03 E 63 AMPERES, COM PRECISÃO DE 5%. Este sensor (SC-0,03a63A-5%) faz a medida (leitura) da corrente elétrica presente em um condutor de energia (fio), podendo ser utilizado em vários dispositivos de monitoramento de consumo.

002 Os medidores comerciais de corrente elétrica de uma instalação residencial, comercial ou industrial de baixa tensão (até 380 Volts) obtêm precisão menores de 5,0% somente em estreitas faixas de valores de corrente elétrica, por exemplo, de 0 a 5 A ou 10 a 63 A. Portanto, os medidores comerciais não conseguem medir um valor de 63 A e um valor de 0,03 A, com a mesma precisão.

003 Falta nesses medidores, um sensor que possa alcançar esta precisão, nesta larga faixa. O sensor (SC-0,03a63A-5%) oferece uma precisão de até 5% na faixa de corrente elétrica que vai de 0,03 a 63,0 Amperes. Não temos conhecimento de medidor comercial que atua nesta faixa com esta precisão.

004 Esta necessidade de medição comercial de corrente elétrica, nesta precisão e abrangente faixa de valores, surge com o avanço da internet das coisas e a possibilidade de detectar quais os aparelhos elétricos estão ligados em uma instalação, seja residencial, comercial ou industrial de baixa tensão. Portanto, este problema não era muito comum até o ano 2000. Até próximo deste ano, para medir correntes elétricas com esta precisão era necessário um laboratório ou instalações e equipamentos de valor elevado. Nestes casos, o problema era resolvido com o uso de vários medidores, de precisão e de faixa mais estreita, ligados em paralelo. Nesta configuração, como exemplo, três medidores, fabricados para a faixa de 0 a 21 A, com 5 % de precisão, são utilizados para obter valores de corrente elétrica de até 63 A (3x 21A).

Estado da Arte

005 O estado da arte de produtos comerciais, trabalhos acadêmicos e patentes com alguma similaridade com sensor (SC-0,03a63A-5%) será explorado nas próximas linhas. O produto comercial mais parecido com sensor (SC-0,03a63A-5%) é o transformador de corrente, conhecido no meio eletrotécnico como TC. Há diversos tipos de TCs e há vários fabricantes nacionais e importados. Há TCs que são utilizados desde pequenos valores de corrente, como milésimos de Amperes até TCs para uso em milhares de Amperes. Ao colocar a palavra transformador de corrente em sites de busca como o Google, por exemplo, serão apresentados várias opções. Entretanto, não será encontrado nenhum produto comercial para uma larga faixa de valores como a faixa para qual o sensor (SC-0,03a63A-5%) foi concebido: de 0,03 A até 63 A. Isto somente seria possível integrando vários TCs e ainda construindo uma placa condicionadora de sinais apropriada. É isto que o sensor (SC-0,03a63A-5%) faz com três dos cinco toróides. Entretanto, não é somente isto. Com os outros dois ele consegue medir a tensão entre dois condutores e a corrente diferencial. Esta utilização de mais dois toróides não é usual. Por exemplo: a medida da corrente diferencial não é exigida em instalações residenciais, comerciais e industriais. Apenas há exigência normativa (NBR5410) para o uso de disjuntores acionados (desarmados) por corrente diferencial. Este Disjuntor Diferencial Residual (conhecido como DR) não mede a corrente diferencial, mas apenas desliga a energia quando a corrente diferencial ultrapassa um certo valor, normalmente próximo de 30 mA na maioria das instalações residenciais e comerciais. A principal justificativa para se conceber um sensor (SC-0,03a63A-5%) foi o avanço da internet das coisas. Ela está invadindo o universo do gerenciamento de cargas nas instalações residenciais, comerciais e industriais de baixa tensão. Neste universo, é prudente medir a corrente diferencial, pois ela fornece uma informação sobre a degradação gradual da isolação elétrica da instalação ou de algum equipamento ligado nela. Por esta razão, o sensor (SC-0,03a63A-5%) incorpora, além dos três toróides para medir a corrente de alimentação, este quarto toróide para medir a corrente diferencial. A função do quinto toróide é medir a tensão elétrica entre os dois condutores da instalação. A forma de ligação deste toróide é conhecida na eletrotécnica com transformador de potencial elétrico ou TP. A razão desta medida é um pouco mais sutil. É sabido que a tensão de alimentação fornecida pela concessionária possui limites mínimos e máximos estabelecidos pelo órgão regulador, no caso brasileiro, a Agência Nacional de Energia Elétrica, ANEL. Esta tensão elétrica pode variar em torno de 10% do valor nominal. Esta variação pode prejudicar a qualidade ou até mesmo inviabilizar o uso dos equipamentos que serão projetados para fazer a identificação das cargas que foram acionadas e desligadas na instalação. É necessário que o programador tenha uma tabela com os valores das formas de onda da tensão e da corrente de alimentação para fazer alguns cálculos e interações destes dados como, por exemplo, cálculo de seus valores médio e eficaz e da impedância da carga acionada ou desligada. A forma de onda é uma figura que mostra todos os valores de tensão (ou de corrente) obtidos pelo sensor em um determinado tempo transcorrido. As ferramentas matemáticas que o programador vai utilizar são de sua livre escolha e criatividade, mas o sensor (SC-0,03a63A-5%) vai fornecer os valores que geram a forma de onda destas duas grandezas físicas para que ele possa fazer as escolhas dos cálculos que lhe são convenientes.

006 Há na literatura mundial vários medidores e identificadores de cargas que utilizam toróides ou outros meios sensores para medir corrente e tensão elétrica. A precursora destas pesquisas que foi publicada como patente de invenção, já ultrapassa 20 anos de idade. A US4858141, NON-INTRUSIVE APPLIANCE MONITOR APPARATUS. é uma patente norte-americana do MIT, de 1989. Ela já previa o monitoramento não intrusivo de cargas ligadas a uma instalação e propôs um método para identificá-las. É possível que naquela ocasião não houvesse demanda a custo baixo, mas somente para grandes empresas. Por esta razão, possivelmente, os sensores não precisavam ser de baixo custo e compactos. A qualidade de pequenos e baratos microcontroladores eletrônicos para uso internet das coisas e também o uso crescente de painéis solares fotovoltaicos mudou este panorama. O uso destes painéis requer o uso racional da energia, evitando que sejam ligadas cargas ao mesmo instante, fazendo com que a capacidade de potência instantânea do conjunto de painéis seja ultrapassada. Este monitoramento de cargas, para um benéfico agendamento, só é possível e viável se as medidas das correntes sejam feitas em uma faixa tão larga quanto o sensor (SC-0,03a63A-5%). A seguir serão comentados outras publicações que estão relacionadas com o tema:

007 (EP0863596) Apparatus for waveform disturbance monitoring for an electric power system. Esta patente da empresa EATON CORP, de 1997 faz uso de sensores toroidais individuais e seus condicionadores de sinal para detector variações bruscas de tensão e corrente nas instalações elétricas. Não há na patente referida um indício de que utiliza um conjunto de sensores toroidais em cascata, como é o caso do sensor (SC-0,03a63A-5%). Certamente a grande limitação desta patente é a falta deste sensor. Com o uso do sensor (SC-0,03a63A-5%), o Apparatus for waveform disturbance monitoring for an electric power system ficaria muito mais eficiente.

008 (CN1655415) Distributed visible intelligent electricity consumption control management system. É uma patente chinesa de 2005 que visa gerenciar cargas em instalações elétrica por meio da internet. Possibilita a medição de tensões e correntes, bem como o acionamento e desligamento remoto de cargas. Da mesma forma que a anterior, ela seria mais eficiente nesta ação se utilizasse um sensor como o (SC-0,03a63A-5%). Não há na patente uma clara preocupação com a capacidade dos sensores medir correntes em faixas tão extensas.

008 (CN101763598) Electrical energy management system. Esta patente chinesa da Jiangsu University, é praticamente uma evolução da patente citada acima, incluindo sistema computacional com banco de dados e softwares de apoio a decisão. Da mesma forma que as anteriores, ela seria mais eficiente nesta ação se utilizasse um sensor como o (SC-0,03a63A-5%). Não há na patente uma preocupação com a capacidade dos sensores medir correntes em faixas tão extensas.

009 (CN103487625) Electric system transient waveform storage monitoring system and monitoring method thereof. Esta patente chinesa, da Heilongjiang Provincial Electric Power Science Research Inst., de 2013, já demonstra preocupação com a qualidade das aquisições e chega a sugerir a utilização conjugada de sensores de tensão e corrente elétrica. Também demonstra preocupação com o armazenamento das formas de onda como forma de obter dados para processamento e detectar eventos elétricos. Entretanto, em suas reivindicações, não propõe o uso de sensores de corrente em cascata para atingir uma faixa maior de valores de corrente, o que é fundamental para uma boa qualidade da medida a empresa promete entregar.

010 (JP2003009430) METHOD AND APPARATUS FOR REMOTELY MONITORING ELECTRICAL DEVICE AND METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING POWER CONSUMPTION UTILIZING THE SAME. Esta patente da empresa japonesa CENTRAL RES INST OF ELECTRIC POWER IND., diferentemente das anteriores, já foi desenvolvida para identificar qual carga específica em uma instalação foi acionada e desligada. Mostra claramente que o uso das transformadas de Fourier podem ser uma das melhores ferramentas para identificação de cargas em uma instalação. Utiliza sensores de corrente e tensão, mas está focada no método de tratamento dos sinais medidos pelos sensores e não na construção dos sensores e sua facilidade de uso ou custo. Esta também é um patente, cujo aparato de hardware seria melhorado de forma significativa com a utilização do sensor (SC-0,03a63A-5%). Com nosso sensor, as transformadas de Fourier seriam mais precisas.

011 (KR1020110035087) POWER QUALITY MONITORING SYSTEM AND A POWER QUALITY MEASURING METHOD, CAPABLE OF MONITORING HARMONIC CORRESPONDING TO A POWER SYSTEM AT ALL TIMES. Esta patente Koreana, da empresa KOREA ELECTRIC POWER CORPORATION, de 2009 se aplica ao método de avaliar a qualidade de energia e não aos sensores. Da mesma forma que as demais, o sensor (SC-0,03a63A-5%) pode ser utilizado nesta patente para melhorar a qualidade dos dados de tensão e corrente coletados.

012 (KR1020120002291) POWER QUALITY MONITORING SYSTEM FOR CONTROLLING POWER QUALITY BY MONITORING THE HARMONIC WAVE GENERATING IN A POWER SYSTEM AND A MONITORING METHOD THEREOF. Idem a patente anterior, mas aperfeiçoa o método usando harmônicas da transformada de Fourier.

013 SISTEMA DE MONITORAMENTO DE CARGAS RESIDENCIAIS USANDO INFORMAÇÕES ON-OFF E MODELOS DE CONSUMO. Esta tese de doutorado do engenheiro eletricista Hader Aguiar Dias Azzini, de 2017, da Unicamp é mais um trabalho de pesquisa inédito que aplica técnicas para alcançar o NonIntrusive Load Monitoring, ou monitoramento não intrusivo de cargas elétricas em uma instalação. Para que estas técnicas sejam eficazes, a qualidade da medição de corrente na faixa de 0,03 a 63 Amperes deve ser boa suficiente para que seja possível distinguir uma carga de outra. Este recente trabalho de doutorado mostra a tendência de surgirem trabalhos dedicados ao monitoramento de cargas, como uma das linhas de atuação da internet das coisas. Esta pesquisa brasileira pode ser melhorada com o uso do sensor (SC-0,03a63A-5%).

Sumário da Invenção

014 Este documento apresenta o invento de um sensor de corrente elétrica, com precisão de até 5% com capacidade de operação nas faixas de corrente 0,03 até 63 amperes. Sua principal vantagem está na possibilidade de se fazer leitura de correntes muito baixas e de correntes altas, no mesmo sensor. Esta característica não é encontrada nos medidores comerciais, que frequentemente precisam de dois ou mais sensores para o range apresentado.

Descrição das Figuras

015 Com o intuito de ilustrar e esclarecer o invento faz-se referencia ao desenho esquemático e ilustrativo anexo que integra e subsidia o presente relatório descritivo, e no qual se vê na Fig. 1, uma vista esquemática da invenção:

016 O sensor (SC-0,03a63A-5%) possui uma placa condicionadora de sinais (2); com acesso para o microcontrolador (5), onde entram a alimentação de tensão contínua e os pinos de saída do condicionador de sinais; nos bornes (1) é feita a entrada dos fios Fase e Neutro da rede elétrica a ser monitorada; a saída dos mesmos Fase e Neutro estão em (7). Em (4) está o transdutor responsável pela medição da tensão; os transdutores para medição da corrente estão em (3), e por fim, a corrente diferencial é obtida pelo transdutor (6).

Melhor Modo para Realização da Invenção “não limitativo”

017 A decisão de como o sensor (SC-0,03a63A-5%) será utilizado dependerá da programação do microcontrolador que o usuário escolher fazer. Normalmente, as correntes não excedem 63A nas instalações monofásicas, bifásica e trifásicas usuais. No Brasil as tensões variam dependendo das regiões, mas as mais usuais são 380/220 e 220/127 Volts. Nestes exemplos, a primeira tensão é a tensão entre as fases e após a barra o valor se refere a tensão entre fase e neutro. O sensor (SC-0,03a63A-5%) pode ser utilizado de forma flexível, podendo utilizar os cinco transdutores toroidais (3, 4 e 6) na forma mais adequada para a aplicação desejada. Entretanto, duas formas, explicadas a seguir são as mais usuais para servirem de exemplo. A primeira é o uso do sensor (SC-0,03a63A-5%) para facilitar o desenvolvimento de medidores de energia. A segunda usa o sensor (SC-0,03a63A-5%) para aplicações de percepção de acionamento e desligamento de cargas. Nestas duas aplicações, um dos transdutores toroidais é utilizado para medir a tensão entre dois condutores (4), podendo ser entre fases e entre fase e neutro. Outro toróide pode seu utilizado para medir a corrente diferencial entre fase e neutro (6) (ou entre duas fases) e os outros três toroídes (3) para medir as correntes nas três faixas: de 0,03 A a 1,0 A; de 1,0 A a 10 A e 10 A a 63 A.

Claims (1)

1. Sensor de corrente elétrica para faixas de valores entre 0,03 e 63 Amperes, com precisão de 5% - (SC-0,03a63a-5%) caracterizado por possuir, em um só aparto, cinco transdutores toroidais (3, 4 e 6) e um circuito eletrônico condicionador de sinais (2), com saldas de sinal para processamento (5), uma entrada fase e neutro (1) e uma saída para fase e neutro (7).

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