Instrumento para Medida Digital de Potência e Valor Eficaz de Corrente e Tensão Distorcidas

Prof. M.Sc. Eric Ericson Fabris

Trabalho realizado no Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia da UFRGS, dentro do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e dos Materiais - PPGEMM.
Vinculado ao Laboratório de Pesquisa e Desenvolvimento de Instrumentação - LPDI.

Porto Alegre, 1994.

Resumo:
Este trabalho descreve o projeto e a implementação do protótipo de um instrumento para medida digital da potência ativa e reativa e dos valores RMS da corrente e tensão, visando à utilização em sistemas elétricos monofásicos com sinais distorcidos. O instrumento propõe-se a medir tais grandezas com precisão melhor que 0,05% do fundo de escala para sinais de entrada cujos espectros estejam compreendidos entre 1 e 20.000 Hz.
Inicialmente, as definições das grandezas a serem medidas são estendidas para a situação em que os sinais não são senoidais (distorcidos). Em seqüência, são apresentadas a descrição e análise sucinta de algumas técnicas empregadas nas medidas destas grandezas, listando-se, ainda, as razões que levaram à adoção da abordagem digital com amostragem assíncrona dos sinais de tensão e corrente. Uma estrutura funcional baseada em técnicas de processamento digital de sinais é proposta, simulada e implementada, desenvolvendo-se, também, uma arquitetura eletrônica para a implementação do protótipo do instrumento. O resultado foi um instrumento de estrutura simples, robusto e de baixo custo.
Finalmente, são apresentados os resultados obtidos a partir da implementação efetuada, demonstrando que a precisão de 0,05% nas medidas do valor RMS é assegurada para toda a faixa desejada. Para as medidas de potência até 2 KHz foi obtido uma precisão de 0,05%. Acima dessa freqüência, os resultados não são conclusivos devido às incertezas dos padrões disponíveis no momento dos ensaios. Pode-se afirmar, entretanto, que a precisão nessa faixa é melhor que 0,2%.

Abstract:
The purpose of this work is to describe the design and implementation of an instrument for the measurement of active and reactive power and RMS values of current and voltage signals based on digital signal processing techniques. The instrument is designed to have an accuracy better than 0,05% FS for distorted (non-sinusoidal) signal of current and voltage in the spectrum of 1 to 20000 Hz.
First of all, the definition os power and RMS values for distorted signals are stated. Some techniques of power and RMS value measurement are listed and analyzed. A technique based on assyncronous sampling of the current and voltage signal is suggested. A functional structure and a hardware architecture for carrying out the adopted technique is proposed, simulated and implemented. the result of this implementation is a robust instrument of simple structure and low cost.
The results of the implementation are presented. For the measurements of the RMS value the accuracy is 0,05% FS over the range os frequencies of interest. The accuracy for power measurements is 0,05% FS up to 2 KHz. The results for frequencies greater than 2 KHz is not conclusive, because the uncertainties of the standards available during the calibration process mask those results. It is possible to state that the accuracy of these measurements is better than 0,2%.