Instalatia Electrică Aferentă Clădirilor Moderne

INSTALAȚIA ELECTRICĂ AFERENTĂ CLĂDIRILOR MODERNE

Cuprins

1. Introducere 3

1.1 Tema de proiectare 3

1.2 Generalități 4

1.3 Aspecte teoretice 6

1.4 Clădire inteligentă 9

2. Elemente de calcul și dimensionare a instalațiilor electrice 11

2.1 Măsurarea energiei 11

2.2 Dimensionarea instalațiilor electrice de joasă tensiune 11

2.3 Determinarea puterii instalate pentru circuite și coloane 11

2.3.1 Determinarea puterii de calcul pentru circuitul fazei R – parter 12

2.3.2 Determinarea puterii de calcul pentru circuitul fazei S – parter 13

2.3.3 Determinarea puterii de calcul pentru circuitul fazei T – parter 13

2.3.4 Determinarea puterii de calcul pentru circuitul fazei R – etaj 14

2.3.5 Determinarea puterii de calcul pentru circuitul fazei S – etaj 14

2.3.6 Determinarea puterii de calcul pentru circuitul fazei T – etaj 15

2.4 Determinarea curenților de calcul 16

2.5 Alegerea secțiunii conductoarelor și cablurilor electrice 18

2.6 Proiectarea circuitelor de iluminat 21

3. Elemente de automatizare pentru „smart house” 25

3.1 Sisteme de automatizare 25

3.2 Microcontrolere 27

3.3 Arduino 30

3.4 Realizări practice – „Macheta” 32

3.4.1 Arduino Mega 2560 33

3.4.2 Senzor de distanță 34

3.4.3 Tastatura 35

3.4.4 Display 36

3.4.5 Senzor de temperatură LM35DZ 37

3.4.6 Celula fotovoltaică 38

3.4.7 Acumulatori Ni-MH 39

3.4.8 Senzorul de curent ACS712 40

3.4.9 Software Design 41

4. Concluzii și dezvoltări ulterioare 44

4.1 Concluzii 44

4.2 Contribuții personale 44

4.3 Dezvoltări ulterioare 45

Bibliografie 47

Anexa 1

Anexa 2

Anexa 3

Anexa 4

Anexa 5

Anexa 6

Anexa 7

Anexa 8

Anexa 9

Anexa 10

Anexa 11

Anexa 12

Anexa 13

1. Introducere

1.1 Tema de proiectare

Lucrarea de față conține instalațiile electrice pentru obiectivul: imobil cu 1p+1e cu destinația „Cabinet stomatologic și locuință”.

La parter clădirea conține:

– 2 cabinete stomatologice moderne;

– 2 vestiare (bărbați și femei);

– 1 cameră pentru radiografie;

– 1 baie (unisex);

– 1 spațiu amenajat pentru recepția pacienților;

La etaj clădirea conține:

– 1 bucătărie;

– 2 dormitoare;

– 1 baie;

– 1 living;

– 1 terasă;

Lucrarea tratează următoarele tipuri de instlații electrice:

– Instalații electrice de joasă tensiune;

– Instalații electrice de putere;

– Instalații electrice de iluminat și prize;

– Instalația electrică de distribuție;

S-au respectat prevederile normativului I7/2011 care impune instalarea a maxim 12 corpuri de iluminat pentru locuințe cu puterea instalată de 4kW sau 6kW, cât și cerințele impuse de CE care interzic folosirea lămpilor cu incandescență mai mari de 75W.

Calcularea circuitelor de iluminat presupune determinarea curentului maxim admisibil, determinarea secțiunii conductoarelor și alegerea înrerupătoarelor automate care asigură protecția la supracurenți.

Pentru dimensionarea circuitului de iluminat s-au folosit corpuri de iluminat cu LED deoarece au un consum foarte redus. Chiar dacă acestea au un cost mult mai ridicat decât celelalte soluții de iluminat, în timp, investiția se recuperează datorită consumului mic de energie electrică și a duratei de viață mult mai mare a acestora.

Proiectarea circuitului de iluminat, amplasarea corpurilor, proiectarea circuitului de prize și amplasarea acestora s-a realizat cu ajutorul programelor DiaLux evo respectiv SEE Electrical/CADdy++.

Planul clădirii poate fi regăsit în Anexa 1 pentru parter, respectiv Anexa 2 pentru etaj.

Instalația electrică pentru prize se dimensionează conform prevederilor normativului I7/2011:

– circuitul de prize alimentează maxim 8 prize simple sau duble, iar pentru racordarea receptoarelor de putere mare (echipamente medicale, mașina de spălat, cuptor electric, etc.) se vor prevedea circuite separate;

– puterea instalată pe circuitul unei prize se consideră 2 kW;

Clădirea este alimentată dintr-un post de transformare care asigură alimentarea întregii zone urbane în care imobilul este poziționat.

1.2 Generalități

Din momentul în care a fost descoperită și până în momentul de față, electricitatea a devenit una dintre sursele vitale de energie ale întregii omeniri, fiind utilizată la scară globală.

În societatea secolului XXI energia electrică este atât de importantă încât aproape că nu există o activitate a omului care să nu includă folosirea acesteia. Practic omul a devenit dependent de energia electrică mai ales datorită dezvoltării tehnologice din ultimii ani, energia electrică fiind prezentă “la fiecare pas”.

Primele rețele electrice și-au făcut apariția o dată cu folosirea energiei electrice pentru iluminatul public. Deoarece consumatorii erau relativ simplii, aceste rețele erau la rândul lor mai puțin complexe. Datorită progresului tehnologic, echipamentele electrice ale consumatorilor au devenit din ce în ce mai avansate din punct de vedere tehnologic, acest lucru ducând la creșterea gradului de complexitate al rețelelor electrice.

Spre deosebire de vechile rețele electrice, cele moderne au mai nou în componența lor și rețele de date, comunicații etc. acest lucru ducând la o mai bună monitorizare, comandă și întreținere a acestora deoarece aceste acțiuni putând fi acum realizate de la distanță. Însă aceste lucruri nu se opresc aici, aceste tipuri de rețele pot aduce îmbunătățiri în activitatea zilnică a omului. O dată cu dezvoltarea, destul de rapidă, a microprocesoarelor și a microcontrolerelor au apărut și sitemele inteligente (smart-house, smartphones etc.).

Dacă acum câțiva ani casa inteligentă era doar un concept pe care îl puteam vedea doar în filmele science-fiction, în acest moment această tehnologie este disponibilă în mii de case din întreaga lume iar firmele producătoare de echipamente specifice acestui domeniu sunt mai mult decât pregătite să realizeze sisteme foarte complexe de personalizare a acestor case.

Conceptul de smart-house poate fi folosit însă și pentru clădirile administrative, spitale, cabinete medicale etc. ușurând atât munca depusă de către personal cât și îmbunătățirea performanțelor respectiv a serviciilor oferite de instituțiile respective.

Datorită acestor sisteme inteligente s-au realizat progrese imense în multe domenii cum ar fi: medicină, securitate, transport, comunicații etc.

În trecut cei care proiectau instalații electrice aveau nevoie de cunoștințe doar din domeniul ingineriei electrice, însă înglobarea acestor sisteme “inteligente” a făcut proiectarea instalațiilor electrice mult mai complexă, așadar proiectantul trebuie acum să aibă cunoștințe și din alte domenii cum ar fi electronică, automatizări, telecomunicații și informatică.

Chiar dacă energia electrică s-a dovedit în timp a fi foarte utilă, aceasta are și dezavantajele ei. Spre deosebire de alte forme de energie,înmagazinarea energiei electrice nu este foarte performantă, dar numeroase companii din domeniu (Tesla Motors, BOSCH, Samsung, Panasonic etc.) încearcă și se pare că reușesc să îmbunătățească performanțele acestor “medii de stocare” a energiei electrice.

Cea mai mare parte a energiei electrice se produce, în general, prin intermediul arderii combustibililor fosili, lucru foarte dăunător mediului înconjurător datorită emanării în atmosferă a gazelor cu efect de seră care, în opinia mea, reprezintă una din cauzele încălzirii globale.

Un alt pericol al rețelelor electrice îl reprezintă radiațiile electromagnetice care au un efect nociv asupra corpului uman uneori chiar la nivel celular.

1.3 Aspecte teoretice

Normativul I7/2011 publicat în Monitorul Oficial al României la data de 14 noiembrie 2011 se aplică la proiectarea, executarea și exploatarea instalațiilor electrice aferente clădirilor, indiferent de forma de proprietate (clădirile civile, clădirile industriale, clădirile mixte, instituțiile medicale etc.).

Acest normativ definește instalațiile electrice aferente construcțiilor ca fiind toate echipamentele electrice care asigură utilitățile necesare funcționării construcțiilor, situate în interiorul limitei de proprietate, de la branșament/racord la utilizatori, indiferent dacă acestea sunt sau nu încorporate în construcție.

Tensiunile alternative sau continue nominale nu depășesc 1 kV inclusiv. Frecvențele care sunt luate în considerare sunt: 50 Hz, 60 Hz si 400 Hz. Alte frecvențe fiind folosite pentru aplicații speciale.

La proiectarea, execuția și exploatarea instalațiilor electrice trebuie să se respecte prevederile Legii securității și sănătații în muncă nr. 319/2006 și ale Hotărârii Guvernului nr. 1146/2006.

Echipamentele electrice se aleg ținându-se seama de tensiune, curent, frecvență, curentul de scurtcircuit, factorul de putere, regimul de lucru, precum și alte caracteristici particulare, care trebuie luate în considerare la alegerea echipamentelor electrice, conform indicațiilor producătorilor. Echipamentele electrice se aleg respectând clasele de protecție minime necesare în funcție de categoria încăperilor. Caracteristicile acestor echipamente electrice nu trebuie să provoace efecte dăunătoare altor echipamente electrice sau să afecteze buna funcționare a rețelei de alimentare.

În România instalațiile electrice sunt clasificate după mai multe criterii:

După natura curentului:

– alternativ;

– continuu;

După nivelul de tensiune:

– de joasă tensiune (până la 1 kV);

– de medie tensiune (6, 10, 20, 35 kV);

– de înaltă tensiune ( 110, 220 kV);

– foarte înaltă tensiune ( 400, 750 kV);

După tipul utilizării:

– de comandă;

– de forță;

– de comunicație si transfer de date;

După rolul în sistemul electroenergetic național:

– de producere a energiei electrice;

– de transport a energiei electrice;

– de distribuție a energiei electrice;

– auxiliare;

În sistemul electroenergetic național al României energia electrică se produce în general în centrale termoelectrice, hidroelectrice și nucleare, însă în ultimii ani au apărut și centrale care folosesc surse regenerabile (ferme solare, eoliene, etc.)

Energia electrică produsă este transmisă către consumatori prin intermediul rețelelor electrice formate din liniile electrice (LEA sau LES), stații de transformare (ST) și de conexiuni (SC), posturi de transformare (PT). Aceste rețele trebuie să asigure continuitatea în alimentare a consumatorilor, siguranța în funcționare și calitatea energiei electrice furnizate.

Un consumator de energie electrică reprezintă un ansamblu de instalații electrice aferente unei clădiri aflată în administrarea unei persoane fizice sau juridice.

După cantitatea de energie consumată, acești consumatori se clasifică în:

– consumatori industriali (întreprinderi);

– consumatori casnici (locuințe);

– consumatori terțiari (clădiri administrative, școli, spitale etc.);

După siguranța de funcționare consumatorii se clasifică pe mai multe niveluri:

– Nivelul 1, alimentarea se face prin două căi independente și două puncte de racord separate (nivel ridicat de siguranță – consmatori vitali);

– Nivelul 2, alimentarea se face prin două căi, având un singur punct de racord (grad mediu de siguranță);

– Nivelul 3, alimentarea se face printr-o singură cale de alimentare;

Furnizorul de energie electrică reprezintă totalitatea instalațiilor de producere, transport și distribuție a energiei electrice până la consumator.

Separarea dintre furnizor și consumator se numește punct de delimitare. Acest punct de delimitare poate fi o stație sau un post de transformare, fie un tablou de distribuție general.

Racordadarea consumatorilor la rețea se face în funcție de nivelul puterii și tensiunii.

Consumatorii industriali sau neindustriali, de joasă tensiune (JT) se racordează la furnizor printr-un branșament.

Consumatorii industriali cu P<2.5 MW, se racordează la furnizor printr-un racord de medie tensiune.

Consumatorii industriali cu P>2.5MW, cu racordare la înaltă tensiune (IT), se racordează la furnizor printr-un racord de înaltă tensiune.

Instalațiile electrice la consumator se compun din:

– receptoare electrice;

– rețele electrice și puncte de alimentare;

– echipamente de conectare, protecție, automatizare etc.

Structura unui sistem de alimentare este prezentată în Fig. 1:

Fig. 1 Structura unui sistem de alimentare [8]

SSE – stația sistemului electroenergetic;

ST(SD) – stație de transformare (distribuție);

PT – post de transformare;

TG – tablou general;

TD – tablou de distribuție;

TU – tablou de forță utilaj;

1 – racord de înaltă tensiune;

2 – racord de medie tensiune;

3 – coloană;

4 – circuit utilaj;

5 – circuit receptor;

1.4 Clădire inteligentă

În componența instalației electrice a unei case inteligente sunt obligatorii aunmite elemente.

Aceste elemente sunt:

– senzorii, care furnizează diverse informații de stare;

– elemente de acționare, prin intermediul cărora se acționează diferitele sisteme care fac parte din structura inteligentă a casei;

– rețeaua de comunicație;

– unitatea centrală, care memorează informațiile, ia deciziile și emite comenzi către sistemele de acționare;

– interfața hardware/software, reprezintă modul prin care utilizatorul poate accesa informațiile stocate de către unitatea centrală;

Această interfață separă casele în două categorii:

– case inteligente;

– case automatizate;

Pentru a înțelege mai bine conceptul de casă inteligentă, vom face o raportare a funcțiilor acesteia la corpul uman.

Senzorii sunt echivalentul simțurilor. Casa miroase, aude, vede prin intermediul acestora. Cei mai des întâlniți sunt senzorii de fum, gaz, microfoane, senzorii de temperatură, de prezență, camere video etc. Deoarece industria este într-o continuă dezvoltare, pe viitor vor apărea senzori cu funcții din ce în ce mai complexe.

Sistemele de acționare reprezintă “mușchii” casei. Acestea au rolul de a executa comenzile pe care le primesc. Acestea sunt motoarele, sistemele de climatizare, proiectoare, electromagneți, relee etc.

Sistemul nervos este reprezentat de rețeaua de comunicații. Această rețea poate fi cu fir (wired) sau fără fir (wireless).

În cazul în care rețeaua este cu fir, se pot folosi fire dedicate sau firele altor rețele (rețeaua electrică, rețeaua de telefonie etc.). Rețeaua de comunicații diferă în funcție de proiect.

Creierul este reprezentat de unitatea centrală. Aceasta este un computer capabil să administreze celelalte sisteme și făcând utilizarea acestora, de către proprietar, mult mai ușoară. Pentru ca utilizatorul să interacționeze cu sistemul, la unitatea centrală se pot conecta mai multe interfețe (touchscreen, telefoane mobile, tastatură, control vocal, telecomenzi etc.).

Ceea ce separă o casă inteligentă de o casă automatizată este software-ul care controlează sistemele. Acest software mărește „gradul de inteligență” al casei deoarece prin intermediul acestuia casa poate invăța obiceiurile utilizatorului, când să intervină și când nu, cu câte echipamente de la diverși producători poate comunica și cât de sigură este funcționarea acesteia. Partea de soft este într-o continuă dezvoltare, devenind din ce în ce mai avansat pe zi ce trece.

2. Elemente de calcul și dimensionare a instalațiilor electrice

2.1 Măsurarea energiei

Consumul de energie electrică al clădirii se va realiza prin intermediul unui contor de energie trifazat. Acest contor este o componentă a blocului de măsură și protecție (BMP) care este montat, conform normativului I7/2011, în exteriorul clădirii, la limita de proprietate.

2.2 Dimensionarea instalațiilor electrice de joasă tensiune

Această etapă presupune parcurgerea mai multor pași:

– determinarea puterilor absorbite;

– determinarea curenților de calcul al circuitelor;

– determinarea curenților de scurtcircuit;

– alegerea secțiunii conductoarelor în funcție de regimul de funcționare (permanent sau intermitent);

– verificarea pierderilor de tensiune în funcție de secțiunile alese;

– alegerea echipamentelor de protecție și de măsură;

– stabilirea traseelor circuitelor electrice;

2.3 Determinarea puterii instalate pentru circuitele de forță

Pentru a putea dimensiona circuitul de alimentare trebuie să se determine puterea electrică absorbită de la rețea de către echipamentele componente acelui circuit, respectiv a unui grup de receptoare pentru dimensionarea coloanei de alimentare a tablourilor.

Plasarea echipamentelor și a circuitelor de forță a fost reprezentată în Anexa 3 pentru parterul clădirii, respectiv Anexa 4 pentru etaj.

Puterea electrică absorbită, cunoscută și sub termenul de putere de calcul Pc, depinde de puterea instalată Pi, randamentul echipamentelor η și gradul de încărcare al acestora Ci.

Dacă circuitul alimentează mai multe echipamente trebuie să se țină cont și de gradul de simultaneitate al acestora.

Puterea de calcul Pc se determină cu relația [3]:

unde: Pi – puterea instalată a circuitului [kW]; Cc – coeficientul de cerere, care se calculează cu relația [3]:

în care: Ci – coeficient de încărcare al receptorului (raportul dintre puterea cu care este încărcat și puterea instalată); CS – coeficient de simultaneitate;

Coeficientul de cerere depinde foarte mult de regimul de funcționare al receptoarelor. Coeficienții de cerere și de încărcare se aleg din tabelul 3.3 din „Ghidul pentru instalații electrice cu tensiuni până la 1000V c.a. și 1500V c.c, Indicativ GP 052-2000”.

2.3.1 Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele de forță aferente fazei R – parter

Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele fazei R de la parterul clădirii s-au realizat conform relațiilor matematice de la subcapitolul 2.3 iar rezultatele obținute sunt reprezentate în tabelul 2.1.

Tabelul 2.1

2.3.2 Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele de forță aferente fazei

S – parter

Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele fazei S de la parterul clădirii s-au realizat conform relațiilor matematice de la subcapitolul 2.3 iar rezultatele obținute sunt reprezentate în tabelul 2.2.

Tabelul 2.2

2.3.3 Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele de forță aferente fazei T – parter

Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele fazei T de la parterul clădirii s-au realizat conform relațiilor matematice de la subcapitolul 2.3 iar rezultatele obținute sunt reprezentate în tabelul 2.3.

Tabelul 2.3

2.3.4 Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele de forță aferente fazei

R – etaj

În ceea ce privește circuitele de la etajul clădirii, acestea au ca și consumatori principali panourile radiante. Electrocasnicele sunt alimentate de la circuitele de priză acestea fiind dimensionate pentru o putere standard de 2kW.

Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele fazei R de la etajul clădirii s-au realizat conform relațiilor matematice de la subcapitolul 2.3 iar rezultatele obținute sunt reprezentate în tabelul 2.4.

Tabelul 2.4

2.3.5 Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele de forță aferente fazei

S – etaj

În ceea ce privește circuitele de la etajul clădirii, acestea au ca și consumatori principali panourile radiante. Electrocasnicele sunt alimentate de la circuitele de priză acestea fiind dimensionate pentru o putere standard de 2kW.

Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele fazei S de la etajul clădirii s-au realizat conform relațiilor matematice de la subcapitolul 2.3 iar rezultatele obținute sunt reprezentate în tabelul 2.5.

Tabelul 2.5

2.3.6 Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele de forță aferente fazei

T – etaj

În ceea ce privește circuitele de la etajul clădirii, acestea au ca și consumatori principali panourile radiante. Electrocasnicele sunt alimentate de la circuitele de priză acestea fiind dimensionate pentru o putere standard de 2kW.

Determinarea puterilor de calcul pentru circuitele fazei T de la etajul clădirii s-au realizat conform relațiilor matematice de la subcapitolul 2.3 iar rezultatele obținute sunt reprezentate în tabelul 2.6.

Tabelul 2.6

2.4 Determinarea curenților de calcul

La circuitele monofazate pentru receptoare de iluminat și de prize, curentul de calcul se determină cu relația [3]:

unde: Ic – curentul de calcul [A]; Pi – puterea instalată [W]; Uf – tensiunea de fază [V]; cosφ – factorul de putere.

În cazul în care circuitul monofazat alimentează un receptor de forță, curentul de calcul se stabilește cu relația [3]:

în care: Ic, Pi, Uf, cosφ au semnificațiile de mai sus iar η – randamentul receptorului.

În tabelul 2.7 sunt reprezentate valorile determinate ale curenților de calcul pentru circuitele de forță conform relațiilor matematice anterioare. Valorile factorului de putere au fost preluate din „Ghidul pentru instalații electrice cu tensiuni până la 1000V c.a. și 1500V c.c, Indicativ GP 052-2000” [3] tabelul 3.1 respectiv 3.3.

Tabelul 2.7

Tabel 2.7 – continuare

2.5 Alegerea secțiunii conductoarelor și cablurilor electrice

Secțiunea conductoarelor de fază trebuie să îndeplinească anumite condiții:

Să asigure stabilitatea termică în regim de funcționare normal;

Să aibe rezistență mecanică în condiții de funcționare normale;

Să asigure stabilitate termică în regin de pornire a motoarelor;

Pierderile de tensiune să se situeze în limitele admise;

Să aibe stabilitate termică în condiții de scurtcircuit.

Stabilitatea termică este considerată ca fiind asigurată în momentul în care secțiunea aleasă a conductoarelor respectă următoarele condiții:

Iadm ≥ Ic pentru regim normal;

Iadm ≥ aIc.

unde: Iadm – reprezintă curentul maxim admisibil în conductoare; Ic – reprezintă curentul de calcul; a – reprezintă coeficientul de supraîncărcare admis în regim intermitent.

Pentru motoare secțiunea aleasă pe baza condițiilor de protecție la supracurenți se verifică la condiția de stabilitate termică în regimul de scurtă durată.

La pornire densitatea de curent nu trebuie să depașească:

35A/mm2, pentru conductoare de cupru;

20 A/mm2, pentru conductoare de aluminiu.

Pentru a determina densitatea de curent la pornirea motoarelor se utilizează următoarea relație[3]:

unde: jp – densitatea de curent la pornire [A/mm2]; Sf – secțiunea aleasă pentru conductorul de fază[mm2]; Ip – curentul pe care motorul îl absoarbe la pornire, acesta este scris pe plăcuța motorului sau calculat în funcție de curentul nominal In al acestuia [3]:

unde k se stabilește din tabelul 2.8

Tabelul 2.8

Limitele pierderilor de tensiune care trebuiesc îndeplinite nu trebuie să depășească limitele impuse de normativul I7 prezentate în tabelul 2.9.

Pentru tronsonul pe care nu se îndeplinește condiția căderii de tensiune admisă, secțiunile trebuiesc mărite astfel încât să se obțină îndeplinirea condiției conform tabelului 2.9.

Tabelul 2.9

Pentru motoare, în timpul pornirii, se admit pierderi de tensiune mai mari decât cele din tabelul 2.9 în conformitate cu datele din catalog. Nu se iau în considerare următoarele condiții temporare: supratensiunile tranzitorii; variațiile de tensiune care apar în timpul funcționării normale.

Pierderile de tensiune relative ∆U% se determină cu relația generală [3]:

unde: ∆U – pierderea de tensiune [V]; UN – tensiunea nominală [V].

Pierderile de tensiune pe circuitele de iluminat și de prize se determină cu relația următoare[3]:

în care: Pik – puterea instalată pentru un tronson oarecare k [W]; lk – lungimea unui tronson oarecare k [m]; SFk – secțiunea conductorului de fază pentru tronsonul k [mm2]; UF – tensiunea de fază [V]; y – conductivitatea materialului conductorului, 57 mm/Ωmm2 la Cu și 34 mm/Ωmm2 la Al.

Secțiunea conductorului neutru (N) are aceleași dimensiuni ca și secțiunea conductorului de fază în următoarele cazuri:

în circuitele monofazate cu două conductoare;

în circuitele monofazate cu trei conductoare și în cele trifazate la care secțiunea conductorului de fază nu depășește 16mm2 pentru Cu sau 25mm2 pentru Al.

Pentru conductorul de protecție (PE) secțiunea se alege din tabelul 2.10 în cazul în care conductorul de protecție și cel de fază sunt din același material.

Tabelul 2.10

Pentru cazul în care conductorul de protecție este utilizat în comun pentru mai multe circuite este important să aibă secțiunea dimensionată în funcție de secțiunea de fază cea mai mare.

Rezultatele calculelor pierderii de tensiune și a alegerii secțiunii cablurilor coloanelor de alimentare au fost realizate conform relațiilor menționate anterior și centralizate în tabelul 2.11. Tot în acest tabel sunt afișate și rezultatele curenților de protecție respectiv curenții nominali ai întrerupătoarelor automate care asigură protecția la supracurenți.

Coloanele de alimentare au fost selectate pentru fiecare fază în parte astfel avem coloana R, coloana S și coloana T – parter, respectiv coloana R, coloana S și coloana T – etaj.

În ceea ce privește secțiunea cablurilor aceasta a fost aleasă cu ajutorul uneltei online puse la dispoziție de către compania „SC IPROEB SA” la adresa: http://www.iproeb.ro/resurse/fcc/dc.htm.

Tabelul 2.11

2.6 Proiectarea circuitelor de iluminat

În cadrul acestui subcapitol se va dimensiona instalația de iluminat aferentă clădirii.

După cum s-a menționat în primul capitol al acestei lucrări, tehnologia pe care o avem la dispoziție ușurează foarte mult munca pe care un proiectant trebuie să o depună pentru a realiza o dimensionare de instalație electrică.

Unul din soft-urile disponibile pe piață este „DIALux evo”. Acesta este o unealtă gratuită pusă la dispoziție de către compania DIAL din Germania și este disponibil într-o mare varietate de limbi, inclusiv limba română.

Scopul acestei unelte este de a ajuta proiectanții, și nu numai, să proiecteze iluminatul interior respectiv exterior sau chiar stradal cât și reprezentarea acestora în 3D, totul realizânu-se cu o interfață modernă și ușor de folosit.

Baza de date a DIALux este actualizată în continuu punând la dispoziție cataloage de la foarte multe companii producătoare de echipamente electrice.

Primul pas în calcularea iluminatului unei clădiri este realizarea schiței clădirii după cum se poate observa în figura 2.

Fig. 2 Planul clădirii – DIALux

Următorul pas este acela de a alege și dispune corpurile de iluminat în spațiile aferente clădirii. Acest lucru se poate face manual sau automat, de preferat a se folosi modul automat pentru ușurința cu care se realizează acest lucru. Dispunerea corpurilor de iluminat poate fi observată în figura 3.

Fig. 3 Dispunerea corpurilor de iluminat

În continuare se realizează calculele necesare determinării și reprezentării izoliniilor după cum se poate vedea în figura 4.

Fig. 4 Reprezentarea izoliniilor

Există și posibilitatea de a vizualiza o reprezentare grafică a fiecărui spațiu în parte pentru a ne face o idee mai bună despre cum este iluminată încăperea (figura 5).

Fig. 5 Reprezentare interioară 3D

De altfel se poate genera și o vedere din exterior a clădirii pe timp de noapte (figura 6).

Fig. 6 Reprezentare exterioară 3D

Pentru realizarea calculelor circuitului de iluminat s-au folosit relațiile matematice de la subcapitolele anterioare deoarece pașii care trebuiesc parcurși sunt asemănători. Rezultatele calculelor sunt centralizate în tabelul 2.12.

Astfel circuitele de iluminat au fost repartizate pe fiecare fază în parte pentru a realiza o echilibrare cât mai bună după cum se poate observa în anexele: 5,6,7,8,9,10.

Pentru iluminatul incintelor s-au folosit corpuri de iluminat cu LED datorită randamentului și consumului redus de energie al acestora, fiecare corp de iluminat în parte având, conform fișei de catalog, o putere racordată de 34 W.

Tabelul 2.12

3. Elemente de automatizare pentru „smart house”

3.1 Sisteme de automatizare

După cum s-a prezentat anterior în capitolul 1, datorită progresului tehnologic, sistemele de automatizare au pătruns în locuințele noastre ușurându-ne viața și preluând o parte din sarcinile pe care utilizatorul ar trebui să le facă frecvent.

O clădire care este ehipată cu un sistem „smart house” oferă mai multă eleganță, mai mult confort și o optimizare a consumului de energie. Această tehnologie preia echipamentele existente și le combină într-un sistem unitar performant.

În acest mod toate telecomenzile din casă pot fi înlocuite cu una universală care controlează și monitorizează toate echipamentele sistemului.

Această tehnologie este predomintant întâlnită în hoteluri, centre comerciale, instituții, birouri, dar și în unele locuințe.

Sistemele existente actual pe piață se folosesc de mai multe tehnologii, fie tehnologie wireless fie tehnologie prin cablu.

Coordonarea funcțiilor se poate face fie local, fie de la distanță prin intermediul rețelelor de telefonie mobilă fie prin conexiunea la internet.

Cele mai importante sisteme ale tehnologiei „smart” din locuințe sunt:

sistemul de securitate;

sistemul de automatizare al electrocasnicelor(lumini, încălzire, irigație, etc.);

sistemul de acces;

sistemul de supraveghere video;

Cea mai întâlnită tehnologie de comunicație este comunicația de tip BUS. La acest tip de comunicație componentele principale ale sistemului comunică între ele prin intermediul a două fire. Cele două fire asigură atât funcția de comunicație între unitatea centrală și module cât și funcția de alimentare a acestora.

Din punct de vedere economic această tehnologie are numeroase avantaje față de vechile tehnologii datorită numărului redus de circuite și lungimii acestor circuite care fac legătura între unitatea centrală și restul echipamentelor.

Cu ajutorul acestei tehnologii este posibilă construirea unui sistem general care să înglobeze alte subsisteme fiecare având funcții diferite. Aceste subsisteme erau până în acest moment de sine stătătoare precum: sistemul de alarmă, sistemul antiincendiu, sistem de control al temperaturii, etc.

Componentele unui sistem „smart house”:

unitatea centrală – aici se conectează toate celalte subsisteme prin intermediul rețelei de comunicații;

consola – permite programarea funcțiilor subsistemelor în conformitate cu cerințele utilizatorului;

touch screen – este o complementare a consolei care permite vizualizarea informațiilor oferite de sistem;

dispozitive – realizează controlul iluminatului sau a altor funcții pentru fiecare cameră sau pentru întreaga clădire;

termostat – permite reglarea temperaturii sau a realizării unor programe prestabilite ale sistemului;

accesorii – receptoare si emițătoare wi-fi, senzori de mișcare, etc.

Sistemul de securitate este format din două componente:

alarmă în caz de efracție;

alarmă în cazul evenimentelor nedorite (incendiu, inundație, scurgeri de gaz);

Sistemul de alarmă în caz de efracție are rolul de a monitoriza senzorii de mișcare, barierele optice sau senzorii cu ultrasunete dar și tastaturile care au rol de control al sistemului de securitate pentru a arma sau dezarma zonele de supraveghere prin intermediul diferitelor coduri de acces. În cazul apariției unei alarme sistemul declanșează elementele sonore de avertizare, blochează căile de acces, trimite un mesaj către firma de securitate etc.

Sistemul de alarmă în caz de evenimente nedorite are rolul de a monitoriza senzorii de gaz, fum, temperatură, etc și trimite comanda modulelor din sistem care acționează echipamentele necesare opririi alimentării cu gaze, apă, energie electrică și pornesc instalația de combatere a incendiilor.

Controlul iluminatului se poate realiza în funcție de dorințele beneficiarului sau se poate face o iluminare progresivă în funcție de luminozitatea mediului ambiant. Se pot seta intervale orare modulelor care controlează corpurile de iluminat. Acestea vor funcționa doar atunci când este necesar astfel realizându-se o economie de energie electrică.

Controlul și reglarea temperaturii – fiecare circuit de încălzire poate avea 3 stări de funcționare: zi, noapte, antiîngheț respectiv două moduri: automat și manual. Temperatura se poate regla separat pentru fiecare spațiu din imobilul respectiv. Permite controlul temperaturii atât pe timp de iarnă (sursa de încălzire) cât și pe timp de vară prin intermediul aerului condiționat. Parametrii sistemului de control și reglare a temperaturii pot fi controlați fie prin intermediul termostatelor fie prin SMS.

Alte aplicații sunt sistemele de irigație a peluzelor în funcție de programul orar sau în funcție de umiditatea solului sau recircularea apei din piscină.

Control – se pot primi informațiile despre casă prin intermediul mesajelor text sau prin intermediul unei aplicații conectate la internet. Sistemul poate da informații despre starea sistemului de securitate, poate furniza informații despre stările circuitelor de încălzire sau a oricăror alte evenimente. Tot prin intermediul acestui sistem pot fi date și comenzi cum ar fi: aprinderea/stingerea luminilor, activarea/dezactivarea sistemului de securitate etc.

3.2 Microcontrolere

Conform Dicționarului Explicativ Român un controler este un „circuit complex și logica aferentă operării în condiții optime a unui echipament periferic.”

Mai precis un controler este o structură de componente electronice destinate controlului unui proces sau este destinat interacțiunii cu mediul exterior fără să fie nevoie de intervenția factorului de natură umană.

Inițial controlerele erau realizate cu tehnologii analogice, folosindu-se de componente discrete eventual componente electromecanice însă dimensiunile acestora erau relativ mari.

Datorită dezvoltării tehnologiei bazate pe semiconductoare și-au făcut apariția și microprocesoarele de uz general care au dus la o reducere considerabilă a costurilor, dimensiunilor, consumului și o imbunătățire a factorilor de fiabilitate.

Un microcontroler este practic un microcircuit care are în componența sa o unitate centrală și o memorie care alături de anumite resurse i se permite interacțiunea cu mediul exterior (vezi figura 7).

Fig. 7 Schema generală a unui microcontroler [7]

Intrările pot fi digitale respectiv analogice. De regulă se folosesc semnale provenite de la comutatoare individuale sau de la traductoare(temperatură, presiune, foto, etc.).

Ieșirile se pot realiza cu LED-uri, relee, motoare sau chiar sonerii. Dacă se realizează o conversie digital-analogică, de la ieșire se poate alimenta un difuzor.

Deosebirea dintre un microcontroler și un calculator personal este aceea că un microcontroler comandă un proces în timp ce la un calculator personal intrările se fac de la tastatură și ieșirile pe monitor.

Unul dintre elementele fără de care un microcontroler nu ar putea funcționa este programul stocat în memoria sa internă.

Un microcontroler mai poate fi definit ca fiind un sistem de calcul pe un singur chip. Acesta incluzând în componența sa o unitate centrală, memorie, generator de tact și dispozitive I/O. Natura și gradul de complexitate al aplicațiilor în care este folosit un microcontroler determină performanțele acestuia.

O structură mai detaliată se poate observa în figura 8 unde este reprezentată schema bloc generală a unui microcontroler.

Fig. 8 Structura internă a unui microcontroler [7]

Un controler este un sistem folosit pentru comanda și preluarea unor stări de la un proces sau un aspect al mediului înconjurător. Procesul de miniaturizare al controlerelor continuă, toate componentele necesare acestora fiind integrate pe același chip. În acest fel s-a născut calculatorul pe un singur chip care conține în mod tipic următoarele componente:

unitatea centrală de procesare (CPU);

generatorul de tact (conectat din exterior la un cristal de cuarț);

memoria RAM;

memoria ROM/PROM/EPROM/EEPROM;

dispozitive de I/O atât seriale cât și paralele;

controler de întreruperi, controler DMA, timer-e, convertoare A/D și D/A, etc;

periferice

3.3 Arduino

Adruino este o companie producătoare de plăcuțe de dezvoltare bazate pe microcontrolere. Compania mai pune la dispoziție gratuit și partea de software necesară funcționării și programării acestora. Pe lângă aceste lucruri există și o comunitate open-source uriașă care are ca scop crearea și distribuirea de proiecte care au ca rol concepearea de sisteme ce pot sesiza și controla diverși parametrii ai unor activități sau procese din lumea reală.

Întregul proiect este bazat pe proiectarea plăcilor cu microcontroler, produse de diverși furnizori, folosind anumite tipuri de microcontrolere.

Utilizatorul are la dispoziție pini I/O digitali sau analogici care pot fi interfațați cu o gamă largă de accesorii numite shield-uri însă nu se limitează doar la acestea, plăcuțele putând fi interfațate și cu alte tipuri de circuite individuale.

Pe plăci sunt prezente interfețe de comunicații seriale, pe unele modele chiar USB folosite la încărcarea programelor prin intermediul calculatoarelor personale.

Arduino pune la dispoziție un mediu de dezvoltare integrat (IDE) care are la bază limbajele de programare C și C++.

Prima plăcuță Arduino a fost lansată în 2005 și a avut ca scop principal să asigure o soluție ieftină și simplă pentru amatori dar și pentru profesioniști pentru a crea dispozitive capabile de a interacționa cu mediul înconjurător folosindu-se de senzori și sisteme de acționare. Cele mai des întâlnite exemple sunt roboții relativ simpli, termostatele sau detectoarele de mișcare.

Produsele Arduino sunt disponibile pe piață deja asamblate sau sub forma unor kit-uri care pot fi asamblate de utilizatori.

Specificațiile schemelor sunt disponibile online (vezi Anexa 11) pentru orice utilizator, datorită mentalității open-source pe care compania a adoptat-o, permițând astfel oricui să producă plăcuțe Arduino.

Statisticile spun că în anul 2013 s-au vândut peste 700.000 de plăcuțe oficiale însă dat fiind faptul că utilizatorii îsi pot crea propriile plăcuțe numărul real este cu mult mai mare.

În Anexa 11 avem prezentată schema de montaj a unuia dintre cele mai populare plăcuțe Arduino și anume modelul Arduino UNO Rev3. După cum se poate vedea în Anexa 11, plăcuțele Arduino folosesc de obicei microcontrolere din familia Atmel AVR cu arhitecturi pe 8, 16 sau 32 de biți alături de componente care facilitează programarea și încorporarea acestora în alte circuite mai complexe. Însă nu toate plăcuțele Arduino au la bază un microcontroler Atmel AVR, începând cu anul 2015 compania s-a folosit și de microcontrolere produse de alte companii.

Unul dintre cele mai importante aspecte legate de Arduino este acela că plăcuțele folosesc conectori standard care permit utilizatorilor să conecteze plăcuța la diferite module. La unele module comunicația cu plăcuța se realizează prin intermediul pinilor digitali sau analogici însă altele comunică și prin magistrala serială I2C astfel se pot folosi mai multe module (shield-uri) în paralel.

Cele mai des întâlnite microcontrolere de pe plăcuțele Arduino sunt: Atmega8, Atmega168, ATmega328, Atmega1280 și Atmega2560.

Majoritatea plăcuțelor includ un regulator liniar de 5V și un oscilator cu cuarț de 16 MHz iar microcontrolerele instalate pe Arduino vin programate cu un bootloader care ajută la simplificarea încărcării programelor pe memoria flash a chip-ului, astfel se elimină necesitatea unui programator extern. Acest lucru face Arduino o soluție simplă deoarece este permisă programarea de pe orice calculator personal.

Programarea plăcuțelor se realizează prin USB având integrate chipuri de conversie USB – serial precum FTDI FT232.

Plăcuța arduino are expuși o mare parte dintre pinii de I/O penru ca aceștia să poată fi folosiți în alte circuite. Arduino UNO oferă 14 pini digitali de intrare/ieșire, 6 dintre aceștia putând produce semnale PWM și 6 intrări analogice care la rândul lor pot fi folosite drept intrări/ieșiri digitale.

3.4 Realizări practice – „Macheta”

Datorită dimensiunilor reduse ale echipamentelor necesare, elementele de automatizare pentru „smart house” pot fi realizate și la scară mică. Pentru acest lucru s-a realizat o machetă a clădirii cu dimensiunile 60x40x16.3 cm din plăci dintr-un material de tip carton presat prinse între ele cu ajutorul unor vincluri metalice și holșuruburi pentru PAL și lemn cu cap înecat după cum se poate observa în imaginea din figura 9.

În cadrul acestei machete s-au reprezentat o parte din încăperile de la parterul clădirii și anume:

Cabinet medical 1;

Cabinet medical 2;

Recepție;

Încintă radiologie;

Fig. 9 Macheta

Sistemele de automatizare incluse în acest proiect sunt:

Sistem de securitate;

Sistem de monitorizare și reglare al temperaturii;

Sistem de monitorizare al activității panourilor fotovoltaice;

Pentru a putea realiza aceste sisteme s-au folosit diverse componente electronice care au fost conectate la o plăcuță Arduino Mega 2560.

În continuare vor fi prezentate componentele folosite:

Arduino Mega 2560

Senzor de temperatură LM35DZ

Tastatură numerică 4×4

Senzor de distanță 10cm

Senzor de curent +/- 5A

LED-uri 5V

Microventilator 5V

Display LCD 16×2 cu interfață I2C

Celulă fotovoltaică 2.6V

Acumulator Ni-MH 1.2V

Buzzer

3.4.1 Arduino Mega 2560

Acest dispozitiv a fost ales datorită numărului mare de pini pe care îi pune la dispoziție și microcontrolerului performant ATmega2560 (figura 10).

Fig. 10 Arduino MEGA 2560 rev3

Caracteristici:

Tensiune de operare: 5V

Tensiune de intrare: 7-12V

Pini I/O Digitali: 54 (dintre care 15 pot furniza semnal PWM)

Intrări analogice: 16

Curent pe fiecare pin I/O: 20 mA

Memorie Flash: 256KB din care 8 KB sunt folosiți de către bootloader

SRAM: 8 KB

EEPROM: 4 KB

Frecvența de tact: 16 MHz

Lungime: 101.52 mm

Lățime: 53.3 mm

Greutate: 37 g

Structura pinilor controlerului Atmega 2560 poate fi regăsită în Anexa 12

3.4.2 Senzor de distanță

În cadrul acestui proiect senzorul de distanță este folosit pentru declanșarea alarmei. El funcționează pe principiul reflexiei luminii după cum se poate observa în figura 11.

Fig. 11 Principiu de funcționare senzor de distanță

Acest senzor este alcătuit dintr-un LED cu IR și un fototranzistor. În momentul în care un obiect intră în raza de 10cm a senzorului lumina se reflectă înapoi către fototranzistor iar acesta intră în conducție. Structura internă de principiu a unui astfel de senzor este reprezentată în figura 12.

Fig. 12 Structura internă a unui senzor de distanță

3.4.3 Tastatura

Tastatura folosită este una universală cu 4 linii și 4 coloane. Aceasta funcționează pe principiul unei matrici (figura 13), fiecare pin reprezintă o linie sau o coloană a tastaturii. În momentul în care se apasă o tastă se intersectează o anumită linie cu o anumită coloană astfel se trimite un semnal către plăcuța Arduino.

Tastatura are mai multe funcționalități:

Încuiat/Descuiat uși

Armare sistem

Oprire alarmă

Reinițializare sistem

Solicită informații despre sistem

Fig. 13 Schema de conexiuni aferentă tastaturii [31]

3.4.4 Display

Pentru a putea afișa informațiile necesare utilizatorului s-a folosit un display LCD cu 2 rânduri și 16 coloane (figura 14). Display-ul utilizat folosește pentru comunicație o magistrală I2C (Inter – Integrated Circuit), aceasta este o magistrală de comunicații multi-master, multi-slave.

În mod normal display-ul folosește 16 pini însă datorită magistralei I2C acesta este conectat la plăcuța Arduino prin intermediul a 4 pini:

VCC 5V

SDA

SCL

GND

Fig. 14 Display LCD 16×2

3.4.5 Senzor de temperatură LM35DZ

Senzorul LM35DZ este un senzor de temperatură de mare precizie produs de National Instruments cu circuit integrat a cărui tensiune este liniar proporțională cu variația temperaturii în grade Celsius (figura 15).

Senzorul prezintă un avantaj față de senzorii de temperatură liniari calibrați în grade Kelvin deoarece, ca și utilizator, nu trebuie scăzută o constantă de tensiune mare din ieșirea acestuia pentru a face conversia în grade Celsius.

Fig. 15 Simbol LM35DZ [27]

Senzorul vine într-o carcasă din material plastic de tip TO-92 după cum se poate observa în figura 16.

Fig. 16 Schema TO-92 [27]

3.4.6 Celula fotovoltaică

O celulă fotovoltaică este compusă din multiple straturi de material semiconductor (două sau mai multe), cel mai folosit fiind siliciul. Straturile au o grosime cuprinsă între 0.001 și 0.2 mm și sunt dopate cu elemente chimice pentru a realiza joncțiuni de tip „p” respectiv de tip „n”. O astfel de celulă poate fi observată în imaginea din figura 17.

Fig. 17 Celula fotovoltaică

Structura este asemănătoare cu cea a unei diode. În momentul în care stratul de siliciu este expus la radiație luminoasă se va produce o excitație a electronilor din material și se va genera un curent electric.

Curentul generat de o singură celulă este unul mic, însă pentru a putea fi folosite în practică se realizează combinații serie-paralel pentru a produce tensiuni respectiv curenți mai mari.

3.4.7 Acumulatori Ni-MH

Bateriile nichel – hidrură de metal , prescurtat Ni-MH, folosite în cadrul acestui proiect sunt un tip de baterii reîncărcabile (acumulatori). Reacția chimică la electrodul pozitiv este similară cu cea de la bateriile Nichel-Cadmiu (NiCd), ambele folosind oxihidroxid de nichel (NiOOH). Totuși pentru electrodul negativ, în loc de cadmiu, se folosește un aliaj absorbant de hidrogen. Bateriile Ni-MH pot avea capacitatea dublă sau chiar triplă a bateriilor NiCd iar densitatea de energie este apropiată celor de tip litiu-ion. Acumulatorul folosit are tensiunea de 1.2V și o capacitate de 600 mAh (figura 18).

Fig. 18 Acumulator Ni-MH

3.4.8 Senzorul de curent ACS712

Pentru a putea măsura curentul de încărcare al acumulatorului s-a folosit un senzor liniar de curent cu efect Hall. Senzorul este de tip circuit integrat după cum se poate vedea în figura 19.

Fig. 19 Schema electrică a senzorului de curent ACS712 [30]

Acest tip de senzor poate fi folosit atât în curent continuu cât și în curent alternativ, având o limită de +/- 5A și o sensibilitate de 185 mV/A când este alimentat de la o sursă de tensiune de 5V. Datorită sensibilității mari, senzorul poate detecta curenți mici.

Modul de conectare al acestui tip de senzor poate fi observat în figura 20.

Fig. 20 Modul de conectare al senzorului de curent ACS712

3.4.9 Software Design

Până acum am prezentat componentele principale sistemului. Acestea trebuie să lucreze ca un tot unitar. Acest lucru necesită ca un program care să conțină instrucțiunile pentru fiecare componentă în parte să fie încărcat în memoria plăcuței Arduino.

Încărcărea programului în memoria Arduino Mega se face prin intermediul portului USB și a mediului de dezvoltare Arduino IDE.

Programul care rulează pe plăcuța Arduino trebuie să îndeplinească cele trei sisteme principale și anume:

Sistemul de securitate

Sistemul de monitorizare și control al temperaturii

Sistemul de monitorizare al activității panourilor fotovoltaice

Funcția principală a programului este „void loop ( )” instrucțiunile din această funcție se realizează ciclic, repetându-se la infinit sau până când o anumită condiție oprește rularea acesteia. Funcția apelează alte funcții declarate pentru anumite secțiuni ale programului cum ar fi (pentru codul complet vezi Anexa 13):

Verificarea temperaturii

Verificarea curentului

Verificarea tensiunii

Verificarea tastaturii

Verificarea senzorului de distanță

Verificarea condiției de declanșare a alrmei

void loop(){

checkTemp();

checkAmps();

checkVoltage();

checkKeypad();

checkDistance();

if(alarm ==1 && sistem == 1) {

alarmON(); }}

Sistemul de securitate folosește următoarele elemente: tastatura, display, senzor de distanță, LED-uri și buzzer-ul.

În starea sa inițială sistemul așteaptă introducerea unui cod de la tastatură pentru a începe rularea și, în funcție de codul introdus, sistemul poate fi armat sau nu, starea sa fiind indicată pe display pentru un timp de 5 secunde.

Există patru coduri:

Cod blocare uși

Cod deblocare uși

Cod Informați sistem

Cod Reboot

Dacă sistemul este armat toate ușile se închid (LED-urile roșii indică starea de blocare a ușilor) și senzorul de distanță detectează un obiect, alarma va porni iar buzzerul va fi alimentat până în momentul în care este introdus codul de deblocare al ușilor care dezarmează și sistemul. Aceste instrucțiuni sunt realizate prin intermediul a 4 funcții: void lockDoor(), void checkDistance(), void alarmON() și void unlockDoor().

Sistemul de monitorizare și control al temperaturii utilizează: senzorul de temperatură LM35DZ, un tranzistor NPN, microventilatorul și display-ul.

Temperatura este verificată constant prin intermediul funcției void checkTemp() și este afișată la cerere pe display în momentul în care este introdus codul pentru informații sistem.

Dacă temperatura crește peste o valoare prestabilită plăcuța Arduino trimite semnal PWM către baza tranzistorului de la care este alimentat microventilatorul și se oprește doar atunci când temperatura atinge un prag minim prestabilit.

S-a folosit un tranzistor deoarece cuplul electormagnetic produs prin alimentarea directă din Arduino nu învinge cuplul de pornire iar ventilatorul stagnează absorbind un curent de pornire mai mare decât cel nominal.

Sistemul de monitorizare al activității panourilor fotovoltaice se ocupă de 3 parametrii importanți:

Tensiunea la bornele acumulatorului

Curentul de încărcare

Puterea debitată de panou pe durata procesului de încărcare

Deoarece o celulă fotovoltaică furnizează maxim 2.6V măsurarea tensiunii s-a făcut în mod direct. Pentru afișarea tensiunii există două cazuri:

Măsurare în gol

Măsurare în sarcină

La măsurarea în gol tensiunea afișată este tensiunea pe care o furnizează celula fotovoltaică și este proporțională cu nivelul de iluminare din momentul respectiv.

La măsurarea în sarcină tensiunea afișată este cea de la bornele acumulatorului, astfel se poate urmări starea de încărcare și procentajul încărcării acumulatorului.

Trebuie menționat faptul că valorile afișate pe display reprezintă media unui număr de citiri deoarece datorită tensiunii de alimentare de la portul USB al laptop-urilor sau al altor surse de tensiune în comutație apar interferențe în citirea valorilor senzorilor (figura 21).

Fig. 21 Semnal brut

Pentru a obține o valoare stabilă s-a folosit o tehnică de „graph smoothing” care presupune preluarea unui număr de citiri și realizarea unei medii a acelor citiri, astfel semnalele afișate sunt mai stabile (figura 22).

Fig. 22 Semnal mediat

4. Concluzii și dezvoltări ulterioare

4.1 Concluzii

În cadrul acestui proiect s-au prezentat modalitățile de proiectare a instalațiilor electrice pentru clădirile moderne. S-a demonstrat că metodele moderne au la bază aceleași metode folosite la instalațiile vechi însă au fost adaptate pentru a se potrivi cu echipamentele complexe pe care noi le utilizăm în ziua de astăzi.

Partea de proiectare a instalației electrice nu s-a schimbat foarte mult, calculele rămânând în mare măsură aceleași însă acestea sunt realizate acum de către softuri specializate, eliminând astfel erorile de calcul specifice omului și desigur îmbunătățind complexitatea calculelor dar și timpul necesar realizării acestora.

Cu ajutorul DIALux am putut viziona o reprezentare tridimensională a clădirii cât și a iluminatului. Acest lucru până nu de mult era accesibil doar angajaților firmelor din domeniu însă disponibil acum și publicului larg. Astfel putem vedea diferența dintre iluminatul clasic cu lămpi cu incandescență și iluminatul modern prin LED-uri care este cu mult mai economic decât cel vechi. Tendința de a trece la iluminatul prin LED-uri este din ce în ce mai populară deoarece prețul acestor corpuri de iluminat este într-o continuă scădere.

În ceea ce privește tehnologia „smart” ea este aici ca să rămână. Acest lucru se poate observa pe piața telefoanelor mobile și se va vedea în curând și pe piața imobiliarelor. Singurul lucru care împiedică momentan popularizarea tehnologiilor de tip „smart house” este prețul dar, ca orice altă tehnologie revoluționară debutantă pe piață, prețul nu este unul tocmai accesibil însă suntem doar la început iar lucrurile se îndreaptă spre mai bine.

4.2 Contribuții personale

Ca și contribuții personale se poate menționa mediul de programare „open source” folosit petru a realiza sistemele de automatizare ale clădirii cu ajutorul plăcuței de dezvoltare Arduino cât si abordarea aceluiași concept de „sistem deschis” în dezvoltarea sistemelor inteligente.

Conceperea unui sistem de calcul automatizat prin intermediul Microsoft Office Excel, acest fișier putând să realzieze o parte din calculele necesare proiectării instalației electrice cum ar fi: curentul absorbit, căderea de tensiune, curentul de defect, condiția de stabilitate termică.

O altă contribuție personală este reprezentată de algoritmul de „graph smoothing” folosit pentru a furniza utilizatorului dar și sistemelor de reglare informații cât mai stabile și mai precise fără interferențe făcând astfel sistemul mult mai stabil.

4.3 Dezvoltări ulterioare

Ca și dezvoltări ulterioare se dorește interfațarea cu rețeaua electrică a clădirii a unui „Tesla PowerWall”.

PowerWall este o baterie de acumulatoare performantă oferită de compania Tesla Motors pentru uz casnic cât și industrial cu scopul de a ne distanța de utilizarea combustibililot fosili folosiți în producerea energiei electrice. Tesla Power Wall poate fi observat în imaginea din figura 23.

Fig. 23 Tesla PowerWall [24]

Caracteristici:

Montare: pe perete interior/exterior

Energie: 6.4 kWh

Putere: 3.3 kW

Randament: >92%

Temperatura de funcționare: -20°C…43°C

Dimensiuni: 1300x860x180 mm

Acest dispozitiv poate fi folosit pentru a îndeplini mai multe funcții:

Stocarea energiei solare furnizare de panourile fotovoltaice

Acoperirea vârfurilor de sarcină (figura 24)

Alimentare de rezervă în cazul apariției unei pene de curent

Fig. 24 Variația intensității luminoase pe parcursul unei zile [23]

Interfațarea acestui dispozitiv presupune proiectarea unui invertor compatibil cu acesta cât și a altor echipamente necesare pentru monitorizarea și controlul parametrilor.

Bibliografie

Nistor Ciprian Gheorghe: „Lucrări practice de instalații electrice la consumatori VOL I”, Ed. Presa Universitară Clujeană 2015;

Cilinghir V.: „Alimentarea cu energie electrică a întreprinderilor, vol I”, Ed. Univ. Transilvania, Brașov, 2000 și vol II, 2002;

Comșa D., ș.a., „Proiectarea instalațiilor electrice industriale", Ed. Didactica și pedagogică, București 1983;

„Ghid pentru instalații electrice cu tensiuni până la 1000V c.a. și 1500V c.c, Indicativ GP 052-2000”, Institutul de cercetări pentru echipamente și tehnologii în construcții – IECON SA;

Normativul I7/2011;

Calculator secțiune conductoare IPROEB Romania: http://iproeb.ro/resurse/fcc/dc.htm

http://vega.unitbv.ro/~ogrutan/ti/cap10.pdf – curs online;

S.C. IPROEB S.A Bistrița: „Ghid de alegere a secțiunii conductoarelor electrice” – http://iproeb.ro/download_files/calcsec2.pdf ;

http://www.ibs-smarthouse.com/publ/docs/ro/pdf/marketing/CasaIntelligenta-IntreMitSiRealitate.pdf;

http://www.redatronic.ro/automatizari/casa-inteligenta-197/concept-general-198;

http://www.ibs-smarthouse.com/ro/;

http://www3.agora.ro/index.php?qs_sect_id=3026;

Pagina oficială DIALux: https://www.dial.de;

http://www.electricalc.ro/blog/43-instalatii-electrice-inteligente;

https://dexonline.ro/definitie/controler;

https://www.arduino.cc/en/guide/introduction;

http://medea.mah.se/2013/04/arduino-faq/;

http://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/the-making-of-arduino;

https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560;

https://www.arduino.cc/en/Reference/Wire;

http://www.ecovolt.ro/ro/support/cell_solar_ro.html;

http://www.powerstream.com/NiMH.htm;

http://www.treehugger.com/clean-technology/tesla-planning-release-powerwall-version-20-summer.html;

https://www.teslamotors.com/en_GB/presskit/teslaenergy;

http://www.ibs-smarthouse.com/publ/docs/ro/pdf/marketing/CasaIntelligenta-IntreMitSiRealitate.pdf;

http://lanspeedtechnologies.com/home-automation-systems/;

Foaie de catalog LM35DZ;

Foaie de catalog Arduino UNO rev3;

Foaie de catalog Arduino MEGA 2560 rev3;

Foaie de catalog senzor de curent ACS712;

Foaie de catalog tastatură numerică;