Motivația alegerii temei [310089]

Capitolul I: Introducere

Motivația alegerii temei

Tema lucrării de licență se intitulează “Sistem de monitorizare a unei rețele electrice monofazate” și reprezintă rezultatul dorinței de a utiliza tehnologii moderne de măsurare a parametrilor unui circuit electric.

Motivul alegerii aceste teme se bazează de asemenea pe nevoia continuă de dezvoltare și optimizare a [anonimizat], sisteme utilizate din ce în ce mai pregnant în contextul actual.

[anonimizat], medical și nu numai.

[anonimizat], ceea ce implică un cost suplimentar și o [anonimizat].

În prezent se dorește să se obțină cât mai multe facilități de la aparatele de măsurare: [anonimizat], flexibilitate, posibilitatea de a le adapta ușor la diverse activități de laborator sau procese industriale.

[anonimizat], aparatele clasice devin nesatisfăcătoare pentru utilizatorii specializați.

[anonimizat] o bună funcționare a [anonimizat], pentru a putea observa disconcordanțele apărute la nivelul principalilor parametrii ce caracterizează funcționarea unui circuit electric.

[anonimizat] ([anonimizat], [anonimizat]), [anonimizat] o [anonimizat].

[anonimizat], dacă nu sunt luate măsurile potrivite la timp.

Așadar, îmi propun ca prin această lucrare de licență să realizez un proiect la nivel micro pentru monitorizarea cât mai precisă a factorilor ce influențează în mod direct un circuit electric (curent, tensiune și putere).

[anonimizat], [anonimizat], realizată cu ajutorul unei plăci de dezvoltare Arduino Mega și a unui modul compatibil numit Ethernet Shield cu card microSD pentru a stoca datele culese de la senzorii de tensiune (realizat cu ajutorul unui transformator de tensiune de 9V) și curent ([anonimizat]).

Folosirea senzorilor realizează eliminarea erorilor care pot surveni drept urmare a unei interpretări greșite a [anonimizat] a valorilor parametrilor electrici.

Măsurarea. [anonimizat]. Știința care stă la baza măsurării se numește metrologie. [1]

Măsurarea reprezintă un proces de determinare a [anonimizat]n care se realizează atribuirea de numere proprietăților obiectelor și fenomenelor din lumea reală, astfel încât să rezulte reprezentări simbolice cu utilitate practică. [2]

Se măsoară proprietăți ale obiectelor și fenomenelor, nu ele în sine.

În fizică, proprietățile obiectelor și fenomenelor poartă denumirea de mărimi fizice, iar numerele asociate acestora, drept rezultat al măsurării diverselor manifestări, se numesc valori sau măsuri.

Măsurarea constă în compararea unei mărimi fizice necunoscute cu o alta de aceeași natură, considerată unitate sau etalon și exprimarea măsurii cu ajutorul raportului stabilit între acestea.

A măsura înseamnă a determina cu instrumente sau cu aparate de măsură, etaloane sau sub alte forme, valoarea unei mărimi (lungime, masă, tensiune electrică, curent electric, etc).

În metrologie, un etalon este o măsură, aparat de măsurat, material de referință, sau sistem de măsurare destinat a defini, realiza, conserva sau reproduce o unitate sau una sau mai multe valori ale unei măsuri pentru a servi ca referință. [3]

În funcție de domeniul de utilizare și nevoile apărute în cadrul procesului de măsurare s-a stabilit o ierarhie a criteriilor și metodelor de măsurare astfel:

Criterii de clasificare ale mărimilor de măsurat:

A. După aspectul dimensional-spațial:

a) mărimi scalare

b) mărimi vectoriale

c) mărimi tensoriale

B. După tipul relațiilor empirice care pot fi definite pe mulțimea obiectelor sau fenomenelor cărora le sunt asociate distingem:

a) mărimi reperabile

b) mărimi extensive

c) mărimi intensive

C. După aspectul energetic:

a) mărimi active

b) mărimi pasive

Clasificarea metodelor de măsurare:

A. După modalitatea de realizare a comparației cu unitatea de măsură:

a) Măsurarea directă – constă în compararea nemijlocită a mărimii de măsurat cu unitatea de măsură sau prin evaluarea directă a efectului produs de către mărimea respectivă.

b) Măsurarea indirectă determinată de aplicarea unei formule, în care se introduc valorile altor mărimi obținute prin intermediul măsurării directe.

B. În funcție de modul de variație al măsurandului:

a) măsurări statice

b) măsurări dinamice

c) măsurări statistice

C. După modul de obținere și prezentare a rezultatului măsurării

a) măsurări analogice

b) măsurări numerice (digitale)

D. După destinația măsurării și performanțele obținute

a) măsurări de laborator

b) măsurări industriale

Metodele de măsurare cel mai frecvent utilizate sunt:

1. Metodele de măsurare bazate pe comparația simultană:

comparația 1:1 (metoda diferențială, metoda de zero);

comparația 1:n

Fig 1.1 Metode de măsurare bazate pe comparația simultană

2. Metodele bazate pe comparația succesivă

Etape:

etapa de calibrare sau etalonare

măsurarea propriu-zisă

Fig.1.2 a) etapa de calibrare Fig. 1.2 b) etapa de măsurare propriu-zisă

Fig 1.2 Metode bazate pe comparația succesivă

În ceea ce privește calitatea măsurării și veridicitatea acesteia există diferite grade de precizie, însă, o măsurare ideală nu poate fi pusă în discuție.

Rezultatele măsurării vor fi diferite de valoarea reală sau adevărată a măsurandului, oricât de performante sau perfecționate vor fi aparatele cu care se vor realiza măsurătorile.

Scopul fundamental al oricărei măsurări – determinarea și exprimarea sub formă numerică a valorii mărimii de măsurat – se efectuează cu o anumită eroare (incertitudine).

Abaterea rezultatului măsurării fată de valoarea reală (adevărată) a mărimii de măsurat constituie eroarea de măsurare :

Unde:

– rezultatul măsurării numărului i – valoarea reală a măsurandului

În scopul determinării erorii de măsurare s-a introdus noțiunea de valoare convențională V a măsurandului, aceasta înlocuind valoarea adevărată X. Valoarea convențională se definește ca fiind valoarea determinată prin acele metode care urmăresc ca aceasta să difere într-o foarte mică măsură în raport cu valoarea reală.

Eroarea de măsurare poate fi exprimată și în mod procentual, astfel:

Punând în balanță costurile și ușurința implementării senzorilor în ansamblul echipamentului electronic ales, compatibilitatea dintre Arduino și senzorii folosiți în proiect, am ales să folosesc dispozitive ce permit afișarea valorilor tensiunii, curentului și a celoralți parametri, în mod rezonabil (cu erori de măsurare cât mai mici). [4]

Capitolul II : Curentul electric

Curеntul electric reprezintă deplasarea dirijată a sarcinilor electrice. Există două mărimi fizice care-l caracterizează:

intensitatea curentului electric, numită adesea, simplu, curent electric, ce caracterizează curentul din punct de vedere global, făcând referință la cantitatea de sarcină electrică care străbate secțiunea prin care trece în unitatea de timp. Unitatea de măsură ce caracterizează curentul electric este reprezentată de amper.

densitatea curentului, este o mărime vectorială asociată fiecărui punct, intensitatea curentului electric fiind calculată ca integrală pe întreaga secțiune a conductorului din densitatea de curent. Se măsoară în amperi pe metru pătrat. [5]

Fig. 2.1 Fulgerul reprezintă o formă de curent electric

Sarcinile electrice în mișcare pot fi purtate între două puncte date, de electroni , ioni sau o combinație a acestora. Curentul electric se produce datorită existenței unei tensiuni electrice între două puncte (între care se deplasează sarcinile) ale unui circuit electric. Tensiunea în cauză poate fi debitată de o sursă de tensiune electrică existentă în circuitul electric folosit.

De asemenea, curentul electric mai poate exista într-un circuit, dacă acesta este închis și este influențat de o tensiune electromotoare (t.e.m.) variabilă, separată galvanic de acesta. Fenomenul este denumit inducție electrică.

Dacă se notează sarcina electrică prin Q timpul cu t și intensitatea curentului electric cu , aceste mărimi sunt legate prin relația:

Folosind mărimi instantanee, putem rescrie formula pentru mărimi variabile în timp, astfel:

Densitatea de curent este definită ca fiind vectorul a cărui mărime este valoarea curentului electric pe suprafața secțiunii transversale. În unități SI, densitatea de curent se măsoară în amperi pe metru pătrat (A/m²).

Unde:

este curentul în conductor, este densitatea de curent și este diferențială a vectorului de secțiune transversală. [5]

2.1 Tipuri și utilizări

Curentul electric este diferit în funcție de echipamentele în cadrul cărora se utilizează, astfel există două tipuri de curent electric folosite preponderent : alternativ, continuu (Fig. 2.2) și pulsatoriu, acesta din urmă având o componentă continuă și una alternativă. Dacă prin același conductor vom face, ca de la diferiți generatori independenți să treacă concomitent doi curenți, unul continuu și altul alternativ, în acest conductor vom obține un curent pulsatoriu (Fig. 2.3). [6]

Fig 2.2 Schema electrica de principiu a unui circuit de curent continuu si alternativ

Fig. 2.3 Obținerea unui curent pulsatoriu prin adunarea valorilor curenților continuu și alternativ

În momentul în care mișcarea sarcinilor electrice are loc doar într-un singur sens, atunci este vorba despre un curent continuu (generat de exemplu de bateria galvanică sau de dinam).

Cele mai multe echipamente electronice se alimentează tocmai cu curent continuu. Acesta se obține foarte ușor cu ajutorul alimentatoarelor și redresoarelor – direct de la priza electrică de curent alternativ.

Atât echipamentele care sunt surse de curent continuu (Fig. 2.4), cât și echipamentele care sunt alimentate cu un astfel de curent sunt marcate cu simbolul DC.

Fig. 2.4 Inscripția simbolică a curentului continuu

În cazul echipamentelor alimentate cu curent continuu, este foarte importantă conectarea corectă a polilor negativi și pozitivi, în caz contrar, echipamentul poate fi chiar ireparabil avariat.

Cablurile prin care trece curentul continuu, de obicei, prezintă un marcaj specific – culoarea roșie pentru potențialul pozitiv și neagră pentru cel negativ. Dacă ambele cabluri sunt de culoare neagră, linia întreruptă este considerată cea cu potențial scăzut (negativ). Deseori în alimentatoare se folosește o mufă 2,1 / 5,5 (Fig. 2.5), a cărei parte exterioară este reprezentată de potențialul negativ, partea interioară fiind reprezentată de potențialul pozitiv.

Fig 2.5 Polarizarea standard în cadrul alimentatoarelor cu mufă 2,1 / 5,5 mm

Adaptoarele folosite pentru alimentare sunt utilizate de obicei pe o scară largă datorită nevoii majore de obținere a curentului continuu. Acestea sunt utilizate în cadrul fiecărui echipament prevăzut cu circuite integrate. [7]

Deși multe echipamente casnice sunt alimentate de la prize electrice – deci, utilizându-se curent alternativ, în final, acesta este transformat cu ajutorul redresoarelor în curent continuu.

În cazul în care, sensul de deplasare al electronilor este alternant în timp, curentul poartă numele de curent alternativ (alternatorul – dispozitiv cu ajutorul căruia se care generează un curent alternativ). Curentul alternativ se folosește în industrie de obicei sub formă sinusoidală, adică intensitatea lui variază ca o funcție sinusoidală (în timp).

Dacă se redresează curentul alternativ se obține un curent continuu cu o intensitate variabilă, care mai poate fi numit pulsatoriu (sau ondulat). Redresarea poate fi realizată prin intermediul tuburilor electronice (diode sau duble diode) sau semiconductorilor (diode semiconductoare, punți semiconductoare redresoare).

Transformarea inversă, pentru a obține curent alternativ din curent continuu, se realizează prin intermediul unor dispozitive electronice (invertoare) și este folosită, de exemplu, pentru alimentarea de la elemente galvanice sau acumulatoare a unor consumatori ce necesită curent alternativ pentru funcționare (lămpi electrice pentru avarii, alimentarea unor aparate electrice de curent alternativ care funcționează cu curent de la acumulatorul de automobil).

De asemenea, din curent alternativ se poate obține curent continuu și cu ajutorul grupurilor de comutare (un motor electric de curent alternativ rotește un dinam, pentru a produce curent continuu care la randul sau alimentează, de exemplu, un aparat de sudură electric).

2.2 Consumatori uzuali, eficiența de consum

Un consumator electric (sarcină de curent) este o componentă electrică sau o porțiune a unui circuit ce are nevoie să consume energie electrică. Consumatorii electrici pot fi obiecte electrice cum ar fi: dispozitive, aparate, mașini electrice, utilaje electrice care transformă energia electrică în alte forme de energie, în timpul funcționării lor. Putem considera, în mod mai restrâns faptul că sunt considerați consumatori, numai aceia care necesită în funcționare curent electric în mod direct de la rețeaua electrică. În contextul aprovizionării cu energie electrică, companiile, firmele și casele private, sunt considerate, în raport cu furnizorii lor de energie electrică, consumatori electrici.

Un consumator electric este influențat de surse de energie care se opun funcționării acestuia, precum baterii electrice sau generatoare care produc energie. În circuitele electrice de putere exemple de sarcini de curent sunt aparatele și corpurile de iluminat. Termenul de consum de energie se poate referi, de asemenea la puterea consumată de un circuit care asigură transportul energiei.

Acest termen se folosește frecvent în electronică pentru un dispozitiv ce se conectează la un semnal sursă, indiferent dacă acesta realizează sau nu un consum de energie electrică. În cazul în care, un circuit electric are un port de ieșire, adică o pereche de terminale, care prezintă un semnal electric extern, circuitul conectat la aceste terminale (sau impedanța sa de intrare) este o sarcină (încărcătură/consumator).

Sarcina afectează performanța circuitelor în ceea ce privește tensiunea lor de ieșire sau curentul, precum întâlnim în cazul senzorilor, surselor de tensiune și amplificatoarelor.

Rețeaua electrică de curent alternativ cu prizele de alimentare electrice oferă în acest sens un exemplu simplu: ele furnizează energie la o tensiune constantă, cu aparatele electrice conectate la circuit în mod colectiv, formând, deci, împreună sarcina/încărcătura. Atunci când un aparat de mare putere pornește, aceasta poate provoca reducerea drastică a tensiunii de alimentare generale pentru simplul motiv că acesta micșorează impedanța comună totală prin creșterea de sarcină semnificativă. [8]

Datorită dezvoltărilor tehnologice din ultimele decenii, a dezvoltării și a utilizării de circuite cu dispozitive semiconductoare pentru acționarea și alimentarea electrică a consumatorilor, ponderea consumatorilor industriali și casnici neliniari care funcționează în regim deformant este din ce în ce mai mare.

Numeroase studii recente scot în evidență caracterul neliniar și valoarea ridicată a componentei reactive la: corpurile de iluminat moderne (tuburi fluorescente, LED), sursele de alimentare a calculatoarelor, convertoarele statice de frecvență aferente diverselor acționări. [9]

Eficiența consumului de energie electrică se datorează atât distribuitorilor de energie, cât și consumatorilor.

Operatorul de Distribuție (OD), ca parte implicată în domeniul eficienței energetice, are ca îndatoriri principale să:

asigure un sistem de distribuție sigur, fiabil și eficient;

asigure disponibilitatea tuturor serviciilor de rețea asociate;

definească căile de acces și participare la piața de echilibrare și alte servicii de sistem.

Drept urmare operatorii de rețea vor fi nevoiți să-și asume obligația de a facilita în mod neutru piața de energie, care asigură și promovează o piață funcțională de energie electrică, la nivelul cerințelor de transparentă și fără distorsiuni, printr-o eficiență operațională și energetică adecvată.

Viitoarele provocări ale OD, vor fi cu prioritate implementate :

1. Contorizarea inteligentă;

2. Modernizarea infrastructurii de distribuție în concept de rețea inteligentă;

3. Procese de piață eficiente:

automatizare;

acces rapid la datele din piață;

schimb rapid al furnizorului;

costuri scăzute de tranzacționare.

Datorită acestui fapt, se impune promovarea unor categorii de stimulente corespunzătoare pentru acest tip de investiții, în așa fel încât eficiența energetică și cea operațională să ducă la tarife competitive în piața de energie electrică.

Rețeaua inteligentă sau Smart grid presupune investiții foarte mari pentru OD. Cel puțin la început, beneficiile nu se vor alinia cu costurile pe care investitorul le va implementa. Astfel că Operatorul de Distribuție trebuie să fie stimulat să investească în tehnologie inovatoare și în rețeaua inteligentă.

Pentru acest motiv, OD trebuie să îi fie garantată recuperarea costurilor pentru investițiile lor. În acest context, autoritățile de reglementare facilitează un viitor mai inteligent – acestea trebuie să împuternicească OD pentru a ocupa un rol activ în dezvoltarea de soluții de rețea inteligentă.

Contoarele inteligente – Smart meters trebuie să asigure o comunicație în ambele direcții, adică între utilizator/consumator și furnizorul de servicii/operator de rețea și promovează servicii ce facilitează eficiența energetică (Directiva 2009/72/CE).

Pe de o parte, se oferă clienților informații precise și în timp util cu privire la consumul de energie și de producție, ceea ce le permite să ia măsuri pentru a deveni mai eficienți din punct de vedere energetic. Pe de altă parte, se oferă OD date exacte cu privire la modelele de consum, permițând în acest fel gestionarea și planificarea precisă și eficientă în investițiile în rețea.

În cele mai multe cazuri, sistemele de contorizare inteligente vor fi instalate, deținute și operate de către Operatorul de Distribuție ​​.

Acesta ​​va asigura, în conformitate cu legile în vigoare, în domeniul smart metering și smart grid, o dezvoltare consistentă în domeniul comunicațiilor și tehnologiei informațiilor într-un mod cât mai rentabil.

Aplicarea unui management eficient de rețea, asigurând o implementare armonizată și coordonată a operării infrastructurii din gestiunea operatorilor de distribuție, eliminând costurilor de tranzacție. [10]

2.3 Producerea curentului electric

Energia electrică produsă în natură poate fi regăsită în: trăsnete, fulgere, dar nu poate fi captată pentru utilizarea în diverse procese, aceasta fiind însă produsă prin transformarea diferitelor forme de energie primară, cu ajutorul centralelor electrice.

Centralele electrice sunt formate dintr-un ansamblu de instalații ce au drept țel principal transformarea, cu ajutorul energiei mecanice, a energiei primare (resurse naturale) în energie electrică.

Fig. 2.6 Schema generală a unui ansamblu de producere a energiei electrice

Centralele se pot clasifica în funcție de sursa de energie primară astfel:

Centrale cu combustibili fosili sau nucleari;

Hidrocentrale;

Centrale neconvenționale.

Hidrocentralele reprezintă instalații complexe în care energia hidraulică obținută prin intermediul diferenței de nivel de pe fluxul unui fluviu, respectiv, altei forme de curs de apă (căderilor de ape) naturale sau artificiale este transformată în energie mecanică cu ajutorul turbinelor hidraulice, urmând ca mai apoi în această energie sa se transforme în energie electrică, cu ajutorul generatoarelor de curent electric.

În funcție de puterea produsă, acestea se clasifică în:

hidrocentrale cu o putere instalată de peste 100 kw/h;

microhidrocentrale cu putere instalată cuprinsă între 5 și 100 kw/h;

picohidrocentrale construite pe cursuri mici de ape, acestea nedispunând de baraj și având o putere instalată sub 5 kw/h

Folosirea hidrocentralelor în scopul obținerii energiei electrice prezintă avantaje precum: costul scăzut al energiei electrice, lipsa unei alimentări cu combustibili, personal redus de întreținere și exploatare, lipsa poluării, siguranță în funcționare, randament ridicat.

Dezavantajele sunt legate de dependența față de debitul fluvial, cost inițial ridicat al investiției, efectuarea construcțiilor au o durată mare de timp, necesitatea numărului mare de forță de muncă. Impactul asupra mediului este de asemenea un dezavantaj de luat în calcul, ținând cont că se produc dereglări ale climei, florei, faunei din zona învecinată, datorită modificării regimului precipitațiilor, dispărând specii de plante și animale. Lacurile de acumulare împiedică transportul substanțelor fertile care se depun mai ales în zona gurilor de vărsare a fluviilor, în delte.

Fig. 2.7 Baraj de acumulare

Centrale nuclearo-electrice (CNE)

Principiul de funcționare pentru asemenea centrale, numite și centrale atomoelectrice este asemănător cu cel al centralelor termoelectrice. Se deosebesc de acestea prin faptul că energia termică pentru producerea aburului necesar este obținută cu ajutorul reacțiilor de fisiune nucleară a unor izotopi ai substanțelor radioactive.

Instalația responsabilă pentru asigurarea condițiilor favorabile de obținere și menținere a reacției în lanț este reprezentată de reactorul nuclear. În timpul reacțiilor de fisiune are loc producerea unei cantități însemnate de energie termică, folosită la încălzirea apei și aducerea acesteia în stare de abur, la o temperatură și presiune ridicate.

Aburul este responsabil pentru punerea în mișcare a turbinei termice și astfel obținându-se energia mecanică necesară antrenării generatorului electric.

Energia produsă în CNE este mai ieftină decât cea produsă în centrale termoelectrice, poluarea atmosferei fiind mai redusă, dar construcția unei CNE presupune investiții mari și tehnologii sofisticate. Dezastrele produse însă de către centralele nuclearo-electrice în caz de defecțiuni sunt mult mai dăunătoare mediului înconjurător, în comparație cu cele provocate de centralele ce funcționează cu combustibili convenționali.

În regim de funcționare normală emisiile de substanțe radioactive sunt nesemnificative, pericolul constă însă în eliberarea necontrolată, accidentală de substanțe radioactive.

În România, aproximativ 10% din energia electrică produsă provine din centrale nuclearo-electrice.

Accidentele în exploatare fac din acest tip de centrale unul deosebit de periculos. Reziduurile de combustibil nuclear necesită depozitare în condiții de maximă siguranță, în butoaie sigilate ermetic, pereții buncărelor în care sunt depozitate butoaiele fiind construiți din beton și plăci de plumb.

Fig 2.8 Modul de obținerea energiei electrice în cadrul centralei nuclearo-electrice

Centrale eoliene

Centralele eoliene au nevoie de “fructificarea” maselor de aer în mișcare. Regiunile în care sunt amplasate acestea prezintă vânt puternic și constant. Centralele eoliene sunt formate din pale acționate sub influența vântului, acest lucru premițând asigurarea energiei mecanice necesare generatorului electric. Înclinarea palelor mobile ale turbinelor eoliene se realizează în mod automat în funcție de viteza vântului.

Fig 2.9 Lanțul transformărilor energetice în centrala eoliană

Fig. 2.10 Schema unei turbine eoliene

Centrale solare

Suprafața Pământului primește o cantitate foarte mare de energie solară în fiecare zi.

Din punct de vedere tehnic, există două tipuri de sisteme de conversie a energiei solare:

sistemul termodinamic care realizează transformarea energiei solare în căldură, ce se utilizează mai târziu în funcționarea centralelor electrice clasice. Principiul de funcționare al centralelor electrice termo-solare se bazează pe folosirea un ei turbine alimentate cu aburii rezultați prin fierberea unui lichid cu ajutorul (prin intermediul) radiațiilor solare. Amplasamentul unor astfel de centrale se realizează, de obicei, în arii geografice cu un indice mare de radiații solare. O astfel de centrală solară prezintă în componență: captatori solari, câmpuri de oglinzi, conducte, instalații de încălzire și supraîncălzire.

sistemul fotovoltaic – este folosit pentru transformarea energiei solare în curent continuu. Obținerea energiei electrice este realizată prin conversia energiei radiante a soarelui. Efectul fotovoltaic produce curent în mod direct, fără utilizarea unor piese metalice mobile și spre deosebire de alte forme de transformare, acesta nu produce zgomot.

Efectul fotovoltaic este un fenomen fizic care se produce numai în materiale cu calitate de semiconductor. În momentul în care particule de lumină numite fotoni lovesc suprafețele semiconductorilor, energia este transferată către electronii acestor materiale, punându-i în mișcare în jurul orbitei. În cazul în care, semiconductorul este dopat cu impurități potrivite, care permit electronilor să fie atrași spre o suprafață, se stabilește o sarcină electrică, proces care stă la baza formării curentului electric. [11]

Fig. 2.11 Conversia energiei solare în energie electrică

2.4 Costurile producției curentului electric. Impactul asupra mediului

Consumatorii casnici sunt nevoiți să plătească triplu față de prețul pe care o are energia electrică produsă în centrale. În România, rețeaua de distribuție a fost vândută în cea mai mare parte.

Statul român a acceptat ca toate costurile de întreținere a rețelelor de distribuție sa fie plătite de către români prin intermediul facturilor.

Datorită vechimii sistemelor și lipsei de investiții în sistemele de transmitere a energiei se produc pierderi anuale masive, de aproximativ 4 miliarde de euro.

Dacă după ce este generată de către hidrocentrale, energia electrică are un preț de 120 lei/MW, aceasta urmează sa fie plătită de către populație la un preț de aproximativ 400 lei/MW.

De vină pentru acest lucru sunt tarifele puse de transportatori, furnizori, distribuitori, TVA-ul și accizele încasate de stat, pe lângă aceste tarife adăugându-se și alte taxe precum: taxa de cogenerare, certificatele verzi, taxa pe stâlp, diferite tarife percepute între companiile statului.

Cea mai mare parte din taxe este plătită operatorilor de distribuție. [12]

Producția de energie electrică a României, în anul 2016, a fost realizată în proporție de 42,38% din surse regenerabile, iar restul de 57,62% din surse convenționale, potrivit datelor prezentate în raportul Autorității Naționale de Reglementare în domeniul Energie (A.N.R.E.) privind rezultatele monitorizării pieței de energie electrică.

Fig 2.12 Raportul Autorității Naționale de Reglementare în domeniul Energie (A.N.R.E.) privind rezultatele monitorizării pieței de energie electrică

În 2016, producția națională de electricitate a fost de 61,80 TWh, adică 61,8 miliarde kWh, în scădere cu 1,3% față de anul anterior. Emisiile medii de CO2, respectiv deșeurile radioactive rezultate din producerea energiei electrice au avut valoarea de 287,11 g/kWh, respectiv de 0,003 g/kWh.

Astfel, în 2016 emisiile de CO2 ale sectorului energetic național s-au ridicat la 17.743.398 de tone. [13]

În anul 2017,România a produs 63.64 miliarde de kilowați-oră de electricitate.

Tabelul 2.1 Emisiile de CO2 ale sectorului energetic în anul 2016

Producerea de energie electrică, nu este numai benefică, ci are și un impact destul de nociv asupra mediului înconjurător. Îmbucurător este însă faptul ca se urmărește la nivel global, reducerea cantităților de emisii dăunătoare, prin îmbunătățirea continuă a proceselor de producere a energiei electrice. O astfel de conservare a mediului se realizează și cu ajutorul surselor ce produc energie în mod neconvențional, așa-numita „energie verde”.

În cazul producerii energiei prin intermediul centralelor termoelectrice, degajarea gazelor nocive în atmosferă, generate de arderea combustibililor fosili, produc ploi acide care distrug vegetația.

Centralele hidroelectrice, produc dereglări asupra florei, faunei, prin modificarea regimului precipitațiilor, fapt ce poate genera dispariția unor specii de animale și plante.

Când vine vorba despre centralele nuclearo-electrice, efectele asupra mediului pot fi distrugătoare în cazul unor accidente de exploatare.

Arderea cărbunilor produc oxizi de carbon, sulf și azot, particule de praf, contribuie în mod direct la formarea gazelor cu efect de seră implicate în încălzirea globală, produsul arderii – zgura are efecte complexe asupra atmosferei, solului și apelor subterane, elimină pulberi metalice.

În cazul petrolului și gazelor naturale, are loc poluarea marină și a coastelor litorale, modificarea pH – ului solului prin acumulări de hidrocarburi, iar în momentul arderii se produc elemente chimice precum S02 , NO2 , CO2 și gaze cu efect de seră, contribuind la formarea ploilor acide.

Transportul petrolului poate afecta marile și oceanele în urma spargerii conductelor sau altor tipuri de accidente în exploatare. Petrolul, având o densitate mai mică decât a apei, formează o peliculă ce împiedică difuziunea oxigenului în apă. Deversările de petrol în ecosistemele marine ajung la aproximativ 12 miliarde de tone.

Efectul pe care îl are câmpul electric asupra corpului uman nu sunt complet cunoscute, dar studiile efectuate au scos la iveală faptul că, persoanele ce lucrează în zone cu câmpuri electrice intense sunt predispuse la fenomene de oboseală, diminuarea atenției, slăbiciune în membrele superioare, senzații de amețeală, tulburări ale ritmului de somn ce duc până la insomnii.[14]

2.5 Instrumente de măsură și control a consumului. Exemple comerciale

Un contor de energie electrică, sau un contor electric este un dispozitiv care măsoară cantitatea de energie electrică consumată de o reședință, de fabrică sau de un dispozitiv alimentat electric.

Utilitățile electrice utilizează contoare electrice instalate la sediul clienților în scopuri de facturare. Acestea sunt de obicei calibrate în unități de facturare, cea mai obișnuită fiind cea de kilowați oră (kWh). Ele sunt de obicei citite o dată pe fiecare perioadă de facturare.

Când sunt necesare economii de energie în anumite perioade, unii contori pot măsura cererea, utilizarea maximă a puterii, într-un anumit interval. Măsurarea "Timp de zi" permite reducerea ratelor electrice în timpul unei zile, pentru înregistrarea utilizării în timpul perioadelor de vârf cu costuri ridicate și a perioadelor în afara orelor de vârf, cu costuri reduse. Deci, în unele zone au existat pierderi de sarcină în timpul perioadelor de vârf de încărcare.

Fig. 2.14 Exemple de contori de energie electrică

Au fost dezvoltate multe tipuri experimentale de contoare electrice. Thomas Edison a creat un contor electromecanic cu curent continuu (DC), cu un registru de lectură direct, dar în schimb dezvoltat pe un sistem electrochimic de măsurare. Era utilizată o celulă electrolitică la consumul total de curent. La intervale regulate, plăcile au fost scoase și cântărite, iar clientul a fost facturat. Contorul electrochimic a fost greu de citit și nu a fost acceptat de către clienți.

În 1885 Ferranti a oferit un contor cu mercur cu registru, asemănător cu contoarele de gaz. Consumatorul putea citi cu ușurință contorul și verifica consumul. Primul contor precis de electricitate a fost un DC-metru realizat de către Dr. Hermann Aron. Hugo Hirst de la British General Electric Company l-a introdus în Marea Britanie din 1888. Metronomul lui Aron a înregistrat încărcarea totală în timp și s-a răspândit destul de mult în randul consumatorilor.

Primul specimen de contor pentru curent alternativ (AC), a fost realizat de către ungurul Ottó Bláthy în toamna anului 1889, fiind comercializat la sfârșitul aceluiași an.

Elihu Thomson de la American General Electric Company a dezvoltat un contor de înregistrare watts (watt-metru), bazat pe un motor comutator fără fier. Acesta a depășit dezavantajele tipului electrochimic și putea funcționa fie pe curent alternativ, fie pe curent continuu.

În 1894 Oliver Shallenberger, angajat al Westinghouse Electric Corporation a aplicat principiul de inducție utilizat anterior doar pentru AC-metre cu măsurare de amperi-oră pentru a produce AC-metre care să citească watti-oră, precum contorii de energie moderni, folosind un disc de inducție a cărui rotație era proporțională cu puterea din circuit.

Contoarele Bláthy sunt similare cu contoarele Shallenberger și Thomson în măsura în care sunt contoare de curent cu două faze. Deși contorul bazat pe inducție nu poate fi utilizat decât pentru curent alternativ, are avantajul de a elimina comutatorul problematic și supărător al design-ului folosit de către Thomson.

Cea mai comună unitate de măsură pentru contorul de electricitate este kilowatt-oră [kWh], ceea ce este egal cu cantitatea de energie utilizată de o sarcină de un kilowatt pe o perioadă de o oră, sau 3.600.000 jouli.

Distorsiunea curentului electric prin sarcini este măsurată în mai multe moduri. Factorul de putere este raportul dintre puterea rezistivă (sau reală) și puterea aparentă măsurată în volt-amperi (VA). O sarcină capacitivă are un factor de putere de conducere, iar o sarcină inductivă are un factor de putere întârziat. O sarcină pur rezistivă (cum ar fi o lampă cu filament, sisteme de încălzire), prezintă un factor de putere aproximativ egal cu 1.

Contoarele de energie electrică funcționează prin măsurarea continuă a tensiunii instantanee (volți) și a curentului (amperi), pentru a furniza energia utilizată (în jouli, kilowați-oră etc.). Contoarele pentru servicii mai mici (cum ar fi clienții rezidențiali mici) pot fi conectate direct între sursă și client. Pentru sarcini mai mari, mai mult de aproximativ 200 amperi de sarcină, se folosesc transformatoare de curent, astfel încât contorul poate fi poziționat în linie cu conductorii de serviciu. Contoarele se încadrează în două categorii de bază, electromecanice și electronice.

Cel mai obișnuit tip de contor de energie electrică este contorul electromecanic (watt-metrul). Pe o sursă de alimentare monofazată, contorul de inducție electromecanic funcționează prin inducție electromagnetică prin numărarea rotațiilor unui disc metalic nemagnetic, dar electric, care este proporțional cu curentul care trece prin contor. Discul este acționat de două seturi de bobine de inducție și un motor cu două faze de inducție liniară. O bobină este conectată într-un mod care produce un flux magnetic proporțional cu tensiunea. Câmpul bobinei de tensiune este întârziat cu 90 de grade datorită naturii inductive a bobinei și calibrat utilizând o bobină de întârziere. Acest lucru produce curenți turbionari pe disc și efectul exercitat pe disc este proporțional cu produsul curentului, tensiunii și tensiunii instantanee (factorul de putere) între ele. Un magnet permanent acționează ca o frână cu curent turbionar, exercitând o forță contrară vitezei de rotație a discului. Echilibrul dintre aceste două forțe opuse are ca rezultat viteza de rotație la o viteză proporțională cu puterea sau rata de utilizare a energiei. Discul este susținut de un arbore cu melc care acționează registrul. Registrul este o serie de cadrane care înregistrează cantitatea de energie utilizată. Cifrele pot fi de tip ciclometru, în cazul afișajului de tip kilometraj, ușor de citit în cazul în care fiecare cifră este afișată. Indicatorii de cadran se rotesc în general în aceleași direcții cu discul, datorită mecanismului de angrenare.

Contoarele electronice afișează energia utilizată pe afișajul LCD sau LED. În afară de măsurarea energiei utilizate,contoarele electronice pot transmite informația la distanță, astfel încât acestea să poată susține și facturarea în funcție de oră, de exemplu, înregistrarea cantității de energie utilizată în timpul orelor de vârf și în afara orelor de vârf.

Contorul are o sursă de alimentare, un motor de dozare, un motor de procesare și de comunicare (de exemplu, un microcontroler), precum și alte module add-on: cum ar fi RTC, LCD, porturi de comunicare, etc.. .

Motorul de dozare este dat de tensiune și intrările de curent și are o tensiune de referință, samplere și quantificatoare, urmate de la secțiunea ADC (Analog Digital Converter) pentru a produce echivalenții digitizați ai tuturor intrărilor. Aceste intrări sunt apoi procesate folosind un procesor de semnal digital pentru a calcula diferiți parametri de măsurare.

Cea mai mare sursă de erori pe termen lung în contor este devierea în preamplificator, urmată de precizia referinței de tensiune. Acestea variază în funcție de temperatură, înregistrând diferețe mari față de valorile nominale, deoarece cele mai mulți contori sunt amplasați în aer liber.

Caracterizarea și compensarea acestora reprezintă o parte importantă a proiectării contoarelor.

Secțiunea de procesare și comunicare are responsabilitatea de a calcula diferitele cantități produse de motorul de măsurare. Aceasta are, prin urmare, responsabilitatea de a folosi diferite protocoale și interfețe cu alte module de completare.

RTC și alte module add-on sunt atașate ca slave în secțiunea de procesare și comunicare pentru diferite funcții de intrare / ieșire. Pe un contor modern, cele mai multe, dacă nu toate acestea vor fi puse în aplicare în interiorul microprocesorul : cum ar fi ceasul de timp real (RTC), controler LCD, senzor de temperatură, memorie și convertoare analog-digitale.

Afișarea la distanță a contorului este un exemplu practic de telemetrie. Economisește costul cititorului de metru uman și greșelile rezultate, dar permite, de asemenea, mai multe măsurători și furnizarea rezultatelor la distanță față de locul măsurării. Multe contoare inteligente includ acum un comutator pentru întreruperea sau restaurarea serviciului.

Din punct de vedere istoric, contorul a fost citit de la distanță folosind o pereche de contacte electrice atașate la o linie KYZ.

O interfață KYZ este un formular C furnizat de contor. Într-o interfață KYZ, firele Y și Z sunt contacte de comutare, scurtcircuitate la K pentru o cantitate măsurată de energie. Când un contact se închide, celălalt contact se deschide pentru a oferi o precizie a numărului. Fiecare modificare a stării de contact este considerată un impuls. Frecvența impulsurilor indică cererea de energie. Numărul de impulsuri indică măsurarea energiei.

Releul KYZ creează impulsuri.Termenul KYZ se referă la denumirile de contact: K pentru comun, Y pentru normal deschis și Z pentru închis în mod normal. Când vine vorba de măsurarea electrică, releul se schimbă la fiecare rotire (sau jumătate de rotație) a discului contorului. Fiecare schimbare de status se numește "puls". Atunci când este conectat la echipamente externe, rata de utilizare (kW), precum și utilizarea totală (kWh).

Ieșirile KYZ au fost atașate din punct de vedere istoric la "relee totalizatoare" alimentând un "totalizator", astfel încât multe contoare puteau fi citite dintr-o dată într-un singur loc.

Prin urmare, ieșirile KYZ sunt metoda clasică de conectare a contoarelor de energie electrică la controlerele logice programabile, sistemele H.V.A.C. sau alte sisteme de control.

Unele contoare moderne oferă, de asemenea, o închidere de contact care avertizează atunci când contorul detectează o cerere în apropierea unui tarif mai mare la energie electrică, pentru a îmbunătăți gestionarea cererii.

Unele contoare industriale folosesc un protocol pentru controlere logice programabile (Modbus sau DNP3).

Un protocol propus în acest scop este D.L.M.S / C.O.S.E.M, care poate gestiona orice mediu, inclusiv porturi seriale. Datele pot fi transmise de către Zigbee, WiFi, linii telefonice sau chiar prin liniile electrice. Câteva dispozitive de măsurare a energiei pot citi datele prin intermediul Internetului. Alte protocoale mai moderne devin populare, cum ar fi OSGP (Open Smart Grid Protocol).

Contoarele electronice utilizează acum radio cu frecvență redusă, GSM, GPRS, Bluetooth, IrDA, precum și o conexiune prin cablu RS-485. Elementele pot fi citite acum cu un click al unui buton. Citirile de cerere stocate cu profilele indică cu exactitate cerințele de sarcină ale clientului. Acest profil de încărcare este procesat la utilități în scopuri de facturare și planificare.

Citirea automată a măsurătorilor (AMR) și RMM (citirea la distanță a contorului) descriu modul de testare a contorului fără citirea acestuia.

Un contor electronic poate transmite citirile sale prin linie telefonică sau radio la un birou central de facturare. Citirea automată a contorului se poate face cu modemurile GSM (Global System for Mobile Communications), una este atașată la fiecare contor, iar cealaltă este localizată la biroul central de utilități.

De asemenea, este posibil să se utilizeze comportamentul consumului de energie. Recent, au fost disponibile ecrane de feedback cu costuri reduse. Un studiu care utilizează un contor cititor la consumatori în 500 de case în Ontario, de tipul Hydro One, a arătat o scădere medie de 6,5% a consumului total de energie electrică în comparație cu un grup de control de dimensiune similară. Proiecte precum Google PowerMeter, iau informații de la un contor inteligent și îl fac mai accesibil pentru utilizatori pentru a contribui la promovarea conservării.

Contoarele inteligente merg mai departe decât simpla citire automată a contorului. Acestea oferă funcționalități suplimentare, inclusiv citiri în timp real sau aproape în timp real, notificări privind întreruperea alimentării și monitorizarea calității puterii. Acestea permit stabilirea unor tarife diferite în funcție de consum, bazate pe perioada zilei și sezon.

Supravegherea consumului energetic este folosită pentru a determina automat numărul și tipul aparatelor dintr-o rețea, ce cantitate de energie folosește fiecare și când. Acest contor este utilizat de companiile electrice pentru a efectua sondaje privind consumul de energie. Astfel, se elimină necesitatea de a face măsurării fiecărui aparat în parte pentru a determina cât de multă energie utilizează.

Mulți consumatori de energie electrică instalează propriul echipament de monitorizare a energiei electrice, din motive de economie sau motive ce țin de mediul înconjurător.

Fig.2.15 Transformatoare de curent folosite ca parte integrată a unui sistem de monitorizare a energiei electrice

S-au dezvoltat o serie de dispozitive comerciale pentru realizarea măsurării prin diferite metode a energiei electrice. Aceste metode tind să devină cât mai precise și inteligente pe măsură ce tehnologia devine din ce în ce mai avansată. [15]

Exemple de dispozitive sunt foarte multe, voi aminti câteva dintre ele și voi descrie succint anumite modele. Dintre cele mai populare exemple amintim:

Excelvan HP1101 – acesta este un dispozitiv ce poate fi cumpărat cu un buget redus. Folosirea aparatului este foarte simplă, tot ce trebuie făcut este să se realizeze conectarea și apoi se poate utiliza pentru măsurarea oricărui consumator în vederea obținerii unor rezultate rapide. Acesta poate măsura o gamă largă de parametri, inclusiv kWh, amperi, tensiune și altele.

Fig. 2.16 Aparat de măsură Excelvan HP1101

Efergy E2 pune la dispoziție actualizări de informații la fiecare 10 secunde, astfel încât să se poată observa dacă apar deviații bruște. Aparatul permite afișarea unei medii zilnice a consumului de energie, fapt ce facilitează cunoașterea tendințele și astfel, utilizatorul poate să ajusteze consumul după bunul său plac.

Fig. 2.17 Dispozitiv de măsură Efergy E2

Blue Line Innovations Power Cost – colectează datele direct de la contorul de energie al casei, deci nu există nici o îndoială cu privire la acuratețea acestui aparat. Avertizarea asupra utilizării curente, face mai ușoară economisirea, atunci când acest lucru este posibil.

Fig. 2.18 Dispozitiv de măsură Blue Line Innovations Power Cost

Eyedro Wireless – aparatul Eyedro Wireless permite monitorizarea costurilor mai multor consumatori de energie electrică și obținerea în orice moment a unor citiri detaliate și clare legate de puterea consumată, prin intermediul serviciului web gratuit, bazat pe cloud. Este disponibil într-un model cablat pentru a se potrivi oricăror tipuri de conexiuni la Internet. Dispozitivul permite realizarea graficelor în timp real, estimări orare / zilnice / săptămânale / lunare, comparații între facturi și estimări, datele putând fi descărcate pentru analize suplimentare.

Fig. 2.19 Dispozitiv de măsură Eyedro Wireless

Sense Home Energy – este un sistem complet care necesită instalare de specialitate. Acesta se montează direct în incinta panoului electric. Dispozitivul oferă date referitoare la întregul profil energetic, precum și informații cu privire la utilizarea în timp real a fiecărui aparat ce realizează consum energetic.

Fig. 2.20 Dispozitiv de măsură Sense Home Energy

Monitoarele de energie electrică sunt o achiziție inteligentă pentru oricine dorește să reducă consumul de energie, fie în scopuri ecologice sau monetare. Aceste monitoare pot ajuta la identificarea dispozitivelor ce utilizează cea mai mare putere. Acestea realizează contorizarea consumului în același mod cu companiile de electricitate, făcând ușoară predicția costului facturii viitoare.

În caz că se folosește o cantitate mare de energie electrică și se dorește reducerea acesteia, multe modele permit utilizatorului să stabilească o limită de kilowați la care acesta dorește să se limiteze. Unitățile de monitorizare a consumului de energie electrică pot afișa informații utile, cum ar fi puterea totală consumată de un dispozitiv într-o zi, urmărirea în timp real și resetarea la fiecare 24 de ore.

Multe monitoare se pot conecta la mai multe dispozitive din jurul casei, permițând navigarea pe ecranul de control, astfel putându-se realiza verificarea fiecărui dispozitiv consumator de energie electrică în parte. Monitoarele compatibile Bluetooth nu doar că permit utilizatorilor aflați la distanță să verifice utilizarea energie electrice, ci și să pornească dispozitivele de la distanță.

Multe monitoare se conectează direct într-o priză de perete, astfel încât o persoană le poate folosi cu ușurință acasă sau la birou. Unele permit utilizatorului să se conecteze la un consumator, pentru a obține o citire imediată, în timp real a consumului de energie al elementului respectiv.

Modelele avansate prezintă tehnologie cloud computing, care le permite utilizatorilor să verifice consumul de energie al locuinței lor de pe orice dispozitiv conectat la Internet și să îl salveze pentru analiza ulterioară, astfel încât să-și poată urmări obiceiurile. [16]

2.6 IoT și energia verde

IoT (Internet of Things), în traducere „Internetul obiectelor” este constituit din rețeaua de dispozitive fizice, vehicule, aparate de uz casnic și alte elemente electronice integrate, precum senzori, actuatori, conectate la Internet și interconectate în vederea realizării schimburilor de date.

Fiecare obiect este identificat în mod unic prin propriul sistem informatic încorporat, dar este capabil de a funcționa fără a fi conectate în cadrul infrastructurii de Internet existente.

Numărul dispozitivelor capabile să comunice prin intermediul Internetului a crescut cu 31% față de anul 2016, ajungând la 8.4 miliarde în anul 2017. Se estimează faptul că în anul 2020, numărul acestora va ajunge la 30 de miliarde, iar valoarea de piață va fi undeva la 7.1 trilioane de dolari.

IoT permite obiectelor sa fie detectate sau controlate de la distantă prin intermediul rețelei în care acestea sunt conectate, dar și prin intermediul infrastructurii de rețea existente. Acest tip de concept crează oportunități de integrare mai directă a lumii fizice în sistemele bazate pe computer, ceea ce determină o eficiență îmbunătățită, precizie și beneficii economice, dar și reducerea intervenției personalului uman.

Atunci când IoT se integrează cu senzori și elemente de acționare, tehnologia devine instanță a clasei mai generale a sistemelor cibernetice-fizice, care cuprinde tehnologii precum: rețele inteligente, centrale electrice virtuale, case inteligente, transport inteligent și nu în ultimul rând orașe inteligente (smart cities).

Când vine vorba despre „Internet of Things”, ne putem gândi la o varietate de dispozitive, cum ar fi: dispozitive de monitorizare a implanturilor cardiace, camere video cu streaming live ale diferitelor activități și pentru monitorizarea ariilor protejate, automobile cu senzori încorporați, dispozitive de analiză ADN pentru monitorizarea ecologică, alimentară sau patogenă, dispozitive de operare pe teren care asistă pompierii în operațiunile de căutare și salvare.

Cercetătorii văd această tehnologie ca pe un mix între hardware, software, date și servicii.

Aceste dispozitive colectează date utile cu ajutorul diferitelor tehnologii existente și apoi transferă în mod autonom datele între alte dispozitive.

Se pare că acest concept a fost folosit de către Kevin Ashton de la Procter & Gamble, urmând sa fie utilizat și de MIT's Auto-ID Center în 1999. Prima sursă scrisă și la care se putea face referință despre „Internet of Things” a fost lucrarea intitulată „White Paper”, publicată de către MIT Auto-ID Center în noiembrie 2001, făcută publică în abia în februarie 2002.

Primul articol de cercetare care menționează “Internetul obiectelor” pare să fie o lucrare prezentată la Conferința pentru cercetători nordic în logistică, Norvegia, în iunie 2002, care a fost precedată de la articolul publicat în limba finlandeză în ianuarie 2002.

Începând cu anul 2016, viziunea asupra „Internet of Things” a evoluat datorită convergenței mai multor factori și tehnologii , inclusiv datorită comunicării fără fir (wireless) omniprezentă, a analizelor în timp real, a mașinilor de învățare (rețelelor neurale), a senzorilor și nu în ultimul rând datorită sistemelor integrate. Acest lucru înseamnă că domeniile tradiționale ale sistemelor încorporate, rețelelor de senzori wireless, sistemelor de control, automatizări (incluzând automatizarea caselor și a clădirilor) și ale altora contribuie la facilitarea funcționării IoT.

Conceptul de rețea de dispozitive inteligente a fost discutat încă din anul 1982, cu o mașină de cocs modificata la Universitatea Carnegie Mellon, devenind primul aparat conectat la Internet.

Abilitatea unei persoane de a interacționa cu obiectele ar putea fi modificată de la distanță, pe baza nevoilor imediate sau prezente, în conformitate cu acordurile existente privind utilizatorii finali.

O transformare semnificativă este extinderea „lucrurilor” de la datele generate de dispozitive, la obiecte din spațiul fizic. Modelul de gândire pentru viitorul mediu de interconexiune a fost propus în anul 2004. Modelul include ideea că universul ternar este format din lumea fizică, lumea virtuală și lumea mentală și o arhitectură de referință pe mai multe nivele, cu natura și dispozitivele de la nivel inferior, urmată de nivelul Internetului, rețelei senzorilor și rețelei mobile, „comunități inteligente” de roboți, la nivel superior, care susțin utilizatorii dispersați din punct de vedere geografic, pentru a-și îndeplini sarcinile în mod cooperativ și a rezolva probleme prin intermediul rețelei. Astfel se realizează promovarea în mod activ a fluxului de material, energie, tehnici, informații, cunoștințe și servicii în acest mediu. Acest model de gândire a reprezentat tendința de dezvoltare a IoT.

Aplicațiile pentru dispozitivele conectate la Internet sunt multe. Au fost sugerate mai multe categorisiri, dintre care majoritatea sunt de acord cu o separare între consum, întreprinderi și aplicațiile de infrastructură.

George Osborne, fostul cancelar britanic de finanțe, a declarat că „Internetul lucrurilor” reprezintă următoarea etapă a revoluției informațiilor și a făcut referire la interconectarea tuturor dispozitivelor, de la transportul urban, dispozitive medicale până la aparatele de uz casnic.

Capacitatea rețelelor integrate de a fi conectate și încorporate cu resurse CPU limitate, memorie și resurse de putere scăzute, fac din „Internet Of Things” un concept ce prezintă aplicații aproape în toate domeniile. Astfel de sisteme ar putea fi responsabile cu colectarea informațiilor de la ecosisteme naturale la clădiri și fabrici, găsind astfel aplicații în domeniile legate de mediu și planificare urbană.

Sistemele inteligente de cumpărături ar putea monitoriza obiceiurile de cumpărare ale anumitor utilizatori într-un magazin prin urmărirea dispozitivelor de pe care se realizează cumpărăturile. Acești cumpărători ar putea primi apoi oferte speciale cu privire la produsele preferate sau chiar la locația elementelor de care au nevoie.

Conceptul de „Internet al lucrurilor vii” a fost propus pentru a descrie rețelele de senzori biologici care ar putea utiliza analizele bazate pe cloud pentru a stoca și permite utilizatorilor să studieze ADN-ul sau alte molecule.

O parte preponderent în creștere de dispozitive IoT sunt create pentru consumatori. Exemple de aplicații pentru consumatori includ conectarea autoturismelor la diverși senzori, divertismentul, automatizarea casei, tehnologia portabilă, dispozitive de monitorizare a sănătății, aparate precum mașinile de spălat/uscat, aspiratoarele robotizate, purificatoarele de aer, cuptoarele sau frigiderele ce utilizează tehnologia Wi-Fi pentru monitorizarea la distanța, dispozitive de urmărire a consumului energetic pe anumiți consumatori sau pentru monitorizarea consumului unei clădiri, etc..

Pe de altă parte, unele aplicații destinate consumatorilor au fost criticate pentru lipsa lor de redundanță și inconsistență, dar și pentru lipsa unor standarde stricte de securitate.

Un exemplu de dispozitive IoT sunt acele dispozitive folosite pentru automatizarea locuinței. Sistemele inteligente cu funcții multiple utilizează un hub principal sau un controler pentru a oferi utilizatorilor un control central al dispozitivelor lor. Aceste dispozitive pot include: iluminatul, încălzirea și aerul condiționat, sistemele media și sistemele de securitate. Ușurința utilizării reprezintă un beneficiu major pentru aceste funcționalități. Beneficiile pe termen lung constă în capacitatea de a crea o locuință mai ecologică prin automatizarea anumitor funcții, precum asigurarea opririi luminilor și a unor aparate electrocasnice. Unul dintre obstacolele majore în calea obținerii unei tehnologii smart home este costul inițial ridicat.

Utilizarea media pentru IoT se ocupă în primul rând de marketing și de studierea obiceiurilor consumatorilor. Prin direcționarea comportamentală, aceste dispozitive colectează numeroase puncte de informare despre milioane de indivizi. Folosind profilele construite în timpul procesului de direcționare, producătorii media prezintă publicitatea afișată în conformitate cu obiceiurile cunoscute ale consumatorului la un moment dat. Informațiile suplimentare sunt colectate prin urmărirea modului în care consumatorii interacționează cu conținutul. Acest lucru se realizează prin contorizarea conversiilor, rata abandonului, rata de click, rata de înregistrare și rata de interacțiune.

Controlul rețelei și gestionarea echipamentelor de producție, gestionarea și controlul proceselor de producție aduc IoT în domeniul aplicațiilor industriale și al producției inteligente.

IoT permite fabricarea rapidă a produselor noi, răspunsul dinamic la cerințele de produs și optimizarea în timp real a rețelelor de producție și a lanțului de aprovizionare, prin combinarea mașinilor conectate în rețea, a senzorilor și sistemelor de control.

Sistemele digitale de control pentru automatizarea controalelor de proces, a instrumentelor de operare și a sistemelor de informații de service pentru optimizarea siguranței și securității instalațiilor sunt în competența IoT.

Dar, de asemenea se extinde și la gestionarea activelor prin întreținere predictivă, evaluare statistică și măsurători pentru a maximiza fiabilitatea. Prin urmare, sistemele inteligente de management industrial pot fi integrate cu conceptul de Smart Grid, care oferă o optimizare în timp real a energiei. Măsurătorile, comenzile automate, optimizarea instalațiilor, managementul sănătății și siguranței și alte funcții sunt furnizate de un număr mare de senzori în rețea.

Termenul „Industrial Internet of things” (IIoT) este adesea întâlnit în industria prelucrătoare, referindu-se la subsetul industrial al Internetului. Astfel, în industria prelucrătoare, aceasta ar putea genera atât de multă valoare de afacerilor încât să conducă în cele din urmă la cea de-a patra revoluție industrială. Se estimează că, în viitor, companiile de succes vor să își sporească veniturile prin crearea de noi modele de afaceri și să îmbunătățească productivitatea, să exploateze analizele pentru inovare și să transforme forța de muncă.

În timp ce conectivitatea și achiziția de date sunt imperative pentru IIoT, ele nu ar trebui să fie scopul, ci fundația și calea spre ceva important. Obiectivul sistemelor inteligente de întreținere este reducerea timpilor de nefuncționare și creșterea productivității. Sistemele cyber-fizice (CPS) reprezintă interfața pentru lumea umană și cea digitală. Sistemele Cyber-fizice pot fi proiectate la nivelul arhitecturii 5C (conexiune, conversie, cyber, cogniție, configurare). Transformarea datelor colectate în informații acționabile și eventual interacțiunea cu sisteme fizice active pot duce la optimizarea proceselor.

Integrarea sistemelor de detectare și de acționare conectate la Internet poate optimiza consumul de energie electrică în ansamblu. Este de așteptat ca dispozitivele IoT să fie integrate în toate formele de dispozitive consumatoare de energie (switch-uri, prize de putere, becuri, televizoare etc.) și vor putea să comunice în mod ordonat cu compania de utilități. Prin urmare, dispozitivele de localizare ar oferi posibilitatea utilizatorilor de a controla de la distanță aparatele electrice și electronice, sau de a le gestiona la nivel central, printr-o interfață bazată pe cloud și eventual șă le permită activarea de funcții avansate, precum programarea realizată la distanță – pornirea sau oprirea sistemelor de încălzire, schimbarea condițiilor de iluminare, etc. .).

În afară de gestionarea energiei de acasă, IoT reprezintă în special relevanță pentru rețeaua inteligentă (Smart Grid), deoarece oferă sisteme pentru colectarea și acționarea în domeniul energiei și a informațiilor legate de putere în cel mai automat mod, cu scopul de a îmbunătăți eficiența, fiabilitatea, economia și durabilitatea, producția și distribuția energiei electrice. Utilizând dispozitive de infrastructură de măsurare avansată (AMI), precum transformatoare și reclosere.

Aplicațiile de monitorizare a mediului realizate prin intermediul „Internet of Things”, folosesc de obicei senzori pentru a contribui la protecția mediului prin monitorizarea calității aerului sau a apei, condițiilor atmosferice sau ale solului, incluzând chiar monitorizarea animalelor sălbatice în mediile lor naturale.

În viitor, IoT poate fi o rețea nedeterministă și deschisă, în care entitățile să se auto-organizeze în entități inteligente (servicii web, componente SOA) și obiectele virtuale (avataruri) vor fi inter-operabile și capabile să acționeze prin urmărirea propriilor obiective sau să partajeze date și informații în funcție de context, circumstanțe sau medii.

Comportamentul autonom prin colectarea și raționamentul informațiilor despre context vor duce la schimbări relevante în mediul înconjurător . Produsele și soluțiile moderne IoT de pe piață utilizează o varietate de tehnologii diferite pentru a sprijini automatizarea contextuală a căutărilor, dar sunt cerute forme de inteligență mai sofisticate care să permită implementarea senzorilor în medii reale.

„Internetul obiectelor” necesită un nivel de scalare imens în spațiul de rețea pentru a face față creșterii numărului de dispozitive. Protocolul de rețea IPv6 pare să joace un rol major în scalarea acesteia.

În „Internetul obiectelor”, locația geografică exactă a unui obiect – și astfel coordonatele geografice precise ale unui acestuia – va fi critică. Prin urmare, informațiile despre obiecte, cum ar fi locația acestora în timp și spațiu, sunt ușor de precizat, GeoWeb și Digital Earth sunt bine cunoscute pentru realizarea acestui scop.

Cu toate acestea, provocările care persistă includ constrângerile scalelor spațiale variabile, necesitatea de a gestiona cantități mari de date și indexarea pentru operațiile de căutare rapidă în vecinătate. În „Internetul obiectelor”, rolul de mediere centrat pe om este eliminat. Astfel, contextul temporal-spațiu pe care noi, ca om, îl considerăm de la sine înțeles trebuie să fie un rol central în acest ecosistem informatic. La fel cum standardele joacă un rol esențial în Internet și pe Web, standardele geospațiale vor juca un rol-cheie în „Internetul lucrurilor”.

Cadrele IoT ar putea contribui la susținerea interacțiunii dintre "lucruri" și ar permite structuri mai complexe, cum ar fi distribuția de calcul și dezvoltarea de aplicații distribuite. În prezent, unele cadre IoT par să se concentreze asupra soluțiilor de înregistrare în timp real a datelor, oferind o bază pentru a lucra cu multe dispozitive și a le face să interacționeze. Dezvoltările viitoare ar putea conduce la medii specifice de dezvoltare a software-ului în „Internetul Obiectelor”. Companiile dezvoltă platforme tehnologice pentru a oferi astfel de funcționalități pentru „Internetul Obiectelor”. Se dezvoltă platforme mai noi, care adaugă mai multă inteligență.

Pentru IoT se pot folosi protocoale de conectare wireless sau protocoale de conectare prin intermediul conexiunii cu fir precum:

protocoale wireless short-range: Bluetooth mesh networking , Light-Fidelity – tehnologia de comunicație fără fir similară standardului Wi-Fi, dar care utilizează spectrul luminos pentru a crește viteza, Near-field communication (NFC) , QR codes și cititoare de coduri de bare, Radio-frequency identification (RFID) – tehnologie care utilizează câmpuri electromagnetice pentru a citi datele stocate în etichete încorporate în alte articole , Wi-Fi

protocoale wireless medium-range: HaLow – variantă a standardului Wi-Fi ce oferă o gamă extinsă de comunicații cu putere redusă, la o rată de transfer mai mică, LTE-Advanced – Specificație de comunicație de mare viteză pentru rețelele mobile. Oferă îmbunătățiri ale standardului LTE cu o acoperire extinsă, o capacitate mai mare de transfer și o latență mai mică.

protocoale wireless long-range: Low-power wide-area networking (LPWAN) – Rețelele fără fir concepute pentru a furniza comunicații pe distanțe lungi la o rată scăzută a datelor, reducând puterea și costurile pentru transmisie; Very small aperture terminal (VSAT) – Tehnologia de comunicații prin satelit care utilizează antene mici pentru date în bandă îngustă și în bandă largă , Long-range Wi-Fi connectivity

protocoale wire: Ethernet – protocol folosit pentru acest proiect implementat cu ajutorul Ethernet Shield , Multimedia over Coax Alliance (MoCA) – Specificație care permite distribuția întregului conținut video și conținut de înaltă definiție pe cablurile coaxiale existente , Power-line communication (PLC) – Tehnologie de comunicare care utilizează cabluri electrice pentru a transporta energie și date. Specificații precum HomePlug sau G.hn utilizează PLC pentru dispozitivele de rețea IoT.

Unul dintre motoarele cheie ale Internetului este reprezentat de date. Succesul ideii de a conecta dispozitivele pentru a le face mai eficiente depinde de accesul, stocarea și prelucrarea datelor. În acest scop, IoT colectează date din mai multe surse și le stochează în rețeaua lor de cloud pentru procesare ulterioară. Acest lucru lasă în urma pericole de confidențialitate și de securitate. Vulnerabilitatea sistemelor care comunică prin intermediul IoT este concentrată într-un singur punct. Celelalte aspecte se referă la alegerea consumatorului și la proprietatea asupra datelor,dar și la modul în care este acestea sunt utilizate.

IoT suferă de fragmentarea platformei și de lipsa standardelor tehnice, în care varietatea de dispozitive IoT, în contextul diferitelor tipuri de hardware și software care rulează pe ele, îngreunează sarcina de a dezvolta aplicații între diferite ecosisteme tehnologice inconsecvente. Clienții pot fi ezitanți în privința viitorului lor IoT pe un software sau pe dispozitive hardware de proprietate care utilizează protocoale de proprietate care pot deveni demodate sau dificil de personalizat și de interconectat.

O provocare pentru producătorii de aplicații IoT este de a elimina, procesa și interpreta cantitatea mare de date. Există o soluție propusă pentru analiza rețelelor de senzori wireless. Aceste rețele împart date între nodurile senzorilor care sunt trimise unui sistem distribuit pentru datele analitice.

O altă provocare este stocarea acestor date brute. În funcție de aplicație, pot exista cerințe ridicate de achiziție a datelor. În prezent, Internetul este deja responsabil pentru consumul a 5% din totalul energiei generate, iar consumul va crește semnificativ în momentul în care vom începe să folosim aplicații cu mai mulți senzori încorporați.

Fig. 2.21 Dezvoltarea IoT în timp

În figura de mai sus este prezentat parcursul în timp legat de începutul, prezentul și obiectivele de viitor pentru dezvoltarea „Internet of Things”. [17]

IoT este foarte util în vederea gestionarii și economisirii energiei electrice în contextul actual, deoarece prin implementarea sistemelor inteligente se pot realiza algoritmi de reducere a costului și de obținere a unui consum minim. Acești algoritmi pot fi adaptați și comunicați și celorlalte dispozitive interconectate de tip IoT. Este foarte clar trendul trecerii la forme de energie regenerabile, care să permită utilizatorilor un cost mai scăzut al energiei, dar să realizeze și protecția mediului înconjurător, prin reducerea poluării de orice natură. Astfel cele două forme de dezvoltare și minimizare a costului, dar și de ecologizare, pot fi îmbinate armonios în vederea realizării îmbunătățirii nivelului de trai.

Energia regenerabilă este colectată din resurse regenerabile, reproduse natural, cum ar fi lumina soarelui, vântul, ploaia, valurile, valurile și căldura geotermală.

Energia regenerabilă furnizează deseori energie în patru domenii importante: generarea de energie electrică, încălzirea / răcirea aerului și a apei, transportul și serviciile energetice rurale.

Pe baza raportului REN21 din 2017, energiile regenerabile au contribuit cu 19,3% la consumul global de energie al oamenilor și 24,5% la producerea de energie electrică în 2015, respectiv 2016. Acest consum de energie este de 8,9% din biomasa tradițională, 4,2% din energia termică, 3,9% din energia electrică din hidro și 2,2% din energia electrică produsă de energia eoliană, solară, geotermală și biomasă.

Resursele de energie regenerabile există în zone geografice largi, spre deosebire de alte surse de energie, concentrate într-un număr limitat de țări. Utilizarea rapidă a energiei regenerabile și eficiența energetică are ca rezultat o securitate semnificativă a energiei, atenuarea schimbărilor climatice și beneficii economice.

Tehnologiile din domeniul energiei regenerabile devin mai ieftine, prin schimbările tehnologice și prin beneficiile producției în masă și al concurenței pe piață.

Hidroelectricele și energia geotermală produse în locații favorabile reprezintă acum cea mai ieftină cale de a genera energie electrică. Costurile energiei din surse regenerabile continuă să scadă, iar costul de energie electrică (LCOE) a scăzut în ceea ce privește energia eoliană, fotovoltaica solară (PV), energia solară concentrată (CSP) și unele tehnologii privind biomasa.

Biomasa și biocarburanții emit cantități mari de poluare a aerului atunci când sunt arse, în plus, biomasa și biocarburanții consumă cantități mari de apă. Alte surse regenerabile, cum ar fi energia eoliană, fotovoltaica și hidroelectricitatea, au avantajul de a fi mai conservatoare, de a reduce poluarea și de a reduce emisiile de CO2.[18]

2.7 Tipuri de senzori utilizați pentru măsurarea curentului

Un senzor este un dispozitiv care detectează și răspunde la un tip de intrare din mediul fizic. Intrarea specifică ar putea fi lumină, căldură, mișcare, umiditate, presiune sau orice alt număr de alte fenomene de mediu. Valorile obținute la ieșirea unui senzor sunt de obicei convertite din semnal electric în semnal digital afișabil pe un ecran, fapt ce face mai ușoară interpretarea și prelucrarea datelor obținute prin intermediul măsurătorilor. În mod electronic prin intermediul unei rețele de citire sau prelucrare ulterioară. [19]

Un senzor de curent este un dispozitiv care detectează curentul electric într-un fir și generează un semnal proporțional cu acel curent. Semnalul generat ar putea fi tensiunea sau curentul analogic sau chiar o ieșire digitală. Semnalul generat poate fi utilizat pentru afișarea curentului măsurat cu un ampermetru, poate fi utilizat pentru analiza ulterioară într-un sistem de achiziție de date sau poate fi utilizat în scopul controlului. [20]

Variantele de măsurare a curentului și forma semnalului de ieșire pot fi:

1.Intrare curent alternativ

ieșire analogică, care realizează duplicarea formei de undă a curentului detectat.

ieșire bipolară, care realizează duplicarea formei de undă a curentului detectat.

ieșire unipolară, care este proporțională cu valoarea medie sau RMS a curentului detectat.

2. Intrare curent continuu

unipolar, cu o ieșire unipolară, care duplică forma de undă a curentului detectat

– ieșire digitală, care comută atunci când curentul detectat depășește un anumit prag

Detectarea curentului cu o precizie ridicată este cheia pentru îmbunătățirea eficienței sistemelor de comandă cu buclă închisă, dar și pentru detectarea precisă a consumului realizat de către un dispozitiv, sau o gamă de dispozitive în vederea optimizării consumului de energie electrică sau detectării fluctuațiilor existente într-un circuit sau rețea electrică.

Există multiple metode de realizare a măsurării curentului, unele mai precise, altele având o precizie mai scăzută, însă trebuie precizat faptul că este foarte greu de realizat un dispozitiv care să măsoare curentul electric cu un grad de precizie foarte ridicat. Senzorii cu performanțe notabile au un cost de achiziție mai ridicat.

Dintre metodele de măsurare a curentului electric cu ajutorul senzorilor putem aminti: senzorii Hall , transformator sau contor de curent, transformator de tip Fluxgate, senzor optic de curent, bobină Rogowski.

Pe lângă senzori, mai sunt și alte metode de măsurare bine cunoscute cum ar fi utilizarea aparatelor de măsură sau metode de măsurare prin folosirea unei rezistențe de valori cunoscute (aceasta trebuie să prezinte o toleranță scăzută pentru a nu influența procesul de măsurare), cu ajutorului șuntului,etc.. .

Rezistoarele de șuntare sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații și oferă o precizie relativ mare la driftul de temperatură scăzută. Cu toate acestea, utilizarea acestora este limitată de propria lor valoare de rezistență. În cazul aplicațiilor cu tensiuni de frecvență ridicată, rezistențele de șuntare necesită amplificatoare izolate, cum ar fi AMC1200 sau, pentru cele mai performante sisteme, un modulator delta-sigma izolat ca AMC1304L05. Acest aparat oferă o gamă mică de tensiune de intrare de ± 50mV, permițând utilizarea de șuturi de rezistență mai mici, fără a compromite performanța.

Bobinele Rogowski măsoară doar curentul alternativ (AC), sunt înfășurate în jurul unui conductor ce distribuie curentul ce urmează a fi măsurat. Acestea oferă o tensiune proporțională cu rata de schimbare a curentului alternativ și, prin urmare, necesită un integrator înainte de a fi procesat folosind un convertor analog-digital (ADC).

Bobinele Rogowski sunt potrivite pentru aplicații retrofit, deoarece bobina poate fi montată în jurul conductorului fără a întrerupe fluxul de curent. Ei nu folosesc un miez metalic, astfel încât toleranțele mecanice influențează și limitează acuratețea realizabilă. Din același motiv, ele nu sunt saturate și sunt astfel utilizate în aplicații cu curent înalt. Inductanța lor scăzută permite utilizarea în sisteme cu rate mari de funcționare (la frecvențe ridicate).

Fig. 2.22 Folosirea bobinei Rugowski în vederea măsurării curentului electric

În transformatoarele de curent (CT), curentul AC primar generează un câmp într-un miez magnetic. Acest câmp magnetic induce un curent proporțional în bobina secundară. Este necesar un rezistor de sarcină pentru a transforma curentul într-un semnal de tensiune pentru o prelucrare ulterioară într-un ADC.

Precizia CT-urilor depinde de toleranțele mecanice ale setării, de precizia și de deviația de temperatură a miezului magnetic. Nivelul de saturație al miezului magnetic limitează intervalul dinamic al unui CT. Pe de altă parte, designul dedicat permite adaptarea unui CT pentru un anumit caz de utilizare. CT sunt utilizate pe scară largă pentru detectarea curenților în rețelele electrice.

Fig. 2.23 Folosirea transformatoarelor de curent (CT), în vederea realizării măsurării curentului electric

Senzorii magnetorezistivi își schimbă rezistența în prezența câmpului magnetic, a curentului direct (DC) sau a AC. Senzorii magnetorezistivi sunt de dimensiuni mici și sunt de obicei utilizați pentru detectarea poziției și a unghiului. Acestea sunt alternative eficiente din punct de vedere al costurilor pentru aplicațiile cu curent scăzut care nu necesită o precizie ridicată.

Fig. 2.24 Folosirea senzorilor magnetorezistivi în vederea realizării măsurării curentului electric

În funcție de materialul utilizat, se pot alege dintre două tipuri de senzori magnetorezistivi:

Senzorii de magnetorezistență anizotropică (AMR) utilizează materiale feromagnetice într-un câmp magnetic. Variația rezistenței este foarte mica, prin urmare, punțile Wheatstone sunt adesea folosite pentru a le simți.

Senzori magnetorezistivi gigant (GMR) bazați pe straturi magnetice și nemagnetice alternante. În comparație cu senzorii AMR, procesul de producție este mai complex și mai scump.

Senzorii cu efect Hall oferă o tensiune proporțională cu câmpul magnetic AC sau DC. Sunt folosiți în circuite inerent zgomotoase, unde nivelul de tensiune este foarte dependent de temperatură. Se poate folosi limitări de excitație inteligente, cum ar fi cele utilizate în circuitul integrat (IC) pentru condiționarea semnalului de la senzorul DRV411.

Senzorii Hall pot fi utilizați în aplicații cu buclă deschisă care nu necesită niveluri de acuratețe ridicate. Pentru o mai mare acuratețe, abordările cu buclă închisă sunt cele mai bune. Acestea includ senzorul Hall, un miez magnetic cu bobină de compensare și un circuit de condiționare a semnalului care este de obicei sub forma unui modul complet. Modulele cu buclă închisă sunt disponibile pentru o gamă largă de precizie, niveluri curente și costuri. Alte exemple de senzori cu efect Hall includ familia DRV5000.

Fig. 2.25 Diferiți senzori Hall de curent folosiți pentru măsurarea curentului electric

Senzorii Fluxgate oferă cel mai înalt nivel de sensibilitate, cel mai larg interval dinamic, temperatură scăzută și performanță la deviația acesteia în comparație cu alte metode de detectare a curentului. Proiectarea unui senzor exterior de flux este complexă și necesită toleranțe mecanice scăzute, numai câțiva producători de senzori fluxgate existând la nivel mondial. TI a anunțat recent DRV421, primul senzor de flux integrat complet, cu toate funcțiile necesare de condiționare a semnalului pentru aplicațiile DC și AC cu circuit închis. Cu un miez magnetic și o bobină de compensare, această soluție permite fabricarea ușoară a modulelor de curent de înaltă precizie și de nivel scăzut (circuite care prezită “scurgeri” de curent). [21]

Fig. 2.26 Diferiți senzori Fluxgate de curent folosiți pentru măsurarea curentului electric

Capitolul III: Parametrii unei rețele monofazate

Un generator electric nu face altceva decât să preia o anumită formă de energie (mecanică, electrică, chimică) și să o transforme în energie electrică.

Pe de altă parte un consumator electric preia energia electrică și o transformă în altă formă de energie (de exemplu căldură, lumină, lucru mecanic).

În momentul funcționării, componentele electrice transformă energia pe care o primesc în una sau mai multe forme de energie.

În cazul energiei electrice, viteza de transformare a energiei electrice în sau din altă formă de energie este numită putere electrică. Când vine vorba despre energia electrică, viteza de transformare este proporțională atât cu tensiunea cât și cu intensitatea curentului electric.

Așadar, relația care definește în sens general puterea electrică este următoarea:

Unde:

P – puterea electrică [P]SI = W (vați);

U – tensiunea electrică la borne [U]SI = V (volți);

– intensitatea curentului electric []SI = A (amperi);

Relația (3) are însă dezavantajul de a putea fi folosită doar în cazul circuitelor formate doar din rezistențe, acest lucru întâmplându-se din cauză că, rezistențele transformă energia electrică într-un singur sens (din energie în căldură, prin efect Joule), în timp ce bobinele, respectiv condensatorii înmagazinează energia electrică, dar la fel de ușor o pot ceda în circuit.

Se dorește deci aflarea puterii consumate de circuit, nu a puterii cedate, de aceea, relația de mai sus nu este tocmai concludentă, punând la comun atât puterea cedată, cât și puterea acceptată de către circuit.

Ținând cont de faptul ca orice componentă electronică nu se poate comporta în mod ideal și de aici rezultând faptul ca mereu componentele vor avea atât componente capacitive cât și inductanțe parazite, rezultă faptul că formula data de relația (3.1) rămâne valabilă doar în cazul alimentării circuitului cu o tensiune constantă, lucru destul de greu de atins în practică.

Totuși, în cazul componentelor de dimensiuni mici, folosite în circuite electrice cu o frecvență joasă (mai mică de câțiva zeci de mii de hertzi), efectul capacităților și inductanțelor parazite devine neglijabil, de cele mai multe ori.

3.1 Putere electrică activă (W)

Puterea electrică activă reprezintă de fapt, puterea reală consumată de către un circuit electric. Într-un circuit în care sunt prezente atât rezistențe, cât și bobine și condensatori, puterea electrică activă este dată doar de către componentele rezistive, deoarece, acestea nu pot să stocheze energia electrică (toată energia electrică primită este consumată într-un fel, și în acest caz este vorba de căldură).

Formula de calcul a puterii active este cea de la relația (3.1), însă aceasta poate fi scrisă ca în relația următoare:

Unde:

P – puterea electrică [P]SI = W (vați);

U – tensiunea electrică la borne [U]SI = V (volți);

– intensitatea curentului electric []SI = A (amperi);

R – rezistența electrică a circuitului [R]SI = Ω (ohmi);

3.2 Putere electrică reactivă (VAR)

Această putere reprezintă puterea electrică transferată înspre și dinspre bobine și condensatori. Se pot privi bobinele și condensatorii precum niște oglinzi, care după ce primesc energie electrică o cedează (reflectă) mai devreme sau mai târziu în circuitul electric.

Datorită acestui motiv, capacităților și condensatoarelor se mai numesc și componente reactive – reacționează la trecerea curentului electric folosind energia electrică acumulată anterior.

Pentru a explica mai pe larg ce fenomene au loc în prezență bobinelor și condensatorilor într-un circuit ne vom referi la următoarele idei:

energia electrică primită de către bobină se transformă în energie magnetică. În momentul în care tensiunea de la bornele bobinei tinde sa scadă sau rămâne constantă, energia magnetică stocată în interiorul bobinei se transformă în energie electrică, producând un curent de sens contrar cu cel existent inițial în bobină

în cazul condensatorului, energia electrică este folosită de către acesta pentru a muta sarcini electrice de la o bornă la alta a condensatorului. Când tensiunea de la bornele condensatorului tinde sa scadă, energia înmagazinată în condensator este cedată circuitului electric sub forma unui curent care are același sens cu cel inițial. În altă ordine de idei, în momentul în care tensiunea la bornele circuitului scade, condensatorul se descarcă și reintroduce în circuit energia electrică primită.

Formula de calcul pentru puterea electrică reactivă este următoarea:

Unde:

Q – putere electrică reactivă [Q]SI = VAR (volt-amperi reactivi);

– intensitatea curentului electric []SI = A (amperi);

U – tensiunea electrică la borne [U]SI = V (volți);

X – reactanța electrică [X]SI = Ω (ohmi);

Reactanța electrică arată, de fapt, cât de mult se opun condensatorii sau o bobinele trecerii curentului electric prin ele. Reactanța poate fi inductivă sau capacitivă, în funcție de tipul componentei electronice prin care trece curentul electric (bobină, respectiv condensator).

Reactanțele pot fi calculate, iar în funcție de felul lor pot avea următoarele formule:

Pentru reactanțele inductive avem:

Pentru reactanțele capacitive:

Unde:

– reactanță inductivă

[]SI = Ω (ohmi);

– reactanță capacitivă

[]SI = Ω (ohmi);

f – frecvența circuitului alternativ ce se vehiculează prin componente

[f]SI = Hz (hertzi);

L – inductanța bobinei sau inductanța echivalentă (în cazul existenței mai multor inductanțe)

[L]SI = H (henry);

C – capacitatea condensatorului sau capacitatea echivalentă (în cazul în care există mai multe condensatoare)

[C]SI = F (farazi);

Astfel, „X ” din cadrul relației (3.3) va fi înlocuit cu „” în cazul bobinelor și cu „” în cazul în care în circuit există doar condensatori.

Este necesară cunoașterea și înțelegerea puterii reactive, deoarece prezența ei în circuitul electric solicită suplimentar atât generatorul cât și cablurile care realizează alimentarea circuitului.

Prezența componentelor reactive într-un circuit electric reprezintă o sursă de fluctuații, energia electrică nu mai circulă lin prin circuit, ci câteodată este înmagazinată în componentele reactive, iar alteori este descărcată brusc în circuit. Datorită acestor inconveniente, circuitul electric trebuie construit mai solid, astfel încât sa facă față cu bine solicitărilor la care este supus, fapt ce duce la sporirea numărului și calității (preciziei) componentelor. Aceste considerente duc așadar la creșterea costului de realizare.

3.3 Putere electrică aparentă (VA)

Puterea electrică aparentă reprezintă puterea ce înglobează atât puterea electrică activă cât și puterea electrică reactivă.

Calculul puterii electrice aparente se poate realiza cu ajutorul următoarelor formule:

Unde:

S – puterea electrică aparentă [S]SI = VA (volt-amperi);

U – tensiunea electrică la borne [U]SI = V (volți);

Amintindu-ne de relația (3.1), care ne arată că, puterea este egală cu intensitatea curentului electric înmulțită cu tensiunea la bornele circuitului electric, dacă se realizează acest calcul pentru un circuit de curent alternativ ce are în construcție doar componente reactive (bobine și condensatori), se va obține doar o puterea aparentă, deoarece valoarea ei poate fi departe de valoarea puterii reale (puterea activă), consumată de circuitul respectiv.

3.5 Factorul de putere

Din punct de vedere matematic, factorul de putere reprezintă raportul dintre puterea electrică activ și cea aparentă. Fiind vorba de un raport între două mărimi de aceeași natură, rezultatul va fi o marime adimensională.

Această mărime poate să conțină valori de 0, 1, sau valori din acest interval după cum urmează:

valoarea 0 înseamnă că în circuit nu există decât componente reactive, acestea nu consumă energie ci doar o înmagazinează sau o injectează în circuit pe cea existentă, așa cum am explicat mai sus;

valoarea 1 rezultă din faptul că, prin circuit nu circulă decât putere activă

Este cunoscut faptul că atunci când circuitul conține bobine și condensatori pot să existe diferențe de fază între tensiunea și intensitatea curentului electric.

Mai este cunoscut și faptul că bobinele induc un defazaj opus față de defazajul introdus de către condensatoare, de unde rezultă faptul că reactanțele introduse de acestea sunt egale, adică se vor anula reciproc. În practică însă această egalitate apare foarte rar dacă nu se intervine în niciun fel în circuit. Vom avea parte de un defazaj mai mic sau mai mare între tensiunea electrică și intensitatea curentului electric, fapt ce duce la dezechilibre în circuit.

Deci, pentru a concluziona, un factor de putere mai mic decât 1 duce la pierderi. Se intervine astfel în circuit pentru aducerea factorului cât mai aproape de 1, procedeu numit compensarea factorului de putere. [22]

3.6 Defazajul dintre tensiunea electrică și intensitatea electrică (φ – grade)

Curentul alternativ prezintă o comportare ciclică, pentru acest motiv s-a introdus, pentru ușurința înțelegerii fenomenelor, o convenție prin care durata unui ciclu (alternantă completă), se poate transpune în circumferința unui cerc. (fig 3.1)

Fig. 3.1 Exprimarea valorii instantanee a tensiunii electrice alternative cu ajutorul poziției unghiulare pe circumferința unui cerc

În figura de mai sus putem observa reprezentarea grafică a unei alternanțe complete în curent alternativ. În partea dreaptă se poate observa cum domeniul de tensiuni din partea stângă a fost translatat prin intermediul circumferinței unui cerc.

Acest lucru poate fi tradus prin faptul că oricărei poziții de pe linia albastră din stânga imaginii îi corespunde o poziție pe circumferința cercului din figura din partea dreaptă.

Astfel prin împărțirea zonelor de alternare în grade rezultă:

punctului în care alternanța are valoarea 0 pe zona ascendentă ( t0) îi corespunde poziția de 0o;

punctului în care alternanța are valoarea pozitivă maximă (t1) îi corespunde poziția de 90o;

punctului în care alternanța conține valoarea 0 pe zona descendentă (t2) este poziția de 180o;

punctului în care alternanța are valoarea negativă maximă (t3) îi corespunde poziția de 270o;

punctului în care alternanța atinge din nou valoarea 0 pe zona ascendentă (t4) este poziția de 360o pentru alternanța curentă și în același timp punctul de 0o al următoarei alternanțe.

În cazul existenței a doua semnale acestea pot sa fie:

în fază, atunci când alternanțele celor două semnale trec în același timp prin momentele t0, t1, t2, t3 și t4;

defazate, atunci când alternanțele celor două semnale nu trec în același timp prin momentele t0, t1, t2, t3 și t4; [23]

Elementele de circuit care introduc defazaj sunt bobină și condensatorul. Rezistențele sunt elemente de circuit care nu introduc niciun defazaj. [24]

Fig. 3.2 Defazajul introdus într-un circuit de către rezistențe, condensatori și bobine

Fig. 3.3 Diagrama fazorială pentru un circuit cu caracter inductiv (partea stangă), respectiv cu caracter capacitiv (dreapta)

Fig. 3.4 Diagrama fazorială pentru un circuit cu caracter rezistiv

Dacă în cazul unei rezistențe electrice, prin modificarea tensiunii la borne, aceasta va modifica instantaneu intensitatea curentului electric ce o străbate, în cazul unei bobine însă orice variație a tensiunii la borne va provoca apariția fenomenului de autoinducție. (Fig. 3.5)

Fig. 3.5 Defazajul dintre curent și tensiune produs de către o bobină

În cardul figurii de mai sus avem reprezentate două semnale și anume: variația tensiunii aplicate la bornele unei bobine, respectiv intensitatea curentului electric ce o străbate.

Așa cum se poate observa, pe întreaga durată pe care tensiunea la borne crește (reprezentat grafic printr-o linie de culoare albastră, pe intervalul t0 – t1), fenomenul de autoinducție împiedică modificarea (creșterea) intensității curentului electric prin bobină.

Când tensiunea încetează sa crească (momentul de timp t1), fenomenul de autoinducție scade, iar curentul electric începe sa crească, continuând creșterea pentru a compensa diminuarea tensiunii de la borne, având scopul de stabilizare prin pomparea curentului suplimentar în circuit.

Maximul pozitiv de curent electric se atinge în momentul t2 , la acest moment viteza de variație a tensiunii fiind maximă. Între momentele de timp t2 – t3 , viteza de variație a tensiunii si cea a curentului electric scade până la valoarea 0. Între t3 – t5 , tensiunea își mărește viteza de variație și se creează un maxim negativ de curent la momentul t4, urmând ca viteza de variație a tensiunii să scadă, curentul electric ajungând la valoarea 0 în momentul t5. După acest moment de timp,procesul se reia.

Tot din graficul din fig. 3.5 putem observa faptul că tot timpul variația tensiunii va influența variația curentului electric, abia după ce a trecut un sfert din durata unei alternanțe complete.

Distanța dintre t0 și t1 , constituie un defazaj de +90o (tensiunea apare înaintea curentului).

Din acest considerent se spune faptul că defazajul dintre tensiune și curent produs de către o inductanță este pozitiv.

Spre deosebire de bobină, care tinde să mențină un curent constant prin ea, condensatorul tinde să mențină constantă tensiunea la borne. În graficul din figura de mai jos se poate observa modul în care tensiunea la borne și curentul electric printr-un condensator fluctuează.

Fig. 3.6 Defazajul dintre tensiune și curent produs de către un condensator

În cazul în care tensiunea la bornele condensatorului este crescută (momentul t0), condensatorul începe să consume un curent foarte mare, curent ce scade la valoarea 0, abia la momentul de timp t1, când tensiunea încetează sa mai crească.

Între momentele de timp t1 și t2, tensiunea scade lent, condensatorul începând sa se descarce lent, deci și curentul debitat de acesta va fi unul mic. Pe măsură ce graficul se apropie de momentul t2 , viteza de variație crește din ce în ce mai mult, condensatorul urmând să se descarce din ce în ce mai repede, deci și curentul electric generat de acesta crește atingând un maxim la momentul t2.

La atingerea valorii negative maxime (momentul t3), condensatorul nu mai consumă niciun curent, având deja la borne tensiune (negativă) maximă. Când tensiunea se îndreaptă spre momentul t4 , curentul crește până la maximul pozitiv, urmând să scadă până la valoarea 0 la momentul t5.

Ciclul se reia și în cazul următoarelor alternanțe.

Așadar, capacitatea produce un defazaj între tensiunea la borne și curentul electric de -90o (negativ deoarece prin aceasta se indică faptul ca tensiunea apare ceva mai târziu decât curentul).

Concluzionând, printr-un circuit alternativ care conține bobine și condensatori, curentul maxim prin bobină va fi defazat cu 180o fată de curentul maxim pin condensator.Valoarea maximă pozitivă a curentului electric prin bobină apare exact în momentul în care curentul electric prin condensator atinge valoarea negativă minimă, cei doi curenți fiind mereu contrari. [23]