Como Medir Energia Elétrica: Um Guia Completo

O que é Energia Elétrica?

Energia elétrica é definida como o produto da potência elétrica e do tempo, e é medida em joules (J). Um joule de energia elétrica é igual a um watt de potência consumido por um segundo. Matematicamente, podemos escrever:

E=P×t

onde,

• E é a energia elétrica em joules (J)

• P é a potência elétrica em watts (W)

• t é o tempo em segundos (s)

Energia e potência elétricas são conceitos intimamente relacionados. A potência elétrica é a quantidade de corrente elétrica que flui através de um circuito devido a uma certa diferença de tensão nele. A potência elétrica também é a taxa na qual a energia elétrica é fornecida ou consumida por um dispositivo ou sistema. A potência elétrica é medida em watts (W), que são equivalentes a joules por segundo (J/s). Matematicamente, podemos escrever:

P=V×I

onde,

• P é a potência elétrica em watts (W)

• V é a diferença de tensão em volts (V)

• I é a corrente elétrica em amperes (A)

Para medir a energia elétrica, precisamos conhecer tanto a potência elétrica quanto a duração do tempo durante o qual ela é aplicada ou consumida. Por exemplo, se uma lâmpada de 100 W for ligada por 10 minutos, então a energia elétrica consumida por ela será:

E=P×t=100 W×10×60 s=60,000 J

Unidades de Energia Elétrica

O joule é a unidade padrão de energia no Sistema Internacional de Unidades (SI), mas é muito pequeno para fins práticos quando lidamos com grandes quantidades de energia elétrica. Portanto, outras unidades são comumente usadas para medir a energia elétrica, como watt-hora (Wh), quilowatt-hora (kWh), megawatt-hora (MWh) e gigawatt-hora (GWh). Essas unidades são derivadas da multiplicação da unidade de potência (watt) pela unidade de tempo (hora).

• Watt-hora (Wh) é a quantidade de energia elétrica consumida por um dispositivo ou sistema que consome um watt de potência por uma hora. Mostra quão rápido a potência é consumida ao longo de um período de tempo. Um watt-hora é equivalente a 3.600 joules. Por exemplo, uma lâmpada LED de 15 W consome 15 Wh de energia elétrica em uma hora.

• Quilowatt-hora (kWh) é uma unidade maior de energia elétrica que é comumente usada para eletrodomésticos e contas de utilidade. Um quilowatt-hora é igual a 1.000 watt-horas ou 3,6 megajoules. Por exemplo, uma geladeira que consome 300 W de potência consome 300 Wh ou 0,3 kWh de energia elétrica em uma hora.

• Megawatt-hora (MWh) é uma unidade de energia elétrica que é tipicamente usada para medir a produção ou consumo de usinas de energia ou redes de grande escala. Um megawatt-hora é igual a 1.000 quilowatt-horas ou 3,6 gigajoules. Por exemplo, uma usina termelétrica a carvão com capacidade de 600 MW produz 600 MWh de energia elétrica em uma hora.

• Gigawatt-hora (GWh) é uma unidade de energia elétrica que é usada para medir grandes quantidades de geração ou consumo de eletricidade ao longo de períodos de tempo extensos. Um gigawatt-hora é igual a 1.000 megawatt-horas ou 3,6 terajoules. Por exemplo, o consumo total de eletricidade nos Estados Unidos em 2019 foi de cerca de 3.800 TWh ou 3,8 milhões de GWh.

A tabela a seguir resume as unidades de energia elétrica e suas conversões:

Como Medir Energia Elétrica com um Medidor

Para medir a energia elétrica, precisamos de um dispositivo que possa registrar a potência elétrica e a duração do tempo durante o qual ela é aplicada ou consumida. Tal dispositivo é chamado de medidor de energia elétrica ou simplesmente medidor de energia. Um medidor de energia é um dispositivo que mede a quantidade de energia elétrica consumida por uma residência, negócio ou dispositivo alimentado por eletricidade. Ele mede a potência total consumida em um intervalo de tempo e é calibrado em unidades de cobrança, sendo a mais comum o quilowatt-hora (kWh). Os medidores de energia são usados em circuitos AC domésticos e industriais para medir o consumo de energia.

Existem diferentes tipos de medidores de energia, dependendo da tecnologia, design e aplicação. Alguns dos tipos comuns são:

• Medidores eletromecânicos: Estes são os medidores tradicionais que usam um disco metálico giratório e um eletroímã para medir a potência elétrica e registrá-la em uma série de discos ou contador mecânico. Eles também são conhecidos como medidores de indução ou medidores Ferraris. São simples, robustos e precisos, mas têm algumas desvantagens, como desgaste mecânico, susceptibilidade a adulterações e interferências magnéticas, e incapacidade de medir potência reativa ou qualidade de energia.

• Medidores eletrônicos: Estes são os medidores modernos que usam circuitos eletrônicos e sensores para medir a potência elétrica e exibi-la em uma tela digital ou transmiti-la a um sistema remoto. Também são conhecidos como medidores de estado sólido ou medidores digitais. Possuem muitas vantagens sobre os medidores eletromecânicos, como maior precisão, menor manutenção, leitura remota e comunicação, opções de tarifas múltiplas e recursos avançados como resposta à demanda, perfil de carga e análise de qualidade de energia.

• Medidores inteligentes: Estes são medidores avançados que usam tecnologia digital e comunicação sem fio para medir a potência elétrica e enviá-la a um sistema central ou rede de rede inteligente. Também são conhecidos como infraestrutura de medição avançada (AMI) ou sistemas de medição inteligentes (IMS). Possuem muitos benefícios em comparação com os medidores eletrônicos, como coleta e análise de dados em tempo real, preços dinâmicos e faturamento, detecção e restauração de interrupções, gerenciamento do lado da demanda e engajamento do cliente.

O princípio básico de medir a energia elétrica com um medidor é multiplicar a potência elétrica pela duração do tempo durante o qual ela é aplicada ou consumida. No entanto, dependendo do tipo de medidor e do tipo de carga, existem diferentes maneiras de calcular a potência elétrica. Alguns dos métodos comuns são:

• Medidores monofásicos: Estes são os medidores que medem a potência elétrica em circuitos AC monofásicos, que têm um fio vivo e um fio neutro. A maneira mais simples de calcular a potência elétrica em um circuito monofásico é multiplicar a tensão pela corrente. No entanto, se a carga não for puramente resistiva, há uma diferença de fase entre a tensão e a corrente, o que reduz a potência efetiva entregue à carga. Esta potência efetiva é chamada de potência real ou ativa, e é calculada multiplicando a tensão pela corrente pelo fator de potência (cosseno do ângulo de fase). A potência aparente ou total é calculada multiplicando a tensão pela corrente sem considerar o fator de potência. A diferença entre a potência aparente e a potência real é chamada de potência reativa ou inativa, que é desperdiçada no aquecimento dos componentes do circuito. A razão entre a potência real e a potência aparente é chamada de fator de potência, que indica quão eficientemente a carga usa a energia elétrica.

  

• Medidores trifásicos: Estes são os medidores que medem a potência elétrica em circuitos AC trifásicos, que têm três fios vivos e um fio neutro (ou quatro fios vivos em alguns casos). Os circuitos trifásicos são mais eficientes e econômicos do que os circuitos monofásicos para transmissão e distribuição de grandes quantidades de energia elétrica. O cálculo da potência elétrica em um circuito trifásico depende de se ele é equilibrado ou