SISTEMA DE MONITOREO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

8/13/2019 SISTEMA DE MONITOREO DE ENERGA ELCTRICA

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Universidad Tcnica Particular de LojaEscuela de Electrnica y Telecomunicaciones Instrumentacin

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Sistema de monitoreo de energa elctrica

Esteban Briceo#1, Daro Ochoa#1, Juan Sanmartn#1, Roosevelt Ordez#1,Carlos Calderon#2

#1

Profesional en formacin de la EET, Universidad Tcnica Particular de Loja#2 Docente de la EET, Universidad Tcnica Particular de Loja

Loja- Ecuador 2011

[email protected]#1, [email protected]#1, [email protected]#1,[email protected]#[email protected]

RESUMEN: El presente trabajo resume eldesarrollo y los resultados de un sistema de medicin de

las variables elctricas en una instalacin trifsica

perteneciente a la red elctrica de la UTPL

PALABRAS CLAVE: triangulo de potencias, factor

de potencia, labview, medicin de potencia elctrica.

I.INTRODUCCIN

Como parte del proceso de acreditacin de lamateria de Instrumentacin se realiz un sistema demedicin del consumo de energa elctrica en untablero trifsico de la Universidad TcnicaParticular de Loja.

II.MARCO TEORICO

Para el desarrollo del software de medicin de lasvariables elctricas se tiene que tener elconocimiento de las mismas, entre ellas, voltaje,intensidad de corriente, potencia y factor depotencia y otros conceptos claves acerca desistemas trifsicos.

Un circuito elctrico es una interconexin deelementos elctricos unidos entre s en unatrayectoria cerrada en la que puede fluircontinuamente corriente elctrica.

Se denomina corriente alterna la tasa de flujo de lacarga elctrica a un punto dado, en donde lamagnitud y el sentido varan cclicamente. Laforma de oscilacin tpicaes o sinusoidal su unidadest dada en Amperios (A).El voltaje o ladiferencia de potencial, es la energa necesariapara hacer que una carga se mueva, se expresa envoltios (v), estas dos magnitudes se relacionanentre s por la ley de ohm

Ecu. 1

Donde V es el voltaje, I la intensidad de corriente,y R la resistencia

Valores pico es laamplitud o valor mximo de lamisma, para calcular el valor eficaz o RMS, elvalor pico es dividido para la raz cuadrada de dos

Ecu. 2

En un sistema trifsico est formado portrescorrientes alternas monofsicas de igualfrecuencia yamplitud (y por consiguiente,valoreficaz)que presentan una cierta diferencia de faseentre ellas, en torno a 120, y estn dadas en unorden determinado. Cada una de las corrientes

monofsicas que forman el sistema se designa conel nombre defase (R,S,T).

Un sistema trifsico de tensiones se dice quees equilibrado cuando sus corrientes son iguales yestn desfasados simtricamente.

Para obtener los valores de corriente y voltajeusaremos transformadores de corriente y de voltaje,

los cuales sondispositivos elctricosque permiteaumentar o disminuir latensin en un circuitoelctrico decorriente alterna, manteniendo

lapotencia.

La relacin de transformacin nos indica elaumento o decremento que sufre el valor de latensin de salida con respecto a la tensin deentrada, esto quiere decir, por cada voltio oamperio de entrada cuntos voltios o amperios,hay en la salida del transformador.
http://es.wikipedia.org/wiki/Amplitud_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Amplitudhttp://es.wikipedia.org/wiki/Valor_eficazhttp://es.wikipedia.org/wiki/Valor_eficazhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_monof%C3%A1sicohttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_monof%C3%A1sicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Valor_eficazhttp://es.wikipedia.org/wiki/Valor_eficazhttp://es.wikipedia.org/wiki/Amplitudhttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Amplitud_(f%C3%ADsica)


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TRIANGULO DE POTENCIAS

Potencia Activa (P): Es la potencia capaz detransformar laenerga elctrica en trabajo. Lapotencia activa se debe a los elementos resistivos.

Ecu. 3

Potencia Reactiva (Q): Esta potencia no seconsume ni se genera en el sentido estricto y encircuitos lineales solo aparece cuando existenbobinas o condensadores.

Ecu. 4

Potencia Aparente (S): no es realmente la potencia"til", salvo cuando elfactor de potencia es launidad (cos =1), y seala que la red de

alimentacin de un circuito no slo ha de satisfacerla energa consumida por los elementos resistivos,sino que tambin ha de contarse con la que van a"almacenar" las bobinas y condensadores. Se mideenvoltiamperios (VA)

Ecu. 5

Al Coseno del ngulo (Cos ) que formanlosfasores de potencia se lo denomina factordePotencia, puede tomarvalores entre 0 y 1. Ya seaque tengan medicin de energa reactiva o no,

dicho valor debe ser igual o superior a 0,95, puessiest por debajo de este valor se les aplicarunrecargo sobre el monto de energa activa delafactura de suministro.

Fig.1(triangulo de potencias)

Otros conceptos importantes que debemos tomar encuenta son el de resistencia shunt y configuracinde amplificacin diferencial. La resistencia deshunt es utilizada para determinar la intensidad decorriente elctrica que fluye a travs de esta carga,mediante la medicin de la diferencia de tensin o

voltaje a travs de ella, valindose de ello de la leyde Ohm (I = V/R).

Configuracin amplificador diferencial, estaconfiguracin nos permite amplificar o reducirvoltajes que son diferenciales. El circuito se

presenta en la Fig. 2.

Fig.2 (Amplificador diferencial)

Basndonos en el principio de superposicin seobtiene

( ) ( )

Ecu. 6

Si hacemos que R1=R3 y R2=R4 se obtiene

() Ecu. 7

III.DESARROLLO

Sensor de corr iente.- Esta metodologa se basa enadquirir la corriente a travs de la configuracin deuna resistencia shunt.

Ro Vo

R

10:1

Fig. 3. Adaptacin de la resistencia shunt a la fase

R

60:1
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Factor_de_potenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltiamperiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltiamperiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Factor_de_potenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica


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En la Fig.3 podemos observar como es laconfiguracin de la resistencia shunt. Tomando encuenta que la corriente mxima que atraviesa poresta fase es de 70A (rms) empezaremos a larealizacin del diseo.

Si el transformador de corriente tiene una relacinde 60:1, la corriente mxima ser de 1.16 A(rms)

VrmsVo

RoxIVo

RoSi

16.1

1_

Esta ser de igual manera el voltaje mximo quehabr en la resistencia shunt, el cual ser ingresadoa nuestro dispositivo de adquisicin.

Debido que el dispositivo de adquisicin utilizado(DAQ 6008) tiene la capacidad de recibir unaentrada analgica que oscila entre -10V y 10V,podemos ingresar directamente la seal obtenida,con el fin de poder evitar que dicha seal se mezclecon impurezas que nos dificulten la adquisicin delos datos.

Sensor de voltaje.Para sensar el voltajeutilizaremos un transformador de voltaje con unarelacin de 10:1, es decir; que los 120Vrms de laentrada se convierten a 12Vrms en la salida.

Ahora como mencionamos anteriormente laentrada del dispositivo de adquisicin es de 10V y -10V, es por tal razn que se debe hacer una etapade acondicionamiento de la seal.

Para poder escalar el voltaje de salida deltransformador de 12 Vrms a 5Vpico de debeobtener la ganancia de 0.28, adems debido a queVo es un voltaje flotante utilizaremos laconfiguracin amplificador diferencial.

Fig. 4Etapa de amplificacin

kR

kRconR

R

VoR

RVi

RRRR

52

18128.01

2

)(1

21423

Al realizar los clculos se obtiene los valores deresistores utilizaremos, cuyos valores comercialesson 18k para R1 y R2, y para R3 y R4 valoresde 5.1k

Fig.5 Circuito de acondicionamiento de las seales decorriente y voltaje


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Fig. 6Circuito Real de la etapa de acondicionamiento

IV.SOFTWARE

Esta etapa fue desarrollada a travs de laherramienta LabVIEW de la compaa NationalInstrumets, utilizamos la versin bsica deLabVIEW y la paleta de medicin de energaelctrica (EPM).

En la Fig 7 se muestra la estructura general delalgoritmo desarrollado.

a. Adquisicin de sealesDesde el hardware se adquiere 4 seales de voltaje(vase laFig7), 3 servirn para determinar lacorriente (provienen desde TCs ubicados en cadafase) y una para determinar el voltaje (provienedesde un transformador de voltaje ubicado en la

fase R), en la tabla 1 se muestra los parmetrospara la adquisicin de seales.

Adquirir Ondas

(desde TC)

Adquirir Onda

(para voltaje)

Generar ondas

faltantes

CalcularValoresRMS

CalcularValor RMS

Calcular potencias

Calcular Energas

Clcular consumo

($)

Fig.7Estructura general del algoritmo desarrollado

Seales paraclculo decorriente

Seal paraclculo de

voltajeNumero de

seales3 1

Origen de lasseales

ResistenciaShunt

Transformadorde voltaje

Canales deadquisicin

0,1,2 3

Frecuencia demuestreo

1000 Hz 1000 Hz

Numero demuestras (por

canal)180 180

Resolucin(bits) 12 12

Configuracinde adquisicin

Diferencial RSE

Muestras porcada periodode la seal de

entrada

16 16

Tabla 1Parmetros en la adquisicin de seales


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Fig.8Adquisicin de las seales de voltaje (3 para calcularcorriente y una para calcular voltaje)

En la DAQ 6008 cada canal puede ser configuradocon diferente ganancia unipolar o bipolar, es decir,hay la posibilidad de especificar el valor mximo ymnimo de las mediciones que se va a realizar, alestablecer un rango ms pequeo en la adquisicinse proporciona escalones ms pequeos en la seal,por lo tanto una mejor resolucin.

En el caso de las seales que servirn paracalcular la corriente este rango ser de -1.2 a 1.2voltios, por el contrario, en la seal utilizada parael clculo del voltaje el rango ser de -6 a 6 voltios

b. Interfaz grficaEn la figura 5 se puede observar la interfaz grficadel sistema desarrollado, esta interfaz se encuentradividida en los siguientes segmentos:

a) Configuracin de la adquisicin de seales

b) Pestaa de seleccin para la visualizacin

de ondas

c) Visualizacin de las ondas seleccionadas

d) Visualizacin de voltaje (RMS), corriente

(RMS) y consumo ($) de las tres fases

e) Pestaa de seleccin de fase (R, S, T)

f) Grafica del tringulo de potencias

g) Visualizacin de potencia activa, potencia

aparente, potencia reactiva y factor de

potencia

h) Visualizacin del consumo de energa

i) Visualizacin de la corriente (RMS) de

cada fase.

Fig.9Interfaz grfica desarrollada para el sistema de medicin de energa


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c. AlgoritmoPara el clculo del voltaje se adquiere la onda

desde una de las tres fases y se procede a crear las

dos restantes con la misma amplitud y frecuenciapero, con un desfase de 120 y 240 grados en

referencia a la onda adquirida.

Para generar las ondas utilizamos el VI Sinewaveform; (vase figura 10)en ste debemosespecificar la frecuencia, fase y amplitud de laonda.

Fig.10Algoritmo utilizado para crear dos ondas a partir de unaonda de voltaje adquirida

Con las dos ondas creadas ms las cuatroadquiridas ya es posible calcular los parmetros delsistema elctrico, para ello hicimos uso de lapaleta

de medicin de energa (EPM) de Labview. Deesta paleta utilizamos 3 bloques, RMS, POWER yENERGY

RMS.- Este VI (vase figura 11) calcula el nivelRMS de una seal de voltaje o corriente, la entradaes una forma de onda y la salida el valor RMS dedicha onda.

Fig. 11VI de la paleta EPM

POWER.-Calcula los valores de potencia de lasseales de voltaje y corriente.Algo que se debetomar en cuenta es que se debe ingresar al menosdiez ciclos de la seal de entrada para asegurar la

precisin de la medicin. Por tal razn fueconveniente establecer una frecuencia de muestreode 1000 Hz y una adquisicin de 180 muestras porlectura.

Fig.12VI de la paleta EPM

Las entradas de este VI son las ondas de corriente yde voltaje y la salida es un cluster indicando los

valores de potencia activa, potencia aparente,potencia reactiva y factor de potencia.

ENERGY.- Calcula los valores energticos para unintervalo de tiempo determinado.

Fig. 13VI de la paleta EPM

La entrada de este VI es la salida del VI POWER

y su salida es un cluster con los valores de energaactiva, energa aparente, y energa reactiva.

Una vez obtenidos los parmetros deseados seprocede a almacenarlos en una tabla de Excel. Enla figura 14 y 15 se muestra el cdigo necesariopara tal objetivo.

Fig.14 Sub VI desarrollado para almacenar los parmetroscalculados en una tabla de Excel


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Fig. 15Cdigo desarrollado para almacenar los parmetroscalculados en una tabla de Excel

V. RESULTADOSEn la Fig 16 observamos la instalacin de todo elhardware en el tablero de distribucin de aulas delos bloques 3, 4, 5 y 6 de la UTPL, en la imagenpodemos constatar el uso de los transformadores decorriente y de la DAQ que se utiliz para laadquisicin.

Fig. 16Implementacin de todo hardware y Software

Luego de ser instalado todo el hardwareprocedimos a la adquisicin de datos yvisualizacin de los mismos donde el programadesarrollado en Labview guarda todos los datos delproceso cada segundo. Es por ello que contamoscon 3137 muestras ya que el programa estuvo enejecucin por 52 minutos y 17 segundos.

En cuanto a los resultados que obtuvimos se

detallaran en las tablas del final en donde fueroncomparadas con los datos obtenidos por unmedidor de calidad de energa (FLUKE 434),donde este dispositivo tomaba muestras cada 15minutos.

Cabe recalcar que los datos del flukefuerontomados una semana anterior con respecto anuestros datos,sin embargo consideramos un da en

comn para constatar si las mediciones sonsimilares.Al realizar las comparaciones observamos que lascorrientes no coinciden o son muy diferentes estose puede dar a que en uno de los das hubo msconsumo que en otro, por ello tambin nos

ayudamos de una pinza amperometrica dondeverificamos si el valor que visualizamos en eseinstante es el correcto, lo comprobamos y notamosel error mximo que se tuvo fue de 1,5 Amperios.

En la siguiente tabla se presentan los valores declculo de error de linealidad tanto de factor depotencia como de corriente.

factor de potenciaR S T

error delinealidad

0,0085 0,00122 0,004

Tabla 2.- Error de linealidad en el factor depotencia

Tabla 3.- Error de linealidad en la corriente

VI.CONCLUSIONES

Al momento de hacer la obtencin de lacorriente lo hacemos directamente delresistor, esto es debido a que si hacemosuna etapa de amplificacin con un circuitoactivo provoca que la onda se llene deimpurezas, haciendo que la adquisicin de

los datos sea errnea. En la onda de voltaje podemos hacer el

escalamiento ya sea con un circuito activoo con un circuito pasivo basado endivisores de voltaje, en nuestro caso hemosoptado por hacer con un circuito activo.

Al momento de hacer la instalacin se va asensar nicamente una solo onda de voltajeen la fase R, esto se debe a que noposeemos las entradas analgicas

CorrienteR S T

error delinealidad

0,2483 0,098 0,209


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necesarias para hacer la adquisicin de lastres ondas.

Se utiliz la NI myDAQ 6008 debido a las

entradas analgicas que posee ya que en

este proyecto utilizamos 6 entradas

analgicas para obtener las 3 corrientes y2 entradas para obtener voltaje de una

fase.

Se logr desarrollar el programa en

LABVIEW para poder visualizar la

potencia de un circuito elctrico cuyas

pruebas se hicieron en el tablero de

distribucin de las aulas 3, 4, 5 y 6 de la

UTPL.

Se logr disear un programa donde el

error de exactitud en los valores de

corriente son muy bajos ya que el valor

ms alto registrado fue al rededor 1,5 A lo

que representa un error de 2,13 % de error

por lo cual podemos decir que el sistema es

confiable en la medicin de corriente, es

decir que los valores obtenidos en Labview

son muy cercanos a los reales.

El error de linealidad obtenido para la

medicin de corriente y voltaje a es muy

bajo por lo que podemos concluir que la

respuesta del sistema es bastante lineal alaplicarla en problemas de campo.

VII. REFERENCIAS

[1] factor de potencia [en lnea] disponible en citado el 20 de enero de 2013

[2] articulo potencia [en lnea] disponible enhttp://www.portalelectrozona.com/menuzonaelectricidad/3-categoriaformulaproblema/7-articulopotenciasca.htmlCitado el 20 de enero de 2013

[3] transformador de corriente [en lnea] disponibleen http://www.pce-iberica.es/instrumentos-de-medida/medidores/transformadores-corriente.htmcitado el 20 de enero de 2013

[4] EPM electrical power measurement [en lnea]http://zone.ni.com/devzone/cda/pub/p/id/713

citado el 20 de enero de 2013

[5]NI-USB DAQ6008 [en lnea] disponible enhttp://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986Citado el 10 de enero de 2013

[6] Caldern.Carlos Ing. Amplificadores

Operacionales; circuitos con retroalimentacin

negativa [.PDF] citado el 10 de enero de 2013
http://www.epe.santafe.gov.ar/fileadmin/archivos/Comercial/Grandes_Clientes/Factor_de_Potencia.pdfhttp://www.epe.santafe.gov.ar/fileadmin/archivos/Comercial/Grandes_Clientes/Factor_de_Potencia.pdfhttp://www.epe.santafe.gov.ar/fileadmin/archivos/Comercial/Grandes_Clientes/Factor_de_Potencia.pdfhttp://www.epe.santafe.gov.ar/fileadmin/archivos/Comercial/Grandes_Clientes/Factor_de_Potencia.pdfhttp://www.portalelectrozona.com/menuzonaelectricidad/3-categoriaformulaproblema/7-articulopotenciasca.htmlhttp://www.portalelectrozona.com/menuzonaelectricidad/3-categoriaformulaproblema/7-articulopotenciasca.htmlhttp://www.portalelectrozona.com/menuzonaelectricidad/3-categoriaformulaproblema/7-articulopotenciasca.htmlhttp://www.portalelectrozona.com/menuzonaelectricidad/3-categoriaformulaproblema/7-articulopotenciasca.htmlhttp://www.pce-iberica.es/instrumentos-de-medida/medidores/transformadores-corriente.htmhttp://www.pce-iberica.es/instrumentos-de-medida/medidores/transformadores-corriente.htmhttp://www.pce-iberica.es/instrumentos-de-medida/medidores/transformadores-corriente.htmhttp://zone.ni.com/devzone/cda/pub/p/id/713http://zone.ni.com/devzone/cda/pub/p/id/713http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986http://zone.ni.com/devzone/cda/pub/p/id/713http://www.pce-iberica.es/instrumentos-de-medida/medidores/transformadores-corriente.htmhttp://www.pce-iberica.es/instrumentos-de-medida/medidores/transformadores-corriente.htmhttp://www.portalelectrozona.com/menuzonaelectricidad/3-categoriaformulaproblema/7-articulopotenciasca.htmlhttp://www.portalelectrozona.com/menuzonaelectricidad/3-categoriaformulaproblema/7-articulopotenciasca.htmlhttp://www.portalelectrozona.com/menuzonaelectricidad/3-categoriaformulaproblema/7-articulopotenciasca.htmlhttp://www.epe.santafe.gov.ar/fileadmin/archivos/Comercial/Grandes_Clientes/Factor_de_Potencia.pdfhttp://www.epe.santafe.gov.ar/fileadmin/archivos/Comercial/Grandes_Clientes/Factor_de_Potencia.pdfhttp://www.epe.santafe.gov.ar/fileadmin/archivos/Comercial/Grandes_Clientes/Factor_de_Potencia.pdf


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TABLAS

FACTOR DE POTENCIA

INSTRUMENTO DE REFERENCIA ADQUISION CON DAQ

DA/HORA FP A/L1 FP B/L2 FP C/L3Hora

factor depotencia

(R)

factor depotencia(S)

factor depotencia(T) Fech

Viernes17:57:36 0,80 0,90 0,97 5:57:36 0.838122 0.803027 0.839650 25/01/Viernes

18:12:36 0,81 0,93 0,96 6:12:36 0.787374 0.883595 0.733882 25/01/Viernes

18:27:36 0,80 0,92 0,95 6:27:36 0.119163 0.893647 0.626708 25/01/

CORRIENTE

INSTRUMENTO DE REFERENCIA ADQUISION CON DAQ

DA/HORA I A/L1 I B/L2 I C/L3 Hora Corriente(R)

Corriente(S)

Corriente(T) Fecha

Viernes 17:54:52 49 34 60 5:54:52 39,112 23,107 28,956 25/01/2013

Viernes 18:04:52 51 31 61 6:04:52 31,378 25,239 46,994 25/01/2013

Viernes 18:14:52 51 29 65 6:14:52 34,101 22,959 46,065 25/01/2013Viernes 18:24:52 50 27 60 6:24:52 33,726 19,038 43,923 25/01/2013

Viernes 18:34:52 50 25 58 6:34:52 33,755 18,921 44,642 25/01/2013

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