UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL ESTADO DE MORELOS
Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería
“ANALIZADOR DE REDES ELÉCTRICAS
MONOFÁSICAS”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO ELÉCTRICO
PRESENTA:
JOSÉ LUIS SÁNCHEZ SOLIS
ASESOR: Dr. OUTMANE OUBRAM
CUERNAVACA, MORELOS, SEPTIEMBRE 2014
DEDICATORIA
Dedico este proyecto y toda mi carrera universitaria a mis padres José Luis
Sánchez López y Evangelina Solis Herrera, quienes han dado su mayor esfuerzo
para que yo haya llegado hasta donde estoy ahora, me enseñaron con el ejemplo
buenos principios y valores, que ahora forman parte de mi ser día con día.
A mis hermanos Evangelina Sánchez Solis, Diana Laura Sánchez Solis y Jesús
Sánchez Solis, que han compartido a mi lado cada día, me han hecho reír y han
sufrido conmigo. Compartiéndolo todo en familia, alegrías y tristezas.
A mis compañeros de clase y amigos que me han ayudado a descubrir que
siempre hay tiempo para todo y que sin importar nada, por más oscuro que se vea
el camino, siempre habrá una manera para llegar a donde tú quieras.
A quienes han decidido compartir un poco de su vida conmigo: amigos, conocidos
y extraños, quienes llegaron sin esperarlo y dejaron una parte de ellos conmigo.
Ellos quienes me regalaron vivencias, recuerdos y sonrisas.
Sin ustedes este trabajo no hubiera sido posible y no sería quien soy.
José Luis Sánchez Solis
AGRADECIMIENTOS
A todas y cada una de las personas que he conocido a lo largo de mi vida, que me
han dado buenas y malas experiencias, momentos inolvidables y memorias que
difícilmente podre dejar de recordar y forman parte de quien soy hoy en día.
A mis compañeros y amigos más cercanos durante mi carrera Erik Gustavo
Guerrrero Medina, Carlos Aaron Lopez Martinez, Jorge Alfredo Villegas Sotelo y
Estefanía Vega Camacho, con quienes compartí momentos de incomprensión total
ante temas extraños, tropiezos, alegrías y logros.
A mi asesor de tesis, el Dr. Outmane Oubram; al Dr. Mario Limón Mendoza y al Dr.
Luis Cisneros Villalobos quienes me apoyaron con su tiempo en la realización de
este trabajo, además de impulsarme a seguir adelante con mis metas.
A todos y cada uno de los maestros que he tenido a lo largo de mi vida quienes
me brindaron su conocimiento, valor humano y experiencia.
"Nuestras virtudes y nuestros defectos son inseparables, como la fuerza y la
materia. Cuando se separan, el hombre no existe"
-Nikola Tesla
INDICE GENERAL RESUMEN………………………………………………………………………………….I
OBJETIVO GENERAL………………………………...…………………………………II
OBJETIVOS ESPECIFICOS…………………………………………………………….II
CAPITULO 1. PROBLEMA DE CALIDAD DE LA ENERGIA ………………......... 1
1.1 ¿Que es un problema de calidad de la energía? ....................................... 1
1.2 Importancia actual ………………………………...………………………….... 2
CAPITULO 2. MARCO TEORICO ………………...…………………………..……… 4
2.1 La señal de corriente alterna (CA)…………………..…………………………4
2.2 Parámetros importantes de la corriente alterna………………..……………..4
2.3 La señal de corriente directa……………………………………………………5
2.4 Valor pico ……………………………………….………………………………. 6
2.5 Valor eficaz de la corriente y el voltaje (RMS) …………..………………….. 6
2.6 Potencia ………………….…….………………………….……………………. 7
2.6.1 Potencia activa o promedio …...……......……….…………………….. 8
2.6.2 Potencia activa entre los elementos básicos R, L y C……..…………9
2.6.2.1 La resistencia.……….……………....…………………...….……..9
2.6.2.2 El capacitor………………………...……………...………………10
2.6.2.3 El inductor……………………………..…………………………..11
2.6.3 Potencia aparente……………………………………..…………...……12
2.6.4 Potencia reactiva………………………………………..……………….13
2.7 Factor de potencia (F.P.)……………………………………….……………...13
2.8 Relación entre los tres tipos de potencia…………………………….………13
2.9 Armónicos……………………………………………………………………….16
2.10 Distorsión armónica total (THD)…………………………………….……….18
2.11 LabVIEW……………………………………………………….………………19
CAPITULO 3. DESCRIPCION DEL HARDWARE………………………......………23
3.1 Descripción de la tarjeta NI MyDAQ………………………...………………..23
3.1.1 Entrada analógica (AI)………………….……………………....……….23
3.1.2 Salida analógica (AO)…………………………..………..……………..23
3.1.3 Entradas/Salidas Digitales (DIO)………………..…..…………………25
3.1.4 Fuentes de alimentación………………..……...…………...………….25
3.1.5 Multímetro digital (DMM)……………………….……………………….25
3.2 Requerimientos y diseño de hardware…...…………………...….………….25
3.2.1 Adquisición de datos………………….…..………………….…...…….26
3.2.2 Número de canales…………………………………………….………..29
3.3 Acondicionamiento de señales…………………………………....…...……..29
3.3.1 Acondicionamiento de la señal de voltaje…….…………...…………30
3.3.2 Acondicionamiento de la señal de corriente…………...…………….31
CAPITULO 4. DISEÑO DEL INSTRUMENTO VIRTUAL……….……..…………...33
4.1 Bloques de adquisición de datos…………………………....…….…...……..34
4.2 Bloques de análisis de señales…………………………………...………….39
4.3 Bloques específicos para análisis de calidad de energía………...……….41
4.4 Adquisición de señales……………………………………..…………………46
4.5 Análisis y visualización de datos…………………………...………………...48
4.6 Etapa de limpiado y visualización de errores………………...….…………..51
CAPITULO 5. PRUEBAS Y ANALISIS DE RESULTADOS…………….………….52
5.1 Descripción del montaje………..………………………………..……...……..52
5.2 Pruebas del analizador de redes eléctricas monofásicas…………………53
5.2.1 Pruebas con Taladro Bosch…………………………………..………..54
5.2.1.1 Resultados obtenidos con el analizador de redes eléctricas
para la carga 1……………….……………....……………………54
5.2.1.2 Resultados obtenidos con el módulo LVDAM-EMS para la
carga 1……………………………………………………………..57
5.2.1.3 Comparación entre los resultados obtenidos para la
carga 1…….………………………………………………………..59
5.2.2 Pruebas con sierra caladora Bosch GST 85PB……...………..……..61
5.2.2.1 Resultados obtenidos con el analizador de redes eléctricas
para la carga 2………………..…..…………………………….…61
5.2.2.2 Resultados obtenidos con el módulo LVDAM-EMS para la
carga 2……………………………………………………………..64
5.2.2.3 Comparación entre los resultados obtenidos para la
carga 2……………………………………………………………..66
5.2.3 Pruebas con estufa eléctrica ISB.……..……….……………...……....67
5.2.3.1 Resultados obtenidos con el analizador de redes eléctricas
para la carga 3……………..…………………..……….…………68
5.2.3.2 Resultados obtenidos con el módulo LVDAM-EMS para la
carga 3……………………………………………………………..71
5.2.3.3 Comparación entre los resultados obtenidos para la
carga 3………………………………….…………………………..73
5.2.4 Comparación entre resultados del instrumento virtual diseñado y
análisis matemático………….….…..……….…………………...……..73
5.2.4.1 Resultados obtenidos con el analizador de redes
eléctricas……..……..……………………………………….……..74
5.2.4.2 Resultados obtenidos por el software matemático MatLab….74
CAPITULO 6. CONCLUSIONES………….…….……………………………….…….76
6.1 Áreas de oportunidad…………………...……………………….….….……..77
INDICE DE FIGURAS Fig. 2.1. Señal de voltaje senoidal (CA) …………...………………..………….…….. 4
Fig. 2.2. Señal de voltaje continuo (CD) …….………………..……..….………….… 5
Fig. 2.3. Onda de corriente alterna ..………….……………………..…………..……. 6
Fig. 2.4. Circuitos equivalentes en potencia para excitación de CD y CA …...…… 7
Fig. 2.5. Circuitos básicos alimentados por una fuente de CA ……………...…...... 9
Fig. 2.6. Potencia promedio o activa en un elemento resistivo …………….…….. 10
Fig. 2.7. Potencia promedio o activa en un elemento capacitivo ………….……... 11
Fig. 2.8. Potencia promedio o activa en un elemento inductivo ……..……….….. 12
Fig. 2.9. Triangulo de potencia …….………………………………………….…..…. 14
Fig. 2.10. Circuito alimentado por una fuente de CA …………..…….……...….… 14
Fig. 2.11. Relación de potencias ………………………….…….…………........…... 15
Fig. 2.12. Ejemplo de panel frontal de LabVIEW ……………….………………….. 21
Fig. 2.13. Ejemplo de diagrama de bloques de LabVIEW ……………..………….. 22
Fig. 3.1. Diagrama de bloques del hardware de NI MyDAQ …………….…..….... 24
Fig. 3.2. Diagrama de bloques del Hardware necesario para el analizador de redes
eléctricas monofásicas ……………………………………….………......…………... 26
Fig. 3.3. Comparación de una señal de CA en tiempo y grados ………...………. 27
Fig. 3.4. Acondicionamiento de voltaje, diagrama esquemático …….…………… 31
Fig. 3.5. Acondicionamiento de corriente, diagrama esquemático …….………… 32
Fig. 4.1. VI DAQmx Create Virtual Channel ……………………………...………… 34
Fig. 4.2 VI DAQmx Timing ……………………………………………..…..…….…… 36
Fig. 4.3 VI DAQmx Start Task ..………………………………………………...….… 37
Fig. 4.4. VI DAQmx Read …………………………………………………....……..… 38
Fig. 4.5. VI Frequency ……………………………………………..………………….. 39
Fig. 4.6. VI RMS ……………………………………………….………………………. 40
Fig. 4.7. VI Initialize System …………………………….……………………………. 41
Fig. 4.8. VI Spectrum …………………...………….…..………………………….….. 42
Fig. 4.9. VI THD ……………………………….…...……………………………….…. 43
Fig. 4.10. VI Power Values ……………………………………….…………………... 44
Fig. 4.11. VI Energy Values ………………………………………..…………………. 45
Fig. 4.12. Etapa de adquisicion de señales ……………………….…….………….. 47
Fig. 4.13. Etapa de analisis y visualizacion de datos …………………….……. 49-50
Fig. 4.14. Etapa de limpiado y visualización de errores …………….…………….. 51
Fig. 5.1. Diagrama esquemático de la conexión física del módulo LVDAM-EMS y el
analizador de redes eléctricas diseñado ……………………..…….……………..... 52
Fig. 5.2. Conexiones físicas de los instrumentos …………………..……………… 53
Fig.5.3. Carga 1, Taladro Bosch Modelo 684 ………………………..………….….. 54
Fig. 5.4. Graficas de voltaje y corriente del sistema para la carga 1 ………...…... 55
Fig.5.5. Parámetros básicos determinados por el analizador de redes eléctricas
para la carga 1 ……….…………………………..……………………….…….……... 55
Fig. 5.6. Armónicos de voltaje presentes con la carga 1 conectada …….…….… 56
Fig. 5.7. Armónicos de corriente presentes con la carga 1 conectada ……......… 57
Fig. 5.8. Graficas de voltaje y corriente con la carga 1 conectada …………..…... 58
Fig. 5.9. Analizador de armónicos de voltaje con la carga 1 conectada ……..….. 58
Fig.5.10. Analizador de armónicos de corriente con la carga 1 conectada ….…. 59
Fig.5.11. Carga 2, Sierra caladora Bosch Modelo GST 85PB …………….….….. 61
Fig. 5.12. Graficas de voltaje y corriente del sistema para la carga 2 ………...…. 62
Fig.5.13. Parámetros básicos determinados por el analizador de redes eléctricas
para la carga 2 …………………….……………………………..……………...….…. 62
Fig. 5.14. Armónicos de voltaje presentes con la carga 2 conectada ………..….. 63
Fig. 5.15. Armónicos de corriente presentes con la carga 2 conectada ……..….. 64
Fig. 5.16. Graficas de voltaje y corriente con la carga 2 conectada ………..……. 65
Fig. 5.17. Analizador de armónicos de voltaje con la carga 2 conectada ……..… 65
Fig.5.18. Analizador de armónicos de corriente con la carga 2 conectada .….…. 66
Fig.5.19. Carga 3, estufa eléctrica caladora Marca ISB ……………………..……. 68
Fig. 5.20. Graficas de voltaje y corriente del sistema ……………………..………. 68
Fig.5.21. Parámetros básicos determinados por el analizador de redes eléctricas
para la carga 3 ……………………..……………………………………..……...……. 69
Fig. 5.22. Armónicos de voltaje presentes con la carga 3 conectada ………..….. 70
Fig. 5.23. Armónicos de corriente presentes con la carga 3 conectada ……..….. 70
Fig. 5.24. Graficas de voltaje y corriente con la carga 3 conectada ………..……. 71
Fig. 5.25. Analizador de armónicos de voltaje con la carga 3 conectada ……..… 72
Fig.5.26. Analizador de armónicos de corriente con la carga 3 conectada …..…. 72
Fig.5.27. Señal de corriente mostrada por el analizador de redes eléctricas
monofásicas ………………………………………………………………...…..……... 74
Fig. 5.28. Armónicos detectados por el analizador de redes eléctricas empleando
bloques de análisis mediante fft de la señal de entrada ………………....……..… 74
Fig. 5.29. Señal de entrada visualizada con MatLab ……………………..……….. 75
Fig. 5.30. Armónicos presentes en la señal de entrada encontrados mediante
fft ……………………..……………………………………………………..………….... 75
Fig. 5.31. Armónicos presentes en la señal de entrada presentados en grafico de
barras ……………..…………………………………..………………….…….……….. 75
INDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Relación de número de muestras, frecuencia de muestreo, Ѳ y Ø.…..28
Tabla 4.1. Métodos de cableado disponibles en LabVIEW…………………………41
Tabla 4.2. Frecuencias nominales disponibles en LabVIEW……………………….42
Tabla 5.1. Magnitudes eléctricas determinadas por el analizador de redes, para la
carga 1……………..………………………………………………….………………......56
Tabla 5.2. Datos agrupados tanto del analizador de redes diseñado como del
módulo LVDAM-EMS, para la carga 1………….……………………………………..60
Tabla 5.3. Porcentaje de diferencia entre mediciones obtenidas por el instrumento
y el módulo LVDAM-EMS, para la carga 1……………….……………………..…….60
Tabla 5.4. Magnitudes eléctricas determinadas por el analizador de redes, para la
carga 2……………………………………………………………..……………………...63
Tabla 5.5. Datos agrupados tanto del analizador de redes diseñado como del
módulo LVDAM-EMS, para la carga 2……………………………….………………..67
Tabla 5.6. Magnitudes eléctricas determinadas por el analizador de redes, para la
carga 3…………………………………………………………..………………………...69
Tabla 5.7. Datos agrupados tanto del analizador de redes diseñado como del
módulo LVDAM-EMS, para la carga 3………………………………………………..73
I
RESUMEN.
En el presente trabajo se describe la forma en la cual se diseñó, construyó y avaló
un analizador monofásico para redes eléctricas, usando instrumentación virtual
con la utilización del software LabVIEW. El dispositivo permite la medición de
tensión y corriente alternas, variables que se emplean para análisis de calidad de
la energía como: armónicos, potencia y energía en redes monofásicas en tiempo
real, con el fin de buscar alternativas para la eliminación de problemas derivados
de distorsiones presentes en la red. El proceso global de diseño del dispositivo
incluye: una etapa de acondicionamiento de señales, en la cual se adaptan las
señales analógicas de la red eléctrica a valores aceptables para su
procesamiento; una etapa de digitalización y procesamiento de las señales
analógicas de entrada, la cual se realizó con el uso de una tarjeta de adquisición
de datos, modelo NI MyDAQ de la compañía National Instruments para la
obtención de señales digitales en conjunto con un programa diseñado en el
software LabVIEW que mostrara la información de las formas de onda de la red y
determinara las variables empleadas para un análisis de calidad de la energía.
II
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un analizador monofásico de redes eléctricas con un sistema
de adquisición de datos de una señal monofásica comercial de 127v, 60Hz, la
señal será adaptada y enviada hacia una computadora personal para su análisis,
realizar el procesamiento y visualización a través del software LabVIEW.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Capturar señales monofásicas de tensión y corriente con frecuencias de 60 Hz y
convertirlas a señales digitales para su procesamiento.
Obtener una interfaz de usuario amigable, por medio del diseño y elaboración de
un programa adecuado a través del software LabVIEW; la interfaz debe ser capaz
de mostrar adecuadamente numérica los resultados de: voltaje, corriente,
armónicos, frecuencia, potencia y energía.
Realizar pruebas con el dispositivo elaborado a diferentes cargas específicas y
comparar los resultados obtenidos con el módulo de adquisición de señales
LVDAM-EMS de la marca LabVolt, para comprobar la viabilidad del dispositivo
diseñado.
Página 1
CAPITULO 1
PROBLEMA DE CALIDAD DE LA ENERGIA
La energía eléctrica representa el principal insumo de consumo humano que
mueve al mundo; si se carece de ella, las empresas, comercios y hogares se
detendrían, las economías enteras entrarían en crisis. Por este motivo es vital
saber administrarla, así como tener un suministro óptimo de la misma.
En el sector residencial correspondiente al 26% del consumo eléctrico nacional [1]
la administración efectiva de la energía eléctrica así como contar con una señal
senoidal de corriente alterna confiable y sin distorsiones, favorecerá un ahorro en
el costo de la energía eléctrica y elevara el tiempo de vida de aparatos sensibles a
variaciones en la alimentación.
La calidad de la energía eléctrica es un término que significa diferentes cosas para
diferentes tipos de personas; puede definirse como una ausencia de
interrupciones, sobretensiones y deformaciones producidas por armónicas en la
red y variaciones de voltaje RMS suministrado al usuario; esto referido a la
estabilidad del voltaje, la frecuencia y la continuidad del servicio eléctrico. Una
definición más concisa de este término menciona que: la calidad de la energía es
un conjunto de límites eléctricos que permite que el equipo funcione de manera
prevista, sin pérdida significativa de rendimiento o expectativa de vida [2].
Asimismo se ha determinado que uno de los problemas más comunes que
ocasiona el mal uso de energía eléctrica en los circuitos eléctricos es la calidad de
esta, ya que influye en la eficiencia de los equipos eléctricos que la utilizan.
Actualmente, la calidad de la energía es el resultado de una atención continua; en
años recientes esta atención ha sido de mayor importancia debido al incremento
del número de cargas sensibles en los sistemas de distribución, las cuales por sí
solas, resultan ser una causa de la degradación en la calidad de la energía
eléctrica.
1.1 ¿Que es un problema de calidad de la energía?
Podemos decir que existe un problema de calidad de la energía eléctrica cuando
ocurre cualquier distorsión de la tensión, la corriente o la frecuencia que provoque
la mala operación de los equipos de uso final y deteriore la economía o el
bienestar de los usuarios; asimismo cuando ocurre alguna interrupción del flujo de
energía eléctrica.
Página 2
Los efectos asociados a problemas de calidad de la energía son:
Incremento en las pérdidas de energía.
Reducción de la vida útil de equipos sensibles a distorsiones de suministro.
Daños a la producción, a la economía y la competitividad empresarial.
Incremento del costo, deterioro de la confiabilidad, de la disponibilidad y del
confort.
1.2 Importancia actual
Hoy en día, el estudio de la calidad de la energía eléctrica ha adquirido mucha
importancia y tal vez la razón más importante es la búsqueda del aumento de
productividad y competitividad de las empresas. Asimismo porque existe una
interrelación entre calidad de la energía eléctrica, la eficiencia y la productividad y
en el sector doméstico ayudaría a evitar el gasto económico ocasionado por las
pérdidas de energía en las distorsiones.
Para aumentar la competitividad las empresas requieren optimizar su proceso
productivo mediante:
El uso de equipos de alta eficiencia como motores eléctricos, bombas, etc.
La automatización de sus procesos mediante dispositivos electrónicos y de
computación (micro controladores, computadores, PLC, etc.).
La reducción de los costos vinculados con la continuidad del servicio y la
calidad de la energía.
La disminución de las pérdidas de energía.
Evitar los costos por sobredimensionamiento y tarifas.
Evitar el envejecimiento prematuro de los equipos.
La proliferación de equipos de control y automatización han aumentado los
problemas de confiabilidad en la producción. Pues los equipos electrónicos son
una fuente de perturbaciones para la calidad de la energía eléctrica ya que
distorsionan las ondas de tensión y corriente. Por otro lado los equipos de control
y automatización son muy sensibles a distorsión o alteración de la magnitud en la
onda de tensión por lo que una variación en la calidad de la energía eléctrica
puede ocasionar fallas que paralicen la producción ocasionando tiempo perdido y
costos de producción inesperados.
En el ámbito doméstico, las deformaciones de onda debido a armónicos presentes
en la onda de alimentación provocan que los equipos, sobretodo electrónicos,
reduzcan su vida útil al causar un mayor deterioro de equipos diseñados para
funcionar con ondas sin perturbaciones. Además se pueden provocar variaciones
Página 3
en el nivel de voltaje que pueden llegar a afectar componentes de equipos
sensibles.
Entonces hay que convivir con el problema y encontrarle soluciones cada vez más
óptimas, para lo cual el estudio de los fenómenos de la calidad de la energía es
indispensable.
En lo que se refiere a la compatibilidad electromagnética (EMC), la Norma NMX-
J550-ANCE de Compatibilidad electromagnética, en su apartado 4-30 (técnicas de
prueba y medición), nos dice que es necesario medir las características de la
energía eléctrica.
Los parámetros de calidad de energía que se consideran en esta norma mexicana
son frecuencia, magnitud de la tensión, parpadeos o flickers, depresiones de
tensión o sags, incrementos de tensión o swells, interrupciones de tensión,
transitorios de tensión, desbalances de tensión en el suministro, tensiones
armónicas e inter-armónicas, y variaciones de tensión rápidas [3]. Por tanto, un
estudio de calidad de energía completo debe contemplar esos parámetros, aunque
en forma práctica y considerando el objetivo de la medición, pueden medirse todos
o algunos de los fenómenos que se indican en dicha norma mexicana. La
dificultad en definir cuales de estos parámetros eléctricos tomar en cuenta para un
estudio de calidad de la energía se explica debido a la interacción entre la calidad
de la energía y el equipo susceptible, dos dispositivos o equipos idénticos pueden
reaccionar de manera diferente ante los mismos parámetros de calidad de
energía, esto, debido a la tolerancia de los componentes usados en su fabricación
[2].
El reto para las compañías suministradoras es controlar los niveles crecientes de
distorsión en sus redes. Dichos niveles se producen por la suma de cargas no
lineales de tipo industrial y comercial, así como por la gran cantidad de pequeñas
cargas domésticas no lineales.
Sin la instrumentación de políticas públicas orientadas a mitigar esos efectos,
tanto los usuarios, como las compañías suministradoras sufrirán cada día con
mayor agudeza la falta de calidad de la energía eléctrica en sus sistemas y
equipos, afectándose de una manera creciente la competitividad y la productividad
de nuestra economía.
Flickers: Impresión subjetiva de la fluctuación luminosa, causados por fluctuaciones en la tensión de
alimentación [2].
Página 4
CAPITULO 2
MARCO TEORICO
2.1 La señal de corriente alterna (CA)
Una señal de corriente alterna es una forma de onda que se repite en el tiempo
con una frecuencia definida f, la cual determina el número de repeticiones que
tendrá en un segundo, con un periodo fundamental T, en la Fig. 2.1 se presenta
una señal alterna de voltaje con algunos parámetros importantes como el periodo
(T). (De forma breve se hará referencia a este tipo de señal como CA y para una
señal de corriente directa como CD)
Fig. 2.1. Señal de voltaje senoidal (CA) [4].
2.2 Parámetros importantes de la corriente alterna
La señal de CA de la Fig. 2.1 puede escribirse matemáticamente para la corriente
y voltaje por las ecuaciones (2.1) y (2.2).
( ) ( ) (2.1)
Página 5
( ) ( ) (2.2)
Dónde:
= Frecuencia angular, en (
).
= Frecuencia, en .
= Tiempo, en segundos.
= valor máximo o valor pico de corriente.
= Valor máximo o valor pico de voltaje.
Ѳ= Ángulos de fase.
Nota: y Ѳ es un desplazamiento que puede sufrir la señal a lo largo del eje
horizontal, en el eje es el tiempo y se ve reflejado como un adelanto o retardo de
la señal, sobre un punto fijo, no tiene efecto sobre la amplitud máxima de la señal.
Para la señal eléctrica de voltaje √ y la frecuencia es de 60 Hz.
2.3 La señal de corriente directa
Cuando el campo eléctrico aplicado al conductor tiene el mismo sentido, aunque
varíe en intensidad, la corriente resultante se denomina continua. Tiene la
propiedad de circular siempre en un mismo sentido, su amplitud no varía con el
tiempo, y cuya frecuencia es cero. Se representa mediante una función lineal de la
forma y=mx + n, en la que la pendiente es cero (m=0) y la función se reduce a la
ecuación y=n, cuya representación gráfica se muestra en la Fig. 2.2.
Fig. 2.2. Señal de voltaje continuo (CD) [5].
Página 6
2.4 Valor pico
Valor de tensión máximo alcanzado por la onda senoidal en determinado tiempo;
magnitud entre el punto inicial (v=0) y el punto máximo de la forma de onda
(cresta). En la Fig. 2.3 se muestra una señal alterna donde se han especificado
algunos parámetros importantes.
Fig. 2.3. Onda de corriente alterna (con valores significantes indicados) [6].
2.5 Valor eficaz de la corriente y el voltaje (RMS)
Para tener una medida cuantitativa de una señal de corriente o voltaje de CA, el
valor instantáneo no es representativo debido a que su valor cambia con el tiempo,
y su promedio es cero. Una opción es contar con un parámetro que relacione la
potencia suministrada por una fuente de CD con la que suministra una fuente de
CA, y este valor es el eficaz o RMS (Root Mean Square).
En el circuito de la Fig. 2.4 (a), la potencia que consume el resistor es constante,
cuando esta misma resistencia se conecta a una fuente senoidal (Fig. 2.4 b), la
potencia que demanda la fuente es , la cual es la potencia promedio.
Las fuentes de señales diferentes, tienen el mismo efecto en el elemento de
circuito. De este razonamiento surge el concepto de “valor eficaz”, esto es, la
fuente de CA puede ser considerada como una fuente de CD de valor √ . El
valor eficaz se usa tanto para señales de corriente como de voltaje.
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Fig. 2.4. Circuitos equivalentes en potencia. (a) Fuente de excitación de CD. (b) Fuente de excitación de CA.
El valor eficaz para la corriente y el voltaje están dados por las ecuaciones (2.3) y
(2.4):
√
∫ ( )
(2.3)
√
∫ ( )
(2.4)
Cuando la señal ( ) o ( ) es una senoidal pura, como las expresadas por las
ecuaciones (2.1) y (2.2), el valor eficaz que se obtiene es:
√ (2.5)
√ (2.6)
2.6 Potencia
La potencia se define como: la cantidad de energía eléctrica consumida por algún
equipo en un tiempo determinado y puede ser representada por la ecuación 2.7.
(2.7)
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Dónde:
= la energía en joules (J).
= el tiempo en segundos (s).
= potencia en
(
) ( )
La potencia que proporciona o disipa un sistema eléctrico se encuentra en
términos de corrientes y de voltajes, un concepto que surge de esto es la potencia
instantánea, la cual es el producto del voltaje por la corriente en el dominio del
tiempo, se define como:
( ) ( ) (2.8)
En donde el voltaje v y la corriente i son funciones del tiempo. Pero como la
ecuación (2.8) puede variar en el tiempo, es necesario obtener la potencia
promedio la cual en forma cuantitativa, se define por la ecuación:
∫ ( ) ( )
(2.9)
Donde P es la integral de v(t) por i(t) en un solo periodo.
En el caso de CA, en donde se tienen corrientes y voltajes variantes, la potencia
que esta fuente le transmite a una resistencia, un capacitor y a un inductor, tienen
efectos diferentes al caso cuando la excitación es por CD. Para este caso se
definen tres tipos de potencia que son:
Potencia activa o promedio (P).
Potencia reactiva (Q).
Potencia aparente (S).
2.6.1 Potencia activa o promedio.
Las señales de corriente y voltaje están descritas por las ecuaciones (2.1) y (2.2),
y al aplicarlas a la ecuación (2.9), se obtiene la ecuación (2.10) que es el valor de
la potencia promedio para señales de CA.
( ) (2.10)
Las unidades de la potencia activa son los Watts y es la energía que la carga
gasta para generar trabajo, tal como el movimiento de un motor, etc.
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2.6.2 Potencia activa entre los elementos básicos R, L y C
En una red eléctrica se encuentran conectadas diferentes tipos de cargas cuyo
comportamiento puede ser modelado con los 3 elementos de circuitos básicos que
son: el resistor (R), el inductor (L) y el capacitor (C). En la Fig. 2.5. (a), (b) y (c) se
muestra el diagrama del circuito eléctrico para un resistor, capacitor e inductor,
respectivamente, alimentado por una fuente de CA.
Fig. 2.5. Circuitos básicos alimentados por una fuente de CA, (a) Resistor, (b) Capacitor, (c) Inductor.
2.6.2.1 La resistencia
La resistencia eléctrica se define como la oposición de un material conductor al
paso de corriente por el mismo. Dicho de otra manera, la oposición de los átomos
del conductor al flujo delos electrones libres portadores de carga [7].
Si la señal de voltaje del circuito de la Fig. 2.5. (a), con Ѳ=0, es:
( ) ( ) (2.11)
Página 10
Por la ley de Ohm la corriente que circula por ella es:
( )
( ) (2.12)
Fig. 2.6. Potencia promedio o activa en un elemento resistivo [4].
La gráfica de la corriente y el voltaje para un circuito con una carga puramente
resistiva de la Fig. 2.6, donde se observa que ambas señales están en fase y la
única diferencia es en amplitud. La potencia instantánea (p) tiene una forma
senoidal con el doble de frecuencia con respecto a las ondas de voltaje y corriente
y un nivel de CD, donde la potencia promedio corresponde a este nivel de CD
identificado por el valor de offset de dicha onda, es decir, el desplazamiento
vertical representado por P.
2.6.2.2 El capacitor
El capacitor es un elemento capaz de almacenar energía en un determinado
tiempo y liberarla a través de una carga en un lapso determinado de tiempo [7].
La relación corriente voltaje para un capacitor es:
(2.13)
Si la fuente de voltaje con Ѳ=0, es:
( ) ( ) (2.14)
Página 11
La corriente que circula es:
( ) (2.15)
Dónde:
La cantidad
, se le denomina reactancia de un capacitor, se representa
mediante y se mide en Ohms; es decir,
.
En las gráficas de corriente, voltaje y potencia instantánea para el capacitor de la
Fig. 2.7 se observa que la corriente adelanta 90° al voltaje. Al calcular la potencia
promedio con la ecuación (9), se tiene que Ѳ=0°, Ø=90°, por lo que:
( ) .
Fig. 2.7. Potencia promedio o activa en un elemento capacitivo [8].
2.6.2.3 El inductor
El inductor es un elemento que permite almacenar energía en determinado tiempo
para después entregarla al circuito, descargándose en otro lapso determinado de
tiempo [7].
La relación corriente voltaje para el inductor es:
Si la señal de corriente con Ø=0, es:
( ) ( ) (2.16)
El voltaje de este elemento es:
Página 12
( ) (2.17)
Donde . La cantidad , se le denomina reactancia inductiva, se
representa por , y sus unidades son Ohms. Las formas de onda del circuito de la
figura 5 (c) de la Fig. 2.8, donde el voltaje adelanta 90° a la corriente. Al calcular la
potencia promedio con la ecuación (9), Ѳ=90°, Ø=0°, por lo que
( ) .
Fig. 2.8. Potencia promedio o activa en un elemento inductivo [4].
En general, un dispositivo puramente reactivo (que contiene capacitores e
inductores) la potencia activa (promedio) es igual a cero, debido a que la corriente
y el voltaje se desfasan ±90°. Esto significa que son elementos que no absorben
energía.
2.6.3 Potencia aparente
Un parámetro de vital importancia es la potencia aparente, se define como: la
potencia máxima que “aparentemente” puede suministrar una fuente senoidal a
una carga determinada [9]. Esta potencia está dada por las unidades de volt-
amperes, denotado como VA, cuya ecuación es:
(2.18)
Como se puede observar en la ecuación anterior, solo se considera a los valores
eficaces de la corriente y el voltaje, sin considerar la naturaleza de la carga
alimentada. Cuando la carga es puramente resistiva la potencia aparente es igual
que la potencia activa.
Página 13
2.6.4 Potencia reactiva
La potencia reactiva se define como: la potencia eléctrica que se intercambia entre
el campo magnético de un inductor y la fuente que lo excita o el campo eléctrico
de un capacitor y la fuente que lo excita, se denota como Q, y sus unidades son
los volt-amperes reactivos, denotados como VAR’s [9]. Matemáticamente se
expresa en la ecuación 2.19.
( ) (2.19)
Dónde: ( ) es el ángulo por el cual el voltaje adelanta a la corriente.
Tomando en cuenta la sección anterior, donde se mostró para el inductor y el
capacitor existe un ángulo de fase de 90°, al aplicarle la ecuación (2.19), cuando el
elemento del circuito es resistivo, , por lo que .
2.7 Factor de potencia (F.P.)
El factor de potencia es un indicador de la eficiencia con la que se está
aprovechando la energía suministrada a una carga determinada.
Matemáticamente se calcula por la ecuación (2.20) [10].
(2.20)
Debido a que ( ) no puede tener magnitud mayor que uno, la magnitud del
factor de potencia no puede ser mayor a este.
Para el caso en que las señales de corriente y de voltaje son senoidales puras, el
factor de potencia es:
( ) (2.21)
El factor de potencia puede ser de dos tipos, adelantado o atrasado, donde el
adelanto o el atraso se refiere a la fase de la corriente con respecto al voltaje. Así,
una carga inductiva tendrá un F.P. atrasado y una carga capacitiva un F.P.
adelantado.
2.8 Relación entre los tres tipos de potencia
La potencia activa (P) y reactiva (Q) tienen diferentes significados y no pueden ser
sumados aritméticamente. Sin embargo, pueden ser representados
apropiadamente en forma de una magnitud vectorial denominada potencia
compleja [9], que se define como:
(2.22)
Página 14
El módulo de esta potencia es algo que se denomina potencia aparente y su
expresión es:
| | √ ………….. (2.23)
De forma gráfica estas ecuaciones pueden ser vistas con un triángulo, llamado
triángulo de potencia, Fig. 2.9, en donde el cateto adyacente al ángulo ( ) esta
representada por la potencia activa P, el cateto opuesto por la potencia reactiva Q
y la hipotenusa es la potencia aparente | |. Cuando una carga no tiene elementos
reactivos tanto Q como el ángulo ( ) son cero, lleva a que S y P sean iguales,
es decir que Q=0.
Fig. 2.9. Triangulo de potencia [9].
Para apreciar los tres tipos de potencia se calculara cada uno de ellos así como el
F.P. para el circuito de la Fig. 2.10 con una impedancia Z=19+j5 alimentado por
una fuente de señal de CA, por simplicidad cada valor está representado en forma
fasorial.
Fig. 2.10. Circuito alimentado por una fuente de CA [9].
Página 15
Dónde:
V=120 0° Volts
Z=19+j5Ω=19.64 14.74°Ohms
Por ley de Ohm:
(
) A
Para la potencia activa, se aplica la ecuación (2.10), como:
( ) ( )( ) (( ) ( ))
Lo que significa que la potencia consumida por la carga es 2.279 kW.
Para la potencia reactiva, se aplica la ecuación (2.19), como:
( ) ( )( ) (( ) ( ))
Este resultado indica que la reactancia está contribuyendo con 609.98 VARs al
circuito.
Para la potencia aparente se emplea la ecuación (2.18), como:
( )( )
Indica que la fuente proporciona al circuito una potencia aparente de 2.356 kVA.
Para el F.P., se emplea la ecuación 2.20, como:
F.P. es atrasado, ya que ( ) , es positivo, indica que la corriente
adelanta al voltaje y ( ) ( ). El triángulo de potencia de la Fig.
2.11 para este ejemplo, en esta imagen se pueden apreciar los resultados
obtenidos analíticamente.
Fig. 2.11. Relación de potencias.
Página 16
2.9 Armónicos
Los armónicos son corrientes o tensiones cuyas frecuencias son múltiplos enteros
de la frecuencia fundamental de la alimentación. Por ejemplo, si la frecuencia
fundamental es de 60 Hz, la frecuencia del segundo armónico será 120 Hz, la
frecuencia del tercer armónico es de 180 Hz, etc. los armónicos son originados por
cargas no lineales que absorben corriente en breves periodos de tiempo, lo que
ocasiona la distorsión de la onda senoidal pura a diferencia de hacerlo
suavemente como lo haría una carga puramente resistiva con comportamiento
lineal. Estos impulsos bruscos crean ondas de corriente distorsionadas que
originan a su vez corrientes armónicas de retorno hacia el sistema eléctrico [11].
Este fenómeno de distorsión causado a la onda fundamental se manifiesta
principalmente en los equipos provistos de fuentes de alimentación que incluyen
en su composición diodos y capacitores, como son computadoras, impresoras,
etc.
La explicación eléctrica de este fenómeno es que el voltaje alterno de entrada una
vez que es rectificado por los diodos de la fuente, se usa para cargar un capacitor
de gran capacidad. Después de un semiperiodo, el capacitor se carga al valor
pico de voltaje de la onda senoidal de entrada, por ejemplo, 179 V para un sistema
de 127 VRMS. Entonces el equipo electrónico absorbe corriente de este voltaje
continuo para alimentar al resto del circuito.
Los datos más importantes a considerar de los armónicos generalmente son:
Amplitud: hace referencia al valor del voltaje o intensidad que presenta el
armónico.
Orden: hace referencia al valor de frecuencia del armónico referido con la
frecuencia fundamental (60 Hz) [12].
Gracias a una herramienta matemática conocida como teorema de Fourier que
indica que cualquier onda puede ser representada como la suma o combinación
de una serie de señales senoidales, teniendo en cuenta que su frecuencia
corresponde a un múltiplo de la frecuencia fundamental.
Si la señal cumple con ( ) ( ) para k=0, 1,2 y T el periodo de la señal y
además, satisface las dos condiciones siguientes:
Tener un número finito de discontinuidades, de máximos y de mínimos en
un periodo T.
Para cualquier , la integral ∫ | ( ) |
existe.
Página 17
Entonces, la señal puede representarse como:
( ) ∑ [ ( ) ( )] (2.24)
∫ ( )
(2.25)
∫ ( ) ( )
(2.26)
∫ ( ) ( )
(2.27)
Dónde:
= Frecuencia angular
= Coeficientes de Fourier
N = Orden del armónico
T = periodo de la señal
También puede ser expresado en forma exponencial como:
( ) ∑
(2.28)
Con:
∫ ( )
(2.29)
Usando la descomposición de Fourier, las señales eléctricas de tensión y de
corriente se pueden escribir como:
( ) ∑ √ ( ) (2.30)
( ) ∑ √ ( ) (2.31)
Dónde:
= Valor medio de la señal de voltaje (componente de CD).
= Valor medio de la señal de corriente (componente de CD).
= Valor eficaz de la componente k de la señal de voltaje.
= Valor eficaz de la componente k de la señal de corriente.
Página 18
= Ángulo de fase de la componente k de voltaje.
= Ángulo de fase de la componente k de corriente.
De la ecuación 2.30, se puede observar que cada una de las componentes
armónicas está caracterizada por tres parámetros: frecuencia, amplitud y ángulo
de fase.
Los valores eficaces de las señales son:
√
(2.32)
√
(2.33)
Para determinar el contenido armónico de una señal muestreada, se recurre a la
transformada discreta de Fourier (DTF).
La DFT básicamente consiste en una operación sobre una sucesión de puntos en
el dominio del tiempo [ ] para obtener una secuencia de puntos en el
dominio de la frecuencia [ ].
Esta última serie de puntos ( [ ]) también puede asimilarse a un muestreo en el
dominio de la frecuencia de una función ( ( )).
Las relaciones entre [ ] y [ ]están dadas por:
[ ] ∑ [ ]
(2.34)
[ ]
∑ [ ]
(2.35)
Con:
Si las N muestras se repiten indefinidamente en el tiempo, la función resultante en
el dominio de la frecuencia es discreta.
2.10 Distorsión armónica total (THD)
Una medida cuantitativa de que tanta distorsión tiene una señal con respecto al
armónico fundamental, es la distorsión armónica total THD (Total Harmonic
Distortion). Para calcular el THD de la corriente y el voltaje se utilizan las
ecuaciones (2.26) y (2.27).
Página 19
√
(2.26)
√
(2.27)
Dónde:
= Es la magnitud de la n-ésima armónica de la señal de corriente y voltaje.
= Componente fundamental de la señal de corriente y voltaje (para señales
eléctricas es de 60 Hz).
El cálculo de THD implica obtener los coeficientes usando la ecuación (2.25), lo
cual cuando se quiere medir en forma directa es muy complejo, debido a que no
se tiene una expresión matemática definida para x(t). Sin embargo, una forma
alternativa de realizarla, es mediante el uso de técnicas de procesamiento digital
de señales. La digitalización de una señal es necesaria pues una señal analógica
no puede procesarse directamente por medio de una computadora, por estar
definida por una serie de tiempo de forma infinita, lo que involucraría tiempo de
procesamiento, memoria y recursos infinitos, tal hecho que no se puede conseguir.
Para ello necesitamos que la señal tenga una representación finita y esto lo
conseguimos digitalizando la señal y tomándola tramo a tramo.
Debido a la capacidad del software actual de registrar una señal y determinar el
contenido armónico de manera directa, el autor considera innecesario incluir
detalladamente, en este texto, ejemplos analíticos que expliquen estos procesos
matemáticos.
2.11 LabVIEW
LabVIEW constituye un revolucionario sistema de programación gráfica para
aplicaciones que involucren adquisición, control, análisis y presentación de datos
[13]. Las ventajas que proporciona el empleo de LabVIEW se resumen en las
siguientes:
• Se reduce el tiempo de desarrollo de las aplicaciones al menos de 4 a 10 veces,
ya que es muy intuitivo y fácil de aprender.
• Proporciona gran flexibilidad al sistema, permitiendo cambios y actualizaciones
tanto del hardware como del software.
Página 20
• Da la posibilidad a los usuarios de crear soluciones completas y complejas.
• Con un único sistema de desarrollo se integran las funciones de adquisición,
análisis y presentación de datos.
• El sistema está dotado de un compilador gráfico para lograr la máxima velocidad
de ejecución posible.
• Tiene la posibilidad de incorporar aplicaciones escritas en otros lenguajes.
LabVIEW es un entorno de programación destinado al desarrollo de aplicaciones,
similar a los sistemas de desarrollo comerciales que utilizan el lenguaje C o
BASIC. Sin embargo, LabVIEW se diferencia de dichos programas en un
importante aspecto: los citados lenguajes de programación se basan en líneas de
texto para crear el código fuente del programa, mientras que LabVIEW emplea la
programación gráfica o lenguaje G para crear programas basados en diagramas
de bloques [14].
Para el empleo de LabVIEW no se requiere gran experiencia en programación, ya
que se emplean iconos, términos e ideas familiares a científicos e ingenieros, y se
apoya sobre símbolos gráficos en lugar de lenguaje escrito para construir las
aplicaciones. Por ello resulta mucho más intuitivo que el resto de lenguajes de
programación convencionales.
LabVIEW posee extensas librerías de funciones y subrutinas. Además de las
funciones básicas de todo lenguaje de programación, LabVIEW incluye librerías
específicas para la adquisición de datos, control de instrumentación,
comunicación, análisis, presentación y guardado de datos.
Los programas desarrollados mediante LabVIEW se denominan Instrumentos
Virtuales (VIs), porque su apariencia y funcionamiento imitan los de un instrumento
real. Sin embargo son análogos a las funciones creadas con los lenguajes de
programación convencionales. Los VIs tienen una parte interactiva con el usuario y
otra parte de código fuente, y aceptan parámetros procedentes de otros VIs.
Todos los VIs tienen un panel frontal y un diagrama de bloques. Las paletas
contienen las opciones que se emplean para crear y modificar los VIs.
El Panel Frontal y el Diagrama de Bloques están conectados a través de los
terminales (elementos que sirven como entradas o salidas de datos). De la misma
forma que un indicador luminoso de la carátula de un instrumento está
representado como un diodo en la circuitería interna, en un programa en LabVIEW
ese mismo indicador luminoso estará representado en el Diagrama de Bloques
como una salida de tipo booleano sobre el que escribir un valor [15].
Página 21
Panel Frontal
Se trata de la interfaz gráfica del VI con el usuario. Esta interfaz recoge las
entradas procedentes del usuario y representa las salidas proporcionadas por el
programa. Un panel frontal está formado por una serie de botones, pulsadores,
potenciómetros, gráficos, etc., un ejemplo de éste se muestra en la Fig. 2.12.
Cada uno de ellos puede estar definido como un control o un indicador. Los
primeros sirven para introducir parámetros al VI, mientras que los indicadores se
emplean para mostrar los resultados producidos, ya sean datos adquiridos o
resultados de alguna operación.
Fig. 2.12. Ejemplo de panel frontal de LabVIEW [13].
Diagrama de bloques
El diagrama de bloques constituye el código fuente del VI. En el diagrama de
bloques es donde se realiza la implementación del programa del VI para controlar
o realizar cualquier procesado de las entradas y salidas que se crearon en el panel
frontal, podemos observarlo en la Fig. 2.13.
Página 22
El diagrama de bloques incluye funciones y estructuras integradas en las librerías
que incorpora LabVIEW. En el lenguaje G las funciones y las estructuras son
nodos elementales. Son análogas a los operadores o librerías de funciones de los
lenguajes convencionales.
Los controles e indicadores que se colocaron previamente en el Panel Frontal, se
materializan en el diagrama de bloques mediante los terminales.
Fig. 2.13. Ejemplo de diagrama de bloques de LabVIEW [13].
Página 23
CAPITULO 3
DESCRIPCION DEL HARDWARE
3.1 Descripción de la tarjeta NI MyDAQ
NI MyDAQ es una tarjeta de adquisición de datos portátil de bajo costo (DAQ). NI
MyDAQ proporciona entradas analógicas (AI), salidas analógicas (AO), entradas y
salidas digitales (DIO), de audio, fuentes de alimentación, y un Multímetro digital
(DMM) funciones en un compacto dispositivo USB.
Los circuitos integrados suministrados por Texas Instruments forma el poder y la
analógica / subsistemas S de NI MyDAQ. La Fig. 3.1 presenta la disposición y la
función de los subsistemas de NI MyDAQ.
3.1.1 Entrada Analógica (AI)
Hay dos canales de entrada analógica de NI MyDAQ. Estos canales pueden
configurarse como tensión diferencial de uso general de alta impedancia de
entrada o de entrada de audio. Las entradas analógicas son multiplexadas, es
decir, una sola convierte de analógico a digital (ADC) se utiliza para probar los dos
canales. En Modo de uso general, puede llegar a medir hasta ± 10 V señales. En
modo audio, los dos canales izquierdo y derecho representan entradas estéreo de
nivel de línea.
Las entradas analógicas se pueden medir hasta 200 kSamples/Seg por canal, por
lo que son útiles para la adquisición de forma de onda [16].
3.1.2 Salida Analógica (AO)
Hay dos canales de salidas analógicas del NI MyDAQ. Estos canales pueden
configurarse como la tensión de salida de propósito general o de salida de audio.
Ambos canales tienen un convertidor digital dedicado a analógico (DAC), por lo
que puede actualizar de forma simultánea. En el modo de uso general, puede
generar hasta ± 10 V de señales.
En el modo de audio, se pueden usar los dos canales de salidas estéreo de la
izquierda y la derecha. Las salidas analógicas se pueden utilizar en hasta 200
kSamples/Seg por canal, lo que los hace útiles para la generación de forma de
onda [16].
Página 25
3.1.3 Entradas / Salidas Digitales (DIO)
Hay ocho Entradas/Salidas digitales (DIO) líneas en NI myDAQ. Cada línea es una
Interfaz de funciones programables (PFI), lo que significa que se puede configurar
como un software de propósito general-tiempo de entrada o salida digital, o puede
actuar como una entrada de funciones especiales o de salida para un contador
digital [16].
3.1.4 Fuentes de alimentación
Hay tres fuentes de alimentación disponibles para su uso en NI myDAQ ± 15 V y
se pueden utilizar para los componentes analógicos de potencia, tales como
amplificadores operativos y reguladores lineales. +5 V que se puede utilizar para
darle poder digital a componentes tales como dispositivos de lógica.
La potencia total disponible para las fuentes de alimentación, salidas analógicas y
productos digitales está limitado a 500 mW (típico) / 100 mW (mínimo). Para el
cálculo de consumo de energía total de los suministros de energía, debe
multiplicar la salida de tensión por la corriente de carga de cada tren y los suma
juntos. Para consumo digital de potencia, multiplica 3,3 V por la corriente de carga.
Para consumo analógico de potencia, multiplica 15 V por la corriente de carga.
Para el uso de salida audio de 100 mW resta del presupuesto total de energía [16].
3.1.5 Multímetro digital (DMM)
El NI MyDAQ DMM proporciona las funciones para la medición de tensión (CC y
CA), resistencia a la corriente continua (DC y AC), y la caída de tensión en
mediciones del diodo.
El Multímetro Digital (DMM) Es un software-tiempo, por lo que actualiza las tarifas
que son afectadas por la de carga en el equipo y la actividad USB [16].
3.2 Requerimientos y diseño de hardware
Conexión directa a cualquier red eléctrica monofásica comercial 127 V con
corrientes máximas de 30 A.
Protección en la etapa de acondicionamiento de señales para evitar dañar la
tarjeta de adquisición de datos NI MyDAQ.
Los requerimientos de hardware a diseñar se pueden dividir en 3 bloques
funcionales, como se muestra en la Fig. 3.2, los cuales son:
Página 26
Fig. 3.2. Diagrama de bloques del Hardware necesario para el analizador de redes eléctricas monofásicas.
Acondicionamiento: Su función principal es transformar el voltaje y la corriente de
cualquier red eléctrica a valores seguros, de tal manera que puedan ser
procesados por la tarjeta de adquisición de datos, tomando en cuenta las
restricciones de sus canales analógicos.
Tarjeta de adquisición de datos NI MyDAQ: Su función es tomar la señal
proveniente del bloque de acondicionamiento y digitalizarla para su posterior
procesamiento.
La velocidad de muestreo es uno de los parámetros más importantes a tomar en
cuenta para una medición adecuada de las variables eléctricas.
Computadora personal: Su función es interactuar con la tarjeta de adquisición de
datos y el software para el análisis, procesamiento y visualización de las señales,
haciendo posible la interfaz con el usuario.
3.2.1 Adquisición de datos
Con base en los aspectos fijados en el planteamiento del proyecto planteado se
demostrara que las características que posee la tarjeta de adquisición de datos NI
MyDAQ son suficientes para ser utilizada en esta aplicación.
Existen algunos puntos fundamentales a considerar, los cuales son:
Frecuencia máxima de muestreo.
Número de canales.
Modo de operación de los canales analógicos.
Nivel máximo de voltaje en los canales analógicos.
Frecuencia máxima de muestreo
Los parámetros que se requieren medir son: potencia activa, potencia reactiva,
potencia aparente y factor de potencia. La potencia activa y reactiva, pueden
calcularse con las ecuaciones (2.10) y (2.19), para esto, es necesario determinar
el ángulo de desfase entre la corriente y el voltaje. Para ello, es importante cumplir
con una frecuencia mínima de muestreo al digitalizar cada una de las señales de
corriente y voltaje. Dos aspectos importantes a tomar en cuenta son:
Página 27
La frecuencia de la señal de corriente y la frecuencia de la señal de voltaje.
La precisión al determinar el ángulo.
Tanto la señal de corriente como la de voltaje tienen una frecuencia típica de 60
Hz. El periodo de tiempo de un ciclo completo es de 16.66 ms o en grados de 0° a
360°. Se puede realizar la comparación de una señal típica de CA en tiempo y en
grados de la Fig. 3.3.
Cada señal muestra que se adquiera, tendrá su equivalente a un determinado
número de grados. Según la cantidad de muestras que se tomen, será la precisión
que se tenga para determinar el ángulo de desfase. En la tabla 3.1 se observa la
precisión que se obtiene para el ángulo de desfase en función del número de
muestras por periodo.
Fig. 3.3. Comparación de una señal de CA en tiempo (a) y grados (b).
Página 28
Se puede observar que a medida que se adquiere un mayor número de muestras
en un periodo de la señal, el error al momento de calcular el ángulo disminuye,
pero esto aumenta también la frecuencia de muestreo. Considerando esto, es
necesario que cada muestra adquirida represente un grado, esto es, 360 muestras
equivalentes a 360°. La mínima frecuencia de muestreo por canal está dada por la
ecuación (3.1), la cual representa una multiplicación entre el número de muestras
y la frecuencia de la señal [17] y nos ayudara a obtener la precisión deseada para
el dispositivo en relación con la frecuencia de la red.
( )( ) (3.1)
Sustituyendo los datos obtenidos en la tabla 3.1, tenemos que:
( )( ) ( )( )
La tarjeta de adquisición de datos NI MyDAQ cuenta con una velocidad de
muestreo de 200 ksamples/seg cuando se usa solo un canal. La frecuencia
máxima de muestreo a la cual debe operar la tarjeta determinada por la ecuación
(3.2), es función del número de canales que se necesitan.
( )( ) (3.2)
Sustituyendo los datos obtenidos, tenemos que:
( )( ) ( ) (
)
Como podemos apreciar obtenemos un valor máximo necesario de 43.2
ksamples/seg muy por debajo de los 200ksamples/seg que nos ofrece la tarjeta de
adquisición de datos myDAQ, por lo que se justifica su utilidad para el proyecto
planteado.
# de muestras por ciclo
Frecuencia de muestreo
(ksamples/seg)
Precisión (Grados)
40 2.4 9
80 4.8 4.5
120 7.2 3
160 9.6 2.25
200 12 1.8
240 14.4 1.5
280 16.8 1.28
320 19.2 1.125
360 21.6 1
400 24 0.9 Tabla 3.1. Relación de número de muestras, frecuencia de muestreo, Ѳ y Ø.
Página 29
3.2.2 Número de canales
De acuerdo a los requerimientos del proyecto se necesitan de dos canales
analógicos de adquisición de datos, uno para la señal de voltaje de la onda de
entrada y otro para la señal de corriente, la tarjeta de adquisición de dato NI
MyDAQ cuenta precisamente con 2 canales analógicos para este fin, por lo cual
cumple con este punto de los requerimientos.
Nivel de voltaje máximo de entrada en los canales analógicos. Este punto de los
requerimientos del proyecto se debe al rango máximo que permite la tarjeta de
adquisición de datos NI MyDAQ para su funcionamiento sin presentar fallas o
incluso llegue a dañarse. Dichos valores son ±10 V de CD para la señal de voltaje
y ± 40mA.
3.3 Acondicionamiento de señales
La función principal de esta etapa es la de acondicionar el nivel de voltaje y
corriente de la señal de entrada a niveles más seguros.
Las características de las señales de entrada son:
Onda de voltaje senoidal de 60 Hz y 120 Vrms de amplitud.
Onda de corriente de 60 Hz y de amplitud variable desde 0 a 30 A.
La etapa de acondicionamiento debe ser capaz de:
Convertir la señal de voltaje y corriente a valores que varíen en el rango de
±10 V (Rango de operación de la tarjeta de adquisición).
Proporcionar un buen aislamiento eléctrico.
Existen varias formas de acondicionar las señales de corriente y de voltaje para
hacer mediciones en un circuito eléctrico (Tales como sensores de efecto Hall,
opto acopladores, etc.), sin embargo los más utilizados son los transformadores de
voltaje y de corriente, debido a que son una opción económica y confiable.
Proporcionan un aislamiento muy grande, de al menos 1200 V entre el primario y
el secundario para el caso de los transformadores de voltaje y de 600 A para el
caso de los transformadores de corriente. Dichos transformadores de voltaje y
corriente pueden ser usados para subir o bajar el voltaje o la corriente, en función
del embobinado entre el primario y el secundario, dicho principio es conocido
usualmente con el nombre de relación de transformación. Principio que indica el
aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la
tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida y la de
entrada. La tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende
Página 30
de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del
secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.
3.3.1 Acondicionamiento de la señal de voltaje
Para esta etapa se utilizara un transformador de voltaje. Las características que
deberá cumplir son:
1. Voltaje en el primario de 120 Vrms.
2. El voltaje en el secundario de 1 Vrms a 7 Vrms (10 Vpico). Esto para
cumplir con el requerimiento de la entrada por canal analógico de ±10 V
como máximo.
Existe una amplia variedad de transformadores de voltaje que varían el nivel de
voltaje en el secundario, pero de acuerdo a los requerimientos para la entrada
analógica de la tarjeta de adquisición de datos, se usara un transformador de 120
Vca a 9 Vca con derivación central por lo cual utilizando esta característica
obtendremos a la salida 4.5 Vca. Para este caso la señal de voltaje pico-pico es de
aproximadamente ±6.4 V, cuyo valor de voltaje está dentro del rango de operación
de la entrada analógica de la tarjeta de adquisición de datos.
Un transformador nos da una protección eléctrica si existiera una falla en el lado
de la señal de entrada debido a su construcción, los devanados primario y
secundario no tienen ninguna conexión eléctrica físicamente lo que nos
proporciona una protección hacia la tarjeta de adquisición de datos. En la Fig. 3.4
se muestra el diagrama esquemático de la etapa de acondicionamiento de voltaje.
Página 31
Fig. 3.4. Acondicionamiento de voltaje, diagrama esquemático.
3.3.2 Acondicionamiento de la señal de corriente
Las características que debe cumplir la etapa de acondicionamiento de corriente
son:
Corriente de entrada de hasta 30 A.
Reducir la corriente de entrada a un valor acorde a la tarjeta de adquisición
de datos, es decir, entre 0 y ±40mA.
Permitir una fácil conexión a la red eléctrica para realizar la medición de la
corriente.
Para cumplir con los requerimientos descritos usaremos un transformador de
corriente de núcleo dividido, los cuales existen comercialmente en una muy amplia
variedad de amplitud de corriente. Para el proyecto planteado se usara un
transformador con relación de 100 A a 50 mA con lo cual a 30 A de la señal de
entrada se enviara a la tarjeta una onda de corriente de aproximadamente 15 mA
Página 32
por lo que se encontrara dentro del rango de operación aceptable para el canal
analógico de la tarjeta de adquisición de datos.
Al ser de núcleo dividido se facilitara la instalación en la señal de entrada ya que
es mucho más práctico conectar y desconectar el transformador.
Al igual que la etapa de acondicionamiento de voltaje al usar un transformador
como acondicionamiento de corriente se proporciona un aislamiento eléctrico entre
la señal de entrada y la de salida al no contar con conexiones físicas entre los
devanados del mismo. Lo cual provee una protección aceptable para el proyecto
planteado.
En la Fig. 3.5 se muestra el diagrama esquemático de la etapa de
acondicionamiento de corriente.
Fig. 3.5. Acondicionamiento de corriente, diagrama esquemático.
Página 33
CAPITULO 4
DISEÑO DEL INSTRUMENTO VIRTUAL
En los capítulos anteriores se detalló el funcionamiento básico de un instrumento
capaz de medir la calidad de la energía eléctrica, así como también la forma en
cómo se diseñó el hardware mediante una tarjeta de adquisición de datos para
tomar una señal de entrada comercial de 127 Vca a 60 Hz. El siguiente paso es el
desarrollo de un instrumento virtual, el cual deberá ser capaz de llevar a cabo
varias funciones, tales como, controlar la adquisición de datos, procesar los datos
obtenidos, así como también realizar mediciones para determinar los valores de
corriente, voltaje, potencias y armónicos de la señal de entrada.
Para cumplir con los requerimientos antes mencionados bien se podría utilizar
cualquier lenguaje de programación, como, por ejemplo: Turbo C, C++, visual C,
etc., sin embargo, algunos de los puntos clave para elegir el lenguaje de
programación para el desarrollo de la aplicación podrían ser: el tiempo de
desarrollo, la complejidad del sistema requerido, herramientas que proporcionen,
adaptabilidad a software actual, compatibilidad con el hardware diseñado, etc.,
para el proyecto planteado del analizador de redes monofásico utilizaremos el
lenguaje de programación LabVIEW (acrónimo de Laboratory Virtual
Instrumentation Engineering Workbench) [13], por las razones siguientes:
Este lenguaje de programación opera en conjunto con la tarjeta de
adquisición de datos NI MyDAQ, por ser ambos de la misma marca
comercial.
Cuenta con todos los controladores necesarios para el funcionamiento de la
tarjeta y es sencillo incluir los controladores que se requieran.
Al ser un lenguaje de programación con un entorno grafico es mucho más
amigable que los lenguajes de programación tradicionales ya que se basa
en bloques con funciones preestablecidas.
Es un lenguaje de programación dedicado especialmente a aplicaciones de
instrumentación, automatización y control como medición y monitoreo.
Como ya hemos citado anteriormente los requerimientos del instrumento virtual a
diseñar para el analizador de redes eléctricas monofásicas son:
Visualización de las señales de voltaje y corriente.
Obtención del factor de potencia (F.P.).
Determinación de la potencia activa.
Determinación de la potencia reactiva.
Determinación de la potencia aparente.
Obtención del espectro de armónicos.
Determinación de la distorsión armónica total (THD).
Página 34
Para cumplir con cada uno de los objetivos mencionados se utilizaran bloques
específicos que se describirán brevemente a continuación, para comprender su
funcionamiento y saber el porqué de su aplicación en el desarrollo del instrumento
virtual elaborado.
4.1 Bloques de adquisición de datos
DAQmx Create Virtual Channel (VI)
Crea un canal virtual o conjunto de canales virtuales y los añade a una tarea.
Las características de este VI son del tipo E/S del canal, como pueden ser: la
entrada analógica, salida digital, o salida del contador; puede ser usado para la
medición o generación, obteniendo valores como voltaje, corriente,
temperatura, etc. para su uso, Fig. 4.1.
Fig. 4.1. VI DAQmx Create Virtual Channel.
Task in. Especifica que tarea se agregara a los canales virtuales
que crea este VI.
Task out. Es una referencia a la tarea que se crea después que
este VI corre, la tarea contiene todos los canales virtuales creados.
Página 35
Physical channels. Especifica los nombres de los canales físicos
usados para crear los canales virtuales.
Name to assign. Especifica un nombre a asignar al canal virtual
que crea este VI. Si no determina un valor a esta entrada, NI-DAQmx utiliza el
nombre del canal físico como el nombre del canal virtual.
Maximum value. Especifica en unidades el valor máximo que se
espera medir.
Minimum value. Especifica en unidades el valor mínimo que se
espera medir.
Error in. Describe las condiciones de error que se hayan
producido antes de este nodo.
Error out. Contiene información sobre el error, proporciona la
función de error estándar.
Página 36
DAQmx Timing (VI)
Configura el número de muestras a adquirir o generar y crear un buffer si es
necesario. Las características de este VI corresponden al tipo de
temporización, Fig. 4.2.
Fig. 4.2. VI DAQmx Timing.
Task in. Es el nombre de la tarea o una lista de los canales
virtuales a los que se aplicara la operación, si se proporciona una lista de
canales NI-DAQmx crea una tarea automáticamente.
Task out. Es una referencia a la tarea después de la función de
este VI.
Rate. Especifica la frecuencia de muestreo, esto en muestras por
canal por segundo.
Error in. Describe las condiciones de error que se hayan
producido antes de este nodo.
Página 37
Error out. Contiene información sobre el error, proporciona la
función de error estándar.
DAQmx Start Task (VI)
Lleva a la tarea al estado de ejecución para iniciar la medición o generación. El
uso de este VI es necesario en algunas aplicaciones y opcional en otras, Fig. 4.3.
Fig. 4.3. VI DAQmx Start Task.
Task in. Es el nombre de la tarea o una lista de los canales
virtuales a los que se aplicara la operación, si se proporciona una lista de
canales NI-DAQmx crea una tarea automáticamente.
Task out. Es una referencia a la tarea después de la operación de
este VI.
Error in. Describe las condiciones de error que se hayan
producido antes de este nodo.
Error out. Contiene información sobre el error, proporciona la
función de error estándar.
Página 38
DAQmx Read (VI)
Lee las muestras de la tarea o los canales virtuales que se especifiquen. Las
características de este VI especifican el formato que tendrán las muestras, ya sea
leer una sola muestra o varias muestras a la vez y si se leerán uno o múltiples
canales, Fig. 4.4.
Fig. 4.4. VI DAQmx Read.
Task in. Es el nombre de la tarea o una lista de los canales
virtuales a los que se aplicara la operación, si se proporciona una lista de
canales NI-DAQmx crea una tarea automáticamente.
Task out. Es una referencia a la tarea después de la operación de
este VI.
Number of samples per channel. Especifica el número de
muestras a leer. Si se deja sin conectar o se establece en -1, NI-DAQmx
determina el número de muestras a leer basado en si se adquieren muestras
continuas ose adquiere un numero finito de muestras.
Data. Devuelve una matriz 1D de formas de onda. Cada elemento
de la matriz corresponde a un canal. El orden de los canales en la matriz
corresponde al orden en que se agregaron los canales.
Error in. Describe las condiciones de error que se hayan producido
antes de este nodo.
Página 39
Error out. Contiene información sobre el error, proporciona la
función de error estándar.
4.2 Bloques de análisis de señales
Frequency VI.
Calcula la frecuencia de una forma de onda de voltaje o corriente para un solo
canal o múltiples canales, Fig. 4.5.
Fig. 4.5. VI Frequency.
Waveforms. Especifica la señal de entrada de voltaje o corriente en
forma de onda para cada canal.
Frequencies. Devuelve las frecuencias, en Hertz, de las señales de
entrada de voltaje o corriente.
Error in. Describe las condiciones de error que se hayan producido
antes de este nodo.
Error out. Contiene información sobre el error, proporciona la función
de error estándar.
Página 40
RMS VI
Calcula el nivel RMS de una señal de voltaje o corriente, Fig. 4.6.
Fig. 4.6. VI RMS.
Waveforms. Especifica la señal de entrada de voltaje o corriente en
forma de onda para cada canal.
RMS values. Devuelve el nivel RMS de la señal de entrada de voltaje
o corriente para cada canal. Los niveles RMS tienen las mismas unidades de
ingeniería como las señales de entrada.
Error in. Describe las condiciones de error que se hayan producido
antes de este nodo.
Error out. Contiene información sobre el error, proporciona la función
de error estándar.
Página 41
4.3 Bloques específicos para análisis de calidad de energía.
Initialize System VI
Establece la configuración básica de la red de energía eléctrica con que se usará,
Fig. 4.7.
Fig. 4.7. VI Initialize System.
Samples per cycle. Especifica el número de muestras por ciclo para
volver a muestrear, cuyo rango es de 128 a 512. Las muestras por ciclo deberán
ser par. Para un número mayor de muestras por ciclo se requerirán más recursos
de cálculo en tiempo real. La elección de un numero bajo de muestras por ciclo
puede hacer que la medición de la señal de voltaje no cumpla la norma IEC
61000-4-30:2008. El valor por defecto es 192.
Wiring. Especifica el método de cableado de las terminales del equipo.
0 4xUph + 4xI 4 canales de voltaje de fase y 4 canales de corriente.
1 3xUph + 4xI
(default) 3 canales de voltaje de fase y 4 canales de corriente.
2 3xUline + 4xI 3 canales de voltaje de línea y 4 canales de corriente.
3 3xUph + 3xI 3 canales de voltaje de fase y 3 canales de corriente.
4 3xUline + 3xI 3 canales de voltaje de línea y 3 canales de corriente.
5 3xUph + 2xI 3 canales de voltaje de fase y 2 canales de corriente.
6 3xUline + 2xI 3 canales de voltaje de línea y 2 canales de corriente.
7 1xUph + 1xI 1 canal de voltaje de fase y 1 canal de corriente.
Tabla 4.1. Métodos de cableado disponibles en LabVIEW.
Nominal frequency. Especifica la frecuencia nominal de la señal
muestreada.
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0 50 Hertz (default)
1 60 Hertz Tabla 4.2. Frecuencias nominales disponibles en LabVIEW.
Nominal voltage. Especifica el voltaje nominal de referencia, en volts, el
valor de default es de 230 V.
Type of reference voltage. Especifica el tipo de voltaje de referencia
para la detección de voltaje de inmersión de acuerdo a la norma IEC 61000-4-
30:2008.
Nominal sampling rate. Devuelve la velocidad de muestreo nominal
en Hertz.
System info out. Devuelve información acerca de la configuración
básica del sistema eléctrico. Usa esta información para análisis de calidad de
energía posteriores a este nodo.
Spectrum VI.
Calcula los espectros FFT de las formas de onda de entrada. Este VI devuelve
espectros de FFT como espectros compuestos de tensión y/o corriente, hasta un
orden armónico máximo especificado con una resolución de frecuencia de
alrededor de 5 Hz, que es la frecuencia fundamental dividida entre 10 o 12, Fig.
4.8.
Fig. 4.8 VI Spectrum.
Página 43
Waveforms. Especifica la forma de onda de voltaje o corriente.
Spectra. Devuelve espectros complejos de 10 o 12 ciclos hasta el
orden armónico máximo especificado. Cada elemento de dicha matriz
corresponde a un elemento de la forma de onda de entrada.
System info in. Especifica la configuración básica del sistema
eléctrico. Información proporcionada por Initialize System VI.
System info out. Devuelve información acerca de la configuración
básica del sistema eléctrico. Usa esta información para análisis de calidad de
energía posteriores a este nodo.
Error in. Describe las condiciones de error que se hayan producido
antes de este nodo.
Error out. Contiene información sobre el error, proporciona la función
de error estándar.
THD VI.
Calcula la distorsión armónica total (THD) del espectro de voltaje o corriente, esto
de acuerdo a la norma IEC 61000-4-7:2002, Fig. 4.9.
Fig. 4.9. VI THD.
Página 44
Spectra. Especifica espectros complejos de 10 a 12 ciclos hasta el
máximo orden armónico especificado.
THD. Devuelve el valor calculado de THD del espectro de entrada de
voltaje o corriente, en porciento.
System info in. Especifica la configuración básica del sistema
eléctrico. Información proporcionada por Initialize System VI.
System info out. Devuelve información acerca de la configuración
básica del sistema eléctrico. Usa esta información para análisis de calidad de
energía posteriores a este nodo.
Error in. Describe las condiciones de error que se hayan producido
antes de este nodo.
Error out. Contiene información sobre el error, proporciona la función
de error estándar.
Power Values VI.
Calcula los valores de potencia de los espectros de voltaje y corriente de entrada.
Ese VI devuelve potencia aparente, potencia activa, potencia reactiva y factor de
potencia, Fig. 4.10.
Fig. 4.10. VI Power Values.
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Phase voltage spectra. Especifica espectros de voltaje complejo de 10 a
12 ciclos hasta un armónico especificado. La parte real del primer vector
representa la componente de CD de las formas de onda de entrada.
Current spectra. Especifica espectros de corriente complejos de 10 a 12
ciclos hasta un armónico especificado. La parte real del primer vector representa
la componente de CD de las formas de onda de entrada.
Power values. Devuelve valores de potencia que este VI calcula a través
de mediciones básicas de intervalos de tiempo, los cuales son usualmente de 10 a
12 ciclos.
Error in. Describe las condiciones de error que se hayan producido
antes de este nodo.
Error out. Contiene información sobre el error, proporciona la función de
error estándar.
Energy Values VI.
Calcula valores de energía para un intervalo específico de duración. Este VI
devuelve valores de energía aparente, activa y reactiva, Fig. 4.11.
Fig. 4.11. VI Energy Values.
Power values. Especifica los valores de potencia para el cálculo de
los valores de energía.
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Interval length. Especifica la duración del intervalo para los valores de
potencia de entrada en segundos. El valor de default es 0.2.
Energy values. Devuelve valores de energía calculados a partir de
mediciones básicas en un intervalo de tiempo o acumulado desde el inicio de la
medición.
Error in. Describe las condiciones de error que se hayan producido
antes de este nodo.
Error out. Contiene información sobre el error, proporciona la función
de error estándar.
4.4 Adquisición de señales
La función principal de este conjunto de VI’s es acceder a la tarjeta de adquisición
de datos NI MyDAQ, es decir, establecer una comunicación entre la etapa de
adquisición y el instrumento virtual.
Para esto se crean canales virtuales a partir de los canales analógicos de la tarjeta
NI MyDAQ con el fin de tomar las ondas de voltaje y corriente para su
procesamiento, análisis y visualización posterior y considerando los valores
máximos y mínimos para evitar exceder las características de la tarjeta.
Luego de la creación de los canales virtuales establecemos el modo de muestreo
como continuo para poder realizar mediciones en tiempo real de las señales de
entrada así como establecer el rango de muestreo.
Se procede a la inicialización de la adquisición de datos y la lectura con los
parámetros establecidos.
Con todos los puntos anteriores se logra tomar las señales de entrada de voltaje y
corriente provenientes de la tarjeta de adquisición de datos NI MyDAQ para su uso
posterior dentro del entorno del instrumento virtual, lo cual podemos apreciar en la
Fig. 4.12 correspondiente a la etapa de adquisición de señales del instrumento
virtual.
Página 47
Fig. 4.12. Etapa de adquisicion de señales. 1) Crea un canal virtual de voltaje a partir del canal analogico. 2)
Crea un canal virtual de corriente a partir del canal analogico. 3) Establece el tipo y rango de muestreo de las
señales provenientes de los canales virtuales. 4) Inicializa la adquisicion de datos. 5) Comienza la lectura de
las formas de onda de los canales virtuales creados.
Página 48
4.5 Analisis y visualizacion de datos.
En esta etapa del instrumento virtual se procesaran las señales de entrada tanto
de voltaje como de corriente, las cuales son separadas gracias a un divisor de
grupos. Todos los procesos de esta etapa estan dentro de una secuencia de
repeticion para repetir los procesos de manera continua y lograr un muestreo en
tiempo real de las señales fisicas.
Una vez teniendo separadas la señal de voltaje y la señal de corriente se envian
para su procesamiento con las funciones especificas de los bloques de analisis de
señales y los bloques especificos para analisis de calidad de la energia que fueron
descritos anteriormente. Logrando obtener valores de frecuencia, RMS, espectro
de armonicos, THD, potencia y energia.
Los valores obtenidos de cada VI se visualizaron por medio de graficas para las
ondas de voltaje y corriente, graficas con escala logaritmica para los armonicos de
voltaje y corriente; asi como indicadores numericos para los valores de frecuencia,
amplitudes RMS, valores de potencia, energia y % de THD.
Teniendo en cuenta la etapa de de acondicionamiento de señales se tuvo la
necesidad de realizar operaciones numericas con operadores de multiplicacion
para igualar las relaciones de transformacion tanto del transformador de voltaje
como del transformador de corriente. De esta manera se logra visualizar valores
reales sin sobrepasar la amplitud maxima de las entradas analogicas en la tarjeta
de adquisicion de datos.
La etapa de procesamiento y visualizacion de las ondas de voltaje y corriente
pueden apreciarse en la Fig. 4.13 (a y b).
Página 51
4.6 Etapa de limpiado y visualización de errores.
En esta etapa del instrumento virtual se limpiara la tarea que estaba ejecutándose
si se presenta un error y se añade un bloque para visualizar en pantalla un
mensaje del error ocurrido si es que se presenta alguno en el funcionamiento del
proceso de adquisición de señales, procesamiento o visualización. A lo largo de
adquisición de datos y la etapa de análisis y visualización de datos se maneja una
continuidad en la línea de errores, esto, con el fin de interrumpir la secuencia del
programa si se detecta un error a lo largo de cualquier etapa, la cual es mostrada
gracias a esta etapa final del instrumento virtual. Podemos visualizar esta etapa
en la Fig. 4.14.
Fig. 4.14. Etapa de limpiado y visualización de errores. 7) Limpia la tarea ejecutada hasta el momento si se
presenta un error en el desarrollo de los bloques anteriores a este nodo. 8) Muestra un mensaje en pantalla
del error que se presente a través de un cuadro de texto.
Página 52
CAPITULO 5
PRUEBAS Y ANALISIS DE RESULTADOS
En este capítulo se expondrán las mediciones realizadas con el analizador de
redes eléctricas monofásicas diseñado, conectado en la red de una mesa de
pruebas del laboratorio de electrónica ubicado en el Taller Multidisciplinario
Básico (TAMULBA) de la Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería (FCQeI);
instalación en la cual se probó la capacidad del analizador de redes elaborado y
se realizó una comparación de dichos resultados con el módulo de adquisición de
datos EMS Data Acquisition and Management (LVDAM-EMS) modelo 9062 de
LabVolt el cual tiene capacidades similares a las del dispositivo desarrollado, solo
que cuenta con más canales de entrada.
5.1 Descripción del montaje.
El analizador de redes eléctricas monofásicas se instaló y probo en la fuente de
alimentación de una mesa de pruebas la cual cuenta las siguientes características
importantes para las pruebas:
Fuente de alimentación de 127 VRMS.
Sistema de protección contra corto circuito.
El diagrama de la Fig. 5.1 muestra la conexión de los equipos de medición.
Fig. 5.1. Diagrama esquemático de la conexión física del módulo LVDAM-EMS [22] y el Analizador de redes
eléctricas diseñado.
Página 53
Como podemos apreciar en el diagrama de conexión de la Fig. 5.1 se incluye una
carga, esto con el fin de medir el aumento en la corriente que presenta la red de la
mesa de trabajo, observar los cambios y comportamiento de la red eléctrica de
acuerdo a diferentes cargas.
Fig. 5.2. Conexiones físicas de los instrumentos.
En la Fig. 5.2 se muestran las conexiones físicas tanto del módulo LVDAM-EMS y
el Analizador de redes eléctricas elaborado, los cuales van colocados en la toma
de voltaje de la mesa de trabajo.
5.2 Pruebas del analizador de redes eléctricas monofásicas
Las pruebas que se hicieron con el dispositvo diseñado son las siguientes:
Grafica de voltaje.
Grafica de corriente.
Valor RMS de voltaje y corriente.
Frecuencia.
Valores de potencia y energía.
Grafica de armónicos de voltaje con % de THD.
Grafica de armónicos de corriente con % de THD.
A continuación se describen los resultados de las mediciones realizadas con el
dispositivo diseñado y su comparación con el módulo LVDAM-EMS, de acuerdo a
la carga conectada.
Página 54
5.2.1 Pruebas con Taladro Bosch
Se utilizó como carga un taladro Marca Bosch, Modelo 684 Fig.5.3. Con las
siguientes características:
127 V
50/60 Hz
5 A
600 W
Fig.5.3. Carga 1, Taladro Bosch Modelo 684.
La conexión física tanto del módulo LVDAM-EMS como del analizador de redes
eléctricas elaborado se realizó basándonos en el diagrama de la Fig. 5.1 a
continuación mostraremos los resultados de cada ventana del analizador
diseñado y los resultados obtenidos con el módulo LVDAM-EMS.
5.2.1.1 Resultados obtenidos con el analizador de redes eléctricas para la
carga 1.
Podemos observar las gráficas tanto de voltaje como de corriente en la Fig. 5.4
las cuales corresponden a la señal de entrada, es decir, son las gráficas de las
ondas existentes en la alimentación de la mesa de trabajo afectadas ya por el
funcionamiento de la carga 1.
Página 55
Fig. 5.4. Graficas de voltaje y corriente del sistema para la carga 1.
En la Fig. 5.5 se muestran los datos obtenidos por la interfaz diseñada de
diferentes magnitudes eléctricas que se usan frecuentemente en los analizadores
de redes eléctricas comerciales, estos son determinados por los bloques de
programación mencionados en el capítulo 4.
Fig.5.5. Parámetros básicos determinados por el analizador de redes eléctricas para la carga 1.
Página 56
Los datos obtenidos y mostrados en la Fig. 5.5 se muestran en la tabla 5.1.
Frecuencia 60.0435 Hz Voltaje RMS 132.213 V
Corriente RMS 1.64139 A Potencia activa 38.807 W
Potencia aparente 217.012 VA
Potencia reactiva 213.514 VAR
Factor de potencia 0.178824
Energía activa 1.1994 Wh Energía aparente 5.73775 VAh
Energía reactiva 5.6083 Tabla 5.1. Magnitudes eléctricas determinadas por el analizador de redes, para la carga 1.
Los datos primordiales para un análisis de calidad de la energía como ya se ha
citado en este texto son los armónicos, los cuales son determinados por el
programa desarrollado y mostrados en forma de grafica de barras, además de
mostrar el porcentaje de THD tanto de voltaje como de corriente, estos datos se
aprecian en la Fig. 5.6 para los armónicos y THD correspondientes al voltaje y en
la Fig. 5.7 para los datos correspondientes a la corriente.
Fig. 5.6. Armónicos de voltaje presentes con la carga 1 conectada.
El valor de THD mostrado en la Fig. 5.6 es de 5.75474% y se logra apreciar una
existencia importante de armónicos de segundo, tercer, quinto, sexto y noveno
orden, además de la frecuencia fundamental de 60 Hz.
Página 57
Fig. 5.7. Armónicos de corriente presentes con la carga 1 conectada.
El valor de THD de corriente mostrado en la Fig. 5.7 es de 67.7143%, además se
logra apreciar existencia de armónicos de segundo, tercer, cuarto, quinto,
séptimo y octavo orden, además de la frecuencia fundamental.
5.2.1.2 Resultados obtenidos con el módulo LVDAM-EMS para la carga 1.
El módulo de LabVolt LVDAM-EMS nos permite determinar magnitudes de
manera similar que un analizador de redes eléctricas, los resultados obtenidos en
tiempo real por este medio, a la par de las mediciones obtenidas con el dispositivo
desarrollado se muestran en la Fig. 5.8, Fig. 5.9 y Fig. 5.10, que se presentan a
continuación.
Página 58
Fig. 5.8. Graficas de voltaje y corriente con la carga 1 conectada.
La ventana de osciloscopio del módulo LabVolt permite obtener las ondas de
voltaje y corriente, además de que muestra los valores RMS de dichas
magnitudes eléctricas, los cuales son de 131.0 VRMS y 1.631 ARMS
respectivamente, con una frecuencia de voltaje de 59.95 Hz y una frecuencia de
corriente de 59.94 Hz.
Fig. 5.9. Analizador de armónicos de voltaje con la carga 1 conectada.
Página 59
Como se puede apreciar en la Fig. 5.9, el módulo de LabVolt nos genera una
gráfica de barras donde presenta los armónicos detectados en las señal de
entrada, además de presentar los datos porcentuales en forma numérica, con lo
cual observamos la presencia de la frecuencia fundamental además de armónicos
de segundo, tercer, quinto y séptimo orden. Además de mostrar el porcentaje de
distorsión total (THD) que es del 3.6%.
Fig.5.10. Analizador de armónicos de corriente con la carga 1 conectada.
El análisis de armónicos para la señal de corriente a través del módulo LVDAM-
EMS nos presenta armónicos de segundo, tercer, cuarto, quinto, séptimo y octavo
orden con una magnitud importante, pudiendo despreciar los demás por su bajo
porcentaje en la señal. Además de detectar una distorsión armónica total (THD)
de corriente del 64.2%.
5.2.1.3 Comparación entre los resultados obtenidos para la carga 1.
En este apartado haremos una comparación entre los resultados obtenidos por el
analizador de redes eléctricas monofásicas y el módulo de adquisición de datos
LVDAM-EMS de LabVolt para comprobar la fiabilidad de las mediciones hechas
por el dispositivo desarrollado.
Esta comparación se hará de forma general, agrupando los datos obtenidos de
ambos dispositivos y presentados en la tabla 5.2 sin considerar los valores de
potencia y energía del dispositivo desarrollado ya que el módulo de LabVolt no
cuenta con alguna herramienta para su determinación.
Página 60
Magnitud Analizador de redes eléctricas monofásicas
diseñado
Módulo de LabVolt LVDAM-EMS
Voltaje RMS (V) 132.213 131.0
Corriente RMS (A) 1.64139 1.631
Frecuencia (Hz) 60.0435 59.95 Armónicos importantes presentes en la señal de voltaje
2°, 3°, 5°,6° y 9° orden 2°, 3°, 5° y 7° orden
Armónicos importantes presentes en la señal de corriente
2°, 3°, 4°, 5°,7°y 8° orden 2°, 3°, 4°, 5° y 7° orden
%THD de voltaje 5.75474 3.6
%THD de corriente 67.7143 64.2 Tabla 5.2. Datos agrupados tanto del analizador de redes diseñado como del módulo LVDAM-EMS, para la
carga 1.
Como podemos apreciar los datos son muy similares únicamente hay una
incongruencia de 3% en el porcentaje de distorsión total (%THD) de corriente, sin
embargo, el aumento mostrado por el analizador se debe a que detecta
magnitudes de armónicos de segundo orden que el módulo de LabVolt no toma
en cuenta y esto en sumatoria con variaciones en los demás armónicos presentes
ocasiona dicho incremento. Para obtener una idea más clara de esto
obtendremos el % de diferencia entre cada una de estas variables eléctricas, lo
cual se muestra en la tabla 5.3.
Magnitud % de diferencia
Voltaje RMS (V) 0.9260 Corriente RMS (A) 0.6370
Frecuencia (Hz) 0.1560 %THD de voltaje 59.85
%THD de corriente 5.4740 Tabla 5.3. Porcentaje de diferencia entre mediciones obtenidas por el instrumento y el módulo LVDAM-EMS,
para la carga 1.
Del análisis de la diferencia entre resultados, mostrado en la Tabla 5.3, podemos
darnos cuenta que la mayor diferencia se encuentra en los porcentajes de
distorsión total, tanto de voltaje como de corriente, lo cual no significa que el
analizador de redes tenga un error mayor, esta diferencia se debe a que el
dispositivo desarrollado permite detectar armónicos de distintos órdenes que el
módulo de Labvolt no toma en cuenta en su cálculo de %THD o considera
despreciables.
La comparativa visual entre las gráficas de la señal de corriente muestra una
diferencia considerable entre la mostrada por analizador de redes eléctricas
diseñado y la visualizada en el programa del módulo de LabVolt, esta diferencia
Página 61
es debida a distorsión causada por el sensor de corriente usado en el analizador
de redes, sin embargo, gracias a los bloques de procesamiento de datos
específicos para parámetros eléctricos mencionados en el capítulo 4, esta
diferencia no causa deficiencia en los resultados arrojados por el analizador de
redes desarrollado.
5.2.2 Pruebas con sierra caladora Bosch GST 85PB
Se utilizó como carga una sierra caladora Marca Bosch Modelo GST 85PB
(mostrado en la Fig.5.11) con las siguientes características:
127 V
50/60 Hz
580 W
Fig.5.11. Carga 2, Sierra caladora Bosch Modelo GST 85PB.
La conexión física tanto del módulo LVDAM-EMS como del analizador de redes
eléctricas se realizó basándonos en el diagrama de la Fig. 5.1 a continuación
mostraremos los resultados de cada ventana del analizador y los resultados
obtenidos con el módulo LVDAM-EMS.
5.2.2.1 Resultados obtenidos con el analizador de redes eléctricas para la
carga 2.
Podemos observar las gráficas tanto de voltaje como de corriente en la Fig. 5.12
las cuales corresponden a la señal de entrada, es decir, son las gráficas de las
ondas existentes en la alimentación de la mesa de trabajo afectadas ya por el
funcionamiento de la carga 2.
Página 62
Fig. 5.12. Graficas de voltaje y corriente del sistema para la carga 2.
En la Fig. 5.13 se muestran los datos obtenidos por el programa desarrollado de
diferentes magnitudes eléctricas que se usan frecuentemente en los analizadores
de redes eléctricas comerciales.
Fig.5.13. Parámetros básicos determinados por el analizador de redes eléctricas para la carga 2.
Página 63
Los datos obtenidos y mostrados en la Fig. 5.13 se muestran en la tabla 5.4.
Frecuencia 60.0335 Hz Voltaje RMS 131.105 V
Corriente RMS 2.66035 A Potencia activa 126.535 W
Potencia aparente 348.787 VA
Potencia reactiva 325.025 VAR
Factor de potencia 0.362785
Energía activa 0.161788 Wh Energía aparente 0.445741 VAh
Energía reactiva 0.415342 Tabla 5.4. Magnitudes eléctricas determinadas por el analizador de redes, para la carga 2.
Los armónicos, así como el porcentaje de THD tanto de voltaje como de corriente,
se aprecian en la Fig. 5.14 para los datos correspondientes al voltaje y en la Fig.
5.15 para los datos correspondientes a la corriente.
Fig. 5.14. Armónicos de voltaje presentes con la carga 2 conectada.
El valor de THD mostrado en la Fig. 5.14 es de 5.7594% y se logra apreciar una
existencia importante de armónicos de segundo, tercer, quinto, sexto, séptimo y
noveno orden, además de la frecuencia fundamental de 60 Hz en la señal de
voltaje.
Página 64
Fig. 5.15. Armónicos de corriente presentes con la carga 2 conectada.
El valor de THD de corriente mostrado en la Fig. 5.15 es de 90.1603%, además
se logra apreciar existencia de armónicos de segundo, tercer, quinto, séptimo y
noveno orden, además de la frecuencia fundamental.
5.2.2.2 Resultados obtenidos con el módulo LVDAM-EMS para la carga 2.
El módulo de LabVolt LVDAM-EMS nos permite determinar magnitudes de
manera similar que el analizador de redes eléctricas, los resultados obtenidos en
tiempo real por este medio, a la par de las mediciones obtenidas con el dispositivo
desarrollado se muestran en la Fig. 5.16, Fig. 5.17 y Fig. 5.18, que se presentan a
continuación.
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Fig. 5.16. Graficas de voltaje y corriente con la carga 2 conectada.
La ventana de osciloscopio del módulo LabVolt permite obtener las ondas de
voltaje y corriente, además de que muestra los valores RMS de dichas
magnitudes eléctricas, los cuales son de 132.4 VRMS y 2.655 ARMS
respectivamente, con una frecuencia de voltaje de 59.97 Hz y una frecuencia de
corriente de 59.96 Hz.
Fig. 5.17. Analizador de armónicos de voltaje con la carga 2 conectada.
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Como se puede apreciar en la Fig. 5.17, observamos la presencia de la frecuencia
fundamental además de armónicos de tercer, quinto y noveno orden. Además de
mostrar el porcentaje de distorsión total (THD) que es del 3.2%.
Fig.5.18. Analizador de armónicos de corriente con la carga 2 conectada.
El análisis de armónicos para la señal de corriente mostrado en la Fig. 5.18 a
través del módulo LVDAM-EMS nos presenta armónicos de tercer, quinto y
séptimo orden con una magnitud importante, pudiendo despreciar los armónicos
de segundo, cuarto, sexto, octavo y noveno orden por su bajo porcentaje en la
señal. Además de detectar una distorsión armónica total (THD) de corriente del
62.8%.
5.2.2.3 Comparación entre los resultados obtenidos para la carga 2.
En este apartado haremos una comparación entre los resultados obtenidos por el
analizador de redes eléctricas monofásicas y el módulo de adquisición de datos
LVDAM-EMS de LabVolt para comprobar la fiabilidad de las mediciones hechas
por el dispositivo desarrollado.
Esta comparación se hará de forma general, agrupando los datos obtenidos de
ambos dispositivos y presentados en la tabla 5.5 sin considerar los valores de
potencia y energía del dispositivo desarrollado ya que el módulo de LabVolt no
cuenta con alguna herramienta para su determinación.
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Magnitud Analizador de redes eléctricas monofásicas
diseñado
Módulo de LabVolt LVDAM-EMS
Voltaje RMS (V) 131.105 132.4
Corriente RMS (A) 2.66035 2.655 Frecuencia (Hz) 60.0335 59.965
Armónicos importantes presentes en la señal de voltaje
2°, 3°, 5°,6°,7° y 9° orden 2°,3°, 5°, 7° y 9° orden
Armónicos importantes presentes en la señal de corriente
2°, 3°, 5°,7° y 9° orden 3°, 5° y 7° orden
%THD de voltaje 5.7594 3.2
%THD de corriente 90.1603 62.8 Tabla 5.5. Datos agrupados tanto del analizador de redes diseñado como del módulo LVDAM-EMS, para la
carga 2.
Como podemos observar hay una diferencia significativa en los porcentajes de
distorsión armónica total, de mayor magnitud en el %THD de corriente, esto
debido al rango del dispositivo elaborado en comparación con el módulo de
LabVolt, esto se puede apreciar si se realiza una comparación visual de las
gráficas de armónicos de ambos dispositivos. Las variaciones de armónicos
detectados, así como su magnitud se deben a la sensibilidad de cada equipo y al
modo de obtención del %THD de los dispositivos.
Las gráficas de corriente presentan diferencias claras debido al sensor utilizado
para la obtención de la señal de corriente en el analizador de redes diseñado,
como se mencionó en la prueba anterior. Sin embargo, esto no presenta
problemas al analizar dicha señal de corriente.
5.2.3 Pruebas con estufa eléctrica ISB
Se utilizó como carga estufa eléctrica caladora Marca ISB (mostrado en la
Fig.5.19) con las siguientes características:
127 V
60 Hz
530 W
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Fig.5.19. Carga 3, estufa eléctrica caladora Marca ISB.
La conexión física tanto del módulo LVDAM-EMS como del analizador de redes
eléctricas se realizó de la misma manera que con las cargas anteriores, a
continuación mostraremos los resultados de cada ventana del analizador y los
resultados obtenidos con el módulo LVDAM-EMS.
5.2.3.1 Resultados obtenidos con el analizador de redes eléctricas para la
carga 3.
Podemos observar las gráficas tanto de voltaje como de corriente en la Fig. 5.20
las cuales corresponden a la señal de entrada, es decir, son las gráficas de las
ondas existentes en la alimentación de la mesa de trabajo afectadas ya por el
funcionamiento de la carga 3.
Fig. 5.20. Graficas de voltaje y corriente del sistema.
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En la Fig. 5.21 se muestran los datos obtenidos por el programa elaborado de
diferentes magnitudes eléctricas que se usan frecuentemente en los analizadores
de redes eléctricas comerciales.
Fig.5.21. Parámetros básicos determinados por el analizador de redes eléctricas para la carga 3.
Los datos obtenidos y mostrados en la Fig. 5.21 se muestran en la tabla 5.6.
Frecuencia 60.0186 Hz
Voltaje RMS 130.098 V Corriente RMS 4.50026 A
Potencia activa 123.831 W Potencia aparente 585.475 VA
Potencia reactiva 572.23 VAR
Factor de potencia 0.211506
Energía activa 0.137016 Wh
Energía aparente 0.649202 VAh Energía reactiva 0.634578
Tabla 5.6. Magnitudes eléctricas determinadas por el analizador de redes, para la carga 3.
Los armónicos, así como el porcentaje de THD tanto de voltaje como de corriente,
se aprecian en la Fig. 5.22 para los datos correspondientes al voltaje y en la Fig.
5.23 para los datos correspondientes a la corriente.
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Fig. 5.22. Armónicos de voltaje presentes con la carga 3 conectada.
El valor de THD mostrado en la Fig. 5.22 es de 5.44213% y se logra apreciar una
existencia importante de armónicos de segundo, tercer, cuarto, quinto y noveno
orden, además de la frecuencia fundamental de 60 Hz en la señal de voltaje.
Fig. 5.23. Armónicos de corriente presentes con la carga 3 conectada.
El valor de THD de corriente mostrado en la Fig. 5.23 es de 5.9633%, además se
logra apreciar existencia de armónicos de segundo, tercer, quinto, séptimo y
noveno orden, además de la frecuencia fundamental.
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5.2.3.2 Resultados obtenidos con el módulo LVDAM-EMS para la carga 3
Los resultados obtenidos en tiempo real por este medio, a la par de las
mediciones obtenidas con el dispositivo desarrollado se muestran en la Fig. 5.24,
Fig. 5.25 y Fig. 5.26, que se presentan a continuación.
Fig. 5.24. Graficas de voltaje y corriente con la carga 3 conectada.
La ventana de osciloscopio del módulo LabVolt permite obtener las ondas de
voltaje y corriente, además de que muestra los valores RMS de dichas
magnitudes eléctricas, los cuales son de 130.5 VRMS y 4.541 ARMS
respectivamente, con una frecuencia de voltaje de 59.99 Hz y una frecuencia de
corriente de 59.99 Hz.
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Fig. 5.25. Analizador de armónicos de voltaje con la carga 3 conectada.
Como se puede apreciar en la Fig. 5.25, observamos la presencia de la
frecuencia fundamental además de armónicos de tercer, quinto y séptimo orden.
Además de mostrar el porcentaje de distorsión total (THD) que es del 3.7%.
Fig.5.26. Analizador de armónicos de corriente con la carga 3 conectada.
El análisis de armónicos para la señal de corriente mostrado en la Fig. 5.26 a
través del módulo LVDAM-EMS nos presenta armónicos de tercer, quinto y
noveno orden con una magnitud importante, pudiendo despreciar los demás por
su bajo porcentaje en la señal. Además de detectar una distorsión armónica total
(THD) de corriente del 3.0%.
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5.2.3.3 Comparación entre los resultados obtenidos para la carga 3
En la tabla 5.7 se muestran los datos relevantes como en las pruebas anteriores
para la comparación de ambos instrumentos.
Como podemos apreciar los datos son muy similares únicamente hay diferencias
en los porcentajes de distorsión total, como ya se mencionó en las 2 pruebas
anteriores están diferencia se presentan por la sensibilidad del instrumento que es
mayor en comparación con la del módulo de LabVolt logrando detectar
magnitudes de armónicos e integrarlas en la determinación de THD.
Como se mencionó anteriormente la variación entre las gráficas de las ondas de
corriente se debe al elemento empleado para la obtención de señal, pero esto no
causa mayores problemas al procesar dicha señal.
Magnitud Analizador de redes eléctricas monofásicas
diseñado
Módulo de LabVolt LVDAM-EMS
Voltaje RMS (V) 130.098 130.5
Corriente RMS (A) 4.50026 4.541
Frecuencia (Hz) 60.0186 59.99 Armónicos importantes presentes en la señal de voltaje
2°, 3°, 4°, 5° y 9° orden 3°, 5° y 7° orden
Armónicos importantes presentes en la señal de corriente
2°, 3°, 5°, 7° y 9° orden 3°, 5° y 9° orden
%THD de voltaje 5.44213 3.7
%THD de corriente 5.9633 3.0 Tabla 5.7. Datos agrupados tanto del analizador de redes diseñado como del módulo LVDAM-EMS, para la
carga 3.
5.2.4 Comparación entre resultados del instrumento virtual diseñado y
análisis matemático.
Hasta el momento se han realizado comparaciones entre el instrumento
desarrollado y el módulo de LabVolt LVDAM-EMS, es decir, dos dispositivos de
análisis vía software. Sin embargo, para garantizar la fiabilidad de los resultados
obtenidos se mostrara una comparación entre un análisis matemático de la señal
de corriente empleando el software MatLab y los resultados arrojados de la
adquisición, análisis y visualización con el analizador de redes eléctricas
monofásicas.
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5.2.4.1 Resultados obtenidos con el analizador de redes eléctricas.
Al poner en marcha el analizador de redes diseñado, este nos permite visualizar
la onda de entrada de corriente que se puede apreciar en la Fig. 5.27
Fig. 5.27. Señal de corriente mostrada por el analizador de redes eléctricas monofásicas.
Fig. 5.28. Armónicos detectados por el analizador de redes eléctricas empleando bloques de análisis
mediante fft de la señal de entrada.
Como se puede apreciar en la Fig.5.28 el analizador de redes diseñado arroja
armónicos de importancia de primer orden que representa la frecuencia
fundamental de 60 Hz además de detectar perturbaciones armónicas de tercer
orden (180 Hz), quinto orden (300 Hz), séptimo orden (420 Hz) y octavo orden
(540 Hz).
5.2.4.2 Resultados obtenidos por el software matemático MatLab.
A través de la información obtenida por la tarjeta de adquisición de datos, el
software de análisis matemático nos permite graficar la señal de corriente, lo que
se observa en la Fig. 5.29, lo cual nos comprueba que el analizador de redes
eléctricas elaborado visualiza de forma adecuada la información obtenida de la
red eléctrica.
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Fig. 5.29. Señal de entrada visualizada con MatLab.
Al realizar un cálculo por la transformada rápida de Fourier (fft) se obtiene una
gráfica que destaca en forma de picos los armónicos presentes en la señal de
entrada, lo cual se puede apreciar en la Fig. 5.30, así mismo con un comando de
cambio de representación podemos obtener los armónicos en un gráfico de
barras, mostrado en la Fig. 5.31.
Fig. 5.30. Armónicos presentes en la señal de entrada encontrados mediante fft.
Fig. 5.31. Armónicos presentes en la señal de entrada presentados en grafico de barras.
Al analizar las gráficas de armónicos se puede apreciar la existencia de la
frecuencia fundamental de la señal de corriente de 60 Hz, así como componentes
muy cercanas al tercer, quinto, séptimo y octavo orden. La variación mostrada en
las gráficas se debe a una mayor exactitud del algoritmo usado por el software
matemático MatLab. Sin embargo, existe una compatibilidad entre resultados.
Comprobando con esto la fiabilidad de los resultados generados por el analizador
de redes eléctricas desarrollado.
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CAPITULO 6
CONCLUSIONES
En el proyecto aquí presentado se diseñó e implemento un dispositivo capaz de
realizar mediciones en tiempo real de las señales de voltaje y corriente, presentes
en un sistema eléctrico monofásico comercial y determinar con dichas señales las
variables más importantes para un análisis de calidad de la energía con la ayuda
de un instrumento virtual; cuya función es procesar la información análoga
recabada por la etapa de adquisición. El instrumento virtual diseñado está basado
en un lenguaje de programación dedicado al desarrollo de aplicaciones enfocadas
al control, monitoreo e instrumentación de procesos industriales llamado LabVIEW
que se mencionó en capítulos anteriores, se usó este lenguaje de programación
para comprobar las facilidades que presenta el mismo en el desarrollo de
aplicaciones de instrumentación comparado con lenguajes de programación
comunes.
Las ventajas más importantes de trabajar con sistemas de instrumentación virtual
son que al basar su funcionamiento en una PC, las aplicaciones y su eficiencia
aumentan de manera significativa al aprovechar todos los recursos que cada
computadora posee como son: velocidad de procesador, memoria RAM,
despliegue de información, etc., además de que gracias a esto queda abierta la
posibilidad de modificar y ampliar las funcionalidades del instrumento actual e
incorporar nuevas tecnologías. La principal desventaja de la instrumentación
virtual es la inversión que se requiere de inicio, por la necesidad de la adquisición
de las tarjetas DAQ necesarias y el software para su utilización, pero esta
inversión se compensa debido a la utilización del equipo que es casi ilimitada
debido a las múltiples herramientas de programación.
El diseño de la interfaz se realizó buscando una simplicidad para que su uso sea
amigable con el usuario, separando los resultados del procesamiento de las
señales de entrada en 4 ventanas de mediciones: Real-Time Waveforms (Formas
de onda en tiempo real), Basic Parameters (Parámetros básicos: voltaje RMS,
corriente RMS, valores de potencia y valores de energía), Voltage harmonics
(Armónicos de voltaje), Current Harmonics (Armónicos de corriente). Un cuadro
para configuración del muestreo (Sampling Configuration Panel) y por ultimo un
cuadro de información del rango de muestreo del (System Info). Además de incluir
un botón de paro, para detener el programa; se buscó emular las funciones
principales de los analizadores de redes comerciales para eficiencia del proyecto.
Con el uso del analizador de redes eléctricas monofásicas se pueden realizar las
mediciones necesarias para realizar una planificación en el consumo de la
energía eléctrica de cualquier red eléctrica monofásica, residencial, comercial o
industrial mediante el perfil de carga y consumo. Además de identificar problemas
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debidos a la presencia de armónicos, para así buscar una solución mediante
filtros destinados a este fenómeno de la red eléctrica.
La principal carencia que tiene el dispositivo desarrollado es la restricción de
canales, debido a la tarjeta de adquisición de señales empleada; al contar solo
con 2 canales analógicos nos obliga a trabajar solamente con redes monofásicas,
sin embargo, cambiando la tarjeta de adquisición de datos y modificando el
programa en LabVIEW se puede expandir el alcance del dispositivo desarrollado
para funcionar con sistemas trifásicos.
6.1 Áreas de oportunidad.
Existen diversas opciones para mejorar y ampliar las capacidades del dispositivo
aquí presentado, como son:
Realizar un cambio de la tarjeta de adquisición por una que cuente con los
canales analógicos necesarios para realizar mediciones en sistemas
trifásicos.
Incluir la función de historial modificando el programa de LabView para
registrar las variables en un documento para su visualización.
Incluir la opción de detección de variaciones como flickers, variaciones
rápidas de voltaje, interrupciones, etc.
Modificar la interfaz de usuario en la presentación grafica de las señales de
voltaje y corriente, como en la presentación de armónicos para incluir
funciones de zoom y cursores para manipular las gráficas.
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