DISEÑO DE UN INSTRUMENTO VIRTUAL PARA LA MEDICIÓN DE ENERGÍA USANDO LABVIEW

Transcripción

1 DISEÑO DE UN INSTRUMENTO VIRTUAL PARA LA MEDICIÓN DE ENERGÍA USANDO LABVIEW Anzurez Marin Juan, González Ruiz Victor Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo Facultad de Ingeniería Eléctrica, División de Estudios de Posgrado Ciudad Universitaria, Morelia, Mich., tel/fax (01 4) RESUMEN. El presente artículo muestra el diseño de un medidor de energía virtual, empleando LabVIEW, el cual indica, de manera digital, en una computadora personal (PC), el consumo de ésta a nivel residencial. El instrumento virtual, sensa las señales de voltaje y corriente del sistema, para ser llevadas a la PC a través de una tarjeta de adquisición de datos. Además, indica el voltaje y corriente rms; potencias activa, reactiva y aparente; demanda máxima; factor de potencia y genera un espectro de frecuencia de las señales. Actualmente, permite capturar eventos en sistemas monofásicos en intervalos de tiempo definidos por el usuario; por defecto el instrumento maneja 5 y 15 min de acuerdo a los estándares de Comisión Federal para sus medidores de estado sólido[4]. Desde el punto de vista didáctico permite a los estudiantes de ingeniería eléctrica enfocarse en el análisis del problema de la medición de variables eléctricas asociadas con la energía bajo condiciones ideales. 1. INTRODUCCIÓN La importancia de realizar la medición de energía eléctrica, estriba en el hecho de que esta no se puede almacenar, por lo que se hace necesario tener una medición exacta en los consumos de energía. La medición de energía eléctrica por medio de Watthorímetros es la forma más sencilla y confiable, debido a las características propias de los equipos de medición que se componen de pocos elementos eléctricos. La gran variedad de Watthorímetros nos permite medir todo tipo y forma de señales, se pueden realizar mediciones residenciales, industriales, en subestaciones eléctricas y en plantas generadoras de energía eléctrica. De acuerdo a las necesidades y cantidad de energía medida, será el tipo y modelo de medidor que se requiere, así, para servicio residencial se emplean los de tipo electromecánico, cuyo principio de funcionamiento es el motor de inducción; de igual forma para servicio industrial es muy conveniente realizar mediciones con medidores auto contenidos (requieren TC s y TP s) electromecánicos y digitales. Así, el diseño del Instrumento Virtual esta estructurado en cinco etapas principalmente, como se muestra en la figura 1; en ésta, se puede observar la detección de dos señales (voltaje y corriente) de un sistema eléctrico monofásico, seguido de una etapa de acondicionamiento de las mismas, a niveles de 0-5 volts, una conexión a una PC por medio de una Tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ PC-LPM-16PnP de National Instruments) y, finalmente una interface con el usuario la cual se ha desarrollado mediante el Software de National Instruments; LabVIEW. Por lo cual, el Instrumento Virtual diseñado cuenta con un panel frontal, en la pantalla de la PC, que nos indica el consumo de energía eléctrica del sistema, además de otras variables eléctricas, como son: voltaje y corriente rms; potencia activa, real y reactiva; factor de potencia; demanda máxima y cuenta con la posibilidad de generar un espectro de frecuencia de las señales. Esto permite que los estudiantes de Ingeniería Eléctrica puedan analizar sistemas de medición de parámetros eléctrico así como de sistemas eléctricos en general. 2. DISEÑO DEL MEDIDOR VIRTUAL DE ENERGÍA La medición de la energía eléctrica consumida es de suma importancia e interés por parte de los consumidores, siendo el Watthorímetro el instrumento empleado para dicha medición y, en particular el de tipo electromecánico el de mayor uso a nivel residencial, el cual puede ser del tipo monofásico o polifásico de acuerdo a la carga instalada; a nivel industrial se utilizan medidores de estado sólido o digitales, los cuales proporcionan una medición más precisa. Es importante mencionar que debido a la forma de procesamiento de la información en los diseños digitales, se pueden incluir características 233

2 Sensor de Corriente SISTEMA Sensor de Voltaje Señales Acondicionador de la señal Medidor Virtual de Energía LabVIEW Tarjeta de Adquisición de Datos Figura 1.- Etapas principales del Medidor Virtual de Energía adicionales a los Watthorímetros, lo que los hace más versátiles. Así, el presente artículo muestra las ventajas del procesamiento digital de la información apoyados de una computadora personal y lenguajes de programación gráficos. A continuación se describen cada una de las secciones mostradas en la figura 1, que se desarrollaron para el diseño del Instrumento Virtual para la Medición del Consumo de Energía bajo condiciones ideales Sensores de corriente y voltaje. Existen varios tipos de sensores Hall dentro de los que destacan los de tipo Switch y Lineal. Se diseñan sensores lineales para responder en una amplia gama de campos magnéticos negativos o positivos, por esta razón, los sensores de efecto Hall lineales son ideales para sensar corrientes, que van desde mili Amperes hasta miles de Amperes con una buena precisión. El flujo de corriente a través de un conductor generará un campo magnético en el espacio, de aproximadamente 6.9 gauss por Ampere; es por esto que el rango de medición de un sensor de efecto Hall lineal está limitado, por lo que se hace necesario configurar el circuito del sensor de tal forma que el rango de medida del campo magnético, debe estar dentro de los límites del sensor a utilizar[10]. Puede aumentarse la densidad de flujo magnético con el uso de un núcleo en forma de dona, con un corte transversal para ubicar dentro de éste al sensor Hall. Para medir corrientes bajas, el conductor debe dar varias vueltas en su recorrido a través de la dona para formar una bobina, como se muestra en la figura 2a. (a) (b) Figura 2: Sensor acoplado para la medición de corrientes (a) bajas y (b) altas. Para mediciones de corriente mayores de 25 amperes, se recomienda que el conductor de corriente pase a través de la dona (figura 2b). El campo magnético se concentrara en el núcleo para de esta manera sensar a través del elemento. Los campos magnéticos por debajo de 1 gauss son difíciles de medir debido al ruido interior asociado con el sensor de estado sólido y amplificadores. El ruido de salida en el ancho de banda del sensor es típicamente 400 µv rms [10]. El sensor Hall utilizado para este diseño es el UGN3501 de Allegro, cuya forma de transistor se muestra en la figura 3, el cual tiene como características principales: Voltaje de suministro de 8-12 Volts de cc. 234

3 Salida estática de 3.6 Volts. Sensibilidad a 5 Volts de 0.6 mv/g Figura 3. Vista frontal del sensor Hall UGN3501 En el diseño del Instrumento Virtual de Energía se planteó medir corrientes menores a 25 amperes por los que se esta empleando el sensor en la configuración mostrada en la figura 2a. De acuerdo a los sistemas físicos que se probaron donde las corrientes máximas alcanzadas fueron de 10 amperes el diseño no requiere de ningún acondicionamiento de la señal. Otra de las variables primordiales en el diseño es el voltaje, para la cual se emplea el método más sencillo y funcional de un transformador reductor 127/12V y, del cual se empleó el tap central a 6 Vac. La señal de voltaje requiere de un acondicionamiento mediante un circuito regulador sinusoidal el cual debe fijar el voltaje a niveles adecuados para la siguiente etapa de la adquisición de los datos, este circuito básicamente está formado por dos zeners de 5.4V, como se muestra en la figura 4. Figura 4.- Circuito regulador sinusoidal Adquisición de Datos. Otra de las fases importantes del diseño, es la comunicación Hardware-Software, la cual se lleva a cabo, en este caso, mediante una Tarjeta de Adquisición de Datos DAQ PC-LPM-16/PnP de National Instruments, que cuenta con 16 canales analógicos de entrada con un convertidor de analógico a digital de 12 bits [6]; de las cuales, en estos momentos se emplean dos canales, por tratarse de una medición monofásica Los rangos de voltaje de entrada analógica con los que cuenta la tarjeta son: 0 a10 Volts, ±5 Volts, 0 a 5 Volts, y ±2.5 Volts. En este caso, la adquisición de datos se utilizan las entradas analógicas en modo referenciado de ±5 Volts, esto quiere decir que se va a utilizar la misma referencia (tierra) para las dos señales de entrada; y los canales analógicos que se van a utilizar son el canal CH0, pin 3, para la señal de voltaje y el canal CH1, pin 5, para la señal de corriente, mientras que para la terminal de referencia se utiliza el pin 2 de la Tarjeta de Adquisición de Datos, el diagrama de conexiones se muestra en la figura 5 [6]. Voltaje Corriente Tierra Figura 5.- Canales en la DAQ PC LPM 16PnP 2.3. Descripción del Software. Los procesos de automatización para la adquisición y control de instrumentos es una tarea difícil. La inherente dificultad se debe a que los procesos pueden ser confusos. Además puede tener alto grado de complejidad si las herramientas de programación con las que se trabaja son difíciles de manejar. Una de las herramientas disponibles hoy en día es el lenguaje de Programación gráfica o lenguaje G que ofrece LabVIEW, el cual es útil en aplicaciones de control e instrumentación, ya que es un lenguaje de programación de alto nivel que cuenta con funciones para adquisición y procesamiento de datos. Así, LabVIEW facilita la tarea de adquisición, análisis y presentación de datos; por lo tanto, solo es necesario el enfoque en el problema original de adquisición o medición. La filosofía de programación del lenguaje G, toma como base la 235

4 Figura 6.- Panel frontal del Medidor Virtual de Energía estructura de un instrumento tradicional, el cual cuenta con un panel frontal (controles, botones e interruptores) para configurar el proceso de medición e indicadores para desplegar el valor medido; detrás del panel frontal tiene componentes electrónicos que desarrollan la función del instrumento, tales como la conversión de una cantidad física en una señal eléctrica para posteriormente convertirlo a un valor numérico. Un Instrumento Virtual (VI) es un programa diseñado, en LabVIEW en este caso, para que tenga las mismas características de un instrumento tradicional. En particular, un VI tiene un panel frontal desplegado en la pantalla de la computadora y este opera mediante el teclado o el mouse; el programa o código fuente, representa el ensamble de componentes electrónicos que desarrollan la función del VI; en LabVIEW es llamado Diagrama de Bloques. El cual se construye uniendo bloques (funciones) mediante líneas que llevan el flujo de datos [9]. El Software diseñado para el Medidor Virtual de energía tiene la siguiente estructura: 1. Se inicia diseñando el Panel Frontal o interfase gráfica con el usuario. 2. Para el cálculo de la energía se establece una base de tiempo. 3. Sincronización de las señales para iniciar la captura de datos (voltaje y corriente). 4. Cálculo de los valores rms, factor de potencia, demanda máxima y potencias. 5. Se revisa el tiempo base tomando un t, y se calcula la energía consumida por el sistema. 6. Se regresa al punto 2 o si se decide se sale del programa. La interfase gráfica o panel frontal diseñada para el medidor virtual se muestra en la figura 6. En la cual se observan dos carátulas, similares a un Watthorímetro de estado sólido comercial usado en CFE marca VECTRON, que muestran las variables medidas como son: La energía o Watthoras del sistema, así como el factor de potencia, potencias, voltaje, corriente, demanda máxima y gráficas de voltaje y corriente. Para establecer la base de tiempo LabVIEW cuenta con una función llamada Tick Count, la cual proporciona el valor instantáneo del timer de la PC en ms; otra de las operaciones claves es la sincronización de las señales para iniciar la captura de la información, dicha sincronización consiste en el diseño de un detector de cruce por cero de la señal de voltaje el cual se lleva a cabo mediante la rutina mostrada en la figura 7. En esta rutina se puede observar una función (icono) llamado AI Sample Channel, la cual se encarga de leer el canal cero de la DAQ y tomar una muestra de voltaje, si el valor esta entre 0 y 0.09, iniciamos con la captura de 1000 puntos tanto de voltaje 236

5 como de corriente, en caso contrario se debe tomar otra lectura de voltaje [9]. armónicos, en este momento se obtiene un espectro de frecuencia de las señales. Figura 7.- Detector de cruce por cero Para el cálculo de la energía se utilizaron las siguientes definiciones: Watts = Potencia _ real * Tiempo (2-1) Vars = Potencia _ Re activa * Tiempo (2-2) Lo que implica el cálculo previo de la potencia real y a su vez el cálculo del factor de potencia de acuerdo a las siguientes definiciones: S = V * I (2-3) P = V * I * Cosθ (2-4) Q = 2 2 S P (2-5) En la figura 8 se muestra el código en LabVIEW para el cálculo de las potencias, de acuerdo a las definiciones anteriores. La figura 9 muestra el correspondiente código que obtiene la energía consumida en el sistema, aquí se determina el valor del timer actual de la PC y se compara con el valor inicial para establecer el tiempo y multiplicarlo por la potencia. Figura 9.- Rutina para la obtención de la energía consumida por el sistema 3. PRUEBAS Y RESULTADOS. Para la validar el diseño se realizaron pruebas de Laboratorio usando módulos de carga LabVOLT, un multímetro Goldstar de 31/2 dígitos y las definiciones matemáticas 1-1 a la 1-5. Un ejemplo de señales capturadas para carga puramente resistiva se muestra en la figura 10, y los valores de las variables medidas son los mostrados en el panel frontal de la figura 6, que indica, en este momento: 4.09 amperes, volts, watts, va, watthoras, 0.41 varhoras, 1.0 de factor de potencia y de demanda máxima. Figura 10.- Voltaje y Corriente del sistema de prueba En la tabla 1 se muestran los resultados teóricos del sistema analizado. Tabla 1.- Valores teóricos del sistema Figura 8.- Cálculo de la potencia reactiva Para el cálculo del factor de potencia se emplea un algoritmo matemático [5] que consiste en la multiplicación de las dos señales (voltaje y corriente). Cabe mencionar que el programa tiene la capacidad de extenderse hacia un análisis de Comprobación Matemática Volt. Corr. Pot. f.p. En.Real En.React

6 En la tabla 2 se muestran los resultados obtenidos por el Medidor Virtual Diseñado, durante varias muestras. programación en LabVIEW es la estructura gráfica de bloques (funciones) unidos mediante líneas que establecen el flujo de datos. Tabla 2.- Valores obtenidos en el Medidor Virtual de Energía Valores obtenidos en el MVE Volt. Corr. Pot. f.p. En.Real En.React (a) En forma gráfica esa comparación se muestra en la figura 11, en las cuales se indican tanto para voltaje, corriente, potencia y energía, los valores teóricos y prácticos obtenidos con el Medidor Virtual diseñado, un resultado importante es la gran semejanza de ambos resultados, por lo que en la gráfica se confunden las dos líneas. Los resultados observados en la figura 11, fueron obtenidos para un sistema monofásico, 117 Vac rms, puramente resistivo (figura 11a); para el cual se incrementó la carga desde 0 amp hasta 5.01 amp y posteriormente se registro el proceso inverso (figura 11b), con el propósito de detectar precisión del Medidor Virtual, es decir, la capacidad de repetir los resultados; esto originó una potencia máxima de 586 watts (figura 11c) y un consumo de energía máxima de 9.78 Watthoras (figura 11d). 4. CONCLUSIÓN. En este artículo se ha presentado el diseño de un Medidor Virtual de Energía que permite medir la energía consumida en un sistema eléctrico monofásico bajo condiciones ideales, así como otras variables eléctricas importantes como demanda máxima, potencias y voltajes, lo cual desde el punto de vista didáctico sirve a los alumnos de ingeniería eléctrica a entender los conceptos de medición y análisis de sistemas eléctricos sencillos. Esta filosofía de diseño de instrumentos virtuales puede aplicarse además para el diseño de prototipos de medidores basados en microprocesadores. Una de las ventajas de la (b) (d) Figura 11.-Gráficas de (a) voltaje, (b) corriente, (c) potencia y (d) energía. Dentro de las características importantes que se pueden mencionar con las que cuenta el Medidor Virtual es: Medición rápida y constante de la energía y demás parámetros eléctricos mencionados, rango de corriente de 10mA a 25Amp, rango de voltaje monofásico 127V. Se puede modificar el periodo de medición a gusto del usuario; para el caso de los de estado sólido de CFE ya esta definido en periodos de 5 y 15 minutos [4], se efectúa la representación del espectro de frecuencia de las señales. De acuerdo a los resultados obtenidos y comparando con valores teóricos el error de máxima desviación que se obtuvo fue del 2.6%. (c) 238

7 5. REFERENCIAS [1] R. Boylestad, L. Nashelsky, Electrónica Teoría de Circuitos, Prentice-Hall Hispanoamericana, [2] Central Escuela Celaya, Medición I, Comisión Federal de Electricidad, [3] Central Escuela Celaya, Medición II, Comisión Federal de Electricidad, [4] Departamento divisional de Medición, Medidor Electrónico Vectron, Manual de Operación, Comisión Federal de Electricidad, [5] J. A. Marin, Analizador de Sistemas de Potencia usando Instrumentación Virtual, Tesis de Maestría, ITCH, [6] National Instruments, User Manual DAQ PC-LPM-16/PnP, [7] Medidor electrónico Alpha, Instructivo de Operación, Departamento Divisional de Medición, División Norte, CFE, [8] Medidor electrónico Vectron, Instructivo de Operación, Departamento Divisional de Medición, División Norte, CFE,1996. [9] National Instruments, User Manual LabVIEW 5.1, [10] B. Kemp, Hall Efect Instrumentation, Howard W. Sam & Co., Inc,

8 240