Open hardware design for power quality and energy monitoring.

Transcripción

1 Open hardware design for power quality and energy monitoring. Portada Javier Rodríguez, Francisco G. Montoya, José A. Gázquez, Pedro Sánchez y Consolación Gil.

2 Motivación. Importancia de la calidad en el suministro eléctrico. Una mala calidad de suministro puede dar lugar a: -Daños en los equipos. -Mal funcionamiento de los receptores. -Averías. -Reducción de la vida útil de los equipos. Parámetros medibles de calidad en el suministro eléctrico. -Amplitud. -Frecuencia. -Forma de onda. -Simetría. -Composición espectral. Formas de onda con ruido (arriba) y distorsión (abajo) 2

3 Motivación (II). Control del gasto energético. Dentro del contexto social actual: -Crecimiento del numero de receptores. -Más dependencia energética. -Aumento del consumo eléctrico. -Aumento del coste energético en términos económicos. -Consecuencias medioambientales derivadas del aumento de la demanda energética. Parámetros medibles de consumo eléctrico. -Consumo instantáneo. -Gráficas de consumo diario. -Perfil de consumo. -Datos estadísticos derivados. -Objetivo principal: Auditar y controlar el gasto. 3

4 Objetivos. El objetivo principal es diseñar un sistema capaz de: -Acoplarse a un sistema empotrado comercial (estructura tipo shield o escudo). -Muestrear señal de tensión en una línea monofásica de 230V 50Hz. -Muestrear señal de corriente circulante sobre dicha línea. -Que ambas señales sean muestreadas de forma simultanea. Cubriendo las siguientes especificaciones: -Cumplimiento de estándares internacionales: IEC , EN50160, IEE1159 -Bajo coste (<100 ). -Filosofía libre (hardware + software). -Arquitectura modular y funcionalidad ampliable. 4

5 El sistema empotrado: BeagleBone Black Sistema empotrado BeagleBone Black del fabricante Texas Instrument. Características principales: -CPU ARM Cortex A8 a 1GHz. -RAM DDR3 512mb. -4 GB de almacenamiento EMMC. -Ranura para usd (hasta 32GB). -USB s host y cliente. -Ethernet. -Dos bancos de 46 pines con entradas analógicas y E/S digitales. -Conversor analógico-digital 12bits. -Debian Linux. - 2 PRU 32bits RISC CPU a 200MHz. -Precio alrededor de 40. -Tamaño aproximadamente del de una tarjeta de crédito. 5

6 Parámetros de medición. Los parámetros de medición del sistema son: -Rango de medida: Para el canal de tensión (230Vrms = 325.2Vp) se establece un fondo de escala de 500Vp pudiendo de esta manera alcanzar algo mas del 150% del valor nominal en la línea. Para el canal de corriente se establece un fondo de escala de 50A de pico que corresponden a un valor de 35,46A rms. De esta forma se pueden medir líneas de 8kW de potencia. -Sensibilidad: Para el canal de tensión, sensibilidad de 242,2mV/bit. Para el canal de corriente, la sensibilidad es de 20,7mA/bit. -Ancho de banda y frecuencia de muestreo: El ancho de banda fijado para el sistema es de 10kHz 6

7 Estructura del medidor. Diagrama de bloques del sistema 7

8 Sensor de tensión. Divisor resistivo como sensor de tensión. Estructura del sensor de tensión. Vo = Vi R2 ( R1) + R2 Err = e 2 8

9 Sensor de corriente. Para el sensorizado del canal de corriente se decide utilizar una resistencia Shunt de muy bajo valor, de manera que al ser atravesada esta por una corriente eléctrica se generara en sus extremos una diferencia de potencial eléctrico proporcional a la corriente mediante la ley de Ohm. -Fondo de escala de corriente 50A -Fondo de escala de tensión 25mV R = V I = 0, = 500μΩ Potencia disipada a fondo de escala: P = VI = 0, = 1, 25W 9

10 Adecuación de la señal de corriente. Se utiliza el integrado INA126 del fabricante Texas Instrument, que tiene unas características que de sobra cubren los requerimientos a un precio muy comedido. Figura b Figura a Esquemático del AI INA126 (a) y tabla de ganancias(b) 10

11 Fuente de alimentación. Esquemático de la fuente de alimentación capacitiva. 11

12 Esquemático global. Esquemático global de la etapa de adaptación de señal. 12

13 Diseño PCB (II) Cara de pistas superior de la placa de circuito impreso. 13

14 Diseño PCB (III) Cara de pistas del plano inferior de la placa de circuito impreso. 14

15 Diseño PCB (IV) Distribución de componentes en la placa. 15

16 Construcción y montaje del prototipo. Vista del primer prototipo acoplado al sistema empotrado BeagleBone Black. 16

17 Batería de pruebas. Fuente de alimentación de potencia en corriente alterna Agilent 6812b Características principales de la fuente: -Potencia máxima 750VA -Capacidad de entrega de factor de potencia de 0 a 1 -Tensión RMS máxima 300V -Rango de frecuencias de 45Hz a 1kHz -Corriente RMS máxima 6,5A -Regulación de línea 0,1% -Corriente máxima de pico 40A -Regulación de carga 0,5% -Editor de formas de onda -Monitorizado de la corriente de salida 17

18 Resultados (I) Señal sinusoidal de 230Vrms y 50Hz introducida al sistema (abajo) y señal muestreada por el sistema (arriba) 18

19 Resultados (II) Señal sinusoidal con gran contenido de transitorios introducida al sistema (abajo) y señal muestreada por el sistema (arriba) 19

20 Resultados (III) Señal sinusoidal con gran contenido de armónicos introducida al sistema (abajo) y señal muestreada por el sistema (arriba) 20

21 Resultados (IV) Medición de 10 ciclos de la señal de corriente circulante por una carga activa de 200W alimentada por una tensión sinusoidal. 21

22 Trabajo futuro. Interfaz de monitorización de consumo eléctrico. 22