Sistema de adquisición de señales trifásicas con interfaz en LabVIEW (página 2)
Enviado por DANIEL PARDO
*17. INTERNET. Motor de búsqueda:google.com.co/http://www.unicrom.com/Tut_circuitoRLC.asp
Siendo K la constante de traducción -R1. – Salida no invertida
Por la masa virtual tenemos:
Siendo K = R1
Figura # 9. Diagramas para conversor de corriente a voltaje.*18
*18. BOYLESTAD, ROBERT L. Electrónica: Teoría de Circuitos
LAB VIEW
Qué es LabVIEW?
LabVIEW es un entorno de programación gráfica usado por miles de ingenieros e investigadores para desarrollar sistemas sofisticados de medida, pruebas y control usando íconos gráficos e intuitivos y cables que parecen un diagrama de flujo. Ofrece una integración incomparable con miles de dispositivos de hardware y brinda cientos de bibliotecas integradas para análisis avanzado y visualización de datos, todo para crear instrumentación virtual. La plataforma LabVIEW es escalable a través de múltiples objetivos y sistemas operativos, desde su introducción en 1986 se ha vuelto un líder en la industria.
LabVIEW: Programación gráfica de flujo de datos
LabVIEW es diferente de la mayoría de lenguajes de propósito general principalmente en dos vertientes. Primero, la programación G se desarrolla cableando iconos gráficos en un diagrama que compila directamente a código máquina de modo que los procesadores del ordenador pueden ejecutarlo. Aunque se representa gráficamente en lugar de texto, G contiene los mismos conceptos de programación que se pueden encontrar en la mayoría de los lenguajes tradicionales. Por ejemplo, G incluye todas las construcciones estándar tales como tipos de datos, bucles, eventos, variables, recursividad y programación orientada a objetos.
El segundo diferenciador principal es que el código G desarrollado en LabVIEW se ejecuta de acuerdo con las reglas del flujo de datos en lugar del acercamiento más tradicional (en otros términos, una serie secuencial de comandos para ser llevados a cabo) que se encuentran en la mayoría de los lenguajes de programación basados en texto como C y C++. Los lenguajes de flujo de datos como G (también VEE de Agilent, Microsoft Visual y Apple Quartz Composer) promueven los datos como concepto principal detrás de cualquier programa. La ejecución de un datagrama es dirigida por el dato o dependiente del mismo. El flujo de datos entre los nodos del programa, líneas no secuenciales de texto, determina el orden de ejecución. *19
¿QUE ES MPLAB?
MPLAB es una herramienta para escribir y desarrollar código en lenguaje ensamblador para los microcontroladores PIC. MPLAB incorpora todas las herramientas necesarias para la realización de cualquier proyecto, ya que además de un editor de textos cuenta con un simulador en el que se puede ejecutar el código paso a paso para ver así su evolución y el estado en el que se encuentran sus registros en cada momento.
El MPLAB es un software que junto con un emulador y un programador de los múltiples que existen en el mercado, forman un conjunto de herramientas de desarrollo muy completo para el trabajo y/o el diseño con los microcontroladores PIC desarrollados y fabricados por la empresa Arizona Microchip Technology (AMT).
El MPLAB incorpora todas las utilidades necesarias para la realización de cualquier proyecto y, para los que no dispongan de un emulador, el programa permite editar el archivo fuente en lenguaje ensamblador de nuestro proyecto, además de ensamblarlo y simularlo en pantalla, pudiendo ejecutarlo posteriormente en modo paso a paso y ver como evolucionarían de forma real tanto sus registros internos, la memoria RAM y/o EEPROM de usuario como la memoria de programa, según se fueran ejecutando las instrucciones. Además el entorno que se utiliza es el mismo que si se estuviera utilizando un emulador.*20
*19 http://www.ni.com/academic/
*20 http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html
ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL: El acondicionamiento de señales es un proceso con el cual se determinan diferentes factores y se implementan diferentes dispositivos para que una señal pueda ser tratada y analizada para que cumpla un proceso o función dentro de un sistema, donde dentro del desarrollo del proyecto se elaboro un acondicionamiento a la señal tomada de la red eléctrica para poder determinar diferentes parámetros importantes que nos brinda la señal de entrada.
CAPACITANCIA: La capacitancia es una característica importante donde se determina la magnitud de la carga de cualquier conductor y la magnitud de la diferencia de potencial entre ellos. La capacitancia es un factor que incide en el desfase del voltaje y corrientes dentro del proyecto y determina una potencia real, aparente, real y permite determinar una carga capacitiva para analizar diferentes comportamientos de la señal de la red eléctrica frente a las cargas del circuito.*21
CIRCUITO RLC: Un circuito RLC es aquel que tiene como componentes una resistencia, un condensador y un inductor conectados en serie. Este circuito se presentara como la principal carga que permitirá establecer el comportamiento de la red y el análisis de la misma frente a diferentes al comportamiento de diferentes cargas.
CORRIENTE: La corriente eléctrica es una corriente de electrones que atraviesa un material. También se puede interpretar como un parámetro de medición eléctrica en la que se refieren a la intensidad del flujo de electrones a través de un material conductor o no conductor en un circuito eléctrico. Dentro del desarrollo del proyecto es un parámetro importante a tomar en cuanta además de que es una de los principales objetivos a analizar y determinar su comportamiento, de donde también se derivaran otros parámetros para el monitorea de la señal o de la red eléctrica-*22
DETECTOR DE CRUCE POR CERO: El detector de cruce por cero se usa para detectar diferentes tipos de señal. Por ejemplo al considerar una señal que en su parte positiva indicará un uno lógico y en su parte negativa un cero lógico, es decir que determinara el nivel de operación de la señal analizada de la red eléctrica que nos permitirá establecer cuando la señal de voltaje, corriente o potencia tendrá un cruce por cero y de esta manera determinar el desfase de las diferentes señales y el factor de potencia que nos provee la red.*23
*21-*22. BOYLESTAD, ROBERT L. Electrónica: Teoría de Circuitos.
*23.Malvino Albert Principios de Electrónica McGraw Hill
FACTOR DE POTENCIA: El factor de potencia es un parámetro eléctrico que permita determinar el desfase entre voltaje y corriente de un circuito eléctrico RLC, o RL, o RC. Este es el cociente entre el voltaje total aplicado a un circuito y el voltaje en la parte resistiva del mismo. Este factor se puede determinar a partir de la diferencia de ángulos de las señales multiplicado por el coseno del la diferencia entre los ángulos.*24
INDUCTANCIA: La inductancia es un parámetro eléctrico que se define como la oposición de un elemento conductor es decir una bobina, a cambios en la corriente que circula a través de él. La inductancia será uno de los factores a implementar como carga para establecer el comportamiento de la señal de voltaje, corriente y potencia de la red eléctrica.
LABVIEW: LabVIEW es un software con un entorno de programación gráfica que permite desarrollar sistemas sofisticados de medida, pruebas y control usando una interfaz gráfica .También este software ofrece una integración para crear instrumentación virtual. Este software nos permite establecer y elaborar una interfaz grafica para visualizar y monitorear el comportamiento de las diferentes variables a medir y establecer un ambiente grafica y amigable a cualquier usuario o persona que desee obtener la información y análisis de la señales de la red eléctrica.
MAX232: El MAX232 es un circuito integrado que permite convertir los niveles de voltaje del puerto serie RS232 a niveles TTL y viceversa. También estos integrados que usan las líneas RS232 requieren dos voltajes, +12V y -12V.Este dispositivo fue usado para permitir la interfaz y transmisión de datos desde la red eléctrica al PC o mas puntualmente a LabVIEW para poder analizar y determinar el comportamiento de red eléctrica frente a una carga determinada.
MPLAB: Es un software o herramienta que permite escribir y desarrollar código en lenguaje ensamblador para los microcontroladores PIC. MPLAB contiene las herramientas necesarias para el desarrollo de cualquier proyecto, ya que cuenta con un simulador en el que se puede ejecutar el código. Este software o herramienta permite elaborar el código que realizara la conversión análoga digital de la señal y la transmisión de datos de a señal digitalizada y muestreada para que pueda establecer diferentes comportamientos de la señal a través de LabVIEW; además Mplab es el software desde donde se programa el microcontrolador para la adquisición y transmisión de datos y la conversión de los mismos.
*24 CHAPMAN, STEPHEN J. Máquinas Eléctricas.
OPTOACOPLADOR: Un optoacoplador es un dispositivo en el que se combina un semiconductor formado por un foto emisor, un foto receptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz. Este dispositivo permite controlar y desarrollar circuitos de potencia a partir de un control en bajas potencias es decir permite controlar circuitos AC desde DC. El optoacoplador permite dentro el acondicionamiento de la señal la separación de la etapa de potencia de la etapa de control, evitando así ´posibles corto circuitos en la interacción de la etapa de control.*25
PIC16F877A: El PIC16F877A es un microcontrolador que permite ejecutar diferentes tareas comunes y en un mismo tiempo para desarrollar un proyecto o sistema de control de variables en diferentes ambientes de trabajo.
Es decir, es un dispositivo que se caracteriza por determinar le control y evaluación de parámetros y variables medibles en diferentes ambientes de trabajo.
Estas características se conjugan para lograr un dispositivo altamente eficiente en el uso de la memoria de datos y programa y por lo tanto en la velocidad de ejecución. Este dispositivo es el encargado de establecer la conversión de datos, la transmisión y recepción de datos de la señal el muestreo, retención, cuantificación y digitalización de la señal para determinar y establecer el comportamiento y reconstrucción de la señal.*26
POTENCIA: La potencia eléctrica es el parámetro eléctrico con el se define la potencia entregada a un dispositivo para que este cumpla una funcionalidad. Esta se puede determinar a partir de que la:
Potencia = Intensidad de corriente x tensión aplicada.
Dentro de los principales parámetros a tener en cuenta y a analizar se encuentra la potencia para cada una de sus diferentes subconceptos y derivaciones según se le de la aplicación.*27
POTENCIA APARENTE: Es la suma de la energía que disipa dicho circuito en cierto tiempo en forma de calor o trabajo y la energía utilizada para la formación de los campos eléctricos y magnéticos de sus componentes.
Es decir la potencia aparente no es la realmente disipada en una instalación eléctrica y nos señala que la red de alimentación no sólo ha de satisfacer la energía consumida por los elementos resistivos, sino que también ha de contarse con bobinas, en forma de campos magnéticos, y condensadores, en forma de campos eléctricos. También se encuentra dentro de los parámetros importantes de análisis dentro del proyecto ya que se presenta al implementar una carga inductiva, capacitiva o resistiva o un circuito RLC como carga.
*25. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/Sharp/mXuzyxs.pdf
*26. INTERNET. Motor de búsqueda:google.com.co/http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30292c.pdf
*27. Chapman, Stephen J. Máquinas Eléctricas.
POTENCIA ACTIVA: La potencia total, real, consumida o absorbida por un circuito de AC, es entonces el producto del voltaje aplicado y de la componente en fase de la corriente
P real = E I cos T = E I X factor de potencia (watts)
La cantidad cos T por la cual debe ser multiplicado el producto E x I para obtener la potencia real se llama factor de potencia
La potencia activa se encuentra dada por el triangulo de potencia donde se deriva la potencia activa y reactiva, la potencia compleja y la potencia aparente. La potencia real se presenta dentro del proyecto como un parámetro de observación y análisis derivado de las potencias complejas, aparentes, reactivas y activas que se presentan en el circuito al aplicar como carga una inductancia , capacitancia o en su combinación un circuito RLC.*28
PROTOCOLO-RS232: El Protocolo Rs232 es una de las normas que rigen la comunicación y envió de datos en forma serial, que para nuestro caso se determina a partir del envió de datos desde el microcontrolador hasta el puerto serial de el PC que será el encargado de recibir los datos en forma serial para monitorearlos en LabView. Estos estándares constituyen un ejemplo de los protocolos del nivel físico, y se encuadrarían en el nivel más bajo del modelo de referencia OSI. Posiblemente el más conocido y popular es el "Recomended Standard 232". El que define: *29
El tipo de conector a emplear.
Las características eléctricas.
Los niveles de tensión.
Las longitudes máximas a distintas velocidades.
Los nombres de las señales que intervienen en el funcionamiento y la estructura del protocolo de comunicación.
RESISTENCIA: La resistencia eléctrica es la oposición que ofrece un material al paso de los electrones. Cuando el material tiene muchos electrones libres, como es el caso de los metales, permite el paso de los electrones con facilidad y se le llama conductor. Es una de las principales variables de interacción dentro del las diferentes etapas del proyecto, pero cumple una muy importante en la etapa de reducción de voltaje de la red eléctrica por medio de resistencias de potencia que nos permiten obtener valores menores a los de la red eléctrica para que puedan ser adecuados para el análisis y observación de la misma, además de permitir un control desde un nivel bajo de potencia.
*28 INTERNET. Motor de búsqueda:google.com.co/ http://www.i-micro.com/pdf/articulos/rs-232.pdf
*29 KOSOW, IRWIN. Máquinas Eléctricas y transformadores. Pretice Hall
VOLTAJE: Es un factor importante de evaluación y observación ya que a partir de esta variable podremos obtener mucho mas parámetros de estudios, además cabe resaltar que se encuentra como uno de las variables importantes puesto que a partir de su control y observación se determinan comportamientos de otras variables y el funcionamiento del proyecto concretamente.
El voltaje cuando es alterno se expresa de forma común por su valor efectivo o RMS (Root Mean Square– Raíz Media Cuadrática). Cuando se dice que en nuestras casas tenemos 120 o 220 voltios, éstos son valores RMS o eficaces. Un valor en RMS de un voltaje es el valor, que produce la misma disipación de calor que un voltaje continuo de la misma magnitud. El valor RMS es el valor del voltaje o corriente en AC que produce el mismo efecto de disipación de calor que su equivalente de voltaje o corriente.*30
*30. BOYLESTAD, ROBERT L. Electrónica: Teoría de Circuitos.
DESCRIPCION GENERAL
Red Eléctrica (240V): es la red eléctrica comercial trifásica entregada por la empresa de energía.
Carga: son los componentes que se van a conectar a la red eléctrica (R, L, C y RL).
Señal de potencia: son las variables que se van a analizar cuando sean recibidas al Pc.
VARIABLE | CARGA Y FORMA DE REPRESENTACION DE LA CARGA | |||
R | L | C | RL | |
VOLTAJE PICO MAXIMO (?R, ?S, ?T) | Representación gráfica y numérica | |||
VOLTAJE PICO MINIMO (?R, ?S, ?T) | Representación gráfica y numérica | |||
VOLTAJE PROMEDIO (?R, ?S, ?T) | Representación gráfica y numérica | |||
VOLTAJE RMS (?R, ?S, ?T) | Representación gráfica y numérica | |||
CORRIENTE PICO MAXIMO (?R, ?S, ?T) | Representación gráfica y numérica | |||
CORRIENTE PICO MINIMO (?R, ?S, ?T) | Representación gráfica y numérica | |||
CORRIENTE PROMEDIO (?R, ?S, ?T) | Representación gráfica y numérica | |||
CORRIENTE RMS (?R, ?S, ?T) | Representación gráfica y numérica | |||
FACTOR DE POTENCIA (?R, ?S, ?T) | Representación numérica | |||
Tabla # 2. Descripción de la representación de parámetros eléctricos.
Protecciones: se requiere aislar la sección de potencia y la de transducción de señales, para evitar daños posibles y sobre picos en la etapa de potencia.
Transducción de señales: es la transformación de un parámetro (corriente) en otra (voltaje).
Acondicionamiento de señales: Cuando se recibe una señal del transductor es necesario acondicionarla para que sea una magnitud "tratable", es decir, convertir la señal. Modificar el nivel de la señal, linealizar la respuesta y filtrarla.
Conversión A/D: proceso por el cual se obtiene una serie de muestras a partir de una señal continúa. Se realizan pasos intermedios como muestreo, retención, cuantificación y codificación.
PC: es el monitoreo de las señales, donde el usuario puede visualizar este comportamiento
DEFINICIÓN
El proceso de medición de todo tipo de señales demanda que tanto el instrumento de medición, como los conversores de voltaje y corriente, cumplan con ciertas características para asegurar que se obtengan muestras significativas de las señales bajo estudio, lo cual se relaciona con aspectos generales que deben tener todas las tarjetas de adquisición de datos.
Estos conversores se emplean con el fin de que la señal a medirse tenga las condiciones adecuadas para poder ser interpretada apropiadamente por el microcontrolador empleado; el objetivo es que dichas señales posean una adecuada amplitud para que puedan ser procesadas debidamente por el equipo de medición.
Sin embargo, no solo es importante la amplitud de dichas señales, ya que es esencial que la respuesta en frecuencia por parte de los conversores tenga un acople apropiado, para no producir distorsión, desfase o deformación en las señales bajo análisis; para esto se dispusieron de amplificadores operacionales los cuales se encargaran de disponer nuestras señales en los niveles adecuados, para esto se tienen:
Un conversor de voltaje AC a DC.
Un conversor de corriente a voltaje.
Además de los conversores anteriormente mencionados, se dispondrá un detector de cruce por cero, empleando un AmpOp"scomo comparador, que nos permitirá determinar los intervalos entre os cuales se encuentra la señal.
Los anteriores tres circuitos se dispondrán a un microcontrolador el cual se encargara de realizar la conversión Análoga digital de cada una de las señales y posteriormente enviar dicho dato de forma serial a un computador.
En el ordenador nos encargaremos de tomar el dato y posteriormente visualizarlo en el software LabVIEW, en donde se graficara las principales características de las señales que estamos captando por medio de la interfaz. El ordenador, en si ha de ser una de los computadores portátiles de uno de los miembros del equipo.
En primer lugar, disponemos de una tabla de potencia la cual se caracteriza por presentar todas las protecciones mínimas requeridas para proporcionar seguridad a las personas que manipulen la tabla de potencia y el sistema en general, principalmente, de esta forma garantizamos la integridad de los miembros del grupo de laboratorio, los componentes y dispositivos de la red eléctrica.
Siguiente a esto, se dispone la carga, la cual tendrá un comportamiento distinto respecto a las otras cargas que se dispongan.
Luego, disponemos de una etapa de reducción, la cual se encargara de establecer la señal de la red en los niveles de voltajes adecuados. Posteriormente, se disponen etapas encargadas de realizar la conversión de corriente a voltaje y voltaje AC a DC.
Siguiente a esto, se disponemos amplificadores operacionales LM741, en configuración como sumadores inversores y no inversores, que se encargaran de adicionar una etapa de offset a la señal que estamos midiendo, esto debido a que requerimos de aislar adecuadamente la etapa de potencia de la etapa de control y adquisición empleando optoacopladores PC817, ya que se puede presentar algún corto o sobre picos de voltaje y corriente en la etapa de potencia que pudiesen afectar la forma en que opera el microcontrolador,
La señal continua y variante en el tiempo, se dispone a la entrada del optoacoplador, la cual se verá reflejada a la salida del mismo; es indispensable que tanto la tierra como la fuente de alimentación del fototransistor sean distintas a las fuentes de alimentación de la etapa de acondicionamiento de la señal, asociado a la etapa de potencia.
Finalmente, la señal proveniente del fototransistor se dispondrá a uno de los canales del conversor análogo digital del microcontrolador empleado, para cuyo caso se emplea un microcontrolador pic16f877. En donde se tomara el equivalente de la conversión, almacenado en el registro de trabajo, para posteriormente enviarlo vía RS232 empleando un cable especial, caracterizado por que tiene dispuesto el conversor serial-USB, que nos permitirá establecer la interfaz con alguno de los portátiles de los miembros del equipo de trabajo.
Toda la etapa de acondicionamiento de la señal y adquisición y envió de datos, se dispondrá sobre una protoboard 108 sobre la tabla de potencia.
Para finalizar, cabe mencionar que respecto a la etapa de potencia, en lo que respecta al proceso de diseño, se tuvieron presentes la máxima potencia manejada, el valor de las corrientes y voltajes que pasaría por nuestra tabla y los tipos de conductores que debíamos emplear dependiendo de la cantidad de corriente que estábamos manipulando. De esta forma realizamos las medidas de protección necesarias que eviten cualquier daño en la etapa de control y adquisición.
En lo que respecta a la constitución física del proyecto, mencionaremos los principales aspectos relacionados al diseño y conformación de la tabla de potencia, garantizando que el sistema entregue 3/2 caballos de fuerza y este conformado por todas las medidas de seguridad requeridas; lo anterior, debido a que los principales parámetros de diseño, en lo que respecta a la estructura física, están relacionados con la tabla de potencia como tal.
A continuación mencionaremos algunas de las consideraciones empleadas en el diseño de la tabla:
Entre algunos de los requerimientos para diseñarla, primero definimos que la potencia entregada por el sistema ha de ser de 3/2 caballos de fuerza. Ya que por equivalencia en el sistema de unidades, un caballo de fuerza equivale a 0.746 KW, entonces 3/2 caballos de fuerza, equivaldrán a 1.119KW, este último valor será la máxima potencia que emplearemos en Kilo Vatios en nuestra protoboard de potencia.
La protoboard constara de una alimentación tetrafilar (tres fases y un neutro) mediante la cual se dividirá la carga por cada fase. De igual forma, se designo una longitud de 80 cms por 40 cms de anchura y un grosor de 1 cm, la madera es de tipo MDF, la cual es Empleada en la industria de construcción civil, de muebles y otros usos. Entre los productos derivados de madera se destacan los tableros de fibra de media densidad (Medium Density Fiberboard – MDF), un producto que ofrece buena condición de trabajo. MDF es fabricado en seco, hecho con fibras lignocelulósicas, combinadas con resina, compactados por prensado en caliente.
El alambre empleado en este protoboard es de calibre 10 AWG. Para esto se tomaron as siguientes consideraciones:
Como la prototoboard iba a ser empleada en las prácticas de laboratorio de la asignatura de potencia eléctrica, los elementos a considerar y que consumirían potencia fueron 6 bombillos de 200 W – 220 V y el motor de ¼ de caballo.
Con las anteriores consideraciones, para conocer el valor de la potencia del motor de 3/2 de caballo, sabemos que:
Un motor de un caballo de fuerza = 749 W
Potencia _motor = 1123.25 W
Potencia _bombillos = 6*200 W = 1200 W
Potencia _Total = 1123.25 W + 1200 W
Potencia _Total = 2323.5 W
Ahora podemos hallar aproximadamente la corriente que fluirá por el protoboard por medio de la ecuación P=V*I
Despejando la corriente de la anterior ecuación:
I = P/V
El voltaje es suministrado por nosotros, lo cual el valor de voltaje es de 220 V
I = (2323.5 W)/(220 V)
I = 10.6 A
Para tener un mejor rendimiento del sistema suponemos que vamos a trabajar con el motor de 2 caballos de fuerza lo cual la potencia total seria de:
Potencia _motor = 1498 W
Potencia _bombillos = 6*200 W = 1200 W
Potencia _Total = Potencia _motor + Potencia _bombillos
Potencia _total = 1498 W + 1200 W
Potencia _total = 2698 W
Ahora podemos hallar aproximadamente la corriente que fluirá por el protoboard por medio de la ecuación P=V*I
Despejando la corriente de la anterior ecuación:
I = P/V
El voltaje es suministrado por nosotros, lo cual el valor de voltaje es de 220 V
I = (2698 W)/(220 V)
I = 12.3 A
Por tanto la corriente máxima hasta el momento es de 12.3 A, si suponemos que añadimos elementos al protoboard que aumentaran la corriente en 1.7 A por máximo tenemos que la corriente será de 14 A. Por tanto elegimos el alambre calibre 10 puesto que soporta una intensidad de corriente de 15 A.
Definición
El mundo se encuentra en un continuo avance tecnológico, este avance se encuentra directamente asociado a los avances que se logren en la física y viceversa, por lo cual, es indispensable que los físicos dispongan de herramientas que les permitan estudiar las propiedades de todo tipo de fenómenos y así describirlo y comprenderlos con exactitud y veracidad.
Para suplir esta necesidad, surge una herramienta bastante útil y de implicaciones importantes en el desarrollo de tecnológico denominado conversor Análogo-digital (aunque el conversor D/A fue el primero en construirse), el cual nos permite analizar todo tipo señales. Estas ondas presentan una naturaleza analógica, como por ejemplo la música, las imágenes, etc. Para poder estudiarlas y comprenderlas, es indispensable procesarlas mediante sistemas digitales, los cuales a la vez emplean señales digitales.
El conversor Análogo-Digital, nos permite interactuar con el mundo análogo y de esta forma poder detallarlo, estudiarlo y comprenderlo, de esta forma podemos obtener avances importantes en la tecnología actual.
El PIC 16F877A, se caracteriza por que incorpora un conversor análogo digital, constituido por 8 canales, los cuales iremos a usar para poder obtener las señales provenientes de la etapa de acondicionamiento de las señales.
Como en la etapa de acondicionamiento se tienen dos señales (Voltaje y corriente), provenientes de cada carga y como dispondremos 3 cargas distintas, tendremos que emplear 6 canales del conversor A-D.
Por lo cual, es indispensable que a nivel programático se realice la conversión análoga digital de las seis señales y posteriormente se envíen por vía serial al computador. Lo anterior presenta un gran desafío a la hora de realizar el muestreo de las señales apropiadamente.
PROGRAMACIÓN DEL MICRO-CONTROLADOR:
En lo que respecta a la programación, realizamos una conversión ADC en donde realizábamos un muestreo a cada una de las señales que deseamos analizar. En primer lugar realizamos tres conversiones para 3 señales respectivamente, con 16 muestras para cada una de ellas, las cuales se disponen a los pines RA0, RA1 y RA5 del PIC16F877A,
En síntesis, empezamos realizando la conversión de la primera señal, asignamos un intervalo de tiempo para posteriormente empezar el proceso de conversión de la segunda señal, a continuación asignamos un intervalo de tiempo específico, y mantenemos la misma dinámica para la tercera señal y empezamos todo de nuevo hasta tener en total las 16 conversiones.
Entre cada uno de los pasos, guardamos cada uno de los resultados en registros definidos dentro del programa. Posteriormente se envían los valores de cada uno de estos registros, enviando la muestra 1 de la señal 1, la muestra 1 de la señal 2, la muestra 2 de la señal 1 y así sucesivamente con cada uno de los 63 registros. El PC obtendrá datos intercalados de la señal 1 y la señal 2, los cuales podemos separar fácilmente en LabVIEW mediante un Clúster.
A continuación definimos la estructura general del programa empleado, mencionando cada una de las partes que lo conforma.
Primero se define el PIC que utilizaremos así como su respectiva línea de configuración y la definición del CBLOCK para crear los 63 registros que necesitaremos (16 muestras para la señal 1 y 16 muestras para la señal 2 y 16 registro para la señal 3):
LIST P=16F877A
INCLUDE
__CONFIG _XT_OSC & _DEBUG_OFF & _WDT_OFF & _PWRTE_ON & _BODEN_OFF & _LVP_OFF & _CP_OFF & _CPD_OFF
CBLOCK 0X20
muestra11
muestra12
muestra13
muestra21
muestra22
muestra23
RETARDO
ENDC
ORG 00
; Posteriormente, Definiremos la configuración de cada uno de los pines del PIC que han de ser salidas y ;aquellos que serán entradas mediante los registros TRIS. Los pines a los cuales dispondremos las señales ;(RA0 y RA1), se establecerán con la instrucción BSF, en cuanto a las demás pines se define como salidas. A continuación se configura el registro ADCON1, en donde definimos los canales para la conversión y los voltajes de referencia.
INICIO
BCF STATUS,RP1
BSF STATUS,RP0
CLRF TRISB
CLRF TRISC
CLRF TRISD
BSF TRISA,0
BSF TRISA,1
BCF TRISA,5
BCF TRISE,0
BCF TRISE,1
BCF TRISE,2
MOVLW B'10001000'
MOVWF ADCON1
BCF STATUS,RP1
BCF STATUS,RP0
;Ahora, Inicializamos la comunicación RS232 empleando una librería especial, la cual se caracteriza por ;enviar cada una de las muestras a una velocidad de 9600 baudios, 2 bits de parada:
call RS232_Inicializa
;Después de haber iniciado la comunicación, configuramos el ADCON0, para indicar que canal es el que ;tendremos activo para la conversión (en este caso está para el canal RA0), iniciamos la ADC se realiza la ;conversión correspondiente y a continuación guardamos el resultado en el registro muestra11, apagamos el ;módulo de conversión y llamamos a un retardo de tiempo para evitar solapamientos en el envió de datos:
PROGRAMA
MOVLW B'00000000'
MOVWF ADCON0
BSF ADCON0,0 ;INDICAMOS QUE LA ADC ESTA ACTIVADA
BCF STATUS,RP1
BSF STATUS,RP0
BCF ADCON1,7
BCF STATUS,RP1
BCF STATUS,RP0
CALL RETARDO
MOVF ADRESH,W
MOVWF S1M1
BCF ADCON0,ADON
CALL Retardo_10micros
;Realizamos el mismo proceso para a señal 2, para esto se configura al ADCON0 de tal forma que adquiramos ;la señal por otro pin (RA1) , se realiza la conversión y el resultado se guarda en el registro muestra21, ;apagamos el módulo ADC y esperamos un retardo de tiempo del mismo valor que el anterior:
MOVLW B'00001000'
MOVWF ADCON0
BSF ADCON0,0 ;INDICAMOS QUE LA ADC ESTA ACTIVADA
BCF STATUS,RP1
BSF STATUS,RP0
BCF ADCON1,7
BCF STATUS,RP1
BCF STATUS,RP0
CALL RETARDO
MOVF ADRESH,W
MOVWF S2M1
BCF ADCON0,ADON
CALL Retardo_10micros
; Ahora seleccionamos otra vez el canal correspondiente a la señal 1, pero esta vez el resultado corresponde a ;la segunda muestra de la señal 1 es decir se guarda en S1M2, esperamos un tiempo igual a los anteriores. De ;aquí en adelante realizamos los mismos procedimientos, una conversión para la señal 1 y otra para la señal 2 ;sucesivamente hasta que obtengamos las 16 muestras de cada señal:
MOVLW B'00000000'
MOVWF ADCON0
BSF ADCON0,0 ;INDICAMOS QUE LA ADC ESTA ACTIVADA
BCF STATUS,RP1
BSF STATUS,RP0
BCF ADCON1,7
BCF STATUS,RP1
BCF STATUS,RP0
CALL RETARDO
MOVF ADRESH,W
MOVWF S1M2
BCF ADCON0,ADON
CALL Retardo_10micros
;——————————————————-
MOVLW B'00001000'
MOVWF ADCON0
BSF ADCON0,0 ;INDICAMOS QUE LA ADC ESTA ACTIVADA
BCF STATUS,RP1
BSF STATUS,RP0
BCF ADCON1,7
BCF STATUS,RP1
BCF STATUS,RP0
CALL RETARDO
MOVF ADRESH,W
MOVWF S2M2
BCF ADCON0,ADON
CALL Retardo_10micros
;————————————–
;.
;.
;.
;De forma consecutiva, continuamos tomando cada una de las muestras .
MOVLW B'00000000'
MOVWF ADCON0
BSF ADCON0,0 ;INDICAMOS QUE LA ADC ESTA ACTIVADA
BCF STATUS,RP1
BSF STATUS,RP0
BCF ADCON1,7
BCF STATUS,RP1
BCF STATUS,RP0
CALL RETARDO
MOVF ADRESH,W
MOVWF muestra116
BCF ADCON0,ADON
CALL Retardo_10micros
;—————————-
MOVLW B'00001000'
MOVWF ADCON0
BSF ADCON0,0 ;INDICAMOS QUE LA ADC ESTA ACTIVADA
BCF STATUS,RP1
BSF STATUS,RP0
BCF ADCON1,7
BCF STATUS,RP1
BCF STATUS,RP0
CALL RESTARDO
MOVF ADRESH,W
MOVWF muestra216
BCF ADCON0,ADON
CALL Retardo_10micros
;En esta parte del programa ya tenemos designados 63 registros con un valor, el siguiente paso ira a ser ;entonces enviar la información almacenada en cada registro al PC a través de comunicación RS232, en ;síntesis lo que hacemos es enviar una muestra de la señal 1 y luego una muestra de la señal 2, hasta ;completar las 63 muestras
;ENVIO DE DATOS !!!!!!!!!!!
MOVF muestra11,W
call RS232_EnviaDato
MOVF muestra21,W
call RS232_EnviaDato
MOVF muestra12,W
call RS232_EnviaDato
MOVF muestra22,W
call RS232_EnviaDato
MOVF muestra13,W
call RS232_EnviaDato
MOVF muestra23,W
call RS232_EnviaDato
;Al finalizar el envió de datos, regresamos al inicio del programa para empezar todo el proceso una vez mas,
GOTO PROGRAMA
; Posterior al programa se definen las subrutinas necesarias para poder realizar la conversión, estas se emplean ;con el motivo de cumplir con el tiempo de adquisición por parte del microcontrolador.
AD
MOVLW .200
MOVWF RETARDO
AD_ESPERA
DECFSZ RETARDO,F
GOTO AD_ESPERA
BSF ADCON0,2
NOP
NOP
VOLVER
BTFSC ADCON0,2
GOTO VOLVER
RETURN
; Al final se definen las librerías empleadas en el programa.
INCLUDE
INCLUDE
END
Para una mayor comprensión de la programación desarrollada a continuación se presenta un diagrama explicativo de la estructura general del programa:
Figura # 10.Diagrama general de programación.
ENTORNO GRAFICO DE PROGRAMACIÓN EN LABVIEW:
Empleando el VI de serial read, realizamos a interpretación de los datos enviados por el microcontrolador. En si primero definimos los valores entre los cuales trabajara el VI, es decir la velocidad de transmisión asociado, paridad, etc. A la salida, realizamos una conversión de string a byte array y posteriormente de array a cluster, con el cluster visualizaremos las tres señales en dos diferentes graficas. En síntesis, con el array organizamos los datos correspondientes a la primera y la segunda señal mediante un Cluster, posteriormente hacemos un equivalente de los bits recibidos con el voltaje aplicado al conversor, el cual va asociado, es decir 255 será igual a 150V y 0 será igual a -150V.
Figura # 11. Entorno grafico del programa en LabVIEW.
A continuación procedemos a describir cada uno de los aspectos mas importantes del programa generado en LABVIEW:
EL programa en si, emplea el bloque serial-read, el cual se encargara de tomar los datos enviados por el microcontrolador empleado, a continuación se presenta el bloque para tratar dicha trama de datos:
Figura # 12. Adquisición de la trama de datos en LabVIEW.
En síntesis, convertimos los datos de tal forma que podamos tratarlos adecuadamente, para nuestro caso establecimos las conversiones necesarias para tomar la trama de datos y dividirla en la trama de datos de la corriente y la trama de datos del voltaje mediante un cluster.
Ahora procedemos a detallar el tratamiento dado a la corriente para determinar sus principales componentes, en la siguiente figura podremos observar su estructura general:
Figura # 13. Entorno grafico del programa en LabVIEW.
El diagrama es un poco engorroso, pero la lógica empleada es bastante sencilla, simplemente hicimos uso de selectores y comparadores, para determinar os voltajes pico máximo y mínimo, lo anterior, conociendo los rangos de valores entre los cuales se encontraban la señal. Del valor pico máximo, determinamos tanto su voltaje promedio como el voltaje RMS, empleando formulas matemáticas sencillas para su determinación. Finalmente, la sección central se encarga de realizar la detección de cruce, en si no busca detectar el cero sino el pico máximo, este valor nos ayudara a determinar el comportamiento de la señal en cuanto a su fase.
A continuación se puede presentar el SubVI generado para simplificar el programa:
Figura # 14.Etapa de monitoreo de los parámetros establecido para corriente.
De la misma forma se dispone un bloque similar para la señal de voltaje, evaluando los mismos parámetros anteriormente mencionados.
Ahora, procedemos a describir el método empleado para determinar las frecuencia y el periodo de nuestra señal. Para esto se presenta la siguiente estructura:
En primer lugar, fue indispensable establecer la detección de cruce, para poder determinar tanto el periodo como la frecuencia de nuestra señal, entre cada cruce determinamos la diferencia de tiempo entre cada uno y de esa forma calculábamos el periodo y con ella la frecuencia.
Figura # 15.Detección de frecuencia y periodo en LabVIEW.
Para cumplir con esta labor, empleamos shiftregisters, los cuales nos permitían almacenar la información en un ciclo que realizara el while, el resultado del ciclo anterior se reataba del actual y con ello obteníamos la medida de tiempo. Pero, para que el tiempo medido fuese el real, empleamos el bloque "get time in seconds", el cual nos proporcionaba el valor aproximadamente igual al de la frecuencia y el periodo de la señal como tal.
Finalmente, presentamos el último bloque el cual nos permite determinar el factor de potencia de la señales medidas, a continuación se presenta el bloque realizado que permite calcular el valor de dicho factor:
Figura # 16. Determinación del factor de potencia.
Para lograr esto, era indispensable conocer con anterioridad el valor del ángulo entre el voltaje y a corriente; por lo cual, empleamos una formula, empleada en la determinación y creación de las figuras de lissajous, en donde determinamos el ángulo entre dos señales así: 
De esta manera lográbamos determinar el ángulo que formaba el voltaje respecto a la corriente, con base en dicho ángulo calculábamos el factor de potencia de la siguiente forma: 
En lo que respecta a los otros aspectos relevantes a la estructura general del programa hecho en labview, estos hacen parte de la estructura general del bloque serial read.
DIAGRAMA DE FLUJO Y DE PROCESO
En el diagrama de flujo, se puede establecer muy generalmente que empieza de la siguiente forma:
Figura # 17. Diagrama de flujo del sistema.
Este diagrama de flujo, sintetiza la forma en que se realizo la estructuración del programa, en donde mencionamos cada uno de los pasos a tener en cuenta en el diseño del mismo y los criterios empleados para poder muestrear adecuadamente la señal sin problemas y posteriormente enviar los datos de esta por el puerto serial.
Para el diagrama de proceso o bloques se tiene que:
Figura # 18. Diagrama de bloques del sistema.
En sí, lo primero que debemos tomar es la señal proveniente de la red eléctrica, la cual estará sometida a una carga definida por el grupo, en este caso dicha carga ha de ser R, L. C y RL, por lo cual deben considerarse las impedancias del circuito y los cálculos necesarios para poder observar el desfase generado por una respecto a las otras.
Posteriormente a esta etapa, se considerara la señal de potencia, la cual atravesara un sistema de protección, en cuyo caso es la tabla de potencia diseñada en la asignatura de Potencia Eléctrica, en donde se toman las precauciones necesarias para poder evitar posibles accidentes por cortos circuitos.
El siguiente bloque consiste en la reducción de la señal propiamente, de tal forma que pueda ser tratada apropiadamente, con niveles de voltaje y corriente mucho más pequeños, inmediatamente después se encuentra el bloque de acondicionamiento de las señales, en donde extraeremos tanto la señal de corriente como la de voltaje de la etapa de transducción de la señal y posteriormente se realizara una conversión de AC a DC, de tal forma que logremos tratarla adecuadamente por el microcontrolador.
Antes de continuar, existe una etapa adicional que se encuentra entre el bloque de adquisición de datos (que incorpora la conversión A-D y la adquisición de datos como tal), la cual se denomina etapa de aislamiento, en donde, empleando optoacopladores, aislaremos nuestra etapa de potencia de la etapa de control.
En el bloque de conversión Análoga-Digital y la etapa de adquisición de datos, realizamos el proceso descrito anteriormente, en el apartado de entorno programático, en donde muestreamos, cuantificamos, codificamos y digitalizamos cada una de las señales a tratar y posteriormente las disponemos en una trama de datos para posteriormente enviarlas por el puerto serial del microcontrolador PIC16F877.
Finalmente, la última etapa consiste en el monitoreo de cada uno de los parámetros establecidos para las señales, en donde determinamos las principales componentes y comportamiento, de las mismas.
CARACTERÍSTICAS
En lo que respecta a instrumentación, detallaremos brevemente las características de la etapa de acondicionamiento de la señal.
En primer lugar, debemos tener presente que el voltaje dispuesto a la entrada tiene un valor de 120V, aproximadamente.
Difícilmente un diseñador conecta un transductor directamente a la parte de procesamiento o de despliegue de un sistema, ya que la señal que nos envía nuestro transductor por lo general es muy débil o contiene ruido y componentes que no deseamos, por eso realizamos etapas de acondicionamiento de señales.
Para nuestro caso, nuestra señal tiene una amplitud muy grande tanto en corriente como voltaje; por lo cual, hemos de disponer un circuito reductor que se encargara de disminuir la amplitud de dicho valor de voltaje.
Para esto, disponemos de una red de resistencias encargadas de reducir dicho voltaje a niveles adecuados para ser captada por el microcontrolador, que para nuestro caso ha de ser de un valor de 1,5V, debido a que la diferencia de potencial que debemos aplicar a la entrada del optoacoplador, no debe ser inferior a dicho valor.
Como la entrada del optoacoplador es un diodo infrarrojo en sí, la señal de entrada ira a recortarse para cualquier valor negativo, por lo cual debemos garantizar que toda la señal pueda verse reflejada en el fototransistor integrado en el mismo dispositivo; para lograrlo, disponemos una amplificador operacional en configuración de sumador no inversor, de esta forma la señal no se verá recortada y el mínimo valor que obtendrá estará dado por la cantidad de voltaje en DC que se adicione a el nodo de la configuración.
De la misma forma, se dispone un conversor de corriente a voltaje, encargado de presentar el equivalente de la corriente que atraviesa la carga, en voltaje, esto debido a que se requiere para nuestro análisis el comportamiento de la corriente como tal, debido a las cargas dispuestas a la entrada.
Para finalizar, a la salida del conversor de corriente a voltaje, dispondremos un Amp. Op. Sumador inversor, debido a que el conversor desfasa la entrada en 120°, por lo cual, debemos invertir la salida del mismo y además adicionar una etapa de offset a la señal, garantizando que esta no se vea recortada por el led infrarrojo.
Posteriormente, es indispensable polarizar adecuadamente el fototransistor, de esta manera garantizaremos que la señal no se distorsione o recorte en alguno de sus semiciclos.
CARGAS
En lo que respecta a las cargas que se dispongan al sistema, debemos considerar la alta impedancia de entrada que poseen os amplificadores empleados en el circuito, pues estos podrían afectar el comportamiento general de la carga a tratar. Por lo cual, optamos por disponer cada una de las cargas inmediatamente después de la reducción de la señal, en donde, los niveles de voltaje a tratar son mas amigables para el grupo de trabajo, de esta manera, garantizamos que frente a cargas L y C, se produzca un desfase de la señal adecuado y asi poder determinar su factor de potencia.
A continuación se presentan los cálculos realizados para cada carga y las consideraciones de diseño en nuestro circuito.
Carga Capacitiva
Teniendo presente una frecuencia de 60Hz y asumimos un condensador de 5uF (el cual fue dispuesto como condensador monolítico, empleando dos condensadores de 10uF en serie), tendremos que la resistencia asociada ira a ser de un valor de:
Carga Inductiva
Teniendo presente que se necesita un inductancia muy grande para una alta impedancia, tenemos que considerar bobinas de un tamaño y calidad mucho mayor, por lo cual optamos por emplear el secundario de un transformador propio de la universidad; Empleando el LCR se tomo una medida de aproximadamente 1,34H, por lo cual tendremos que la resistencia asociada ira a ser de una valor:
Carga resistiva
En lo que respecta a la carga resistiva, se dispondrá de una resistencia sencilla; antes se consideraba emplear un bombillo, pero observábamos que a cantidad de corriente suministrada por la red de reducción era muy pequeña, por lo cual optamos por emplear una resistencia de menor watiaje.
En primer lugar debemos tener presente que requerimos de por lo menos un valor de 1,5Vp dispuestos al primer amplificador operacional, por lo cual se propone el siguiente circuito:
Figura # 19. Diagrama circuito RLC carga del sistema.
En donde lo que se busca es que el valor del voltaje en la resistencia R3 sea aproximadamente 1,5V.
Como debemos considerar el valor pico de la señal, multiplicamos los 120Vrms por las raíz de 2 obteniendo un voltaje de 170V y sobredimensionamos a 171V por precaución.
Por lo cual tendremos que disipar 118,5V en las resistencias R1 y R2. Para esto dividimos el voltaje proporcionablemente para las resistencias R1 y R2 obteniendo que el voltaje presente en cada una ha de ser de:
Asumimos para nuestro caso que la corriente que recorra el circuito sea de 20 mA, por lo cual, para poder implementar dicho circuito, tenemos que considerar un diseño mas practico aun, el cual nos permita disipar toda la potencia que entrega la red, para esto dividimos este voltaje de 84,75V en cuatro, de esta manera toda esa potencia podrá disiparse apropiadamente.
Teniendo la anterior consideración, tanto R1 como R2 también tendrán que dividirse en cuatro resistencias, por lo cual tendremos el siguiente circuito:
Figura # 20. Esquema de reductor resistivo de voltaje AC.
Por lo cual, cada resistencia (excepto R3), tiene un voltaje de 21,18V y una corriente de 20 mA, por ley de ohm obtenemos que nuestra resistencia será:
Y de la misma forma, el valor de la resistencia R3 será:
Finalmente calculamos la potencia en cada resistencia de la siguiente forma:
Por lo cual las resistencias que compraran serán de 1K? a ½ vatio y para compensar la aproximación hecha para las resistencias disipadoras, el valor de las resistencia R3 será de 100? a ½ vatio en la práctica.
Teniendo los anteriores datos y estableciendo nuestra señal en los niveles adecuados, dispondremos de dos circuitos encargados de acoplar la señal reducida a las condiciones adecuadas para poder ser captadas por los opto acopladores empleados para garantizar un aislamiento tanto óptico como galvánico entre la etapa de adquisición de datos y la etapa de acondicionamiento de las señales.
Para cumplir con dicha labor, dispondremos de los siguientes dos circuitos:
Conversor Corriente a voltaje.
Conversor voltaje AC a DC.
El conversor corriente a voltaje se emplea con el fin de que logremos medir adecuadamente la corriente que circula a través de la carga dispuesta a la entrada, pues requerimos tanto de su valor como su comportamiento, a continuación se presenta el diseño realizado:
En primer lugar, disponemos del siguiente esquema:
Figura # 21. Conversor de corriente a voltaje.
Para este circuito, voltaje a la salida estará dado por:
Ahora, por parámetros de diseño, asumimos que el valor de Vz sea equivalente a cero, a causa de que la señal presenta distorsión y algunos inconvenientes con la relación entre la señal de salida con respecto a la de entrada, de la misma forma establecimos que R2 fuese del mismo valor que R1, de esta manera, garantizaremos que el valor del voltaje de salida estará dado por la resistencia Rs, de esta forma, a la hora de obtener la señal en LABVIEW, simplemente tendremos presente el valor de esa resistencia, con las anteriores consideraciones, nuestro circuito quedara de la siguiente forma:
Figura # 22. Conversor de I / V del sistema.
Por lo cual, asumimos que tanto las resistencias R1 como R2, fuesen de un valor de 10K?, y Rs de 1K, de esta forma garantizamos que el voltaje de salida solo dependa del valor de la resistencia Rs.
Cabe mencionar que la resistencia de 100K en paralelo la resistencia Rs, tiene la labor de encargarse que la mayor cantidad de corriente transite a través de la resistencia de 1K? y de la misma forma, el valor de la misma se dispuso de tal forma que se lograse garantizar un alta impedancia de entrada para una mayor precisión por parte del conversor.
En lo que respecta al conversor de voltaje AC a DC, ese se encargara de que la señal no tenga ningún valor negativo en cualquiera de sus semiciclos. Para lograrlo, dispusimos de a misma forma Amplificadores Op"s en configuración sumador no inversor y sumador inversor, que a continuación mencionaremos detalladamente:
Amplificador sumador no inversor:
Figura # 23. Amplificador sumador no inversor.
De donde se tiene que la ecuación para el voltaje de salida es:
Para nuestro circuito, por parámetro de diseño definimos que el valor de R3 ha de ser de 10K y las resistencias R1, R2 y R3 es de 1K.
Por lo cual, con estas consideraciones la ecuación se reduce de la siguiente forma.
El valor de V1 será nuestra señal debidamente reducida y V2 será el valor de offset que iremos a añadirle a la señal para que no tome valores negativos. La señal a la salida será aproximadamente igual a la de entrada, esto con el fin de mantener la relación del conversor de corriente a voltaje.
A continuación podemos observar circuito dispuesto:
Figura # 24. Amplificador no inversor del sistema.
Al implementar este circuito, cuando la señal tenga una valor de -3V, el valor a la salida del mismo ha de ser de 0V, Cabe mencionar que en el diseño perfectamente hubiéramos establecido que tanto R3 como R4 no existiesen y se dejase en configuración como seguidor de tensión, el problema que presentamos es que la señal se ve afectada considerablemente y presenta algunas deformaciones en los picos de la misma, por lo cual preferimos obtar por la configuración como tal y establecer el valor de la resistencia R4 diez veces más grande que la resistencia R3.
AMPLIFICADOR SUMADOR INVERSOR.
Finalmente diseñamos un Amp. Op. En configuración como sumador inversor a la salida del conversor corriente voltaje, debido a que la salida del mismo presenta la señal desfasada 120°, de esta forma, conservamos la fase de la señal de entrada y además añadimos una etapa de offset a la señal de salida. A continuación se presenta el circuito propuesto:
Figura # 25. Amplificador inversor del sistema.
Para este circuito se tiene que el voltaje de salida estará dado por la siguiente ecuación:
Si definimos a R1=R3 y además la resistencia R2 del mismo valor que R1 y R3, entonces el voltaje de salida simplemente será la suma entre el voltaje de entrada con el voltaje de offset, por lo cual, para nuestro caso, para un valor de a señal de -3V el valor de la señal de salida a de ser 0V.
Para finalizar, el sumador inversor se dispondrá a la salida del conversor de corriente a voltaje y, cabe aclarar, que el offset garantizara que el voltaje dispuesto a los posteriores optoacopladores siempre sea positivo, pero para poder regularlo, dispondremos potenciómetros para controlar el nivel de offset aplicado a la señal, el cual ha de ser de aproximadamente -3V debido a que e diodo dentro del optoacoplador opera a 1,5V, por lo cual tomara dicho voltaje de la señal de entrada provocando que se recorte, para evitarlo, se compensa la caída aplicando un nivel de offset de -3V para sumador inversor y 3V para el sumador no inversor.
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL
En lo que respecta a las simulaciones realizadas, se tiene en primer lugar lo que respecta a las estructuras y líneas de programación hechas en el entorno de MPLAB, a continuación se puede observar la estructura en general del programa diseñado:
Figura # 26. Entorno de programación del sistema.
En la imagen se puede observar algunas imágenes tomadas en el entorno de MPLAB, en donde observaremos principalmente la forma como configuramos lo puertos y además las líneas empleadas para poder realizar la conversión Análoga-Digital de forma apropiada.
A continuación se presenta la simulación hecha en PROTEUS, en donde podremos observar un esquema general del circuito implementado para el acondicionamiento apropiado de la señal en conjunto con el microcontrolador y toda la etapa de transmisión de datos:
Figura # 27. Simulación del sistema en Proteus.
En la imagen, podemos detallar que cada las tierras tanto de la etapa de control como de la etapa de acondicionamiento, están debidamente asiladas, de esta forma evitamos posibles daños en el microcontrolador y en el computador que estemos empleando.
A continuación se presenta una imagen de la interfaz hecha en LabVIEW, en donde podemos detallar cada uno de los bloques que nos permiten leer o interpretar los datos enviados por el microcontrolador, de esta forma buscamos reconstruir la señal proveniente de a salida del optoacoplador.
Figura # 28. Entorno grafico del sistema en LabVIEW.
A continuación, podemos observar la interfaz de usuario en la cual observaremos el comportamiento de cada una de las señales dispuestas:
Figura # 29. Entorno de visualización del sistema en LabVIEW.
En lo que respecta a resultados y datos obtenidos, podemos afirmar que hemos logrado aislar adecuadamente la etapa de potencia de la etapa de adquisición de datos y, de la misma forma, se ha garantizado que la señal logre verse reflejada adecuadamente a la salida del optoacoplador.
A continuación podremos observar algunas de las simulaciones hechas en mutisim, en donde lo que buscábamos era disponer niveles adecuados de offset a la señal y de esa forma pudiese verse reflejada por el optoacoplador a su salida. a continuación se presenta el circuito diseñado y la señal obtenida a su salida:
Figura # 30. Conversor corriente voltaje y conversor AC- DC.
Además del conversor AC-DC, logramos observar e comportamiento de las cargas apropiadamente, empleando los conversores de Voltaje a corriente diseñados, con los cálculos estipulados anteriormente. A continuación se presenta una imagen de la simulación realizada de dicho comportamiento, además del circuito diseñado:
Figura # 31.Circuito para las cargas capacitiva e inductiva.
La primera imagen de osciloscopio, corresponde a la del desfase generado a la salida, con respecto a la señal de entrada, por el empleo de una carga capacitiva; de la misma manera, en el segundo osciloscopio podemos observar e desfase generado por una carga inductiva.
En lo que respecta al entorno programático, hemos logrado obtener apropiadamente la señal proveniente de la red a 60Hz, aun así, la señal no se ha logrado reconstruir casi en su totalidad y visualizado en LabVIEW adecuadamente, de una u otra manera, hemos logrado determinar las características mas importantes que presenta cada una de las señales. Desde el voltaje y corriente pico, RMS, promedio y el factor de potencia.
En sí, la mayoría de los resultados obtenidos se encontraron en la disposición de los circuitos para el acondicionamiento de la señal y en la adquisición de datos en LabVIEW.
En el proceso de implementación de la etapa de acondicionamiento de la señal, en la cual se empleaban amplificadores operacionales en distintas configuraciones, se presentaron inconvenientes a la hora de regular la cantidad de voltaje DC que se adicionaba a la señal para que no adquiriese valores negativos, debido a que muchas veces era un valor muy grande o muy pequeño, comparado con el voltaje pico a pico de la señal, para solucionar este inconveniente, empleamos un potenciómetro para regular la cantidad de voltaje DC aplicado.
En la toma de cada una de las señales, no se logro realizar la conversión análoga digital propiamente para 6 señales, sino solo para dos, pues el buffer se saturaba solo al empezar la tercera conversión; por lo cual optamos por emplear un selector externo al microcontrolador, que permitiese seleccionar las señales que se dispondrían al conversor.
En la reducción de la amplitud de la señal proveniente de la red trifásica, se realizo un cambio del valor de las resistencias en el diseño inicial, debido a que el tamaño de cada una de ellas, ocasionaba que la señal saliese con ruido, por lo cual, designamos dos resistencias que se encargasen de disipar potencia, en tanto las otras eran de una tamaño mucho menor, garantizando la calidad propia de la señal.
El muestreo empleado, presento una gran número de inconvenientes, debido a que a una frecuencia de 60Hz, requerimos una frecuencia de muestreo mucho más grande (al menos el doble), por lo cual el tiempo entre cada muestra debía ser muy pequeño para tomar apropiadamente cada muestra. Al tomar cada una de ellas observamos que la señal se distorsionaba mucho y no se reconstruía apropiadamente, por lo cual, optamos por alternar las conversiones que realizábamos, es decir, tomábamos la primer muestra de la primer señal y posteriormente tomábamos la primer muestra de la segunda, y repetíamos ese proceso continuamente. Al enviar los datos provenientes del PIC, en LabVIEW, observamos una especie de corrimiento de datos, debido al tiempo en el que se enviaban cada uno de ellos al ordenador, por lo cual se decidió combinar tanto los bloques de Serial Write como el de Serial Read en un mismo programa por medio de una estructura flac sequence.
En el proceso del diseño del programa, observamos que hubiéramos presentado menos inconvenientes a la hora del envió de datos, si hubiésemos establecido el programa en un lenguaje distinto, por ejemplo en C, ya que la velocidad de adquisición de los datos hubiese podido aumentarse y las líneas de programación se habrían reducido aun más.
Como el proyecto está asociado a monitorizar cada una de las señales, que varían dependiendo de la carga; en el diseño fue indispensable considerar un aislamiento adecuado de la etapa de acondicionamiento con la etapa de adquisición; principalmente por el hecho de que es indispensable proteger tanto el microcontrolador como nuestros computadores de posibles cortos o daños que se puedan presentar durante el proceso de monitoreo. Para poder aislar apropiadamente la etapa de adquisición de la de acondicionamiento, optamos por emplear opto acopladores PC817, ya que estos son sencillos, económicos y presentan un buen aislamiento.
Para determinar el factor de potencia de cada una de las señales a las cargas asociadas, se hicieron muchas propuestas, desde determinar el cruce por cero, y con base en dicho dato determinar el Angulo de desfase entre la corriente y el voltaje de cada una de as cargas, hasta determinar la cantidad de KWH suministrados a la red eléctrica y con base en dicho dato y la potencia activa, calcular la reactiva, a final de cuentas se empleo la detección de cruce por cero por software.
Consideramos que el empleo de un lenguaje superior es, indispensable para este tipo de proyectos, pues se requiere de una velocidad considerablemente alta de procesamiento, envió y adquisición de datos; es indispensable fortalecer todos los fundamentos relacionados al dominio de un lenguaje de programación distinto.
En el diseño y desarrollo del sistema de acondicionamiento, hubiésemos podido emplear un integrado encargado de realizar la conversión de corriente a voltaje, AD630, pues a relación es uno a uno y la señal de salida presenta mucho menos ruido.
Consideramos que debió haberse empleado una gama más alta de microcontroladores, debido a la cantidad de datos que se estaban procesando, la velocidad de transmisión y adquisición, entre otros aspectos.
Es recomendable emplear LM741, en el diseño de la etapa de acondicionamiento, pues con otro tipo de amplificadores, como el LF353, se presentaron muchos inconvenientes en lo que respecta a la implementación del sumador no inversor y el conversor corriente voltaje, empleando este integrado, en cambio el LM741 presenta una mejor respuesta a la frecuencia que se esta trabajando en este circuito.
El empleo del cable serial para enviar los datos, presenta inconvenientes, pues prácticamente todos los dispositivos actuales poseen puertos USB; por lo tanto, consideramos que hubiese sido conveniente haber empleado la interfaz USB directamente, sin necesidad de hacer uso del conversor serial-USB.
Para mayor información, síganos en nuestro canal en youtube dando clic en el siguiente enlace: http://www.youtube.com/watch?v=Wf54M0gcL3M
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Autor:
Daniel Andrés Pardo Vargas
Jevis Yamid Caro Pedreros
Juan Carlos Delgado Sáenz
Milton Eulisis Medina Rincón
Universidad Santo Tomas
Facultad de Ingeniería Electrónica
Tunja
2011
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