Sistema de adquisición de señales trifásicas con interfaz en LabVIEW

El mundo actual ha tenido un gran auge en el mundo electrónico, lo cual ha motivado al ser humano a automatizarlo, dando lugar a la creación de los microcontroladores que se han encargado a solucionar problemáticas especificas con el chequeo de diferentes variables físicas .Aunque con el pasar de los años, los datos obtenidos tenían la capacidad limitada solo se mostraba el equivalente de variables físicas en señales eléctricas. Pero se ha implementado la instrumentación virtual, lo cual realizaba las mismas acciones pero ahora se tiene la posibilidad de procesarlas y almacenarlas en las computadoras, finalmente donde pueden ser graficadas.

En el presente proyecto se hace una descripción de la teoría de monitoreo entre las señales de entrada y salida de sistema de adquisición de datos previamente diseñado y construido, explicando las características de operación y aplicaciones de su elemento principal, el microcontrolador. Luego se estudia el principio de funcionamiento y las características de los optoacopaldores y conversores de corriente a voltaje, de ac a DC, entre otros; así como sus aplicaciones.

Seguidamente se realiza la etapa de diseño aplicando toda la teoría y finalmente se implementa el sistema de correlación y visualización donde se resalta las dificultades técnicas, así como las recomendaciones y mejoras al proyecto.

Se realizó en el periodo de pruebas, un análisis de las señales de entrada de la red eléctrica trifásica y se comprobó el correcto funcionamiento del sistema de adquisición de datos mediante una comparación con la teoría. La principal variable del proyecto fue la caracterización y visualización del comportamiento de la potencia eléctrica de la red, variable encargada de determinar el comportamiento real, aparente y reactivo de la red eléctrica.

La adquisición de datos consiste en tomar muestras del mundo real (señales análogas) y convertirlos en un equivalente (señales digitales) que sean reconocidos por computadoras. Este proceso es conocido como conversión análoga-digital.

Este sistema de adquisición de datos es un módulo que tiene cuatro canales de entrada a las cuales se conectan cargas resistivas, inductivas, capacitivas y RL.

PROLOGO

Hoy día podemos observar como el tratamiento y procesamiento de señales digitales es una tarea que se vuelve más frecuente e importante como consecuencia del aumento del uso de microprocesadores digitales, por lo cual cada vez son más los procesos y actividades cotidianas del ser humano en las que se involucran los sistemas digitales. Sin embargo, el mundo no sólo es digital sino también analógico, por lo que la conversión de estas señales analógicas en digitales y su adecuado manejo se hacen indispensables, para todo profesionista de cualquier área de las ingenierías y afines. Aun así es posible simplificar los procesos de adquisición y análisis de señales empleando desde transductores hasta sensores, los cuales proporcionan una cantidad eléctrica, a cual representa la magnitud de la variable física medida.

Los sistemas de adquisición de datos son usados en un amplio rango de aplicaciones en los laboratorios, en el campo y en la industria. Típicamente, estos sistemas son instrumentos de propósito general diseñados para medir señales de voltaje.

El problema es que la mayoría de los sensores y transductores generan señales que deben acondicionarse antes de que el sistema pueda adquirir con precisión la señal. Este procesamiento se conoce como acondicionamiento de señal, incluye funciones como amplificación, filtrado, aislamiento eléctrico y multiplexeo.

Por lo tanto, las tarjetas de adquisición de datos surgen como herramienta para apoyar los procesos de captura de dichos datos análogos y posterior conversión de los mismos en señales digitales, con el fin de que dicha variable analógica pueda ser interpretada apropiadamente y con base en ello tomar alguna decisión sobre algún proceso.

Estos dispositivos son indispensables en cualquier ámbito tecnológico, desde la industria hasta en sistemas informáticos o de monitoreo, debido a el vertiginoso desarrollo de la electrónica y la microelectrónica que ha motivado que todas las esferas de la vida humana se estén automatizando.

Elaborado por: CRISTIAN FABIAN RAMOS BAUTISTA

Estudiante Ing. Electrónica IX Semestre

Universidad Santo Tomas – Tunja

RESUMEN

Este proyecto pretende dar explicación al comportamiento de diferentes tipos de carga tales como puramente resistiva, inductiva, capacitiva y RL; en donde se toma la red trifásica, se reduce hasta 5VAC, donde se conectan las cargas, mediante el microcontrolador implementado se encarga de recibir los datos análogo de las mismas y convirtiéndolos de forma digital, luego son enviados de forma serial al MAX232 quien se encarga de convertir los estados TTL a CMOS, los cuales son recibidos por la interfaz del software LabView que es el asignado de realizar un proceso de retención de datos y mediante algoritmos encontrar datos pico, promedio, RMS de voltajes y corrientes de forma gráfica y numérica además del factor de potencia.

La red trifásica manejo rangos de voltajes que no son compatibles con las cargas debido a la baja potencia que consumen, es necesario realizar un reductor mediante resistencias, luego esta señal es aislada mediante un optoacoplador como protección del circuito en especial por el PC conectado al sistema. Cuando los datos se reciben de las cargas en un conversor corriente-voltaje quien se encarga de realizar el equivalente de la corriente de la carga en un voltaje que es llevado hacia el microcontrolador.

Todo este sistema conforma una tarjeta de adquisición de datos, la cual es muy útil debido a la toma de datos de la red trifásica, dando ventaja que también se puede adquirir datos de la monofásica.

PALABRAS CLAVES: TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS, MICROCONTROLADOR, RED, ALGORITMO, CARGA.

ABSTRACT

This Project pretends to give information to behavior of different kind of loads such us resistive, inductive and capacitive purely ones and RL; where it takes the electrical network, it reduces to 5VCA, where it connects loads, through the microcontroller implemented it can receive all datas from themselves and convert them in a digital way, soon they are sent in a serial way to MAX232 who is responsible to convert TTL to CMOS states, which LabView software reeve them thought its interface which makes holding of datas and it through some algorithms finding peak, peomedoum and RMS datas about voltages and currents in graphic and numeric way moreover de power factor.

Three-phase network have voltages ranges which aren"t compatibles with load used due to a low potency they consume, it is necessary to make a reducer through resistances, soon this signal is insulated due to an optocoupler like a protection of the circuit specially by PC connected to system. When datas are received from loads in a current and voltage converter who is responsible to make the equivalent from the current load in a voltage which is carry out to the microcontroller.

System form an data acquisition card which it is really helpful due to taking datas from three-phase network, giving some advantage it can acquire from monophasic one.

KEY WORDS: DATA ACQUISITION CARD, MICROCONTROLLER, NETWORK, ALGORITHM, LOAD.

JUSTIFICACIÓN

En este proyecto se busca implementar un sistema que se caracterice por obtener señales provenientes de la red trifásica eléctrica que es perturbada por cargas resistivas, capacitivas e inductivas, las cuales están controladas mediante un microcontrolador quien se encarga de aplicar algoritmos de muestreo de señales de cargas en redes trifásicas.

La importancia de implementar este proyecto es mejorar el proceso de visualización de las señales obtenidas en las cargas, lo cual indica que se puede observar el comportamiento real de las cargas, lo cual contribuye a los usuarios a comprobar datos obtenidos teóricamente. Este sistema daría una mayor confianza y agilidad a los ejecutores tanto por la eficiencia y seguridad que se vería implementada en este.

El proyecto presenta impactos a corto plazo, debido a que el sistema es capaz de entregar las gráficas y cuantificación de los comportamientos de las cargas, lo cual es muy útil a los usuarios que harán uso del mismo. Además cuenta con un impacto a mediano plazo donde se plantean la implementación de nuevos lenguajes de programación, dispositivos para una mejor respuesta en frecuencia, microcontroladores de mayor gama y mecanismos que ofrezcan mayor precisión en la toma y conversión de datos.

El sistema se hace novedoso debido a que proporciona los parámetros mas importantes tales como Voltaje o Corriente pico, RMS, promedio, factor de potencia, donde los beneficios de implementar este sistema son los progresos que se conseguirán para el sector que lo implemente y a su vez es un punto de partida para lograr adecuados proyectos futuros.

MARCO HISTORICO

HISTORIA DE LA ELECTRICIDAD

Aparentemente la primera observación científica de los efectos eléctricos la realizó Tales de Mileto en el 600 antes de Cristo. Vio que las briznas de pasto seco se adherían a un trozo de ámbar cuando éste había sido frotado.

Miles de años después, exactamente en 1660, fue el médico y físico inglés William Gilbert quien estudió estos efectos, y tomando la palabra griega elektron (ámbar), llamó a esas sustancias eléctricas. Tratándose de un efecto al parecer estable, a menos que se lo perturbara terminó denominándose electricidad estática,o carente de movimiento.

Gilbert había escrito un libro sobre tema del magnetismo, fue en 1600 y se llamó "De Magnete". También Tales había estudiado el fenómeno, pero pasaría un tiempo antes de que los físicos se dieran cuenta que se trataba de un mismo fenómeno. Tanto la electricidad como el magnetismo pasarían a formar el electromagnetismo. Mientras tanto, se intentaba descubrir los secretos de este extraño fenómeno, y desentrañar el mecanismo oculto tras la electricidad.

En 1733 el francés Charles-François de Cisternay Du Fay, descubrió que dos bolas de corcho cargadas de la misma manera se repelían. Pero si cargaba cada una por medios diferentes, lograba que a veces se atrajeran; por ejemplo si cargaba una frotándola con una vara de resina y a la otra con una de vidrio. Este fenómeno de atracción y repulsión parecía indicar dos naturalezas distintas. François de Cisternay Du Fay creía que la electricidad era un fluido, y determinó que este existía en dos tipos: Resinoso o vítreo.

En el año 1747 Benjamin Franklin propuso que no había dos tipos de fluidos, sino uno, el cual podía presentarse en exceso o en defecto. En esto se acercaba más Du Fay a la verdad que Franklin. Pero rebautizó al fluido como "electricidad negativa" si faltaba para el equilibrio, y "electricidad positiva" al exceso. Estos nombres perduran hasta hoy, pero con una comprensión distinta del fenómeno que la de un fluido.

Llegamos a 1780.

Luigi Galvani, un anatomista italiano, observó por primera vez que una descarga eléctrica sobre las patas de una rana muerta producía contracciones de los músculos afectados. Este descubrimiento seguramente inspiró la legendaria criatura llevada a la vida por doctor Frankenstein a través del poder eléctrico de un rayo (probado por Franklin en 1751), novela escrita en esa época por Mary Wollstonecraft Shelley (1797-1851).

Probó exponer estos músculos a los efectos de una tormenta usando el descubrimiento de Franklin. Para conseguirlo, colgó patas de rana con ganchos en la reja de la casa. Pero las contracciones proseguían aún cuando la tormenta había pasado. Una inspección posterior lo llevó a ver que la estimulación se producía cuando el músculo tocaba simultáneamente dos metales distintos.

Galvani creyó que la electricidad así producida se generaba en el músculo, observación que resultó errónea, pero no sería él quien descubriera el error.

Veinte años más tarde, en 1800, Alessandro G. Volta supuso lo contrario, es decir que era el contacto entre metales distintos lo que generaba la electricidad. Esta idea fue el comienzo de una gran revolución en el tema. Dicha hipótesis pudo comprobarse inmediatamente y le permitió dos grandes avances:

Construir el primer dispositivo químico generador de electricidad, que denominó batería eléctrica, hoy llamada pila.Obtener por primera vez en la historia una corriente continua y suficientemente estable. Ya no se dependía de la estática.

Bueno, todo es mejorable, y la primera pila de Volta fue perfeccionándose. En 1836 fue mejorada por el británico John Daniell (1790-1845), quien logró mayor estabilidad y duración. Los siguientes adelantos en la materia son otra historia.

Antes de esto, en 1820, se había dado un gran salto en la comprensión acerca de la relación entre la electricidad y el magnetismo. En ese año el físico danés Hans Christian Oersted demostró que una corriente generaba un campo magnético. Siguiendo este descubrimiento, André-Marie Amparé demostró que un solenoide (cable enrollado en forma de resorte) aumentaba considerablemente el campo magnético generado, en proporción directa con la cantidad de vueltas que se le diera al cable.

Así, desde la pila de Volta, que permitió trabajar con una corriente, los descubrimientos se desencadenaron velozmente:

1821: (El año siguiente al descubrimiento de Oersted). Michael Faraday, otro hombre importante para la ciencia, aportó la idea fundamental de la física moderna, por primera vez para describir una fuerza electromagnética se hablaba de campo.

1823: William Sturgeon, aprovechando el efecto de los solenoides, inventó el electroimán. El primero de ellos pudo levantar un peso de 4 Kg.

1827: Georg Simon Ohm definió la resistencia eléctrica y propuso la ley que lleva su nombre: Ley de Ohm.

1831: Faraday desarrolla el transformador y el generador eléctrico. Joseph Henry crea el motor eléctrico y desarrolla un electroimán que levanta una tonelada de hierro.

1883: Nikola Tesla desarrolla un motor que podía funcionar con corriente alterna y ya no con continua. Tomas Alva Edison se oponía al uso de esa corriente, pero sus esfuerzos fueron vanos.*1

PROYECTOS SIMILARES QUE SE HAN REALIZADO POR DIFERENTES ESTUDIANTES DE INGENIERÍA

• IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE MONITOREO DE VARIABLES ELECTRICAS PARA CAMARAS DE TRANSFORMACION

Esta la tesis de dos estudiantes de la Escuela Técnica del Ejercito de Sangolquí, Ecuador en el año de 2006, donde crearon una tarjeta de adquisidor de datos para el monitoreo continuo de variables eléctricas en subestaciones, estos datos son interpretados en LabView y luego son enviados a una central por medio de comunicación Ethernet*2.

• DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN EQUIPO DIDACTICO PARA EL CONTROL Y VISUALIZACION DE CARACTERISITICAS DINAMICAS DE MOTORES ELECTRICOS PARA EL LABORATORIO DE ELECTRONICA DE POTENCIA

Este es un proyecto de estudiantes de la Escuela Superior Politécnica del Litoral de Guayaquil, Ecuador, donde se implementó el control de motores eléctricos trifásicos tipo jaula de ardilla, basado en equipos industriales de control de velocidad y arrancadores suaves, donde son enviados a LabVIEW y visualizando la corriente de entrada, salida, voltaje de salida, torque y velocidad*3.

*1. http://www.fisicanet.com.ar/fisica/electrodinamica/ap10_electricidad.php

*2. INTERNET. Motor de búsqueda:google.com.co/http://www3.espe.edu.ec:8700/bitstream/21000/285/6/T-ESPE-014301.pdf

*3. http://biblioteca.universia.net/html_bura/ficha/params/title/dise%C3%B1o-implementacion-equipo-didactico-control-visualizacion-caracteristicas-dinamicas-motores-electricos/id/52144661.html

PWM PARA UN MOTOR DE INDUCCION

Este es un proyecto que desarrolla un prototipo donde se controla la velocidad de un motor de inducción trifásico, donde es gobernado por un PIC 16F877 para ingresar la velocidad deseada y el software LabVIEW es el encargado de realizar la toma de datos enviados por el micro y activar al motor de inducción*4.

• AUTOMATIZACION EN EL PROCESO DEL LIQUIDO EN LA ELABORACION DE BEBIDAS GASEOSAS

Este proyecto fue desarrollado por estudiantes de la Escuela Superior Politécnica del Litoral de Guayaquil, Ecuador. Se utilizan PLC, además se hacen que los procesos industriales puedan ser operados y visualizados por medio de un PC(mediante LabView) con la ayuda de un sistema SCADA, la cual está basada en la programación orientada a objetos*5.

*4. http://erevistas.saber.ula.ve/index.php/cienciaeingenieria/article/viewFile/414/429.

*5. http://biblioteca.universia.net/html_bura/ficha/params/title/automatizacion-proceso-liquido-elaboracion-bebidas-gaseosas/id/52148192.html

MARCO TEÓRICO

PROTOCOLO RS232

El puerto serial de las computadoras es conocido como puerto RS-232, la ventaja de este puerto es que todas las computadoras traen al menos un puerto serial, este permite las comunicaciones entre otros dispositivos tales como otra computadora, el mouse, impresora y para nuestro caso con los microcontroladores.

Existen dos formas de intercambiar información binaria: la paralela y la serial.

La comunicación paralela transmite todos los bits de un dato de manera simultánea, por lo tanto la velocidad de transferencia es rápida, sin embargo tiene la desventaja de utilizar una gran cantidad de líneas, por lo tanto se vuelve mas costoso y tiene las desventaja de atenuarse a grandes distancias, por la capacitancia entre conductores así como sus parámetros distribuidos.

• Tipos de Comunicaciones Seriales:

La Existen dos tipos de comunicaciones seriales: la síncrona y asíncrona. En la comunicación serial sincronía además de una línea sobre la cual se transmitirán los datos se necesita de una línea la cual contendrá los pulsos de reloj que indicaran cuando un dat0os es valido.

Ejemplos de este tipo de comunicación son:

• I2C

• ONE WIRE

• SPI

En la comunicación serial asíncrona, no son necesarios los pulsos de reloj.

La duración de cada bit esta determinada por la velocidad con la cual se realiza la transferencia de datos.

La siguiente figura muestra la estructura de un carácter que se trasmite en forma serial asíncrono.

Normalmente cuando no se realiza ninguna transferencia de datos, la línea del transmisor se encuentra en esto de (idle) este quiere decir en estado alto.

Para iniciar la transmisión de datos, el transmisor coloca esta línea en bajo durante determinado tiempo, lo cual se le conoce como bit de arranque (start bit) y a continuación empieza a transmitir con un intervalo de tiempo los bits correspondientes al dato, empezando siempre por el BIT menos significativo (LSB), y terminando con el BIT mas significativo.

Si el receptor no esta sincronizado con el transmisor, este desconoce cuando se van a recibir los datos.

Por lo tanto el transmisor y el receptor deberán tener los mismos parámetros de velocidad, paridad, número de bits del dato transmitido y de BIT de parada. En los circuitos digitales, cuyas distancias son relativamente cortas, se pueden manejar transmisiones en niveles lógicos TTL (0-5V), pero cuando las distancias aumentan, estas señales tienden a distorsionarse debido al efecto capacitivo de los conductores y su resistencia eléctrica. El efecto se incrementa a medida que se incrementa la velocidad de la transmisión.

Una de las soluciones mas lógica es aumentar los márgenes de voltaje con que se transmiten los datos, de tal manera que las perturbaciones a causa de la línea se puede corregir*6.

LA NORMA RS-232

Ante la gran variedad de equipos, sistemas y protocolos que existen surgió la necesidad de un acuerdo que permitiera a los equipos de varios fabricantes comunicarse entre si. La EIA

(Electronics Industry Association) elaboro la norma RS-232, la cual define la interface mecánica, los pines, las señales y los protocolos que debe cumplir la comunicación serial

Todas las normas RS-232 cumplen con los siguientes niveles de voltaje:

– Un "1" lógico es un voltaje comprendido entre –5v y –15v en el transmisor y entre -3v y –25v en el receptor.

– Un "0" lógico es un voltaje comprendido entre +5v y +15 v en el trasmisor y entre +3v y +25 v en el receptor.

El envío de niveles lógicos (bits) a través de cables o líneas de transmisión necesita la conversión a voltajes apropiados. En los microcontroladores para representar un 0 lógico se trabaja con voltajes inferiores a 0.8v, y para un 1 lógico con voltajes mayores a 2.0V. En general cuando se trabaja con familias TTL y CMOS se asume que un "0" lógico es igual a cero Volts y un "1" lógico es igual a cinco Volts. La importancia de conocer esta norma, radica en los niveles de voltaje que maneja el puerto serial del ordenador, ya que son diferentes a los que utilizan los microcontroladores y los demás circuitos integrados. Por lo tanto se necesita de una interface que haga posible la conversión de niveles de voltaje a los estándares manejados por los CI TTL*7.

*6-*7.INTERNET. Motor de búsqueda:google.com.co/ http://www.i-micro.com/pdf/articulos/rs-232.pdf

EL CIRCUITO MAX-232

Este circuito soluciona los problemas de niveles de voltaje cuando se requiere enviar unas señales digitales sobre una línea RS-232.

Este chip se utiliza en aquellas aplicaciones donde no se dispone de fuentes dobles de +12 y –12 Volts. El MAX 232 necesita solamente una fuente de +5V para su operación, internamente tiene un elevador de voltaje que convierte el voltaje de +5V al de doble polaridad de +12V y –12V. Cabe mencionar que existe una gran variedad de CI que cumplen con la norma RS-232 como lo son:

MAX220, DS14C232, MAX233, LT1180A.

 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PIC16F877

El microcontrolador PIC16F877 de Microchip pertenece a una gran familia de microcontroladores de 8 bits (bus de datos) que tienen las siguientes características generales que los distinguen de otras familias:

- Arquitectura Harvard- Tecnología RISC- Tecnología CMOS

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.

Microchip ha dividido sus microcontroladores en tres grandes subfamilias de acuerdo al número de bits de su bus de instrucciones:

Tabla #1 .Nomenclatura y Familia del PIC16F877A

Variantes principales

Los microcontroladores que produce Microchip cubren un amplio rango de dispositivos cuyas características pueden variar como sigue:

- Empaquetado (desde 8 patitas hasta 68 patitas)- Tecnología de la memoria incluída (EPROM, ROM, Flash)- Voltajes de operación (desde 2.5 v. Hasta 6v)- Frecuencia de operación (Hasta 20 Mhz)

CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL PIC16F877

La siguiente es una lista de las características que comparte el PIC16F877 con los dispositivos más cercanos de su familia:

PIC16F873— PIC16F874— PIC16F876— PIC16F877

- CPU RISC- Sólo 35 instrucciones que aprender- Todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo de reloj, excepto los saltos que requieren dos

- Frecuencia de operación de 0 a 20 MHz (DC a 200 nseg de ciclo de instrucción)

- Hasta 8k x 14 bits de memoria Flash de programa- Hasta 368 bytes de memoria de datos (RAM)- Hasta 256 bytes de memoria de datos EEPROM- Hasta 4 fuentes de interrupción- Stack de hardware de 8 niveles- Reset de encendido (POR)-Timer de encendido (PWRT)- Timer de arranque del oscilador (OST)-Sistema de vigilancia Watchdog timer.- Protección programable de código- Modo SEP de bajo consumo de energía- Opciones de selección del oscilador- Programación y depuración serie "In-Circuit" (ICSP) a través de dos patitas

- Lectura/escritura de la CPU a la memoria flash de programa- Rango de voltaje de operación de 2.0 a 5.5 volts- Alta disipación de corriente de la fuente: 25mA

Figura # 1. Encapsulado y diagrama de pines del PIC16F877A

- Rangos de temperatura: Comercial, Industrial y Extendido

- Bajo consumo de potencia:

• Menos de 0.6mA a 3V, 4 Mh }

•  20 &µA a 3V, 32 Khz

•  Menos de 1&µA corriente de stand by.

Periféricos

- Timer0: Contador/Temporizado de 8 bits con pre-escalador de 8 bits

- Timer1: Contador/Temporizador de 16 bits con pre-escalador

- Timer0: Contador/Temporizador de 8 bits con pre-escalador y post-escalador de 8 bits y registro de periodo.

- Dos módulos de Captura, Comparación y PWM- Convertidor Analógico/Digital: de 10 bits, hasta 8 canales- Puerto Serie Síncrono (SSP)- Puerto Serie Universal (USART/SCI).- Puerto Paralelo Esclavo (PSP): de 8 bits con líneas de protocolo*8

*8. INTERNET. Motor de búsqueda:google.com.co/http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30292c.pdf

TARJETA DE ADQUICISION DE DATOS.

Con el objeto de realizar sistemas autónomos inteligentes, generalmente es necesario contar con sistemas que secén datos provenientes de la red eléctrica, en base a un programa creado para tal fin y actúen en consecuencia. Básicamente lo que proponemos en el presente material es el diseño de una tarjeta de adquisición de datos a la cual se le pueda hacer llegar la información de la red eléctrica para que el microcontrolador organice la toma de las señales y las digitalice, para que posteriormente envíe la información digitalizada a ser procesada en el computador; mas exactamente en Labview.

Para que una tarjeta pueda procesar datos analógicos para presentarlos a una computadora, necesariamente debe contar con un conversor analógico digital (ADC). Aunque en el presente material no vamos explicar con lujo de detalle la técnica con la que opera el ADC del microcontrolador, sí vamos a ver qué es lo que hace el ADC como para que, cuando lleguemos al planteamiento del proyecto, sepamos a qué nos estamos enfrentando.

Un ADC (Convertidor Analógico – Digital por sus siglas en inglés) se encarga de convertir un valor analógico de voltaje a su correspondiente combinación binaria. Para realizar esta operación se requiere un sensor, que es el encargado de leer el estado de una variable física de naturaleza analógica y de representar el valor de dicha variable en su apropiado valor de voltaje. 

Todos los ADC de los microcontroladores PIC aceptan, como máximo, un rango de operación que llega hasta 5 Volts, por lo que podemos establecer rangos de operación de cualquier valor de voltaje, siempre y cuando no rebasemos los 5 volt.

El teorema del muestreo se ocupa, principalmente, del caso en que la señal a digitalizar posea una frecuencia alta de operación. Por lo tanto, se tiene que tomar un buen número de muestras y digitalizarlas, como para que en un proceso posterior se tenga que reproducir la señal original.

Para la Tarjeta de Adquisición de Datos, básicamente lo que vamos a proponer en el presente material es el diseño de una tarjeta de adquisición de datos, a la cual se le pueda hacer llegar la información de la red, y que el microcontrolador que se utilice se encargue de organizar la toma de las señales de la red eléctrica y las digitalice, para que posteriormente envíe la información digitalizada a una PC.

Para el proyecto utilizamos microcontroladores PIC. Lo que es importante resaltar es el hecho de que, tanto el microcontrolador PIC16F876 como el PIC16F877, sólo cuentan con un único módulo interno para realizar las conversiones de valores analógicos a digital (módulo ADC).

OPTOACOPLADOR PC817

Este integrado posee en su interior un LED y un transistor, en el cual la base es polarizada por un haz luminoso, proveniente del LED. Esto produce una variación en la resistencia colector-emisor del transistor. Al aumentar la tensión aplicada al LED, disminuye la resistencia colector-emisor del transistor.

Figura # 2. Diagrama esquemático, de pines y real del PC817*9.

*9. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/Sharp/mXuzyxs.pdf

DETECTOR DE CRUCE POR CERO.

Un comparador es un circuito analógico que monitorea dos entradas de voltaje. Uno es llamado voltaje de referencia (Vref) y el otro voltaje de entrada (Vin). Cuando Vin se incrementa por encima o se reduce por debajo de Vref, la salida (Vout) del comparador cambia de estado entre bajo y alto.Algunos circuitos integrados (como el IC-339, IC-311 etc.) se han diseñado específicamente como comparadores otros como el IC-741 aunque son en realidad amplificadores operacionales pueden ser usados como comparadores. Estos chips (generalmente con 8 patas) tienen una entrada para Vref, otra para Vin, una de salida Vout, una para el voltaje de alimentación (Vcc) y otra de Tierra. El esquema que sigue es un diagrama de como conectar un circuito integrado del tipo IC-741 como comparador.

Figura # 3.Diagrama de conexión y comportamiento de un circuito integrado del tipo IC-741 como comparador*10.

POTENCIA.

Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra "P".

Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.La unidad de medida de la potencia eléctrica "P" es el "watt", y se representa con la letra "W"*11

FACTOR DE POTENCIA

El llamado triángulo de potencias es la mejor forma de ver y comprender de forma gráfica qué es el factor de potencia o coseno de "fi" (Cos y su estrecha relación con los restantes tipos de potencia presentes en un circuito eléctrico de corriente alterna.

Como se podrá observar en el triángulo de la ilustración, el factor de potencia o coseno de "fi" (Cos representa el valor del ángulo que se forma al representar gráficamente la potencia activa (P) y la potencia aparente (S), es decir, la relación existente entre la potencia real de trabajo y la potencia total consumida por la carga o el consumidor conectado a un circuito eléctrico de corriente alterna.

*10.Malvino Albert Principios de Electronica McGraw Hill

*11. Chapman, Stephen J. Máquinas Eléctricas.

Esta relación se puede representar también, de forma matemática, por medio de la siguiente fórmula:

Figura # 4. Triangulo del factor de potencia.

El resultado de esta operación será "1" o un número fraccionario menor que "1" en dependencia del factor de potencia que le corresponde a cada equipo o dispositivo en específico. Ese número responde al valor de la función trigonométrica "coseno", equivalente a los grados del ángulo que se forma entre las potencias (P) y (S).Si el número que se obtiene como resultado de la operación matemática es un decimal menor que "1" (como por ejemplo 0,95), dicho número representará el factor de potencia correspondiente al desfase en grados existente entre la intensidad de la corriente eléctrica y la tensión o voltaje en el circuito de corriente alterna.Lo ideal sería que el resultado fuera siempre igual a "1", pues así habría una mejor optimización y aprovechamiento del consumo de energía eléctrica, o sea, habría menos pérdida de energía no aprovechada y una mayor eficiencia de trabajo en los generadores que producen esa energía.

En los circuitos de resistencia activa, el factor de potencia siempre es "1", porque como ya vimos anteriormente en ese caso no existe desfasaje entre la intensidad de la corriente y la tensión o voltaje. Pero en los circuitos inductivos, como ocurre con los motores, transformadores de voltaje y la mayoría de los dispositivos o aparatos que trabajan con algún tipo de enrollado o bobina, el valor del factor de potencia se muestra con una fracción decimal menor que "1" (como por ejemplo 0,8), lo que indica el retraso o desfasaje que produce la carga inductiva en la sinusoide correspondiente a la intensidad de la corriente con respecto a la sinusoide de la tensión o voltaje. Por tanto, un motor de corriente alterna con un factor de potencia o Cos = 0,95 , por ejemplo, será mucho más eficiente que otro que posea un Cos = 0,85 .*12

POTENCIA REAL

Se puede ver que la potencia real consumida por el circuito, será la potencia total que se obtiene con la fórmula P = I x V, (potencia entregada por la fuente, llamada potencia aparente) menos la potencia que el circuito le devuelve (potencia reactiva).

Figura # 5. Diagrama fasorial de parámetros eléctricos.

La potencia real se puede calcular con la siguiente fórmula: P = I2R donde:

– P es el valor de la potencia real en watts (vatios)- I es la corriente que atraviesa la resistencia, en amperios- R es el valor de la resistencia en ohmios*13

*12-* 13 . CHAPMAN, STEPHEN J. Máquinas Eléctricas.

POTENCIA APARENTE

La potencia aparente (S), llamada también "potencia total", es el resultado de la suma geométrica de las potencias activa y reactiva. Esta potencia es la que realmente suministra una planta eléctrica cuando se encuentra funcionando al vacío, es decir, sin ningún tipo de carga conectada, mientras que la potencia que consumen las cargas conectadas al circuito eléctrico es potencia activa (P).La potencia aparente se representa con la letra "S" y su unidad de medida es el volt-ampere (VA). La fórmula matemática para hallar el valor de este tipo de potencia es la siguiente:

S=V*I

Figura # 6. Potencia aparente o total

De donde:

S = Potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA)V = Voltaje de la corriente, expresado en voltI = Intensidad de la corriente eléctrica, expresada en ampere (A)

POTENCIA REACTIVA: Esta potencia la consumen los circuitos de corriente alterna que tienen conectadas cargas reactivas, como pueden ser motores, transformadores de voltaje y cualquier otro dispositivo similar que posea bobinas o enrollados. Esos dispositivos no sólo consumen la potencia activa que suministra la fuente de FEM, sino también potencia reactiva.

La potencia reactiva o inductiva no proporciona ningún tipo de trabajo útil, pero los dispositivos que poseen enrollados de alambre de cobre, requieren ese tipo de potencia para poder producir el campo magnético con el cual funcionan. La unidad de medida de la potencia reactiva es el volt-ampere reactivo (VAR).

La fórmula matemática para hallar la potencia reactiva de un circuito eléctrico es la siguiente:

Figura # 7. formula para la potencia reactiva.

 De donde:Q = Valor de la carga reactiva o inductiva, en volt-ampere reactivo (VAR)S = Valor de la potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA)P = Valor de la potencia activa o resistiva, expresada en watt (W)

Midamos en ese caso con un voltímetro la tensión o voltaje (V) que llega hasta los bornes del motor y seguidamente, por medio de un amperímetro, la intensidad de corriente en ampere (A) que fluye por el circuito eléctrico de ese motor. A continuación multipliquemos las cifras de los dos valores obtenidos y el resultado de la operación será el valor de la potencia aparente (S), expresada en volt-ampere (VA) que desarrolla dicho motor y no precisamente su potencia activa (P) en watt (W).

La cifra que se obtiene de la operación matemática de hallar el valor de la potencia aparente (S) que desarrolla un dispositivo será siempre superior a la que corresponde a la potencia activa (P), porque al realizar esa operación matemática no se está tomando en cuenta el valor del factor de potencia o coseno de "fi" (Cos 14

REACTANCIA:

En electrónica se denomina reactancia a la oposición ofrecida al paso de la corriente alterna por inductores (bobinas) o condensadores y se mide en Ohms. Los otros dos tipos básicos de componentes de los circuitos, transistores y resistores, no presentan reactancia.

Cuando circula corriente alterna por alguno de estos dos elementos que contienen reactancia la energía es alternativamente almacenada y liberada en forma decampo magnético, en el caso de las bobinas, o de campo eléctrico, en el caso de los condensadores. Esto produce un adelanto o atraso entre la onda de corriente y la onda de tensión. Este desfasaje hace disminuir la potencia entregada a una carga resistiva conectada luego de la reactancia sin consumir energía.*15

REACTANCIA CAPACITIVA

La reactancia capacitiva es la oposición que presenta un condensador al paso de la corriente alterna. Depende de la capacidad del condensador y de la frecuencia de la corriente que se le aplique.

Se denomina Reactancia a la parte imaginaria de la impedancia ofrecida, al paso de la corriente alterna. En su acepción más general, el término reactancia significa sin pérdidas.

En el análisis de circuitos R-L-C, la reactancia, representada como (X) es la parte imaginaria del número complejo que define el valor de la impedancia, mientras que la resistencia R es la parte real de dicho valor. En este circuito el condensador presentará una oposición al paso de la corriente alterna. Dicha oposición se llama reactancia capacitiva. La carga almacenada en el condensador se opone a que éste siga cargándose y esta oposición será mayor cuanto más carga acumule el condensador.*16

*14 KOSOW, IRWIN. Máquinas Eléctricas y transformadores. Pretice Hall

*15 HENRÍQUEZ, G. Fundamentos de Instalaciones Eléctricas de Mediana y Alta Tensión

*16 BOYLESTAD, ROBERT L. Electrónica: Teoría de Circuitos.

REACTANCIA INDUCTIVA

La reactancia inductiva es la oposición o resistencia que ofrecen al flujo de la corriente por un circuito eléctrico cerrado las bobinas o enrollados hechos con alambre de cobre, ampliamente utilizados en motores eléctricos, transformadores de tensión o voltaje y otros dispositivos. Esta reactancia representa una "carga inductiva" para el circuito de corriente alterna donde se encuentra conectada. Reactancia inductiva.

En corriente alterna un inductor también presenta una resistencia al paso de la corriente denominada reactancia inductiva. 

La misma se calcula como:? = Velocidad angular = 2 p fL = InductanciaXl = Reactancia inductiva

FUNCIONAMIENTO CON UNA SEÑAL SENOIDAL

Durante el semiciclo positivo, al aumentar la tensión de alimentación, la corriente encuentra cierta dificultad al paso a través de la bobina, siendo al comienzo máxima la tensión sobre la misma y decreciendo a medida que circula mayor corriente. Cuando la tensión y el campo magnético son máximos, el potencial de alimentación comienza a decrecer y debido al campo magnético auto inducido, la corriente continúa circulando. En una inductancia podemos ver que, a diferencia del capacitor, la tensión adelanta a la corriente.

CIRCUITO RLC

En un circuito RLC en serie la corriente (corriente alterna) que pasa por la resistencia, el condensador y la bobina es la misma. La tensión Vac es igual a la suma fasorial de la tensión en la resistencia (Vr) y la tensión en el condensador (Vc) y la tensión en la bobina VL.

Vac = Vr+Vc+VL (suma fasorial)

La impedancia total del circuito anterior es: ZT = R + XL + XC (suma vectorial) ó

R + j(XL – XC) ó R + jX; donde:

XC = reactancia capacitivaXL = reactancia inductivaR = valor del resistorX = la diferencia de XL y XC. (Si X es positivo predomina el efecto inductivo. Si X es negativo predomina el efecto capacitivo.

Figura # 8. Circuito RLC

La corriente en el circuito se obtiene con la Ley de Ohm:

I = V/Z = Vac/ZT = Vac/raíz(R + jX)1/2 y el ángulo de fase es: 0 = arctan (X/ R)

Ángulos de fase en un circuito RLC:

Analizando los tutoriales circuitos RC en serie y circuitos RL en serie, se puede iniciar el análisis de los ángulos de fase de un circuito RLC.

El proceso de análisis se puede realizar en el siguiente orden:

a) Al ser un circuito en serie, la corriente I es la misma por todos los componentes, por lo que la tomamos como vector de referenciab) VR (voltaje en la resistencia) está en fase con la corriente, pues la resistencia no causa desfase.c) VL (voltaje en la bobina) adelanta a la corriente I en 90ºd) VC (voltaje en el condensador) atrasada a la corriente I en 90ºe) Los vectores VL y VC se pueden sumar pues están alineados.f) Vac (voltaje total) se obtiene de la suma vectorial de VR y (VL – VC).*17

CONVESOR DE I/V

También llamados amplificadores de transresistencia. Responden a la necesidad de construir fuentes de tensión constante independiente de la carga y controlados por corriente. Existen dos circuitos básicos: con la salida invertida y con la salida no invertida. – Salida Invertida