Diseño de medidor digital de potencia eléctrica con lectura de datos en RF
Enviado por Yunior Andrés Castillo Silverio
- Introducción
- Sensado de señales
- Procesamiento de la señal
- Comunicacion de datos
- Presentacion y almacenamiento de datos
- Conclusiones
- Referencias
Este documento presenta el diseño de un medidor digital de potencia eléctrica con lectura de datos en R.F. Muestrea voltaje y corriente de manera digital y registra energía eléctrica a través de un concepto electrónico; se instalará dentro de un domicilio residencial y es de tipo estacionario, esta diseñado para sensar potencia activa, reactiva y aparente así como voltaje y corriente; se comunica por radio frecuencia con un receptor de lectura de datos que registrará dicha información, siendo este otro no estacionario o portátil. El diseño esta basado en el PIC16C74 de la tecnología microchip.
Actualmente es necesario tener un mejor control de la energía eléctrica tanto el usuario como la compañía de suministro siendo que los medidores digitales de energía eléctrica son más exactos que los analógicos, además tienen la capacidad de almacenar datos y comunicarse con distintos sistemas electrónicos.
Estudiar el comportamiento de cargas eléctricas es primordial para la ingeniería eléctrica y uno de los mejores métodos es la medición por medio de instrumentos eléctricos tales como los medidores de energía. Hoy en día el estudio de cargas monofásicas no se ha realizado extensamente, puesto que los actuales medidores solo miden potencia activa, dejando atrás el conocimiento de los demás parámetros a conocer tales como potencia reactiva, aparente, factor de potencia, corriente, y voltaje, parámetros que son muy interesantes de conocer y que no son tomados en cuenta. Con la actual regulación de energía que esta en marcha en nuestro país, cumplir con las normas solo se puede realizar con una mejor medición. Existen medidores digitales de potencia eléctrica aunque usualmente solo se ven para servicio trifásico no así para servicio monofásico; a nivel internacional hay pocos diseños de medidores monofásicos donde cada uno tiene distinta configuración en sus etapas de diseño, unos utilizan un microcontrolador otros un microprocesador etc. [1][6] mas adelante se hará mención de cada una de las diferencias entre estos.
En general este diseño difiere de todos en la comunicación de datos que se efectuara a través de radio frecuencia con un receptor que recibirá dicha información.
El principal objetivo de este diseño es la lectura de datos a través de R.F. puesto que con ello la compañía suministradora de energía eléctrica ya no exigirá tener localizado el kilowattorimetro a la vista para la toma de lectura.
El diseño cuenta con las siguientes etapas:
Sensado de señales.
Acondicionamiento de señales.
Procesamiento de señales.
Comunicación datos.
Presentación y Almacenamiento de datos.
En el sensado de la señal se utiliza un transformador de potencial TP y un transformador de corriente TC, para el voltaje y la corriente respectivamente; en el acondicionamiento de las señales se consideran diferentes dispositivos electrónicos los que serán mencionados mas adelante en este documento; en el procesamiento de la señal se utiliza un microcontrolador de la tecnología Microchip perteneciente a la familia mediana de los PIC´s, la comunicación de datos se realiza a través de un puerto serie con un transceptor de radio frecuencia, con enlace a otro similar que es de tipo no estacionario; para la muestra de la señales se tiene una pantalla de cristal liquido LCD, tanto para el medidor estacionario como para el móvil.
En la figura 1 se muestra un diagrama de bloques completo del diseño del medidor digital de potencia eléctrica con lectura de datos en R.F.
Como se hizo referencia en la introducción, en esta etapa se cuenta con un TP y un TC que tienen la tarea de muestrear la señal de voltaje y corriente respectivamente,. Se ha considerado este tipo de sensores debido a que el medidor estará en continuo funcionamiento, y puesto que estos proporcionan una mejor señal para la medición [9]. En comparación con los divisores de tensiones para sensar el voltaje son más exactos los TP´s porque las resistencias
Figura 1. Diagrama de bloques del medidor digital de potencia eléctrica con lectura de datos en R.F.
utilizadas en el divisor de tensiones con el uso tienden a perder sus valores de diseño. En cuanto a la corriente, en algunos medidores se realiza la medición con una resistencia de alambre micrón de baja capacidad ohmica en serie con la carga, realmente al igual que el divisor de tensiones tiende a deteriorarse más rápidamente que un TC. A continuación se presenta en la Figura 2 como se efectúa esta etapa [1][6].
Figura 2 Sensado de las señales
En esta etapa se hace referencia a las mediciones de potencia activa, reactiva, y aparente, así como voltaje y corriente donde a continuación se dan sus ecuaciones.
Con las ecuaciones (1) y (2) se obtienen los valores eficaces de voltaje y corriente, donde 
y 
son la corriente y el voltaje de entrada.
(1)
(2)
Es muy importante mencionar que la medición de potencia eléctrica en un periodo de tiempo da como resultado el consumo de energía. El voltaje se toma en base a la ecuación (3),
(3)
siendo 
el voltaje sensado por el transformador de potencial, donde c es el número de muestras a través de un tiempo determinado. Este valor se calcula para un tiempo de muestreo de 60 ciclos de una onda senoidal de corriente alterna en 60 segundos, donde a partir de este tiempo el microcontrolador volverá a iniciar y registrar en memoria el dato, se realiza de esta manera ya que en caso de fallar el suministro de energía se tenga el dato almacenado con un mínimo de tiempo sin registro.
La ecuación (4) describe el muestreo de corriente, donde 
es la corriente sensada hasta el valor de c.
(4)
Para el calculo de la potencia activa se tiene:[2][3].
(5)
Donde 
potencia activa y sus unidades son los watts.
El registro de energía eléctrica se realiza cada segundo de una onda senoidal y será en kwh. Para sensar de esta manera se tiene que obtener el equivalente en kilowatts/horas para cada segundo donde la constante obtenida se multiplicara por el valor obtenido de energía en el microcontrolador, teniendo en cuenta que un ciclo de C.A. es variable, y el tiempo para una hora son 3600 seg, y un watt es 1×10-3 kilowatt.
Cave mencionar que la frecuencia puede variar; esto se detecta con los cruces por cero de las ondas de voltaje y corriente, así no importa la variación de la frecuencia. Se detectan solo los flancos positivos "Nfp" de la multiplicación de las 2 ondas y la inversión de una de ellas , por lo tanto, la energía base se representa con la siguiente formula:
(6)
La potencia reactiva se obtiene con la siguiente ecuación: [2][3]
(7)
Potencia reactiva, y se mide en VAR´s
También se obtendrá la potencia reactiva así:[2][3],
(8)
Potencia Aparente sus unidades son lo VA.
Las anteriores son las ecuaciones discretas para la obtención de cada uno de los parámetros a sensar en el medidor. Siendo estas la consecuencia del sensado del voltaje y de la corriente de la carga a medir. La potencia con la cual se mide la energía eléctrica es la potencia activa, y como consecuencia del cálculo del factor de potencia se pueden conocer las demás potencias
ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES
A continuación en la figura 3 se muestran los bloques de esta etapa.
Fig. 3. Acondicionamiento de la señal
Las etapas anteriores son las que se necesitan para realizar el acondicionamiento de la señal antes de que entre al microcontrolador.
En el diseño de este proyecto se utilizó en el acondicionamiento del voltaje la configuración de la figura 4. Se tiene un transformador de potencial en el circuito para medición de voltajes de 127 Vrms, además se cuenta con un divisor de tensiones R1 y R2 porque el voltaje de salida del TP es de 8.48 Vpp, y se necesita atenuar hasta 5 Vpp, además
Fig. 4. Acondicionamiento de voltaje.
el seguidor de voltaje lo mantiene en ese nivel; los diodos zener son de protección para el amplificador operacional. Estos operan hasta 7 volts.[7]. Se realizo esta configuración por ser la que utiliza menos componentes, es la más precisa en la toma de señales y por la aplicación del proyecto.
(9)
El seguidor de voltaje que se muestra en la figura 4 también se utiliza para aislar y evitar cargar el circuito acondicionador de la señal de voltaje.
En la primera etapa de acondicionamiento de corriente se emplea un TC, con la configuración electrónica de la figura 5, debido a que la señal recibida es de corriente y por lo tanto se necesita una de voltaje, se utiliza un divisor de corrientes para que exista una caída de voltaje y esta entre al amplificador operacional.[7].
Fig. 5. Acondicionamiento de corriente.
En ambas etapas se tiene un filtro Butterworth [7] el cual se utiliza como filtro pasa bajas de segundo orden para que la ganancia en lazo cerrado sea lo más aproximado a la unidad .ya que solo se medirá la frecuencia fundamental de la corriente alterna, así que la frecuencia de corte asignada para este filtro es de 70 Hz. Este tipo de filtro es el que mejor filtra las señales de bajas frecuencias; la repuesta del filtro es de 40db por década.
Fig. 6. Filtro Butterworth
Para la obtención de los valores eficaces rms, de voltaje y corriente las señales son rectificadas mediante un rectificador de precisión [7] el cual se muestra en la figura siguiente.
Fig. 7. Rectificador de precisión
En resumen, la configuración del circuito de acondicionamiento de la señal que se plantea para el voltaje y corriente [7], tiene la siguiente conexión: primeramente se utiliza el circuito de acondicionamiento del voltaje o de corriente según el caso, después la salida de este se conecta al filtro Butterworth para filtrar la señal de entrada, posteriormente se conecta el rectificador de precisión para obtener el valor rms y por ultimo se coloca otro filtro Butterworth, la salida de este filtro es conectada al microcontrolador.
Antes del procesamiento de la señal es necesario hacer una combinación de las dos señales para obtener los flancos de ambas y realizar así la medición del ángulo de defasamiento entre las corrientes y los voltajes, esto se realiza con un detector de cruce por cero, figura 8, este circuito nos da como salida una serie de pulsos que son enviados al microcontrolador.
Fig. 8. Detector de cruce por cero.
En esta etapa se consideran los circuitos que participan en el proceso de las señales de corriente y voltaje provenientes de la etapa de acondicionamiento de señales. Estos circuitos son los siguientes:
Convertidor A/D y Multiplexor, Oscilador, Fuente de energía, Microcontrolador.
4.1. Convertidor A/D y Multiplexor
Estos dos dispositivos electrónicos se encuentran integrados dentro del microcontrolador siendo estos lo que realizan la toma de muestras para el diseño del medidor digital de potencia eléctrica, el convertidor A/D recibe la señal multiplexada del voltaje y la corriente, y tiene una velocidad para una toma de muestras de 625 KHz, con un tiempo de respuesta de conversión de 1.6 (s, es de 8 bits multicanal.[4]
El convertidor A/D tiene 8 entradas que pueden ser analógicas o digitales y al multiplexarlas se disminuye la toma de muestras de las señales en proporciones de 2, ya que solo se utilizaran 2 canales.
El tiempo de conversión será 3.2 (s para cada una de las 2 señales. Las muestras "m" serán [1][6]:
= 
(10)
Cada ciclo se pudiera muestrear 5208.33 veces debido a la velocidad del convertidor A/D aunque para el diseño solo se tomara una muestra por ciclo.
4.2. Oscilador
El cristal proporciona la velocidad al microcontrolador, llevando el tiempo de los ciclos para cada orden de instrucción a ejecutarse dentro del programa; además cada instrucción se ejecuta en un ciclo y algunas de retroalimentación en 2 ciclos. El cristal esta configurado para que trabaje en forma HS (alta velocidad), puesto que se requiere elevada precisión en los cálculos matemáticos, trabaja a 5 MHz con un circuito de 2 capacitores de 15pf [4].
4.3. Microcontrolador
En el procesamiento de las señales se utiliza un microcontrolador de la tecnología Microchip, que esta a la vanguardia en la fabricación de PIC"s a nivel internacional.
Se utiliza un microcontrolador de la familia mediana de los PIC´s, el PIC16C74, figura 9 puesto que es uno de los que reúne las condiciones para este diseño, teniendo un convertidor A/D y suficiente memoria para la elaboración de los programas, otra característica de este chip, es su bajo costo [4][8].
Fig. 9. Microcontrolador
La señal obtenida del detector de cruce por cero será proporcionada al microcontrolador para que este tenga la tarea de medir el tiempo entre los pulsos negativos y positivos de la señal digital proporcionada por el detector, el microcontrolador realiza esta tarea a través de interrupciones y temporizadores, cuando detecta un flaco positivo se activa un temporizador cuando detecta uno negativo se desactiva y así se calcula el tiempo entre flancos , para que se pueda calcular el ángulo de defasamiento. Esto se calcula en radianes mediante:
(11)
Donde :
w = 2(f
f = 60 Hz
t = tiempo de desplazamiento de la onda.
El microcontrolador ya teniendo el ángulo, a través de programación calcula el factor de potencia que es el
se calcula con los primeros cinco términos de la serie de Taylor del coseno, puesto que sería un polinomio de décimo orden con una aproximación muy exacta. Los valores rms dados por el rectificador de precisión, se introducen al convertidor A/D, para que dentro del microcontrolador se pueda realizar la ecuación (5), que calcula la potencia activa, así también se calcula la potencia reactiva con el mismo ángulo pero con la serie de Taylor del seno aplicando la ecuación (7), la potencia aparente se realiza solo con la multiplicación matemática del
voltaje rms con la corriente ecuación (8), también se mide el voltaje y corriente.
A continuación en la figura 10 se muestra un diagrama de flujo del programa a efectuar por el microcontrolador para la realización del calculo de la energía y su registro en memoria. Donde: t es el tiempo que determina el ángulo de defasamiento y se inicia con un flanco positivo incrementándose en 1ms, hasta que se encuentra un flanco negativo det es una variable que indica cuando hay un flanco positivo o negativo, fp es un flanco positivo, fn, flanco negativo, Nfp número de flancos positivos, t2 es la variable del tiempo para calcular la energía cada segundo, t3 es la variable de tiempo para almacenar la energía en memoria cada 60s. y se incrementa cada segundo.
Fig. 10 Diagrama de flujo para el calculo de energía.
4.4. Fuente de Energía
Es un circuito electrónico que esta diseñado para proporcionar el voltaje y la corriente a todos los dispositivos electrónicos del medidor, su diagrama es el mostrado en la figura 11.[6]
Fig. 11. Fuente de energía.
Este circuito toma el voltaje de un transformador de 127 Vrms a 12 Vrms, rectifica el voltaje para proporcionarle energía a todo el circuito electrónico; esta compuesto de dos capacitores, un puente rectificador, y cuatro reguladores de voltaje de ±5 y ±12 volts
Otra de las tareas importantes del microcontrolador es efectuar la comunicación con sus periféricos la cual se describe mas adelante.
Como ya se mencionó en la introducción, el diseño del medidor implica una comunicación en RF, con el objetivo de satisfacer una lectura de datos a distancia.
Los sistemas de radiocomunicación emplean el espacio libre como medio de transmisión. La información viaja en forma de ondas electromagnéticas no guiadas desde el transmisor hasta el receptor. Para que el transmisor radie energía electromagnética al espacio circunvecino, es necesario emplear un transductor que transforme ondas de alto voltaje y corrientes u ondas electromagnéticas guiadas, en ondas electromagnéticas no guiadas.[5] Este transductor es la antena transmisora. Por lo tanto también se tiene que utilizar una antena receptora con las mismas características.
Un diagrama de bloques del sistema de radiocomunicación propuesto se muestra en la figura 12
Fig. 12. Diagrama de bloques del sistema de comunicación.
Los dispositivos a utilizar en este diseño son dos transceptores de RF, los cuales se comunican entre si. Trabajan a una frecuencia RF de 433.92 MHz, con una potencia de 8 mW, sensibilidad RF en recepción de -90 dBm y frecuencia de modulación de 5 kHz.
El microcontrolador se comunicara a través de un puerto serie con un transceptor digital.
Fig. 13. Comunicación entre medidor estacionario y móvil.
En la figura 13 se muestra la comunicación del dispositivo fijo que es el medidor estacionario y el receptor de los datos tipo móvil.
Presentacion y almacenamiento de datos
Esta faceta describe la forma en que se presentaran los datos, además de cómo y dónde se almacenaran.
Los datos tanto en el medidor estacionario como en el fijo se presentaran en una pantalla de cristal líquido LCD, recibiendo la información procesada del microcontrolador, en el cual se realiza un programa para efectuar la comunicación entre ellos.
Los datos se almacenaran en la memoria del microcontrolador que es una memoria RAM de 368×8 bytes, se registra una lectura cada 60s y se almacena en la memoria y cada que pase este tiempo se rescribe un nuevo valor. Además se tienen localidades en memoria para almacenar datos por día hasta por un periodo determinado. La lectura se tomará cada ciclo de onda y esta se guardará en el acumulador W del microcontrolador. [4].
En este documento se presenta una nueva alternativa para medición de potencia eléctrica monofásica, por medio de dispositivos electrónicos, basados en la aplicación de un microcontrolador, siendo este el operador principal del diseño.
También se describieron cada una de las etapas del diseño, donde se aprecia que no se utilizan componentes electrónicos muy sofisticados, además son de bajo costo, lo que da como resultado un diseño económico. Una parte esencial del diseño es el rectificador de precisión que acondiciona la amplitud del voltaje y la corriente sensadas hasta tener una señal de los valores rms con un error mínimo de lectura. Así se asegura una medición más precisa El detector de cruce por cero también es importante puesto que con las señal emitida por este se calcula el tiempo para obtener el factor de potencia. La programación del microcontrolador se realiza para que efectué los algoritmos descritos en secciones anteriores y la comunicación con los periféricos que son básicamente la LCD y el transceptor de RF.
Para la comunicación de datos se trabaja con frecuencias de RF, respetando las frecuencias disponibles por la COFETEL (Comisión Federal de Telecomunicaciones) bajo la norma oficial mexicana NOM-EM-086-SCT1-1994, siendo el transceptor seleccionado el ya mencionado en la etapa de comunicación de datos.
Logrando finalmente con el diseño una nueva aplicación en la toma de lecturas de energía eléctrica. Facilitando y mejorando este servicio.
[1] P.A. V. Lóss, A single Phase Microcontroller Based Energy Meter, IEEE Instrument and Measurement Technology Conference , St Paul, Minsesota, U.S.A, May 18-21, 1998, pp 797-800.
[2] Chung Ping Young, Digital Power Metering Manifold, IEEE, Transaction on Instrumentation and Measurement, vol 47 no. 1, 1998
[3] S. Svensson Preferred Methods for power-related measurement, presentation at the 8a international conference on Harmonics and Quality of Power ICHQP, ´98 jointly organized by IEEE/PES and NTUA, Athens, Greece, October 14-16 1998, pp. 238-243
[4] Microchip Tecnology Inc, Manual Microchip PIC16C7X, 8-Bit CMOS Microcontrollers with A/D Converter,. 1997,. www.microchip.com.
[5] Jack Quinn, Digital Data Comunications, Ed. Prentice Hall, Inc, copyright 1995
[6] Brett Duane, Stepheng Humbert, Microchip, Watt-hour meter using PIC16C923 and CS5460, 2000 Microchip Technology Inc.
[7] Marco Antonio Huerta, Máximo Hernández, Sistema de medición de variables para el control digital de compensadores de var´s, duodécima reunión nacional de potencia y exposición industrial ,IEEE Sección México. Tomo1, Control supervisorio y automatización, Acapulco Guerrero, Julio del 2000
[8] Jose Maria Angulo Usategui, Microcontroladores PIC diseño practico de aplicaciones. Ed. Mc Graw Hill, copyrigh 1997.
Enviado por: Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.
"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"®
Santiago de los Caballeros,
República Dominicana,
2016.
"DIOS, JUAN PABLO DUARTE, JUAN BOSCH Y ANDRÉS CASTILLO DE LEÓN – POR SIEMPRE"®
Autor:
Rubén Martínez Alonso.
Domingo Torres Lucio.