INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA:

URIEL PASTRANA GUTIÉRREZ

MÉXICO, D. F. 2016

IMPLEMENTACIÓN DE UN MEDIDOR DE ENERGÍA

ELÉCTRICA USANDO UN SISTEMA EMBEBIDO

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

DIRECTORES DE TESIS:

ING. CARLOS RÍOS RAMÍREZ

DR. DANIEL RUIZ VEGA

I

II

DEDICATORIA

A todas esas personas que me alentaron a seguir mis estudios, ideales y el apoyo

brindado a lo largo de mi carrera universitaria.

III

AGRADECIMIENTOS Antes que nada gracias a Dios por la salud y el bienestar de toda mi familia.

A mis padres por apoyarme tanto moral como económicamente a lo lago de la carrera

y la realización de este trabajo.

A mi asesor Carlos Ríos Ramírez por el apoyo durante mis últimos semestres de la

carrera y por el conocimiento adquirido en la culminación del trabajo y a todos los

profesores que me ilustraron

A mis amigos de la infancia que siempre están de apoyo emocional.

IV

RESUMEN El presente trabajo propone un sistema para la medición del consumo de energía eléctrica, uniendo de manera sinérgica la tecnología de la información y la infraestructura existente de la red eléctrica del hogar. Se emplea un sistema embebido de plataforma abierta para la implementación de un servidor, así como también sensores e instrumentación electrónica para la determinación del consumo de energía eléctrica. El hecho de tener un servidor es que permite ver el consumo de la energía en cualquier dispositivo de la Tecnología de la Información (TI). En particular se consideró en este trabajo el envío de los datos a un teléfono celular por medio de una dirección IP. Uno de los fines del presente trabajo es mostrar de forma clara al usuario, la información de la utilización de energía eléctrica y ayudarlo a ser más consciente de sus hábitos de consumo presentando la cantidad de dinero “perdido” por no emplear de manera adecuada la energía.

V

CONTENIDO Dedicatoria ................................................................................................................................ II

Agradecimientos ..................................................................................................................... III

Resumen .................................................................................................................................. IV

Contenido ................................................................................................................................. V

Lista de figuras ..................................................................................................................... VIII

Lista de tablas .......................................................................................................................... IX

Definiciones .............................................................................................................................. X

Capítulo 1: Introducción ........................................................................................................ 1

1.1 Introducción .................................................................................................................... 1

1.2 Planteamiento del problema ......................................................................................... 2

1.3 Antecedentes ................................................................................................................... 3

1.4 Estado del arte ................................................................................................................. 7

1.5 Objetivo general .............................................................................................................. 9

1.6 Justificación.................................................................................................................... 10

1.7 Limitaciones y alcances ................................................................................................ 11

Capítulo 2 Marco Teórico ..................................................................................................... 12

2.1 conceptos basicos .......................................................................................................... 12

2.1.1 Sistema Embebido ................................................................................................. 12

2.1.2 Sistema de Cargas Monofásicos .......................................................................... 12

2.1.3 Valor eficaz ............................................................................................................. 13

2.2 Tipos Principales de Medidores de Energía Eléctrica ............................................. 14

2.2.1 Por su Forma de Conexión ................................................................................... 15

2.2.3 Por su Tipo de Registrador ................................................................................... 15

2.3 Principales Componentes de un watthorímetros .................................................... 15

2.4 Wattmetro ...................................................................................................................... 15

2.5 Medidores Electrónicos................................................................................................ 16

2.5.1 Características de los Medidores Electrónicos .................................................. 17

2.6 Medidor Inteligente ...................................................................................................... 17

2.6.1 Estructura del Hardware de un Medidor Inteligente ...................................... 19

VI

2.6.2 Unidad de Detección de Voltaje .......................................................................... 20

2.6.3 Unidad de Detección de Corriente ...................................................................... 21

2.6.4 Transformador de Corriente ................................................................................ 22

2.6.5 Fuente de Alimentación ........................................................................................ 23

2.6.6 Unidad de Medida de la Energía ........................................................................ 24

2.6.7 Microcontrolador ................................................................................................... 24

2.6.8 Reloj en Tiempo Real ............................................................................................. 25

2.6.9 Sistema de Comunicación .................................................................................... 25

2.7 Especificación de las Características Metrológicas y de Funcionamiento de los Instrumentos de Medida ................................................................................................... 25

2.10 Incertidumbre en las Medidas .................................................................................. 26

2.11 Exactitud ...................................................................................................................... 26

2.12 Precisión ....................................................................................................................... 26

2.13 Error Absoluto ............................................................................................................. 27

2.14 Error Relativo .............................................................................................................. 27

Capítulo 3 desarrollo experimental..................................................................................... 28

3.1 Estructura del prototitpo ............................................................................................. 28

3.2 Prototipo de Medición ................................................................................................. 29

3.2.1 Adquisición de la señal ......................................................................................... 29

3.2.2 Sensor de Tensión .................................................................................................. 30

3.2.3 Acondicionamiento de la señal de Tensión ....................................................... 30

3.2.4 Acondicionamiento de la señal de Corriente .................................................... 31

3.3 calibración de los sensores .......................................................................................... 32

3.3.1 Sensor de Corriente ............................................................................................... 32

3.4 conversion adc en el mcu ............................................................................................ 32

3.5 lenguaje de programación ........................................................................................... 33

3.6 programación ................................................................................................................ 34

3.7 frecuencia de muestreo ................................................................................................ 36

3.8 Algoritmo para la determinación de tensión y corriente RMS .............................. 38

3.9 calibración del prototipo .............................................................................................. 40

3.10 comunicación ............................................................................................................... 41

3.10.1 Dirección IP .......................................................................................................... 42

3.10.2 Envío de Información vía Ethernet ................................................................... 42

VII

Capítulo 4 conclusiones ........................................................................................................ 45

4.1 trabajos futuros ............................................................................................................. 45

Referencias ............................................................................................................................... 46

Anexo 1 funciones para el cálculo de la potencia .............................................................. 48

Anexo 2 funciones para la comunicación vía Ethernet ..................................................... 50

ANEXO 3 PRESUPUESTO ........................................................................................................... 52

VIII

LISTA DE FIGURAS Figura 1 Medidor horas-lámparas de Fuller (adaptada de [polo francisco, 2005]). ........ 3

Figura 2 Thomas Alba Edison (1847-1931) (adaptada de [polo francisco, 2005]) ............ 4

Figura 3 webermeter de Edison (adaptada de [polo francisco, 2005]). ............................. 4

Figura 4 Blathymetro (adaptada de [polo francisco, 2005])................................................ 5

Figura 5 patente de Shallenberger, medidor de watt-hora para corriente alterna (adaptada de [polo francisco, 2005]). ..................................................................................... 6

Figura 6 Esquema de un sistema monofásico ..................................................................... 13

Figura 7medidor inteligente trifásico (adaptada de [medidor inteligente, 2015]). ....... 18

Figura 8 Evolución de la tecnología de medición inteligente (adaptada de [Weranga et al, 2014]). .................................................................................................................................. 19

Figura 9 Muestra la estructura de hardware de un medidor inteligente moderno (adaptada de [Weranga et al, 2014]). ................................................................................... 20

Figura 10 Configuración de un divisor de tensión (adaptada de [Weranga et al, 2014]). ................................................................................................................................................... 21

Figura 11 Típicos transformadores de corriente (adaptada de [Weranga et al, 2014]). 22

Figura 12 Diagrama de bloques de una fuente de alimentación (adaptada de [Weranga et al, 2014]). ............................................................................................................ 23

Figura 13 Diagrama general que muestra los distintos componentes del prototipo de medición. .................................................................................................................................. 28

Figura 14 Sensor de Corriente (adaptada de [Robodacta, 2014]). .................................... 29

Figura 15 Arreglo de resistencias para la señal de tensión (adaptada de [Robodacta, 2014]). ....................................................................................................................................... 30

Figura 16 Señal de tensión ..................................................................................................... 31

Figura 17 acondicionamiento de la señal de corriente (adaptada de [Robodacta, 2014]). ....................................................................................................................................... 31

Figura 18 hoja de especificaciones del sensor (adaptada de [Robodacta, 2014]). .......... 32

Figura 19 grafica de calibración del sensor (adaptada de [Robodacta, 2014]). .............. 32

Figura 20 Placa Arduino uno ................................................................................................ 34

Figura 21 Inversor trifásico [Fuente, 2014]. ......................................................................... 36

Figura 22 Ajuste de parámetros para el inversor ............................................................... 36

Figura 23 Circuito electrónico de censo de tensión. .......................................................... 37

Figura 24 diagrama a bloques para la determinación de la tensión RMS ...................... 38

Figura 25 diagrama a bloques para la determinación de la corriente RMS ................... 39

Figura 26 hoja de especificaciones CRAFTSMAN [Multimeter, 2014] ........................... 40

Figura 27 Gancho Amperometrico (adaptada de [Gancho Amperometrico, 2014]). .... 41

Figura 28 Placa Shield Ethernet ............................................................................................ 42

Figura 29 Direcciones de la red ............................................................................................ 43

Figura 30 Impresión de pantalla en el celular. ................................................................... 43

Figura 31 Captura del consumo. .......................................................................................... 44

IX

LISTA DE TABLAS Tabla 1 Clasificación de los Medidores de Acuerdo a su Corriente ............................ 15

Tabla 2 Error relativo de la medición de tensión Título de Tabla ............................... 40

Tabla 3 Error relativo de la Medición de la Corriente .................................................... 41

Tabla 4 Presupuesto del Diseño ......................................................................................... 52

Tabla 5Presupuesto de la Electrónica ................................................................................ 52

X

DEFINICIONES GEI Gases de Efecto Invernadero CFE Comisión Federal de Electricidad kWh kiloWatts-hora Servidor Es un ordenador o máquina informática que está al “servicio” de otras máquinas, ordenadores o personas llamadas clientes y que le suministran a estos, todo tipo de información. RTU Unidad Terminal Remota. Tándem Conjunto formado por dos o más condensadores variables montados sobre un mismo eje. TC Transformador de Corriente. DSP Se refiere a un Procesador Digital de Señales. Calibración Conjunto de operaciones que establecen, en condiciones específicas, la relación entre los valores de las magnitudes indicadas por un instrumento de medición o un sistema de medición, a los valores representados por una medida materializada o un material

XI

de referencia, y los valores correspondientes de la magnitud realizada por los patrones. RMS Por sus siglas en ingles Root Mean Square o valor raíz cuadrático medio para hacer referencia al valor eficaz utilizado en señales. Dispositivos móviles Son aparatos de pequeño tamaño, con algunas capacidades de procesamiento, con conexión permanente o intermitente a una red, con memoria limitada, diseñado específicamente para una función, pero que pueden llevar a cabo otras funciones más generales. Ifetel Instituto Federal de Telecomunicaciones. RTOS Sistema Operativo en Tiempo Real

1

CAPÍTULO 1:

INTRODUCCIÓN

1.1 INTRODUCCIÓN

Según el Instituto Nacional de Estadística Geografía (INEGI), en México la industria

generadora de energía proporciona un 21% de las emisiones totales de Gases de

Efecto Invernadero (GEI) [INEGI, 2015]. Debido a que la producción de dicha energía

se genera a partir de la quema de hidrocarburos como lo son el petróleo, carbón y gas

natural.

Un kWh es lo que consume un foco de 100 Watts en 10 horas. Un kWh de electricidad

requiere de un tercio de litro de petróleo para ser generado. Quemar un litro de

petróleo implica emitir cerca de un kilo de bióxido de carbono. Por lo tanto, el uso de

un foco de 100 Watts por 100 horas resulta en la emisión de hasta tres kilos de bióxido

de carbono [CFE, 2015].

En este trabajo se desarrolla un modelo de medición y visualización de la energía

eléctrica mediante un sistema embebido, programación de microcontroladores, y así

proporcionar el total del consumo de la energía en valor monetario, para crear una

conciencia en el usuario así como aprovechar y optimizar el uso de la misma.

2

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Este trabajo proporcionará al usuario información del consumo de energía en el

hogar, empleando un sistema embebido funcionando como servidor y es que

mediante dispositivos móviles y/o computadoras se podrá visualizar dicho consumo.

El usuario promedio no tiene nociones de lo que está consumiendo día a día en

cuanto a energía eléctrica dentro del hogar se refiere, es por ello que se propone el

presente trabajo en donde ya sea mediante el celular, Tablet o computadora se accese

a una página web donde se podrá ver el consumo de la potencia en kWh y el mismo

en pesos.

3

1.3 ANTECEDENTES

El uso de la energía eléctrica se comercializó en la década de 1880. El primer cobro

que se generó se calculó a partir de la cantidad de lámparas empleadas en un

domicilio; simultáneamente nace la necesidad de generar un recibo de cobro

adecuado a la cantidad de energía eléctrica consumida.

En 1872 Samuel Gardier concibe la idea de un instrumento para medir el tiempo de

utilización de una lámpara de arco. Dicho instrumento se basa en un reloj

electromecánico acoplado a una lámpara, de manera que, cuando la lámpara se

acciona, el reloj inicia su conteo. Así se originó el primer cobro económico de la

corriente eléctrica basado en un instrumento de medición. El instrumento media en

términos horas-lámpara y funcionaba con corriente directa.

En 1878 J.B. Fuller, creo primer medidor de consumo de corriente patentado. El

medidor era simplemente un reloj electromecánico operado por los campos alternos

de dos bobinas, (Figura 1).

Figura 1 Medidor horas-lámparas de Fuller (adaptada de [polo francisco, 2005]).

4

Figura 2 Thomas Alba Edison (1847-1931) (adaptada de [polo francisco, 2005])

En 1881 Thomas Alba Edison (Figura 2), patento el webermeter; un medidor de

consumo eléctrico basado en una reacción química. Consiste en dos frascos

conectados a electrodos sumergidos en una solución de sulfato de zinc. La

electricidad que fluye a través de la solución de sulfato de zinc en el frasco, envía del

electrodo positivo al negativo, una cantidad de solución correspondiente a la carga

eléctrica que circula. Un trabajador debía cambiar los electrodos cada mes y pesarlos

para conocer la cantidad de zinc que se había trasladado de un lado a otro.

Este medidor era sucio, ineficiente y no muy preciso. A pesar de que Edison

desarrollo también un medidor basado en la inducción, su interés en la química lo

orilló a favorecer la versión química. Este sistema se observa en la (Figura 3).

Figura 3 webermeter de Edison (adaptada de [polo francisco, 2005]).

5

En 1889 se conoció el primer modelo de medidor de consumo eléctrico de corriente

alterna. Se produjo basado en la patente de Ottó Bláthy y se presentó en la feria de

frankfutr en otoño de 1889 (Figura 4). La fabricación en serie inicio ese mismo año y

se comercializó con el nombre de Blathymetro. El principio de funcionamiento que

invento Bláthy es en el que se basan los medidores de watt-hora electromecánicos

modernos.

Figura 4 Blathymetro (adaptada de [polo francisco, 2005]).

Siendo 1888, Shallenberger se encontraba trabajando en una nueva lámpara de arco,

cuando un muelle se cayó y aterrizó en una repisa dentro de la lámpara las cargas

eléctricas junto a un motor hicieron que el muelle girara. Shallenberger se dio cuenta

que podía utilizar el efecto de girar un disco para medir el consumo de electricidad.

Así se decidió a construir un medidor de watt-hora, lográndolo en tan solo tres

semanas (Figura 5). El medidor entro en uso comercial en cuestión de meses,

vendiendo 120.000 unidades en 10 años [polo francisco, 2005].

6

Figura 5 patente de Shallenberger, medidor de watt-hora para corriente alterna

(adaptada de [polo francisco, 2005]).

7

1.4 ESTADO DEL ARTE

Los sistemas de instrumentación se pueden dividir en dos categorías que son:

sistemas analógicos y sistemas digitales. En los sistemas analógicos la información de

cierta variable se procesa y despliega de forma analógica. En los sistemas digitales, la

información de alguna variable se procesa y despliega en forma digital. La mayoría

de los fabricantes de sistemas de instrumentación cambian componentes analógicos

por digitales en sus productos para minimizar el costo y mejorar tanto la

confiabilidad como versatilidad [engineersgarage, 2014].

La empresa P3 INTERNATIONAL, produce un medidor de energía llamado Kill A

Watt diseñado para interiores en una casa habitación el cual opera a frecuencia del

sistema y mide diferentes parámetros como factor de potencia, frecuencia, tensión y

corriente eléctrica, útil para calcular en costo de la energía consumida por día,

semana, mes y hasta anual [killawat, 2015].

La empresa SCHNEIDER ELECTRIC MEXICO, produce el instrumento de medición

digital power logic enercep meter, es un medidor trifásico que opera a frecuencia del

sistema y puede medir 26 parámetros de energía, incluyendo consumo de energía,

voltaje, corriente, potencia reactiva, factor de potencia, etc. Este equipo además

incorpora el protocolo de comunicación Modbus de dos hilos y puede ser utilizado

con RTU´s más que un producto es una solución integrada de pasarela de

comunicación que solo requiere un navegador web y red Ethernet para registrar y

mostrar los datos en el momento, así como gráficos de tendencia de hasta 64

dispositivos del sistema PowerLogic, incluidos otras pasarelas de comunicación en la

misma red [SCHNEIDER ELECTRIC, 2014].

La empresa GENERAL ELECTRIC, produce diversos equipos de medición,

principalmente se dividen en medidores de energía, medidores de calidad de energía

y medidores multifunción. En términos generales, estos equipos miden voltajes y

corrientes trifásicas, factor de potencia real, frecuencia, potencias activas y reactivas,

armónicas y cuenta con un sistema registrador de eventos, además dispone de un

puerto de comunicación serial RS232 [GENERAL ELECTRIC, 2014].

La empresa FLUKE MEXICO, produce analizadores de la calidad de la energía

portátiles y para instalaciones fijas, y registradores de eventos de tensión. En términos

8

generales estos equipos de medición miden armónicas de voltaje y corriente,

distorsión armónica, ángulos de fase, frecuencia, voltaje, corriente, potencias activa,

reactiva y tienen un sistema registrador hasta por 16 días con fecha y hora de

fluctuaciones de voltaje y captación de transitorios [FLUKE MEXICO, 2014].

9

1.5 OBJETIVO GENERAL

Diseñar y construir un sistema para el monitoreo de la energía eléctrica mediante un sistema embebido así como obtener un registro y visualización del consumo mediante una página de internet.

1.5.1 Objetivos Específicos

Implementar un sistema electrónico para la medición de corriente y tensión

eléctrica.

Implementar en un sistema embebido un algoritmo para la adquisición de las

señales de corriente y de voltaje.

Implementar un algoritmo para determinar la Potencia Activa obteniendo de

manera numérica el valor RMS.

Hacer uso de un sistema y/o plataforma para mandar la información a una red

Ethernet.

Se desarrollara una página de internet para el despliegue de información e

interfaz entre el usuario y el sistema desplegando la misma de forma

monetaria y el gasto de energía en kWh.

10

1.6 JUSTIFICACIÓN

El presente trabajo tiene relevancia social debido a que crea una conciencia respecto de que es lo que se está gastando en pesos y así disminuir el desperdicio de la energía eléctrica esto mediante un sistema el cual proporciona al usuario un medio para visualizar el consumo en su hogar sin la necesidad de trasladarse a las oficinas de la compañía suministradora y/o pedir la información o esperar a que llegue el recibo. El presente trabajo pretende hacer la medición desde la acometida y así realizar la medición del total del consumo de la casa habitación y no monitorear un solo aparato de la misma como ya lo hacen algunos.

11

1.7 LIMITACIONES Y ALCANCES

Una de las limitaciones que se presenta para la realización de este trabajo es de

manera monetaria ya que hay determinados dispositivos que son costosos el cual

asciende a un total aproximado de $5,000 a $10,000 de los cuales se consideran los

costos de los aparatos electrónicos con los que ya contamos como pueden ser los

dispositivos móviles, micro controlador, etc.

Los medidores de energía modernos tienen funciones como registro y monitoreo de

kW, kWh, impresión de manera monetaria el consumo, factor de potencia, ángulo de

fase, entre otros parámetros eléctricos, de los cuales en este trabajo se limita

únicamente a tener la visualización de los kWh y el costo del lugar a monitorear

mediante una página web.

12

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1 CONCEPTOS BASICOS

2.1.1 Sistema Embebido

Un sistema embebido es un conjunto de elementos empotrados o encerrados el cual consiste de dos principales elementos; el hardware en el cual va incluida toda la electrónica para dicho sistema y el software que incluye la programación [Lajara and Pelegri, 2014].

2.1.2 Sistema de Cargas Monofásicos

En general los sistemas monofásicos son aquellos circuitos que solo están alimentados con tres hilos. En la Figura 6 se muestra un diagrama representativo de un sistema constituido por tres hilos fase, neutro y tierra. La impedancia de la carga Z, incluyendo la impedancia de la línea de alimentación provocan un desfasamiento entre la corriente de línea y la tensión de fase a neutro, denominada tensión de fase . De manera fasorial estos parámetros se representan

como:

Dónde la diferencia angular determina el desfasamiento entre la corriente y la tensión del sistema monofásico y se denota con ; de esta manera el factor de potencia FP se obtiene a partir de la expresión .

y (2.1)

13

Figura 6 Esquema de un sistema monofásico

2.1.3 Valor eficaz

El valor RMS o eficaz de una señal se define como el valor de una tensión continua que aplicada a una misma resistencia disipe la misma energía en el mismo tiempo [Areny, 2007], para determinar el valor RMS medio de una función x(t) se puede expresar como sigue:

En una función periódica en el tiempo x( ) ( ), con periodo igual a

se tiene que:

Aplicando identidad trigonométrica se tiene:

Se encuentra que la ecuación anterior se expresa como

Sabiendo que el promedio o valor medio de una onda coseno es cero,

√ ∫

(2.2)

√∫

( )

(2.3)

(2.4)

√

∫ [ ( )]

(2.5)

14

La potencia Activa es la cantidad de potencia realmente consumida por una carga. Esta potencia se mide en watts (W) y se calcula midiendo la corriente eléctrica consumida por la carga y multiplicándola por la tensión que alimenta a la carga y posteriormente multiplicarlo por el factor de potencia de la carga. La unidad de la potencia es el W, y se le representa por medio de la letra „P‟. Para su cálculo se tiene:

Haciendo de la ecuación (2.7) se define:

En términos de los valores eficaces se tiene:

Dónde:

P= potencia útil o potencia activa, en watt [W]

= tensión aplicada a la carga, en Volt [V]

= corriente consumida por la cargar, en Ampere [A]

=ángulo de desfasamiento entre la tensión y la corriente eléctrica

2.2 TIPOS PRINCIPALES DE MEDIDORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA

√

∫

(2.6)

√

( ) √

(2.7)

(2.8)

√ (2.9)

(2.10)

(2.11)

15

Los watthorímetros de acuerdo a la Norma Oficial Mexicana NOM-044-SCFI-2008 se

clasifican de acuerdo a lo siguiente:

2.2.1 Por su Forma de Conexión

Tipo “S”

2.2.2 Por sus Corrientes Básica y Máxima

Tabla 1 Clasificación de los Medidores de Acuerdo a su Corriente

In(A) Imáx(A) Tipo

15 100 S

30 200 S

2.2.3 Por su Tipo de Registrador

- De manecillas.

- De indicación digital [NOM, 2008].

2.3 PRINCIPALES COMPONENTES DE UN WATTHORÍMETROS

2.4 WATTMETRO

Existen diferentes aparatos mecánicos y electrónicos para medir variables como corriente, tensión, potencia, factor de potencia, temperatura, etc. Uno de los aparatos para medir la potencia es el wattmetro el cual es un instrumento para medir la potencia consumida por una carga en un circuito. Existen los tradicionales de aguja, los cuales contenían dos bobinados una se conecta en paralelo a la carga (muestreo de tensión) y la otra en serie (muestreo de corriente). Ubicadas estas bobinas convenientemente en una disposición mecánica, se logra obtener una fuerza proporcional al producto de ambos parámetros y esto desplazaba la aguja. La potencia eléctrica es proporcional al producto de la tensión aplicada a una carga por la corriente que circula por el mismo (en corriente alterna, se debe considerar la correspondencia de fase de ambos parámetros, porque el wattmetro mide potencia activa, salvo que sea específicamente hecho para medir potencia "aparente", de muy

16

raro uso). Hoy existen wattmetros digitales, que no contienen bobinas, pero si, circuitos de muestreo de tensión y corriente. Todos los Wattmetros tienen bornes para conectar en paralelo y en serie con la carga (uno suele ser común a ambos circuitos, por resultado lógico de la conexión) [NOM, 2008].

2.5 MEDIDORES ELECTRÓNICOS

Un medidor de energía electrónico (EEM) funcionalmente supera al tradicional medidor de disco de aluminio. Una ventaja importante del EEM es que en cargas no lineales, su medición es muy precisa y la medición electrónica es más robusta que el de los medidores mecánicos convencionales. Las empresas se benefician con un EEM de tres maneras importantes.

Reduce el costo del robo y la corrupción en la red de distribución eléctrica con

diseños electrónicos e interfaces de prepago.

Los medidores electrónicos miden corriente tanto en la línea de fase como en el

la línea del neutro y calcular la potencia consumida basado en la mayor de las

dos corrientes

EEM mejora el costo y la calidad de la distribución eléctrica [Weranga et al,

2014].

Los medidores electrónicos son capaces de medir el uso de la electricidad con tecnología digital. Al mismo tiempo pueden medir los demás parámetro eléctricos tal como voltaje de fase, corriente de fase, factor de potencia, potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente, demanda máxima, y medición de la calidad de la energía. Por lo tanto, realizan todas las tareas para lo que están hechos otros tipos de medidores. Tienen también la capacidad de enviar los datos medidos a través de un enlace de comunicación. Un medidor electrónico consiste de un suministro de energía, microcontrolador, reloj de tiempo real, LCD display, y puertos de comunicación. Tiene entradas de voltaje, entradas de corriente y voltaje de referencia. Las señales de voltaje y corrientes son procesadas para medir y mostrar los parámetros eléctricos [Weranga et al, 2014].

17

2.5.1 Características de los Medidores Electrónicos

Los medidores electrónicos, durante la necesidad y la evolución de la medición de a energía eléctrica tienen diferentes características las cuales se mencionan a continuación:

Los medidores electrónicos proporcionan datos de medición a tiempo.

Alta precisión en la medición de una amplia gama de cargas

Mayor flexibilidad de diseño

Capacidad de actualización

No están influidos por un imán externo u orientado por el mismo medidor. Por lo tanto los medidores electrónicos son más confiables y a prueba de manipulaciones que los medidores electromecánicos [Weranga et al, 2014].

2.6 MEDIDOR INTELIGENTE

Los medidores inteligentes son diferentes de los contadores electrónicos debido a sus funcionalidades y características adicionales. Aparte de las mediciones de electricidad y la Lectura Automática de Contadores (AMR), que permiten la comunicación de dos vías entre el medidor y la estación base. Perfiles de carga, pre-pago, detección de manipulación y multi-tarificación también son posibles con los medidores inteligentes. Un medidor inteligente trifásico se muestra en la Figura 7. Los contadores electrónicos se han usado eficazmente para la facturación exacta. Sin embargo más funciones se necesitan como lecturas remotas, detección de interrupción, detección de manipulación, perfiles de carga para un mejor servicio al cliente y el suministro confiable.

18

Figura 7medidor inteligente trifásico (adaptada de [medidor inteligente, 2015]).

Por lo tanto el sistema AMR se introduce mediante la combinación de la infraestructura de comunicación para contadores electrónicos. Mientras tanto más características se añaden al sistema AMR. En última instancia AMI (Infraestructura de Medición Avanzada) ha sido desarrollado para la tecnología de hoy con el sistema de gestión de la comunicación de datos bidireccional. En la Figura 8 se muestra la evolución de la comunicación de medición inteligente de contadores electrónicos a AMI.

19

Figura 8 Evolución de la tecnología de medición inteligente (adaptada de [Weranga et

al, 2014]).

2.6.1 Estructura del Hardware de un Medidor Inteligente

La Figura 9 muestra el diagrama de bloques funcional de un medidor inteligente. Que incluye la adquisición de la señal, el acondicionamiento de señal, analógica a una conversión digital (ADC), el cálculo y la comunicación. Los contadores inteligentes utilizan sensores de voltaje y corriente para obtener la señal de entrada. Acondicionamiento de señal, ADC, y los cálculos se realizan en el interior de la unidad de microcontrolador (MCU). Se requieren componentes de hardware adicionales para otras operaciones como el tiempo de la comunicación y las mediciones de la fecha y copia de seguridad de datos y almacenamiento. Un medidor inteligente se compone típicamente de los siguientes componentes de hardware:

Unidad de detección de voltaje y corriente

AMI

AMR Plus

Medidor Eléctronico

Sistema del Medidor

AMR

Cap

acid

ad d

el s

iste

ma

Funcionalidad

Rangos eléctricos de los parámetros

Alta precisión comparado con los medidores electromecánicos

Flexibilidad de diseño

Capacidad de actualización

Lectura remota

Detección de corte de la medición

Detección de anomalías

Perfles de carga

Lectura en tiempo real

Facturación al consumidor

Lecturas adicionales

Múltiples tarifas

Programación remota

Interfaz HAN o LAN

Comunicación remota/desconexión de la alimentación

20

Fuente de alimentación

Unidad de medida de la energía (IC medición)

Microcontrolador

Reloj en tiempo real

Sistema de la comunicación

Figura 9 Muestra la estructura de hardware de un medidor inteligente moderno

(adaptada de [Weranga et al, 2014]).

2.6.2 Unidad de Detección de Voltaje

Divisores de resistencia simples se utilizan ampliamente como sensor de voltaje en medidores digitales debido al bajo costo. La Figura 10 muestra la configuración de un sensor de tensión de tipo divisor de resistencia. Los valores de R1 y R2 deben ser elegidos de tal manera que la tensión de red de CA se divida para adaptarse a la entrada de ADC del chip de medición de energía. De acuerdo a la Figura 10 el voltaje de CA se aplica a R1 y la salida se toma desde el punto medio del divisor. R2 debe estar conectado a tierra. La tensión de salida del divisor (ADC) está dado por (2.11).

Sensor de voltaje

Sensor de corriente

Energía a medir IC

MCU

Reset

Display LCD

EEPROM

Breaker

Alimentación

RTC

Tarjeta de lectura

Pila

Anti estrechamiento

Comunicación

Lado útil Lado de consumo

21

Figura 10 Configuración de un divisor de tensión (adaptada de [Weranga et al, 2014]).

Dónde;

Normalmente R1 y R2 están en kΩ. Es mucho mayor que R2 (R1≥500R2). Los valores más altos de los resistores son elegidos por la disipación de energía menor.

2.6.3 Unidad de Detección de Corriente

La unidad de corriente consiste típicamente de un sensor de corriente y filtro. Cuatro tipos de sensor de corriente son ampliamente utilizados en medidores inteligentes. Ellos son:

Efecto hall basados en sensores de corrientes

Transformador de corriente

Resistores en paralelo

Bobinas Rogowski

(2.11)

22

Para este trabajo se utilizara el transformador de corriente para su uso práctico que a

continuación se detalla.

2.6.4 Transformador de Corriente

Los transformadores de corriente producen una corriente secundaria que es proporcional a la corriente primaria. El primario está conectado en serie con el dispositivo. El aislamiento se proporciona desde la primaria hasta el lado secundario garantizando así una alta fiabilidad para los dispositivos de medición. Sin embargo, la linealidad depende de la magnitud de la corriente primaria y la impedancia del secundario. Cada TC se clasifica de acuerdo a su desempeño. Normalmente clase 0.1, 0.2, 0.5 y 1 se utilizan para el propósito de medición. Aunque los TC son caros de resistencias de derivación, que consumen menos energía. Sin embargo los TC tienen respuesta de fase lineal a bajas corrientes y los factores de potencia de gran tamaño. La Figura 11 muestra los típicos transformadores de corriente que son ampliamente utilizados en aplicaciones de medición.

Figura 11 Típicos transformadores de corriente (adaptada de [Weranga et al, 2014]).

23

2.6.5 Fuente de Alimentación

La fuente de alimentación puede variar de un diseñador de medidores inteligentes, convertidores AC-DC, convertidores DC-DC y reguladores. El diseñador del chip de medición proporciona sus propios esquemas de suministro de energía de referencia. Sin embargo, la potencia de salida de estos circuitos puede no ser suficiente para manejar otros componentes de hardware en el medidor inteligente. Por lo tanto la potencia requerida para impulsar la unidad de chip de la energía, MCU, LCD, cargador de batería y la comunicación deben tenerse en cuenta antes de diseñar una fuente de alimentación. Figura 12 muestra el diagrama de bloques de una fuente de alimentación típica utilizada en medidores inteligentes. En primer lugar la línea de CA tensión es rectificada a través de un puente de diodos. Algunas veces, la tensión de CA se rebaja antes de la rectificación. Entonces la salida de tensión no regulada se alimenta a un convertidor de DC-DC o un regulador de IC. Un convertido de DC-DC consiste en un inductor, un capacitor, y un interruptor electrónico. El interruptor electrónico en este convertidor puede ser un MOSFET, IGBT o transistor de potencia. Además, un regulador de IC se utiliza en lugar de un convertidor de DC-DC. La unidad de carga de la batería controla una batería recargable [Weranga et al, 2014].

Figura 12 Diagrama de bloques de una fuente de alimentación (adaptada de

[Weranga et al, 2014]).

Red de AC rectificador convertidor filtro filtroalimentacion

cargador de bateria

24

2.6.6 Unidad de Medida de la Energía

El acondicionamiento de señal, ADC, y el cálculo se realiza dentro de la unidad de medida. La Unidad de medición de energía podría ser mediante un chip o el propio sistema MCU. Modernos chips de medición de energía tienen Procesadores Digitales de Señales (DSP) para realizar los cálculos de acondicionamiento de señal, ADC y el cálculo de la energía. Estos chips se pueden encontrar como chips de medición de energía monofásica o chips de medición de energía bifásica. Proporcionan activa, reactiva y potencia aparente e información sobre la frecuencia (pulso) de salida. Voltaje RMS, corriente RMS, la frecuencia, la medición de temperatura actual, detección de manipulaciones, la administración de energía, etc. Algunos chips operan en un solo cuadrante mientras que otros funcionan en dos o cuatro cuadrantes. Están diseñados según la norma IEC y normas de precisión ANSI.

2.6.7 Microcontrolador

Un microcontrolador es un circuito integrado o “chip” (es decir, un dispositivo electrónico que integra en un solo encapsulado un gran número de componentes) que tiene la característica de ser programable. Es decir, que es capaz de ejecutar de forma autónoma una serie de instrucciones previamente definidas por el usuario. Todas las funciones dentro del medidor inteligente se llevan a cabo por la MCU. Se considera como el núcleo del medidor. Controla las siguientes funciones:

• La comunicación con el chip de medición de energía

• Los cálculos basados en los datos recibidos

• Mostrar parámetros eléctricos , tarifa y el costo de la electricidad

• La lectura de la tarjeta inteligente

• Detección de manipulación

• Gestión de datos con EEPROM

• La comunicación con otros dispositivos de comunicación

• La administración de energía.

Los medidores inteligentes están normalmente diseñados con una pantalla LCD. Por lo tanto el consumidor es actualizado con tarifas y cortes de energía. A veces las señales de alarma se generan para advertir a los consumidores de altas tarifas y las mayores exigencias. Algunos medidores usan paso a paso contadores de motor en lugar de una pantalla LCD para visualizar los consumos de energía. Aquellas funciones también son manejadas por el MCU externo [Weranga et al, 2014].

25

2.6.8 Reloj en Tiempo Real

Reloj en tiempo real es un componente de hardware esencial en todos los contadores inteligentes que realiza un seguimiento de la hora actual. Proporciona información en tiempo y fecha y señales de alarma. La mayoría de los contadores inteligentes tienen un RTC (Reloj de Tiempo Real) impulsado por separado una unidad que se puede acceder por la MCU del medidor. La mayoría de ellos utilizan razonable CCR precisos. Los medidores inteligentes conectados a una red inteligente se sincronizan periódicamente con el tiempo real. Los medidores que no están conectados a dicha red deben tener una alta RTC exacta o deben ser corregidas por el tiempo a intervalos regulares.

2.6.9 Sistema de Comunicación

El sistema que se compone de contadores inteligentes, pasarela de comunicación, inteligente control y gestión de datos se conoce como el IAM. Varios protocolos de comunicación se utilizan en el IAM. IAM puede constar con una HAN, una red de área Barrio (NAN) y una WAN. Los medidores inteligentes son los elementos clave en el IAM que necesitan para comunicarse con electrodomésticos, otro tipo de medidores (normalmente agua y medidores de gas), vecino de contadores inteligentes, y el proveedor de energía. HAN se utiliza para establecer un enlace de comunicación entre el medidor inteligente y la aparatos inteligentes, otros medidores, pantalla en el hogar, y la unidad de micro generación. HAN proporciona una gestión centralizada de la energía, los servicios y las instalaciones. El protocolo de comunicación puede ser un medio de comunicación por cable o inalámbricos. Zig-Bee, Z-Wave, Wi-Fi, y Power Line Communication (PLC) se utilizan ampliamente en protocolos HANs. PLC podría ser un enfoque rentable para un HAN pero tiene muchos inconvenientes debido a su robustez. Zig-Bee y su comunicación ha sido reconocido como un costo efectivo, menor complejidad, de baja potencia, y los medios de comunicación fiables para manejar un HAN [Weranga et al, 2014].

2.7 ESPECIFICACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS METROLÓGICAS Y

DE FUNCIONAMIENTO DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA

Las características metrológicas de un instrumento de medida son los datos de relaciones entre sus lecturas y las medidas de las magnitudes que interaccionan con él. El fabricante debe indicar:

Valores asignados o los rangos para todas las magnitudes aplicables

26

Rango de referencia

Condiciones

Límites o alcances

Condiciones de almacenamiento

Condiciones de transporte

Las características de funcionamiento, o prestaciones son las características de un instrumento de medida que definen su capacidad para cumplir las funciones deseadas. El fabricante debe informar también sobre la incertidumbre instrumental.

2.10 INCERTIDUMBRE EN LAS MEDIDAS

De acuerdo a las normas actuales, las características de funcionamiento de los instrumentos de medida electrónicos no incluyen ninguna especificación de sus errores, porque desde la última década del siglo XIX, la expresión clásica de la precisión y la exactitud de los instrumentos y de las medidas en términos de “valor verdadero” y “error” ha ido siendo reemplazada por una expresión en términos de “incertidumbre” [Areny, 2007].

2.11 EXACTITUD

La exactitud de un instrumento de medida es el grado de concordancia entre su resultado y el valor de la magnitud medida. El valor de la magnitud también conocido como valor verdadero o valor real es el valor que se obtendría al medirla con un instrumento perfecto. Como ningún instrumento es perfecto se sustituye por el denominado valor convencionalmente verdadero, que es el obtenido al medir con un instrumento de referencia [Areny, 2007]. También la exactitud de medición la podemos definir como la proximidad de la concordancia entre el resultado de una medición y el valor verdadero del mensurando. La exactitud de medición es la propiedad global desde el punto de vista de los errores. La exactitud de la medición es tanto mayor cuanto más cerca del valor verdadero están los resultados [NMX, 1997].

2.12 PRECISIÓN

La precisión es el grado de concordancia entre resultados de medida independientes obtenidos en las condiciones estipuladas. La precisión es cuantificada mediante una varianza de precisión, o su raíz cuadrada positiva, que es la desviación típica de precisión, a partir de la cual se calcula el límite

27

de precisión, que es un valor numérico que representa la diferencia máxima probable, con un nivel de probabilidad dado, normalmente se considera un nivel de probabilidad de 0,95 [Areny, 2007].

2.13 ERROR ABSOLUTO

El error o error absoluto de una medida es la diferencia entre el resultado y el valor de la magnitud [Areny, 2007]. El error de medición, por simplificación error, lo podemos definir como el resultado de una medición menos el valor verdadero del mensurando, siendo este último, en la práctica, el valor convencionalmente verdadero [NMX, 1997].

2.14 ERROR RELATIVO

Es el cociente entre el error absoluto y el valor de la magnitud, que por ser indeterminado se sustituye por el valor convencionalmente verdadero [Oscar, 2013]. El error absoluto, no suministra información sobre la calidad de la medición, es por esto que es necesario relacionarlo con el valor convencionalmente verdadero. Así tenemos que el error de medición dividido entre un valor verdadero del mensurando le denominamos error relativo. Puesto que un valor verdadero no puede ser determinado, en la práctica se utiliza un valor convencionalmente verdadero [NMX, 1997].

28

CAPÍTULO 3

DESARROLLO EXPERIMENTAL

3.1 ESTRUCTURA DEL PROTOTITPO

En Figura 13 se muestra el diagrama a bloques de la estructura que tendrá el medidor propuesto para este trabajo. En la primera parte se tiene la adquisición de las señales tanto de corriente como de tensión, como bien se sabe la mayoría de los dispositivos electrónicos son incapaces de trabajar con tensiones y corrientes muy elevadas, es poe esto que se condicionan estas señales en la segunda etapa ya que el microcontrolador que se utilizará no opera a más de 5 Volts, una vez censada la tensión mediante un arreglo de resistencias se lleva a valores pequeños para que pueda trabajar el microcontrolador sin ningún inconveniente. Se convierten las señales analógicas a digitales dentro del MCU (Unidad de Microcontrolador) en el siguiente bloque. Una vez que las señales de tensión y de corriente están siendo procesadas por el MCU, en seguida se calcula la potencia y el valor monetario de la misma. Como último punto se tiene la comunicación que será vía Ethernet para que el usuario por medio de un dispositivo móvil o una PC pueda visualizar su consumo de energía.

Figura 13 Diagrama general que muestra los distintos componentes del prototipo de

medición.

adquisición de señal

Acondicionamiento de la señal

conversión ADC en el MCU

comunicación

29

3.2 PROTOTIPO DE MEDICIÓN

En la integración de los aparatos de medición de energía eléctrica en las diferentes áreas donde se ve la necesidad de tener un censo de dicho parámetro se involucran diversos factores que son indispensables para la correcta aplicación de los diversos prototipos tales como: nivel de tensión, carga, área geográfica, selección de material, procesos de manufactura, simulación y demás que son importantes para el desarrollo de un aparato funcional que proporcione información verídica.

3.2.1 Adquisición de la señal

Como se observa en el diagrama a bloques el primer paso a realizar en este trabajo es la adquisición de las señales con las que se trabajara las cuales son corriente y tensión del sistema. Debido a que se estará trabajando con un microcontrolador el cual solo se puede energizar de 0 a 5v, por lo tanto las señales tanto de tensión como de corriente se tienen que reducir de tal manera que el Arduino uno no tenga problemas al manejar dichos parámetros. En la Figura 14 se muestra el sensor que se utilizará para la detección de la corriente.

Figura 14 Sensor de Corriente (adaptada de [Robodacta, 2014]).

30

3.2.2 Sensor de Tensión

En la industria eléctrica así como en sus diferentes campos los aparatos electrónicos no son capaces de trabajar a niveles elevados de tensiones y es por ello que se recurre a la transformación de la tensión a niveles aceptables y confiables para los dispositivos electrónicos. Los niveles de tensión en un sistema son inestables es por eso que para este prototipo se utilizara un transformador de 127 a 9 volts.

3.2.3 Acondicionamiento de la señal de Tensión

Es preciso acondicionar la señal de tensión para que el Arduino procese el parámetro especificado. Como la señal de tensión del sistema es demasiado grande para que el Arduino uno la procese, mediante un arreglo de resistencias esta señal es posible de leer para el microcontrolador, en la Figura 15 se muestra el diagrama que se aplicará para atenuar la señal de tensión.

Figura 15 Arreglo de resistencias para la señal de tensión (adaptada de [Robodacta,

2014]). El propósito de las resistencias R3 y R4 es elevar la señal senoidal para que al momento de hacer un muestreo de la señal no se registren valores negativos ya que podrían causar mediciones erróneas, en la Figura 16 se observa la señal de tensión elevada y acoplada a un nivel de CD para que el MCU pueda procesar la señal.

31

Figura 16 Señal de tensión

3.2.4 Acondicionamiento de la señal de Corriente

Para que el Arduino uno observe la corriente mediante un sensor esta señal se simplifica con un arreglo de resistencias en la Figura 17 se puede observar el diagrama que se implementará para simplificar la corriente.

Figura 17 acondicionamiento de la señal de corriente (adaptada de [Robodacta,

2014]).

32

3.3 CALIBRACIÓN DE LOS SENSORES

3.3.1 Sensor de Corriente

De acuerdo a la hoja de especificaciones Figura 18 se tiene la gráfica de calibración como se muestra en la Figura 19 para el sensor a utilizar en dicho proyecto.

Figura 18 hoja de especificaciones del sensor (adaptada de [Robodacta, 2014]).

Figura 19 grafica de calibración del sensor (adaptada de [Robodacta, 2014]).

3.4 CONVERSION ADC EN EL MCU

Como ya se mencionó antes se trabajara con una placa Arduino uno la cual dispone de 6 entradas analógicas (en forma de pines hembra etiquetados como “A0”, “A1”... hasta “A5”) que pueden recibir voltajes dentro de un rango de valores continuos de

33

entre 0 y 5 V. No obstante, la electrónica de la placa tan solo puede trabajar con valores digitales, por lo que es necesaria una conversión previa del valor analógico recibido a un valor digital lo más aproximado posible. Esta se realiza mediante un circuito conversor analógico/digital incorporado en la propia placa. Por otro lado, hay que saber que el convertidor analógico/digital tarda alrededor de 100 microsegundos (0,0001s) en procesar la conversión y obtener el valor digital, por lo que el ritmo máximo de lectura en los pines analógicos es de 10000 veces por segundo. Esto hay que tenerlo en cuenta en nuestros sketches [Óscar, 2013].

3.5 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN

Existen diversos lenguajes de programación los cuales sirven para realizar trabajos específicos dentro de una placa MCU, para la placa Arduino uno se programara en un lenguaje parecido al ANSIC en la Figura 20 se muestra la placa que se utilizará para este proyecto. Por “lenguaje de programación” se entiende cualquier idioma artificial diseñado para expresar instrucciones (siguiendo unas determinadas reglas sintácticas) que pueden ser llevadas a cabo por máquinas. Concretamente dentro del lenguaje Arduino, encontramos elementos parecidos a muchos otros lenguajes de programación existente (como los bloques condicionales, los bloques repetitivos, las variables, etc.), así como también diferentes comandos –así mismo llamados “órdenes” o “funciones” – que nos permiten especificar de una forma coherente y sin errores las instrucciones exactas que queremos programar en el microcontrolador de la placa. Estos comandos los escribimos mediante el entorno de desarrollo en el Arduino uno. En general, la cantidad de bits de resolución que tiene un determinado conversor analógico/digital es lo que marca en gran medida el grado de precisión conseguida en la conversión de señal analógica a digital, ya que cuantos más bits de resolución tenga, más fiel será la transformación. Por ejemplo, en el caso concreto del conversor incorporado en la placa Arduino, si contamos el número de combinaciones de 0s y 1s que se pueden obtener con 10 posiciones, vemos que hay un máximo de 210 (1024) valores diferentes posibles. Por tanto, la placa Arduino puede distinguir para el voltaje digital desde el valor 0 hasta el valor 1023 [Óscar, 2013].

34

Figura 20 Placa Arduino uno

El hardware libre (también llamado “open-source” o “de fuente abierta”) comparte muchos de los principios y metodologías del software libre. En particular, el hardware libre permite que la gente pueda estudiarlo para entender su funcionamiento, modificarlo, reutilizarlo, mejorarlo y compartir dichos cambios. Para conseguir esto, la comunidad ha de poder tener acceso a los ficheros esquemáticos del diseño del hardware en cuestión (que son ficheros de tipo CAD). El objetivo del hardware libre es, por lo tanto, facilitar y acercar la electrónica, la robótica y en definitiva la tecnología actual a la gente, no de una manera pasiva, meramente consumista, sino de manera activa, involucrando al usuario final para que entienda y obtenga más valor de la tecnología actual e incluso ofreciéndole la posibilidad de participar en la creación de futuras tecnologías es por esto que se decidió por utilizar esta placa para el proyecto.

3.6 PROGRAMACIÓN

Una vez hecha la conversión de las señales analógicas de tensión y de corriente se realiza la programación para obtener los parámetros especificados en el trabajo. Un programa diseñado para ejecutarse sobre un Arduino uno (un “sketch”) siempre se compone de tres secciones: La sección de declaraciones de variables globales: ubicada directamente al principio del sketch. La sección llamada “void setup()”: delimitada por llaves de apertura y cierre.

35

La sección llamada “void loop()”: delimitada por llaves de apertura y cierre. La primera sección del sketch (que no tiene ningún tipo de símbolo delimitador de inicio o de final) está reservada para escribir, tal como su nombre indica, las diferentes declaraciones de variables que necesitemos. En el interior de las otras dos secciones (es decir, dentro de sus llaves) deberemos escribir las instrucciones que deseemos ejecutar en nuestra placa, teniendo en cuenta lo siguiente:

Las instrucciones escritas dentro de la sección “void setup()” se ejecutan una

única vez, en el momento de encender (o resetear) la placa Arduino.

Las instrucciones escritas dentro de la sección “void loop()” se ejecutan justo

después de las de la sección “void setup()” infinitas veces hasta que la placa se

apague (o se resetee). Es decir, el contenido de “void loop()” se ejecuta desde la

1ª instrucción hasta la última, para seguidamente volver a ejecutarse desde la

1ª instrucción hasta la última, para seguidamente ejecutarse desde la 1ª

instrucción hasta la última, y así una y otra vez.

Por tanto, las instrucciones escritas en la sección “void setup()” normalmente sirven para realizar ciertas pre-configuraciones iniciales y las instrucciones del interior de “void loop()” son, de hecho, el programa en sí que está funcionando continuamente. La corriente y tensión alterna oscilan en el tiempo de ahí el nombre de alterna, es por esto que para determinar la potencia consumida en una casa habitación se necesita los valores RMS de las dos señales y para determinar el valor cuadrático medio de estas señales se toman en cuenta las siguientes consideraciones [óscar, 2013]. Con todo lo anterior solo se está obteniendo el valor cuadrático medio que es el valor RMS de la señal de tensión y de corriente en un ciclo (16ms), debido a que la tensión de red ha sido reducida a niveles que el MCU pueda procesar es necesario multiplicar la función por una constante. Para corroborar los resultados de las mediciones de tensión se utilizó una fuente regulada a 127.1 volts la cual se muestra en la Figura 21.

36

. Figura 21 Inversor trifásico [Fuente, 2014].

Cabe mencionar que para trabajos futuros se empleara este patrón para una mejor calibración del sistema propuesto. En la figura 22 se muestra el ajuste por computadora de la fuente para que nos entregará 127.1 volts RMS y poder corroborar los resultados de nuestro prototipo.

Figura 22 Ajuste de parámetros para el inversor

3.7 FRECUENCIA DE MUESTREO

El criterio de muestreo de Nyquist el cual dice: Sea x(t) una señal de banda limitada con X(jw)=0 para |w|>wM. Entonces x(t) se determina unívocamente mediante sus muestras x(nT), n=0,±1, ±2,…, si

37

Dónde:

Dadas estas muestras, podemos reconstruir X(t) generando un tren de impulsos sucesivos tengan amplitudes que correspondan a valores de muestras sucesivas. Este tren de impulsos es entonces procesado a través de un filtro pasa bajas ideal con ganancia T cuya frecuencia de corte sea mayor que wM y menor que ws-wM. La señal de salida resultante será exactamente igual a x(t) [Alan V., 1998]. Una vez que se ha hecho el análisis de los parámetros que se necesitan para el proyecto se realizó la programación en el Arduino uno, así como el circuito en un protoboard en la Figura 23 se muestra el circuito electrónico.

Figura 23 Circuito electrónico de censo de tensión.

(3.1)

(3.2)

38

3.8 ALGORITMO PARA LA DETERMINACIÓN DE TENSIÓN Y

CORRIENTE RMS

Como se mencionó en el apartado de “condición de la señal” a continuación se muestra en la Figura 24 un diagrama de bloques para la determinación del valor RMS de la señal de tensión en el Arduino uno.

Figura 24 diagrama a bloques para la determinación de la tensión RMS

En la Figura 25 se muestra un diagrama a bloques para la determinación del valor RMS de la corriente.

39

Figura 25 diagrama a bloques para la determinación de la corriente RMS

En el Anexo 1 se muestra el programa a detalle de lo anterior, así mismo en el Anexo 2 se muestra a detalle la comunicación del prototipo vía Ethernet.

40

3.9 CALIBRACIÓN DEL PROTOTIPO

Para la calibración de la tensión y corriente se utilizó un multímetro digital CRAFTS 82138 ya que su resolución es mejor que en UT231 en la Figura 26 se muestra la hoja de especificaciones de este aparato.

Figura 26 hoja de especificaciones CRAFTSMAN [Multimeter, 2014]

En la tabla número 2 se observa la relación de medición del prototipo y el aparato patrón con el que se realizó la calibración.

Tabla 2 Error relativo de la medición de tensión Título de Tabla

Carga total Aparato patrón Prototipo %er

120 W

125.35 0.05

126.1 126.01 0.09

125.4 125.98 -0.58

126.0 126.07 0.07

125.6 125.96 -0.36

126.3 126.20 0.1

41

Para la corriente se obtuvo la siguiente tabla para determinar el porcentaje de error en la medición.

Tabla 3 Error relativo de la Medición de la Corriente

Carga total Aparato patrón Prototipo %er

120 W

0.93 0.91 0.02

0.93 0.92 0.01

0.93 0.91 0.02

0.93 0.91 0.02

0.93 0.92 0.01

0.93 0.92 0.01

Para la calibración del prototipo se utilizó el Digital Power Clam Meter UT231 en su función de wattmetro, en la Figura 27 se muestra el wattmetro con el que se calibrara el prototipo.

Figura 27 Gancho Amperometrico (adaptada de [Gancho Amperometrico, 2014]).

3.10 COMUNICACIÓN

En este prototipo el Arduino uno tendrá una extensión que será una placa Shield Ethernet, esta placa mediante una programación ya predeterminada nos permitirá enlazar la placa Arduino uno ya sea a un dispositivo móvil o una PC. La placa Shield Ethernet permite una comunicación bidireccional con los dispositivos antes mencionados con el fin de visualizar el proceso de que se lleva a cabo en la MCU, en este caso el monitoreo de la energía eléctrica así como la visualización de manera monetaria.

42

3.10.1 Dirección IP

Un dato que siempre ha de tener asignado una placa Shield Ethernet para que esta tenga conectividad a la red es una dirección IP. De hecho, cualquier dispositivo (como un computador) ha de tener configurada correctamente una dirección IP propia para poder formar parte de una red TCP/IP. La dirección IP es una etiqueta numérica formada por cuatro cifras, de valores entre 0 y 255 separados por un punto, que identifica a la tarjeta de red de un dispositivo (computador, placa Arduino Ethernet, etc.) dentro de la red de tipo TCP/IP. Cada tarjeta tiene una dirección IP exclusiva, por lo que, utilizando estas direcciones los dispositivos pueden reconocerse y comunicarse entre sí. Un ejemplo de ip podría ser 192.168.0.1. En la Figura 28 se muestra la placa shield Ethernet que se utilizara en conjunto con la placa Arduino uno para hacer la comunicación a los dispositivos móviles y/o PC.

Figura 28 Placa Shield Ethernet

3.10.2 Envío de Información vía Ethernet

Una vez realizada la configuración del microcontrolador para el cálculo de la corriente, tensión, potencia, Kilowatts-hora y precio del consumo se agregó al programa donde se calcula lo antes mencionado el pre-programa que propone Arduino uno para la comunicación vía Ethernet, en el anexo 2 se puede observar a detalle el programa, si mismo se necesita conocer la IP de la red con la cual nos dirigimos al símbolo del sistema y se teclea <<ipconfig>> y enseguida se despliega una serie de comandos dentro de los cuales se identifica la IP, en l Figura 29 se muestra el despliegue de comandos de la computadora.

43

Figura 29 Direcciones de la red

Una vez conocida la IP de la red para su uso en el adaptador de Ethernet Ethernet se ingresa la dirección en el programa a cargar en el MCU, gracias a esta configuración y conservando la IP, misma que se utilizará para visualizar el trabajo realizado por el prototipo mediante un browser (Chrome, Internet Explorer, Mozilla, etc.). En la Figura 30 se muestra una impresión de pantalla de la comunicación del prototipo con el dispositivo móvil en este caso un celular.

Figura 30 Impresión de pantalla en el celular.

44

En la Figura 31 se muestra la impresión de manera monetaria del consumo, en este caso solo es el consumo de un foco.

Figura 31 Captura del consumo.

45

CAPÍTULO 4

CONCLUSIONES Se obtuvo la Potencia Activa de manera numérica obteniendo un error de 0.03% respecto la pinza digital medidora de potencia modelo UT-231 implementando un algoritmo para el cálculo de los valores RMS en el sistema Embebido. En este trabajo se integró una placa Shield Ethernet el cual mediante una dirección IP se logró visualizar los parámetros tanto potencia como el precio del consumo en el hogar cabe resaltar que este sistema se conecta a la red de internet con la posibilidad de ver la información de manera remota. Este sistema se une a la infraestructura digital ya existente y esto ayuda a disminuir los costos además de que la cantidad de personas con dispositivos móviles y computadoras está en aumento según datos de la Ifetel.

4.1 TRABAJOS FUTUROS

Se pretende utilizar la tarjeta Intel Edison con una dimensión de (24,0 x 32,0 x 2,1 mm) y con ello disminuir las dimensiones del sistema además de que incluye Wi-Fi y Bluetooth en la misma tarjeta, respecto del censado de tensión y corriente esto se realizara en dispositivos de montaje superficial.

46

REFERENCIAS [Óscar, 2013] ARDUINO Curso práctico de formación, Óscar Torrente Artero, 2013. [Alan V., 1998] 34. Sistemas y señales segunda edición, ALAN V. OPPENHEIM, ALAN S. WILLSKY S. HAMID NAWAD, 1998 [Lajara and Pelegri, 2014] J. R. Lajara and J. Pelegri, Sistemas Integrados con Arduino, Pimera Edición 2014. [Areny, 2007] R. P Areny, Instrumentos electrónicos Básicos, primera edición, 2007. [Óscar, 2013] Óscar Torrente Artero, ARDUINO Curso práctico de formación Primera Edición, 2013. [Weranga et al, 2014] K. S. K. Weranga, Sisil Kumarawadu, D. P. Chandima, Smart Metering Design and Applications, springer, 2014 [Miguel, 2008] Miguel de Jesús Zamora Peña, Jesús Arturo Gonzales García. “Estudio de la calidad en el consumo de la energía eléctrica residencial” tesis de licenciatura. IPN_ESIME México DF. 2008 p. 8-10. [Diego, 2009] Diego Herlindo Cortes Ramírez, Luis Javier Torres Pérez. “Distribución de Cargas en una Casa Habitación y Administración de la Energía para un Ahorro Económic” tesis de licenciatura. IPN_ESIME México DF. 2009, p. 33. [polo fancisco, 2005]). Polo Fancisco Padilla Monroy. “DESARROLLO DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE VARIABLES ELECTRICAS PARA UN SISTEMA DE BAJA TENSIÓN TIPO INDUSTRIAL”. Tesis de Maestría. IPN-SEPI_ESIME. México, 2005. [NOM, 2008] NOM-044-SCFI-2008, Watthorimetros Electromecánicos-Definiciones, Características y Métodos de Prueba. [NMX, 1997] NMX-Z-055-1997-IMNC. Exactitud de la medición, Error Absoluto y Error Relativo. [robodacta, 2014] artículos electrónicos en línea más información disponible en el portalhttp://www.robodacta.mx/index.php?dispatch=products.view&product_id=1135.

47

[Fuente, 2014] Fuente trifásica ajustable más información en el portal https://www.google.com.mx/search?q=artes+automatic+relay+test+system. Acceso 17 de noviembre del 2014 [Multimeter, 2014] Multimeter Digital más infomación en el portal http://www.searsoutlet.com/Multimeter/d/product_details.jsp?pid=13034&mode=seseeA. Acceso 17 de noviembre del 2014.

[Gancho Amperometrico, 2014] Gancho Amperometrico más información en el portal https://www.google.com.mx/search?q=unit-t+ut231. Acceso 17 de noviembre del 2014

[Medidor Inteligente, 2015] Medidor Inteligente disponible en línea en el portal https://www.google.com.mx/search?q=medidor+inteligente+trifasico [engineersgarage,2014] Medidores Eléctricos información disponible en línea en el portal http://www.engineersgarage.com/contribution/electronic-energy-meter acceso 17 de septiembre de 2014. [SCHNEIDER ELECTRIC, 2014] Medidor Digital SCHNEIDER ELECTRIC MEXICO.

2014 acceso 21 mayo 2014. Más información en el portal en línea

http://www.schneider-electric.com.

[GENERAL ELECTRIC, 2014] Medidor de Energía GENERAL ELECTRIC. 2014 acceso 21 de mayo del 2014 más informacion en el portal en línea http://www.geindustrial.com. [FLUKE MEXICO, 2014] Analizador de Redes FLUKE MEXICO 2014 acceso 21 de mayo del 2014 más información en el portal en lina http://www.fluke.com.

[INEGI,2015]

http://www.inegi.org.mx/prod_serv/contenidos/espanol/bvinegi/productos/inte

gracion/especiales/revista-

inter/num_1_2010/Doctos/RDE_Num01_Nov2010_Art06.pdf

[CFE, 2015]

http://cambioclimatico.inecc.gob.mx/comprendercc/qpodemoshacerparamitigar/co

moindividuos.html

[KillAwatt, 2015] Medidor de energía Kill A Watt más información en el portal en

línea http://www.p3international.com/products/p4400.html

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ANEXO 1 FUNCIONES PARA EL CÁLCULO DE LA POTENCIA

int t=100; void setup() Serial.begin(9600); int const N=9960; int i=0; int datoV; int datoI; float cuadI; float cuadV; long time; float RMSV; float RMSI; float Vrms; float Irms; float potencia; float const KV=.004789; float const KI=.00057; unsigned long time1, time2; float resta; float const hora=.00000027777; float KWh; float totalKWh=0; void loop() double sumacuadI=0; double sumacuadV=0; for(i=0;i<N;i++) time=micros(); datoV=analogRead(A0); datoI=analogRead(A1); datoV=datoV-511; datoI=datoI-511; cuadV=double(datoV)*double(datoV); sumacuadV=cuadV+sumacuadV; cuadI=double(datoI)*double(datoI); sumacuadI=cuadI+sumacuadI; while((micros()-time)<t);

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RMSV=sqrt(sumacuadV); RMSI=sqrt(sumacuadI); Vrms=RMSV*KV; Irms=RMSI*KI; potencia=Irms*Vrms; KWh=potencia*hora; totalKWh=KWh+totalKWh; Serial.print("Irms: "); Serial.println(Irms); Serial.print("Vrms: "); Serial.println(Vrms); Serial.print("potencia: "); Serial.println(potencia); Serial.print("totalKWh: "); Serial.println(totalKWh,DEC); delay(100);

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ANEXO 2 FUNCIONES PARA LA COMUNICACIÓN VÍA ETHERNET #include <SPI.h> #include <Ethernet.h> // Enter a MAC address and IP address for your controller below. // The IP address will be dependent on your local network: byte mac[] = 0x90, 0xA2, 0xDA, 0x0D, 0xB4, 0x83 ; byte ip[] = 192,168,1,70 ; // Initialize the Ethernet server library // with the IP address and port you want to use // (port 80 is default for HTTP): Server server(80); void setup() // start the Ethernet connection and the server: Ethernet.begin(mac, ip); server.begin(); void loop() // listen for incoming clients Client client = server.available(); if (client) // an http request ends with a blank line boolean currentLineIsBlank = true; while (client.connected()) if (client.available()) char c = client.read(); // if you've gotten to the end of the line (received a newline // character) and the line is blank, the http request has ended, // so you can send a reply if (c == '\n' && currentLineIsBlank) // send a standard http response header client.println("HTTP/1.1 200 OK"); client.println("Content-Type: text/html"); client.println();

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// output the value of each analog input pin for (int analogChannel = 0; analogChannel < 6; analogChannel++) client.print("analog input "); client.print(analogChannel); client.print(" is "); client.print(analogRead(analogChannel)); client.println("<br />"); break; if (c == '\n') // you're starting a new line currentLineIsBlank = true; else if (c != '\r') // you've gotten a character on the current line currentLineIsBlank = false; // give the web browser time to receive the data delay(1); // close the connection: client.stop();

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ANEXO 3

PRESUPUESTO

Tabla 4 Presupuesto del Diseño

Descripción Costo Unitario Cantidad Subtotal

Panel Perfocel 15 2 30

Socket 5 4 20

Cable calibre 14 10 10 100

Focos incandescentes

4 5 20

Termocontractil 5 4 20

Total diseño 190

Tabla 5Presupuesto de la Electrónica

Descripción Costo Unitario Cantidad Subtotal

Arduino Uno 390 2 780

Shield Ethernet 2 867 1734

Resistencias 1 20 20

Capacitores 2 5 10

Condutor dupont 3 10 30

Transformador 1 80 80

Transformados de corriente

2 208 416

Total 3070

Total final 3260