PROTOTIPO DE INSTALACIÓN ELÉCTRICA RESIDENCIAL...

PROTOTIPO DE INSTALACIÓN ELÉCTRICA RESIDENCIAL

GESTIONABLE PARA INTEGRAR EL USO DE FUENTES DE ENERGIA

RENOVABLE EN COLOMBIA.

PRESENTADO POR:

PAULA ALEJANDRA BAUTISTA AGUILAR

BRIAN NORBERTO DIAZ OSPITIA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C

2017

2

PROTOTIPO DE INSTALACIÓN ELÉCTRICA RESIDENCIAL

GESTIONABLE PARA INTEGRAR EL USO DE FUENTES DE ENERGIA

RENOVABLE EN COLOMBIA.

PRESENTADO POR:

PAULA ALEJANDRA BAUTISTA AGUILAR

Código: 20091007025

BRIAN NORBERTO DIAZ OSPITIA

Código: 20082007025

TRABAJO DE GRADO

DIRECTOR:

ALVARO ESPINEL ORTEGA. Ing.MSc.PhD.

CODIRECTOR:

ADRIANA MARACELA VEGA ESCOBAR. Ing.Msc.PhD(c)

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C

2017

3

TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO .............................................................................................................. 3

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 10

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN ...................................................... 13

3. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 15

3.1. OBJETIVO GENERAL:..................................................................................................... 15

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ............................................................................................. 15

4. MARCO DE REFERENCIA .................................................................................................. 16

4.1. MEDIDORES DE ENERGIA ........................................................................................ 16

4.2. DOMOTICA .............................................................................................................. 18

4.3. MEDICIÒN DE CORRIENTE: ...................................................................................... 19

4.4. FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLE: ........................................................................ 20

5. BASES NORMATIVAS PARA LAS INSTALACIONES RESIDENCIALES .................................. 23

6. HARDWARE ..................................................................................................................... 28

6.1. SISTEMA MAESTRO .................................................................................................. 30

6.2. SISTEMA DE MEDICIÒN ............................................................................................ 31

6.3. SISTEMA DE CONMUTACIÒN: .................................................................................. 41

7. SOFTWARE ...................................................................................................................... 47

7.1 Subsistema de medida .................................................................................................. 50

7.2 Subsistema de control y consulta (PAGINA WEB) ......................................................... 51

8. PRUEBAS DE CALIBRACIÓN ............................................................................................. 61

9. RESULTADOS PRACTICOS ................................................................................................ 67

9.1 PRIMERA PRUEBA ......................................................................................................... 68

9.2 SEGUNDA PRUEBA ........................................................................................................ 72

9.3 TERCERA PRUEBA .......................................................................................................... 75

9.4 CUARTA PRUEBA ........................................................................................................... 79

9.5 QUINTA PRUEBA ........................................................................................................... 82

9.6 SEXTA PRUEBA .............................................................................................................. 84

9.7 Resumen de las pruebas: .............................................................................................. 87

9.8 Análisis de resultados según enfoques: ........................................................................ 89

9.8.1 Enfoque Medio Ambiental ..................................................................................... 89

4

9.8.2 Enfoque Económico ............................................................................................... 90

9.8.3 Ahorro energético .................................................................................................. 97

9.8.4 Enfoque Social ........................................................................................................ 98

9.8.5 Enfoque Energético ................................................................................................ 99

10. LIMITACIONES ........................................................................................................... 101

11. PROYECCION Y TRABAJOS FUTUROS ........................................................................ 102

11.1 Proyección Futura ..................................................................................................... 102

11.2 Trabajos Futuros ....................................................................................................... 104

12. CONCLUSIONES ......................................................................................................... 106

13. REFERENCIAS: ........................................................................................................... 109

14. ANEXOS ..................................................................................................................... 112

5

LISTADO DE FIGURAS

Figura 1 Participación Porcentual por agente en el consumo de energía Eléctrica [1] ........... 10 Figura 2 Variación Anual Colombia Precio Energía Vs Inflación [1] ................................... 11 Figura 3 Prototipo de instalación eléctrica gestionable ........................................................... 12 Figura 4 Topología estática de una instalación eléctrica residencial ..................................... 13 Figura 5. Relación de las curvas de carga diarias para diferentes años. Fuente [4] ............... 13 Figura 6 Carátula de un medidor electromecánico. [6] ........................................................... 16 Figura 7 Partes constitutivas de un galvanómetro [13] ........................................................... 19 Figura 8 Micro amperímetro comercial utilizado para medir corriente alterna [13] ............... 19 Figura 9 Diagrama unifilar Prototipo de instalación eléctrica Gestionable ........................... 29 Figura 10 Tiempos de escritura serial ADE7763 [32] ............................................................ 32 Figura 11 Tiempos de lectura serial ADE7762 [32] ............................................................... 32 Figura 12 Comportamiento de la comunicación SPI por defecto de la librería de Arduino® 33 Figura 13. Modo 0 SPI, [33] ................................................................................................... 33 Figura 14. Modo 1 SPI, [33] ................................................................................................... 34 Figura 15 Registros por defecto del ADE7763 [32] ............................................................... 34 Figura 16 Resultados del protocolo de pruebas de la comunicación SPI ................................ 36 Figura 17. Ganancia ADE7763, [32] ...................................................................................... 36 Figura 18 Circuito implementado, [32] ................................................................................... 37 Figura 19 Circuito del sensor ACS714, [34] ........................................................................... 38 Figura 20 Grafica del comportamiento de la tensión de salida contra la corriente censada. [34]

................................................................................................................................................ 38 Figura 21 Circuito de entrada para el ADE7763 con el sensor de corriente ACS714 ............ 38 Figura 22. Circuito de entrada al canal 2 (Tensión) Pines 6 y 7 ADE7763 ........................... 39 Figura 23 Integración en el módulo ADE7763 [32]. .............................................................. 40 Figura 24 configuración interna Integrado 74LS04 [35] ........................................................ 42 Figura 25 Esquema de conexión total del sistema .................................................................. 45 Figura 26 Montaje físico de la instalación ............................................................................. 46 Figura 27 Montaje físico de los medidores ............................................................................ 46 Figura 28 Diagrama UML Software ....................................................................................... 47 Figura 29 Variables necesarias dentro del software ................................................................ 47 Figura 30 Diagrama de actividades general ............................................................................ 48 Figura 31 Diagrama de despliegue.......................................................................................... 49 Figura 32 Diagrama de actividades para subsistema de medida ............................................ 50 Figura 33 Tablas para almacenamiento de usuarios y variables eléctricas en la base de datos

................................................................................................................................................ 52 Figura 34 Tabla de usuarios y contraseña ............................................................................... 52 Figura 35 Tabla de Variables Eléctricas ................................................................................. 53 Figura 36 Página de recopilación de usuario y contraseña .................................................... 55 Figura 37 Página inicial de presentación ................................................................................ 56 Figura 38 Página de Parámetros Eléctricos ............................................................................ 57 Figura 39 Página de control de la instalación ......................................................................... 59 Figura 40 Página Gráfico de Consumo ................................................................................... 59

6

Figura 41 Pagina Créditos ....................................................................................................... 60 Figura 42 Inversor de 300[W] onda modificada a 12 [Vdc] 110 [Vac] Figura 43 Batería de 18

[A*h] a 12[V]. ......................................................................................................................... 68 Figura 44 Medición de la prueba 1 desde la interfaz WEB ................................................... 68 Figura 45 Medición de la prueba 2 desde la interfaz WEB .................................................... 72 Figura 46 Medición de la prueba tres desde la interfaz WEB ................................................. 76 Figura 47 Medición de la prueba cuatro desde la interfaz WEB ............................................ 79 Figura 48 Medición de la prueba cinco desde la interfaz WEB .............................................. 82 Figura 49 Medición de consumo de la prueba seis desde la interfaz WEB ............................ 85 Figura 50 Proyección circuito medidor ADE7763 3x3cm ..................................................... 93 Figura 51 .Especificaciones alimentación ADE7763 [32] .................................................... 112 Figura 52 .Especificaciones de comunicación ADE7763 [32] ............................................. 112

7

LISTADO DE GRAFICAS

Gráfica 1 Valores del registro de tensión del ADE comparado con la tensión del variac leída

con el PQA .............................................................................................................................. 62 Gráfica 2 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número uno ....................... 70 Gráfica 3 Distorsiones armónicas para la prueba uno ............................................................ 71 Gráfica 4 Prueba de consumo energía .................................................................................... 73 Gráfica 5 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número dos. ...................... 73 Gráfica 6 Distorsiones armónicas para la prueba dos ............................................................ 75 Gráfica 7 Consumo energía prueba tres ................................................................................. 76 Gráfica 8 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número tres. ...................... 78 Gráfica 9 Distorsiones armónicas para la prueba tres ............................................................ 79 Gráfica 10 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número cuatro. ................ 80 Gráfica 11 Distorsiones armónicas para la prueba cuatro ...................................................... 81 Gráfica 12 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número cinco. ................. 83 Gráfica 13 Distorsiones armónicas para la prueba cinco ....................................................... 84 Gráfica 14 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número seis. .................... 86 Gráfica 15 Distorsiones armónicas para la prueba seis .......................................................... 87 Gráfica 16 Consumo energía para las pruebas tres, cuatro, cinco y seis ................................ 97 Gráfica 17 Tiempos de respuesta prueba cinco (5) ............................................................. 100 Gráfica 18 Tiempo de respuesta prueba seis (6) ................................................................. 100 Gráfica 19 Valores del registro de tensión del ADE comparado con la tensión del variac

leída con el PQA .................................................................................................................. 113 Gráfica 20 Valores del registro de corriente del ADE comparado con la corriente

suministrada a la carga leída con el multímetro de precisión .............................................. 113 Gráfica 21Valores del registro de corriente del ADE comparado con la corriente

suministrada a la carga leída con el PQA ............................................................................. 114 Gráfica 22 Valores del registro de tensión del segundo ADE implementado comparado con

la tensión del variac leída con el multímetro de precisión para la fuente renovable ............. 114 Gráfica 23 Valores del registro de tensión del segundo ADE implementado comparado con

la tensión del variac leída con el PQA para la fuente renovable ........................................... 115 Gráfica 24 Valores del registro de corriente del segundo ADE implementado comparado con

la corriente suministrada a la carga leída con el multímetro de precisión para la fuente

renovable ............................................................................................................................... 115 Gráfica 25 Valores del registro de corriente del segundo ADE implementado comparado con

la corriente suministrada a la carga leída con el PQA para la fuente renovable ................... 116

8

LISTADO DE TABLAS

Tabla 1 Referencias de ADE enfocadas al monitoreo de variables eléctricas [9] ................... 18 Tabla 2. Comparación sensores de corriente .......................................................................... 20 Tabla 3 Artículos a tener en cuenta RETIE [18] .................................................................... 24 Tabla 4 Artículos a tener en cuenta NTC2050 [19] ................................................................ 25 Tabla 5 Artículos a tener en cuenta Ley 1715 de 2014 [2] ..................................................... 27 Tabla 6 Cuadro Comparativo Relés De Estado Solido Frente A Relés Electromecánicos ..... 44 Tabla 7 Resultados obtenidos a partir de una serie de mediciones ........................................ 61 Tabla 8 Ecuaciones de calibración de tensión para el ADE de la red de distribución de energía

eléctrica ................................................................................................................................... 62 Tabla 9 Ecuaciones de calibración de Corriente para el ADE de la red de distribución de

energía eléctrica ...................................................................................................................... 62 Tabla 10 Porcentajes de error de la medida de tensión [V] obtenida del integrado ADE7763

contra los equipos de medida utilizados como referencia. ...................................................... 63 Tabla 11 Porcentajes de error de la medida de corriente [A] obtenida del integrado ADE7763

contra los equipos de medida utilizados como referencia. ...................................................... 64 Tabla 12 Resultados obtenidos a partir de una serie de mediciones para el segundo integrado

utilizado .................................................................................................................................. 64 Tabla 13 Ecuaciones de calibración de tensión y corriente para el ADE de la fuente no

convencional ........................................................................................................................... 64 Tabla 14 Porcentajes de error de la medida de tensión [V] obtenida del segundo integrado

ADE7763 contra los equipos de medida utilizados como referencia...................................... 65 Tabla 15 Porcentajes de error de la medida de corriente [A] obtenida del segundo integrado

ADE7763 contra los equipos de medida utilizados como referencia...................................... 66 Tabla 16 Constante de calibración para conteo de energía ..................................................... 66 Tabla 17 Cargas implementadas en las pruebas ...................................................................... 67 Tabla 18 Porcentajes de variación del nivel de tensión de las fuentes implementadas prueba

uno .......................................................................................................................................... 71 Tabla 19 Porcentajes de variación del nivel de tensión de las fuentes implementadas prueba

dos ........................................................................................................................................... 75 Tabla 20 Porcentajes de variación del nivel de tensión de las fuentes implementadas prueba

tres ........................................................................................................................................... 78 Tabla 21 Porcentajes de variación del nivel de tensión de las fuentes implementadas prueba

cuatro ...................................................................................................................................... 81 Tabla 22 Porcentajes de variación del nivel de tensión de las fuentes implementadas prueba

cinco ........................................................................................................................................ 83 Tabla 23 Porcentajes de variación del nivel de tensión de las fuentes implementadas prueba

seis .......................................................................................................................................... 87 Tabla 24 Tabla resumen de las pruebas .................................................................................. 89 Tabla 25 Costos promedio de las instalaciones eléctricas actuales. (Precios a octubre de 2016)

................................................................................................................................................ 90 Tabla 26 Presupuesto (Precios a octubre de 2016) ................................................................. 92 Tabla 27 Costos circuitos impresos (Precios a octubre de 2016). ........................................... 93

9

Tabla 28 Costos anexos para la instalación del prototipo ....................................................... 94 Tabla 29 Costo total proyectado sin incluir mano de obra ...................................................... 94 Tabla 30 Beneficio Costo ........................................................................................................ 95 Tabla 31 Incentivos para el uso de fuentes de energia renovable ley 1715 [2] ....................... 96 Tabla 32 Posibles fallas del sistema ....................................................................................... 98 Tabla 33 Proyección de uso del prototipo en hogares [1] ..................................................... 104

10

1. INTRODUCCIÓN

A continuación, se presenta la descripción detallada del proyecto titulado:

“PROTOTIPO DE INSTALACIÓN ELÉCTRICA GESTIONABLE PARA

FACILITAR EL USO DE FUENTES DE ENERGIA RENOVABLE EN

COLOMBIA” el cual fue desarrollado para acceder al título de ingeniero Eléctrico en

la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Dentro del mercado energético en Colombia uno de los aspectos de mayor relevancia

para los usuarios es el comportamiento del precio del servicio; considerando

claramente las variaciones frente a su consumo que se ven directamente relacionados

con los cambios que el precio presente.

De acuerdo a la UPME (Unidad de Planeación Minero Energética) la mayor parte del

consumo de energía eléctrica durante la última década provino del sector residencial;

ya que este pasó de representar el 35% del consumo total de energía en el año 2003, a

ser del 42% a finales del año 2014 como se observa en la Figura 1.

Figura 1 Participación Porcentual por agente en el consumo de energía Eléctrica [1]

Así mismo, la disminución de la oferta de energía eléctrica por parte de algunos

generadores, asociada a la reducción de las fuentes hídricas por el fenómeno del niño,

llevó al incremento en los precios de la electricidad, con mayor intensificación en el

sector no regulado, que alcanzó el 21,4% a marzo 2016 como se observa en la Figura

2. Además, en cuanto a los precios de electricidad para el sector regulado donde se

encuentra el nivel residencial en Colombia, el incremento fue de 8,3% superior a la

inflación de precios al consumidor, que fue 8% también para el mes de marzo de2016.

11

Figura 2 Variación Anual Colombia Precio Energía Vs Inflación

[1]

A partir del escenario mencionado, donde el sector residencial corresponde a un 42%

dentro del ámbito energético en Colombia y los precios de la energía en aumento, se

puede hablar sobre las soluciones e iniciativas que han venido surgiendo a lo largo de

los últimos años, tanto a nivel nacional como internacional, con el fin de minimizar el

consumo de energía eléctrica en los diferentes sectores, en este caso particular el sector

residencial. Esto se atribuye directamente al desarrollo de las energías no

convencionales o energías renovables y a su incorporación dentro del ámbito

residencial en Colombia; por lo cual se ha propuesto un proyecto de investigación

orientado a incentivar el uso de dichas fuentes no convencionales de energía renovable

(FNCER según ley 1715 de 2014 [2]) a partir de la implementación de una instalación

eléctrica de topología variable, la cual será capaz de generar un constante monitoreo de

las variables eléctricas (tensión, corriente, energía) ejerciendo una acción sobre la

alimentación de las cargas.

Esto quiere decir que en el sistema se podrá elegir la fuente de alimentación eléctrica

de los circuitos de la instalación. Para esto se desarrolló un prototipo de instalación

conformada por un hardware y un software, que permite el monitoreo de las variables

eléctricas, además de facilitar el uso de la fuente de energía no convencional trabajando

en conjunto con la red de distribución de energía eléctrica y el software será capaz de

realizar acciones en cuanto a la fuente que alimentará la carga asociada a los circuitos

dependiendo de las variables y las condiciones dentro de la instalación como se observa

en la Figura 3. Cabe agregar que la fuente no convencional a usar no será objeto de

desarrollo por parte del proyecto, por lo que esta elección queda abierta al usuario que

tenga la posibilidad de instalar el prototipo. Algunos avances del sistema de medición

fueron publicados en el artículo escrito por los autores con título “Prototipo de un

sistema de medida para una instalación eléctrica residencial de topología variable”

[3] el cual se encuentra en el ANEXO 3.

12

Figura 3 Prototipo de instalación eléctrica gestionable [Autores]

El documento consta de 12 capítulos (sin incluir referencias y anexos) en donde está el

proceso que se realizó en cuanto al diseño y desarrollo del prototipo, iniciando con los

primeros tres (3) capítulos que se basan específicamente en el por qué se decidió

realizar este proyecto y cuáles son los objetivos principales para tener en cuenta en el

desarrollo del mismo. Desde el capítulo 4, se presenta una breve descripción conceptual

de los temas incorporados en la investigación. En el capítulo 5 se ven las normas a tener

en cuenta con la implementación del prototipo dentro de una instalación eléctrica

residencial, además de incorporar si es necesario nuevas propuestas a la normatividad

vigente. Los capítulos 6 y 7 muestran lo concerniente al hardware y software del

prototipo implementado. El capítulo 8 contiene las pruebas de calibración de los

medidores, el capítulo 9 contiene los resultados prácticos obtenidos en distintos

escenarios con la implementación del prototipo dentro de una instalación eléctrica

residencial, además de un análisis de los mismos según diferentes enfoques. En los

capítulos 10 y 11 se observan las limitaciones y proyecciones futuras determinadas por

el uso del prototipo, y por último en el capítulo 12 se encuentran las conclusiones del

desarrollo del proyecto.

13

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN

Dentro de las instalaciones eléctricas en Colombia realizadas a nivel residencial se

maneja una topología estática (Figura 4) que impide que ni el usuario sea capaz de

interactuar con ellas, ni ellas mismas sean capaces de solventar problemas de gestión

sobre su configuración. Por ejemplo, si hay una falla en la red y el usuario no posee

energía dentro de su instalación, esto detendría sus actividades cotidianas, sin la

posibilidad de encontrar alguna solución inmediata para proseguir con ellas.

Figura 4 Topología estática de una instalación eléctrica residencial [Autores]

Algunos de los problemas frente al consumo energético son atribuidos en su mayoría a

los usuarios residenciales, ya que dentro de algunas horas del día la demanda de energía

eléctrica tiende a aumentar a niveles considerables, generando elevaciones (picos), que

bien se representan en la curva de demanda diaria nacional (Figura 5). Esto se ve ligado

a un desperdicio en la capacidad instalada de algunas plantas generadoras (plantas de

respaldo), que son usadas frecuentemente solo para solventar la demanda en esas horas.

Figura 5. Relación de las curvas de carga diarias para diferentes años. Fuente [4]

14

El uso de las fuentes no convencionales de energía renovable (FNCER según la ley

1715) ha permitido generar un avance significativo en el área de la gestión eficiente de

la energía, así como lo menciona la ley 1715 expedida en mayo del 2014 [2]. A partir

de esto nace la posibilidad de usar dichas fuentes como generadores alternativos que

suplan la demanda de ciertas cargas comunes dentro de una instalación residencial,

generando un cambio dentro de la demanda solicitada y contribuyendo así al

aplanamiento de la curva de demanda diaria, para lo cual sería de importancia el

desarrollar e implementar nuevas bases y requerimientos para que las instalaciones

formen parte de un nuevo modelo de mercado. Si se proyectara hacia el futuro dicho

mercado en el país, se puede llegar a un cambio frente al consumo, ya que el usuario

se verá directamente obligado a bajar su demanda o cambiar sus hábitos diarios, para

que el costo de la energía no sobrepase su presupuesto. Todo esto gracias al cobro del

kilovatio-hora (kW*h) según el periodo de tiempo, así como ya se encuentra

implementado en España [5] donde a ciertas horas del día la energía tiene un precio

bajo y un precio alto en otras. Esto es de vital importancia para el usuario que tiene la

posibilidad de usar una fuente de respaldo como para el que no, tener la capacidad de

almacenamiento y entrega de energía para su demanda, según los aspectos económicos,

donde una topología dinámica y gestionable le abriría varias posibilidades de

administración sobre la energía consumida.

Siendo este proyecto directamente relacionado con la promoción y desarrollo de la ley

1715, frente a la gestión eficiente de la energía eléctrica y el uso de fuentes de energía

no convencionales, especialmente las de carácter renovable en Colombia. Se quiere

aportar aspectos técnicos y económicos basados en la incorporación de instalaciones

eléctricas residenciales gestionables, que permitan no solo a un usuario realizar

acciones directas (manuales), sino también realizar procesos automáticos para mejorar

la eficiencia energética fundamentados en la gestión de la instalación eléctrica,

tomando decisiones para establecer los mejores puntos de operación, justificando el

uso de FNCER o dispositivos de almacenamiento de energía (baterías) y el sistema

interconectado; con el objetivo de ampliar el desarrollo tecnológico frente a la gestión

y/o administración de la demanda estipulada por los usuarios dentro de una instalación,

de conformidad con lo establecido en la Ley.

En este sentido, este proyecto de investigación plantea la siguiente pregunta:

¿Qué herramientas podrían facilitar el uso de fuentes de energía renovable en

usuarios regulados y no regulados que mejoren la gestión eficiente de la energía

dentro de los lineamientos estipulados en la ley 1715 de 2014 de la República de

Colombia?

15

3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GENERAL:

Implementar un prototipo de instalación eléctrica de topología variable utilizando

dispositivos de estado sólido y/o electromecánicos, con el fin de incorporar fuentes de

energía renovable y mejorar la gestión eficiente de la energía en usuarios regulados

dentro de los lineamientos estipulados en la ley 1715 de 2014 de la República de

Colombia.

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

1. Analizar las normas vigentes para proponer una instalación eléctrica

residencial de topología variable que integre fuentes renovables en usuarios

regulados del sistema eléctrico nacional.

2. Construir el hardware del prototipo de instalación eléctrica residencial de

topología variable, incorporando dispositivos de protección, medición y

control.

3. Desarrollar el software para la medición y control en la instalación eléctrica,

con el fin de poder realizar toma de decisiones (automáticas o manuales)

proyectadas a mejorar la gestión de la energía.

4. Evaluar el prototipo de manera que se verifique el desempeño del mismo

para diferentes condiciones de operación.

16

4. MARCO DE REFERENCIA

4.1. MEDIDORES DE ENERGIA

Para determinar el consumo de energía eléctrica por la instalación eléctrica de un

usuario es necesario contar con un dispositivo que registre ese consumo, tarea que

realizan los medidores eléctricos. Existen varios tipos de medidores eléctricos los

cuales se divide en dos grupos: analógicos y digitales.

El primer grupo está comprendido por los medidores analógicos los cuales se conocen

como dispositivos electromecánicos que registran y muestran el consumo de energía

eléctrica por hora, medido en kWh (kilo vatio hora) en un “display” pantalla que se

encuentra localizada en el frente del medidor en donde hay un contador

electromecánico que va aumentando el valor de la cantidad de energía dependiendo del

consumo de la misma por hora. Un ejemplo de este medidor se muestra en la Figura 6

en la cual está la foto de un medidor electromecánico de marca ELSTER.

El segundo grupo está compuesto por los medidores digitales de estado sólido (sin

partes mecánicas móviles) que realizan la misma función que un medidor

electromecánico pero que poseen todas las ventajas de un sistema digital como lo es la

exactitud, fácil reproducción y estabilidad, entre otras. [5]

Figura 6 Carátula de un medidor electromecánico. [6]

Para medir energía se necesita saber cuál es la potencia consumida en un intervalo de

tiempo, el parámetro de potencia no se puede tener directamente si no que se saca de

la operación entre otros dos parámetros por medio de medidas indirectas. Es por eso

que se necesita censar dos magnitudes: tensión y corriente en una línea de suministro,

para después poder procesar dichas variables por un procesador o microcontrolador

que se encarga de hacer los cálculos correspondientes al consumo, el cual se muestra

en un dispositivo de visualización digital.

17

Además de las ventajas mencionadas, un sistema de tipo digital ofrece una enorme

flexibilidad ya que no solo puede registrar y mostrar el consumo, sino también puede

registrar y visualizar información adicional como la tensión, la corriente, la potencia

aparente, la potencia activa y la potencia reactiva por mencionar algunos parámetros

que pueden ser calculados, además de la capacidad de comunicaciones vía telefónica,

infrarroja o celular. [7] [8]

Dentro del desarrollo emergente de las tecnologías, la empresa Analog Device [9] ha

presentado varios dispositivos capaces de estructurar las variables eléctricas y generar

un consumo en [kW*h] el cual puede visualizarse en diferentes tipos de interfaces.

Cabe aclarar que esta no es la única empresa enfocada en esto, pero como para la

implementación del medidor dentro del prototipo en desarrollo se trabajó con una

referencia de ADE, se mostrará un breve resumen en la Tabla 1 de algunos dispositivos

creados y avalados por esta empresa para poder hacer la respectiva comparación de

acuerdo a diferentes factores como son: características, la cantidad de información que

se encuentra de cada uno, el precio, y demás factores que se consideraron importantes

para escoger finalmente el ADE 7763.

REFERENCIA

ADE CARACTERISTICAS Y BENEFICIOS

ADE 7753

*Alta precisión; apoya IEC 62053-21 e IEC 60687/61036/61268 / 62053-22 /

62053-23*En el chip integrador digital hace posible interfaz directa con

sensores de corriente con salida de di / dt.

*Un PGA en el canal actual permite interfaz directa con derivaciones y

transformadores de corriente.

*Energía activa, reactiva y aparente; muestreada de forma de onda; rms de

corriente y tensión.

*Error de menos de 0,1% en la medición de energía activa a través de una

gama dinámica de 1000-1 a 25 ° C.

*El modo de sólo positiva acumulación de energía disponible.

*Usuario en el chip umbral programable para el aumento de la tensión de línea

y el SAG y de supervisión PSU.

*Calibración digital para la energía, la fase y offset de entrada.

*Interfaz de serie compatibles SPI®.

ADE 7758

*Alta precisión; apoya IEC 60687, IEC 61036, IEC 61268, IEC 62053-21,

IEC 62053-22, 62053-23 e IEC.

*Compatible con 3 fases / 3 hilos, 3 fases / 4 hilos, y otros servicios de 3 fases

*Error de energía activa a menos de 0,1% en un rango dinámico de 1000-1 a

25 ° C.

*Suministros / / energía activa reactiva aparente, del margen de tensión,

corriente eficaz, y datos de forma de onda muestreados.

*Dos salidas de impulsos, uno para la potencia activa y la otra seleccionables

entre la potencia reactiva y aparente con frecuencia programable.

*Poder, calibración digital de fase, y rms desplazamiento.

*En el chip, umbrales programables por el usuario para SAG tensión de la

línea y las detecciones de sobretensión.

18

ADE7768

*Supera IEC61036 / 60687.

*Menos del 0,1% de error Energía Activa Durante rango dinámico de 500: 1

*Medición de energía activa.

*Interfaz de sensor de corriente para transformadores o derivaciones actuales.

*De baja potencia (20 mW típico).

*Indicación de potencia inversa (REVP).

ADE 7763

*Alta precisión; apoya IEC 61036/60687, IEC62053-21, y IEC62053-22.

*En el chip integrador digital hace posibles sensores directos de interfaz a la

corriente de salida con di / dt.

*Un PGA en el canal actual permite interfaz directa con derivaciones y

transformadores de corriente.

*Energía activa y aparente, forma de onda muestreada, y el valor eficaz de

corriente y tensión.

*Error de menos de 0,1% en la medición de energía activa a través de una

gama dinámica de 1000-1 a 25 ° C.

*El modo de sólo acumulación de energía positiva disponible.

*Usuario en el chip umbral programable para el aumento de la tensión de línea

y el SAG y de supervisión PSU.

*calibración digital para la energía, la fase y offset de entrada.

*Interfaz en serie compatible con SPI®.

Tabla 1 Referencias de ADE enfocadas al monitoreo de variables eléctricas [9]

4.2. DOMOTICA

La domótica es conocida de manera simplificada como el conjunto de técnicas

orientadas a automatizar una vivienda, que integran la tecnología en los sistemas de

seguridad, gestión energética, bienestar o comunicaciones, y el avance de la misma

depende exclusivamente de las necesidades y deseos de las personas en sus empresas

y sus hogares, como también la situación del país y la posibilidad de desarrollo que

este tiene, dando a lugar el hecho de que dicho desarrollo será directamente

proporcional al avance tecnológico que el mismo tenga en el momento. Es por esto que

la necesidad que existe en Colombia de implementar el desarrollo de software

domótico y regularizar el sector, ya que existe muy poco desarrollo sobre este tema

además que no existen empresas que regulen a quienes implementen creaciones e

investigaciones del tema [10].

En los últimos años, el avance de las telecomunicaciones a través de internet ha

permitido hablar de integración a nivel de redes IP (Internet Protocol). Numerosas

redes funcionan con éxito y han sido fundamentales para las diversas áreas en la medida

en que la automatización de los datos permite a investigadores y profesionales tener

una visión más amplia de la producción en los más variados sectores. Desde hace

mucho tiempo el control a distancia viene desarrollándose gracias a la innovación

tecnológica con que se cuenta hoy en día y con ello se van haciendo tangibles cada vez

más entornos de interacción humana basados en sistemas de telecomunicaciones y

control. Debido a este desarrollo tecnológico que se presenta, se produce el solo hecho

19

de pensar en controlar remotamente dispositivos, ya sea desde internet, con la voz

humana, con el teclado de un teléfono celular o un teléfono normal, con una Palm o

una Pocket PC, o con una computadora personal y con una infinidad de dispositivos

que existen en nuestro diario vivir. [11] [12].

4.3.MEDICIÒN DE CORRIENTE:

Para medir el consumo de energía de la instalación eléctrica de un usuario residencial

es indispensable obtener el parámetro de corriente. Para medir intensidad, hay diversos

elementos, entre los cuales se destacan los siguientes presentados en la Tabla 2.

TIPO DE MEDIDOR DE

CORRIENTE CARACTERISTICAS

1) Galvanómetro:

Figura 7 Partes constitutivas de un

galvanómetro [13]

El galvanómetro es un instrumento de medida

utilizado para la detección de corriente continua. Se

basa en el principio de electroimán, es decir, entre

la interacción entre la corriente eléctrica y un

elemento de polaridad magnética constante. [13]

Estos aparatos fueron diseñados específicamente

para poder medir corrientes pequeñas con bastante

exactitud; para poder realizar mediciones de

corriente de un rango mayor se requiere añadir un

elemento de elevada resistencia entre los terminales

del galvanómetro, para así medir una corriente

equivalente en sus terminales. [13]

2) Microamperimetro:

Figura 8 Micro amperímetro comercial

utilizado para medir corriente alterna [13]

Es un instrumento de medición de corriente,

calibrado para medir rangos comprendidos en la

millonésima parte de un amperio Son equipos

destinados a la medición de corrientes muy

pequeñas, fuera del rango de medición obtenido por

los galvanómetros. [11]

3) Electrodinamómetro: Un electrodinamómetro es una variación de un

galvanómetro, pues funciona bajo el mismo

principio de par electromagnético, pero con la

diferencia de que posee una exactitud mucho

mayor, y que es capaz de medir corriente alterna.

Este dispositivo se constituye de un par de bobinas

fijas en serie con la bobina móvil, esta conexión

permite que el flujo de corriente que se realiza en

cualquier sentido, mueva a la aguja en la misma

20

dirección (Lo que no ocurre en el galvanómetro),

permitiendo medir corrientes alternas. [11]

4) Medidores de aleta de hierro: Es un tipo de medidor de corriente conformado por

dos aletas de hierro dulce, las cuales

constructivamente se ubican como una fija y otra

móvil. Cuando una corriente pasa por los

terminales del equipo, la corriente induce un campo

magnético entre ambas aletas, provocando un par

que hace girar a la bobina móvil. [11]

Tabla 2. Comparación sensores de corriente

4.3COMUNICACIÒN POR PLC:

La comunicación por PLC (Power Line communication por sus siglas en inglés), se

refiere a la transmisión de datos de alta velocidad por las líneas existentes de potencia.

Esta solución se aplica en centros urbanos densos, donde construir una nueva

infraestructura de red puede significar costos muy elevados o molestias a los usuarios

del sector. El principal problema de este tipo de red es que está directamente ligada a

las fallas que puedan ocurrir en la red de distribución, por lo que la empresa

distribuidora debe mantener sus redes completamente funcionales para evitar

inconvenientes de transmisión de datos [13].

4.4.FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLE:

El proyecto está orientado a incentivar el uso de fuentes de energía no convencionales,

especialmente las de carácter renovable. Las fuentes de energía que se consideran

renovables son aquellas que, tras ser utilizadas se pueden regenerar de manera natural

o artificial. Estas fuentes de energía son consideradas limpias y por lo tanto contribuyen

a cuidar el medio ambiente, frente a los efectos contaminantes y el agotamiento de los

combustibles fósiles, lo que es de vital importancia considerando la situación actual del

planeta en el que cualquier esfuerzo por preservar los recursos es valioso [14].

Estas energías son consideradas ya una alternativa importante que presentan una serie

de ventajas sustanciales respecto a los combustibles fósiles, a fin de que son fuentes de

energía que siempre están presentes y que sobrevivirán a la explotación de otro tipo de

combustibles. La mayoría de estas energías no necesitan de una combustión, tal y como

sucede en las refinerías o en plantas industriales que usan energías no renovables [14].

En estos momentos se pueden considerar innumerables las ventajas que proveen las

fuentes de energía renovable ya que cuando se habla de medio ambiente todo parece

ser un efecto domino, sea para bien o para mal. En este caso estas fuentes contribuyen

a detener el avance del efecto invernadero, para disminuir el grado de contaminación

del aire, las emisiones contaminantes y efectos meteorológicos como la lluvia acida,

21

entre otras muchas ventajas que se pueden considerar haciendo un estudio como se

mencionó de efecto domino en el que esto puede contribuir a más beneficios[14].

Muchas de estas energías, como la energía solar, permiten el autoabastecimiento a

través de la instalación de sencillas infraestructuras; de ahí que las eléctricas y

petroleras tradicionales luchen para evitar el desarrollo de este tipo de energía que

podrían permitir a las personas ser autosuficientes y prescindir de los servicios de estas

compañías. Por ultimo cabe destacar que las energías renovables son cada vez más

necesarias en un mundo donde el desarrollo sostenido y sostenible es cada vez más

importante. Esto redunda en la existencia de cada vez más puestos de trabajo

especializados relacionados con estas formas relativamente nuevas de obtener energía

[14].

Hasta el momento todo lo anteriormente mencionado ha sido bueno con respecto a

estas fuentes de energía, pero aun así es muy escasa la implementación de las mismas

por todo el mundo, pese a que varios países han hecho grandes esfuerzos por incentivar

el uso de las mismas. Pero según estudios que se han realizado hoy en día el porcentaje

de energías renovables sobre el total de energía producida en el planeta llega a tan solo

el 3% [14].

Progreso de las energías renovables en Colombia y Latinoamérica

La situación actual en Colombia y Latinoamérica, no es muy diferente al del resto del

mundo, ya que el crecimiento y desarrollo de las fuentes de energía renovable no es

muy alentador ni significativo.

El hecho de que en los últimos tiempos la situación energética del país no sea la mejor

ha hecho que se empiecen a mirar diferentes opciones haciendo que las energías

renovables recobren importancia y trascendencia. El banco Iberoamericano de

Desarrollo (BID) indicó que, la demanda de energía para el año 2040 será

aproximadamente 80% más alta que la actual en la región latinoamericana [15].

Un estudio realizado por BID revelo que Latinoamérica es una de las regiones con

mayor potencial para la inversión de energía renovable y tendencias sostenibles,

poniendo en los primeros lugares a Brasil, Chile y Colombia, situándolos como los

países latinoamericanos con el mayor crecimiento de producción de energía renovable

por medio de los modelos de PPA (Power Purchase Agreement), los cuales permiten

que las empresas puedan comprar electricidad directamente a pequeños generadores

por medio de contratos de largo plazo, poniendo como iniciativa las pequeñas centrales

hidroeléctricas.

El principal objetivo con los acuerdos de compra de energía, son el desarrollo de

proyectos verdes y sostenibles, creando beneficios medioambientales y reducción de

costos para los productores de la misma. [15]

22

Energías renovables en Colombia

En Colombia las energías renovables no han tenido un avance significativo a excepción

de la hidráulica, aunque como se había mencionado antes la situación del planeta no es

la mejor hablando de temas medio ambientales. Es por esto que gracias a la ley 1715

[2] y a diversas campañas se está empezando a impulsar las fuentes de energías

renovable, esperando que el desarrollo de las mismas en nuestro país crezca tanto por

inversiones locales como a través de inversión extranjera.

El uso de fuentes de energía renovable se ha vuelto una de las tendencias de mayor

crecimiento en los negocios a nivel mundial. Sin embargo, en Colombia tiene que haber

un mejor avance en cuanto al desarrollo, regulación y fomento a la inversión para

considerarse un mercado energéticamente sostenible.

“Se estima que la generación de energías renovables por medio de pequeñas centrales

hidroeléctricas en Colombia, representa aproximadamente unos US$2,500 millones en

ahorros al sistema únicamente con los proyectos existentes, principalmente, por el

hecho de desplazar la generación de termoeléctricas y sus altos costos de combustibles

hidrocarburos”, afirmó el vicepresidente de HBI Banca de Inversión, Daniel Petrie.

[15]

Algunos de los proyectos que se están teniendo en cuenta en Colombia podrían ampliar

la red de servicio de suministro de energía de las empresas que entregan energía al

territorio nacional que no está conectado a la red eléctrica nacional, intentando lograr

además que se reduzcan las emisiones de gases de efecto invernadero sustancialmente.

“La operación es uno de los mecanismos innovadores de financiación público-privada

mediante el cual el BID viene impulsando la inversión privada en energía renovable”

anunció el BID. [15] [16]

23

5. BASES NORMATIVAS PARA LAS INSTALACIONES RESIDENCIALES

Dentro de la información más sobresaliente o a tener en cuenta de las instalaciones

eléctricas de tipo residencial se encuentra la normatividad que permite realizar un

diseño e implementación cumpliendo con diferentes objetivos entre los cuales el más

importante es el bienestar de las personas quienes usarán dicha instalación.

Las normas son estipuladas por entes superiores que varían según el área de la

instalación, es decir si se orienta hacia la parte de la acometida se tiene un operador de

red con el cual se trabajará bajo sus condiciones. En el caso colombiano

particularmente en Bogotá se tiene a CODENSA [17], quien posee su propia

reglamentación. Ahora bien dentro de la instalación se tiene en cuenta normas como el

RETIE (Reglamento técnico de las instalaciones eléctricas) [18] que se encarga de

garantizar que los elementos usados, los espacios, la señalización, etc, cumplan a

cabalidad ciertas condiciones para asegurar el buen funcionamiento de la instalación,

como también la seguridad e integridad de los usuarios. El RETIE [18] por su parte es

un aglomerado de normas distintas ya sean nacionales como internacionales como lo

es la NTC (Código Eléctrico Colombiano) [19], la IEEE (Institute of Electrical and

Electronics Engineers) o la IEC (International Electrotechnical Commission), entre

otras.

Dentro de la instalación existen diferentes temáticas que también poseen su propia

normatividad asociada, como por ejemplo el RETILAP [20] enfocado directamente a

la iluminación o la IEEE-80 enfocado a los sistemas de puesta a tierra. A continuación,

se expondrán las principales normas Colombianas a tener en cuenta como base

normativa al momento de la inclusión del prototipo desarrollado como una instalación

eléctrica residencial.

RETIE (Reglamento técnico de las instalaciones eléctricas)

Este reglamento estipula los requerimientos necesarios para que una instalación sea

avalada por entes superiores como una instalación segura y confiable ante las diversas

situaciones que se pueden presentar dentro de ella.

Además de expresar requerimientos sobre la instalación, también detalla requisitos que

deben cumplir los equipos y materiales que se utilizan para la construcción de la misma.

Algunos

Artículos por

tener en cuenta

Relación de los artículos con el prototipo

1. Articulo 13

Distancias de

seguridad

1. Al momento de realizar la instalación de los equipos de medida,

conmutación y control se debe asegurar que se cumpla las distancias de

24

seguridad mencionadas en el artículo para evitar daños futuros dentro de la

instalación y/o a la integridad del usuario.

2. Articulo 20

requerimientos

para los productos

usados.

2. Dentro del prototipo es indispensable asegurar que los elementos como los

conductores usados, tableros, salidas para tomas o luminarias entre otras,

cumplan a cabalidad los requerimientos estipulados en la norma, además del

artículo 20, se puede mencionar al igual el código de colores para los

conductores, calibres adecuados según nivel de corriente por circuito,

diámetros y material de tuberías entre otros aspectos técnicos que son

delimitados inicialmente dentro del diseño preliminar de la instalación, que

dependerá de variables como el número de circuitos a implementar, área total,

número de salidas, si se encuentran áreas a intemperie o no, etc.

3. Articulo 20.16

Equipos de corte y

seccionamiento en

baja tensión

3.Como unos de los elementos importantes dentro de la instalación, en la parte

del hardware se tiene los equipos de conmutación los cuales tienen como

principal objetivo el brindar la posibilidad a la instalación y al usuario de

gestionar la energía según ciertas condiciones y los equipos de protección, por

esto es importante delimitar los requerimientos necesarios para que los equipos

funcionen correctamente según lo que indique la norma, puesto que los

fabricantes del producto deben asegurar distintas normas constructivas y de

funcionamiento como lo es la NTC2050 la IEC60898o elUL489 para el caso

de interruptores automáticos.

4. Tableros

Eléctricos y

celdas.

4. Como caso particular y según propuesta de los diseñadores del prototipo es

recomendable el uso de un tablero específico para el alojamiento de los

equipos de control y medición del prototipo para tener acceso para un

mantenimiento preventivo si es el caso, por lo que se deben cumplir las

normas asociadas a estos, además de proponer una configuración en cuanto a

la posición de los equipos para evitar interrupciones en el uso continuo de la

instalación.

Tabla 3 Artículos a tener en cuenta RETIE [Autores] [18]

El cumplimiento del RETIE es indispensable ya que asegura que la inclusión del

prototipo en una instalación no afecte la seguridad ni la confiabilidad de dicha

instalación para el usuario final de la energía eléctrica, además de ser admitido y

consolidado dentro de la misma normatividad.

NTC2050 (Código Eléctrico Colombiano):

El Código Eléctrico colombiano es la materialización de las necesidades nacionales en

aspectos de seguridad para las instalaciones eléctricas en construcciones, basadas en

parámetros aplicados y validados mundialmente, los cuales garantizan al usuario una

utilización segura y confiable de las instalaciones eléctricas. Por otro lado, propenden

por la racionalización de la energía, obedeciendo a la necesidad imperiosa de preservar

sus fuentes, como uno de los objetivos medioambientales que se deben lograr para

evitar su agotamiento. Tomado de Presentación NTC2050 [19]

25

Algunos

Artículos a tener

en cuenta

Relación de los artículos con el prototipo

1. Alambrado y

protección de la

instalación

eléctrica.

2. Sección 373

Armarios, Cajas

de Corte y

Tableros de

Medidores

Enchufables.

Para los dos primeros ítems (1y 2) al igual que con el RETIE esta norma

muestra con más detalle los conceptos de el alambrado, protección, armarios,

cajas de corte y tableros de medidores los cuales como se mencionó

previamente son indispensables al momento de realizar las derivaciones y

conexiones al sistema de medida y conmutación del prototipo.

3. Sección 480

Baterías De

Acumuladores.

3. Como el prototipo actual está enfocado al uso de fuentes de energía no

convencionales, el uso de acumuladores o baterías es un tema relevante y más

al momento de realizar una toma de decisiones por parte del software del

prototipo que debe estar en constante monitoreo de la misma.

4. Sección 690

Sistemas solares

fotovoltaicos,

4. A pesar de que en el prototipo no se estipule exactamente la fuente de

energía no convencional a usar, es importante conocer todas las

normatividades asociadas a estas.

Nota. Algunas secciones de la NTC ya se consolidan dentro del RETIE.

Tabla 4 Artículos a tener en cuenta NTC2050 [Autores] [19]

Al ser una de las normas principales dentro de los aspectos de las instalaciones

eléctricas residenciales en Colombia, para la instalación del prototipo se deben cumplir

todas las secciones implícitas en el tema que abarca el proyecto.

Ley 1715 de 2014:

Artículo 1. La presente ley tiene por objeto promover el desarrollo y la utilización de

las fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter

renovable, en el sistema energético nacional, mediante su integración al mercado

eléctrico, su participación en las zonas no interconectadas y en otros usos energéticos

como medio necesario para el desarrollo económico sostenible, la reducción de

emisiones de gases de efecto invernadero y la seguridad del abastecimiento energético.

Con los mismos propósitos se busca promover la gestión eficiente de la energía, que

comprende tanto la eficiencia energética como la respuesta de la demanda. [2]

26

Algunos Artículos a

tener en cuenta Relación de los artículos con el prototipo

1. Artículo 11.

Incentivos A La

Generación De Energías

No Convencionales.

1. Dado que el prototipo tiene como finalidad la inclusión de energías

renovables dentro de la instalación para realizar una gestión eficiente de

la energía eléctrica los incentivos que esta ley propone serán muy

importantes para el usuario al momento de adquirir el producto o

incluso de ser inversionistas en proyectos que manejen estos temas

podrán hasta recibir el 50% de su inversión.

2. Artículo 31. Respuesta

de la demanda.

2. El Ministerio de Minas y Energía delegará a 1a CREG para que

establezca mecanismos regulatorios para incentivar la respuesta de la

demanda con el objeto de desplazar los consumos en períodos punta y

procurar el aplanamiento de la curva de demanda; así corrió también

para responder a requerimientos de confiabilidad establecidos por el

Ministerio de Minas y Energía o por la misma CREG [2], dentro de este

articulo sería posible hacer una mención del prototipo como

herramienta regulatoria la cual pueda ser vinculada a la norma y tenida

en cuenta para recibir los incentivos pertinentes

3. Resolución UPME

281 de 2015 [21]

3. La resolución menciona el límite máximo de potencia de la

autogeneración a pequeña escala, que se estipula en 1MW; por lo que el

usuario contaría con dicha restricción dentro de la instalación del

prototipo y su fuente de energía no convencional, si este tuviera los

recursos necesarios para sobrepasar este límite se convierte en un

autogenerador a gran escala, el cual generara un contrato directamente

con el operador de red y le aplicarían otro tipo de restricciones, cabe a

agregar que el limite a pequeña escala fue generado de análisis técnicos

y económicos que se enfocan en un autogenerador que en el futuro

tendrá la capacidad de vender su energía, ya que estará dentro del

sistema interconectado nacional; el prototipo actual queda abierto a ser

trabajado para el uso en generación distribuida pero en este caso se

debería realizar un análisis para casos particulares en donde el usuario

solo va a administrar su energía localmente y no externamente a su

lugar de residencia.

4.Decreto 2469

ministerio de minas y

energía [22]

4. El decreto 2469 establece que si el usuario llegara a ser tomado como

un autogenerador gran escala se deberá hacer un contrato con la

empresa operadora de red para asegurar términos y condiciones de la

venta y compra de energía sobrante, para el caso de este prototipo el

que se adecuen tarifas que apoyen la inclusión de energías no

convencionales permitiría expandir el prototipo y desarrollarlo para

acceder a la generación distribuida.

27

5.Decreto 2492

ministerio de minas y

energía [23]

5. El decreto 2492 estipula la posibilidad de que el usuario participe en

un mercado mayorista donde la CREG diseñara los mecanismos para

que los usuarios, "voluntariamente, puedan ofertar reducciones o

desconexiones de demanda en el mercado mayorista con el objetivo de

dar confiabilidad al Sistema Interconectado Nacional, respaldar

Obligaciones de Energía Firme, reducir los precios en la Bolsa de

Energía y los costos de restricciones. " tal como lo menciona en el

artículo 3 del presente decreto, además de estipular igualmente “tarifas

horarias y/o canasta de tarifas de forma tal que permitan incentivar

económicamente el uso más eficiente de la infraestructura y la

reducción de costos de prestación del servicio. " bajo la condición de

que "Las tarifas horarias y demás opciones tarifarias solo aplicarán a

los usuarios que cuenten con el equipo de medida necesario para su

implementación". Por lo que el prototipo desarrollado en este trabajo

podría ser postulado como un sistema de medida adecuado para la

inclusión del usuario en los términos y condiciones de la CREG frente

al uso de energías no convencionales en Colombia.

6. Pendientes hasta el día

de hoy Reglamentación

autogeneración a

pequeña escala,

generación distribuida,

eficiencia energética

6. Dejando pendiente la reglamentación de la autogeneración a pequeña

escala que es la que más convendría implementar el prototipo en las

condiciones en la que se encuentra se puede colaborar en dicha

reglamentación con la inclusión del prototipo

Tabla 5 Artículos a tener en cuenta Ley 1715 de 2014 [Autores] [2]

Ya que por ahora es la única ley directamente relacionada con las fuentes de energía

renovable es indispensable conocer cómo sería admitido e implementado dentro de la

normatividad vigente un proyecto que se adecue a los objetivos planteados en los

artículos de la ley 1715, pero cabe agregar que falta gran parte de la reglamentación

para consolidar toda la ley por completo.

28

6. HARDWARE

A continuación, se describe el prototipo de la instalación eléctrica gestionable

compuesto por un sistema de medida, un sistema de conmutación y un sistema maestro.

Además de haber hecho un modelo a pequeña escala de una instalación residencial

convencional de la cual se realizó su respectivo diagrama unifilar, recopilando los

elementos implementados dentro del prototipo de la Figura 9. Adicionalmente, se

desarrolló una aplicación web, que sirve como interfaz para el usuario y permite

realizar labores de gestión y monitoreo.

El sistema es capaz de medir diferentes parámetros (voltaje, corriente y energía)

relacionados con el consumo de energía de electrodomésticos conectados a los

diferentes circuitos de la instalación y a la fuente alternativa, esto con el fin de que el

sistema pueda tomar decisiones frente a cual fuente va a suministrar energía a cada uno

de los circuitos. La información es enviada a través de vía Ethernet, donde el usuario

podrá visualizar los reportes generados entrando a una página web en la cual

consignando su usuario y contraseña, pueda ver en tiempo real los parámetros de

tensión corriente y consumo de energía hasta el instante en que se vuelva a reiniciar el

dispositivo para que vuelva a comenzar el conteo de kWh.

29

Figura 9 Diagrama unifilar Prototipo de instalación eléctrica Gestionable [Autores]

30

6.1. SISTEMA MAESTRO

Actualmente existen diversos productos que permiten la creación o uso de la

programación como herramienta de creación de procesos autómatas o de análisis de

datos tales como por ejemplo PIC (Peripheral Interface Controller) creado por

Microchip Technology Inc [24], hardware ya directamente diseñados como Raspberry

PI producidos por Fundación Raspberry Pi [25] o el Arduino® [26], entre otros.

En este proyecto se tomó la decisión de trabajar con el hardware libre Arduino®, ya

que en comparación a Raspberry tiene un menor costo, y en relación a trabajar con PIC,

las librerías que son necesarias para trabajar este proyecto de una manera sencilla y

eficaz ya vienen predefinidas en la familia de Arduino®, por lo que generar dichas

librerías extendería mucho más el desarrollo final de este proyecto de grado.

El Arduino® tiene a su cargo varias funciones principales las cuales son las siguientes:

Realizar la comunicación con el integrado de medición y obtener las variables

eléctricas de la instalación.

Establecer la calibración de las variables eléctricas recibidas a partir de

constantes anexadas dentro de la programación interna del hardware.

Ejecutar las acciones pertinentes sobre el sistema de conmutación según las

condiciones presentes en la instalación.

Realizar la comunicación vía Ethernet con un servidor web al cual se anexarán

los datos obtenidos por el Arduino® de la instalación; en esta función será

necesario utilizar la placa ethernet shield [27] del Arduino®, la cual permitirá

ejecutar una programación que incluya al Arduino® dentro de una red para

realizar la pertinente comunicación con el servidor.

Para facilitar la conexión vía ethernet y mejorar la latencia de envío y recepción de

datos se usaron dispositivos de comunicación por línea de potencia (PLC) de la

empresa TP-link, evitando así la necesidad de realizar un cableado hasta la posición

del modem.

31

6.2. SISTEMA DE MEDICIÒN

El componente de medición es uno de los más importantes en este desarrollo, ya que,

de acuerdo al valor de los parámetros obtenidos gracias a este, es que se puede hacer la

toma de decisiones para la alimentación de cada uno de los circuitos de la instalación

Este sistema de medición está compuesto por los siguientes módulos

Sensor de voltaje: Determina el nivel de tensión al que se están alimentando las

cargas. Se generó por medio de un divisor de voltaje, orientado a garantizar que

la señal a la entrada del módulo ADE 7763 (Ver integrado e medición) no

supere 0,5 [Vp], con un nivel máximo de entrada de 140 [Vac].

Sensor de corriente: Determina el nivel de corriente que están consumiendo las

cargas conectadas al socket. Esta etapa se llevó a cabo por medio de un sensor

de efecto hall con referencia ACS714.

ADE 7763: Este es el componente principal de este sistema, pues se encarga de

capturar las señales que permiten realizar las medidas de consumo de energía

eléctrica.

6.2.1. INTEGRADO DE MEDICIÓN

El integrado que se utilizó fue elegido entre diferentes sistemas de medición, como

el uso de transformadores, divisores resistivos [28], sensores [29] y otros medidores

de energía como el CS5464 de la empresa CIRRUS LOGIC [30] por la razón

de que algunos de estos no cumplen con los objetivos que se tienen dentro del

desarrollo de la instalación eléctrica de topología variable; sea por razones de costo,

de la dificultad de su adquisición, eficiencia, tamaño, complejidad, seguridad y

precisión.

Adicionalmente, este dispositivo cuenta con un ADCs (convertidor análogo-digital)

y un DSP (procesador digital de señales) de función fija de alta precisión en

variaciones de tiempo y condiciones ambientales [31] con facilidad para

incorpora el procesamiento de señal para realizar mediciones de energía activa,

aparente y el cálculo RMS (Root Mean Square o valor eficaz) de la tensión.

Conjunto con esto, el integrado proporciona una interfaz directa con sensores de

corriente di/dt, tales como bobinas de Rogowski o sensores de efecto Hall

(González, 2008), e l iminando la necesidad de un integrador an a l ó g i c o externo

para estabilidad a largo plazo y adaptación de fase precisa entre la corriente y

los canales de tensión.

32

Para finalizar el ADE7763 proporciona además una interfaz de serie para leer

los datos y una frecuencia de salida de impulsos ( CF) que es proporcional a la

potencia activa. Varias características del sistema de calibración c o m o e l canal

d e corrección del offset, calibración de fase y calibración de potencia aseguran

una alta precisión; así como también detecta variaciones de alta o baja tensión;

además se encuentra gran variedad de documentación sobre este dispositivo.

ADE7763 (Single-Phase Active and Apparent) Energy Metering IC

El integrado medidor de energía utiliza la comunicación SPI para la lectura y escritura

de los registros internos los cuales tienen una función determinada para cada dato a

suministrar, dichos registros pueden ser de 1 a 3 bytes.

En este desarrollo se enfocó en los registros de voltaje (VRMS) y Corriente (IRMS).

El integrado tiene diferentes especificaciones en cuanto a su alimentación y

comunicación. A continuación, se mostrará solo el comportamiento de la comunicación

tanto para escritura como para lectura del integrado, cabe añadir que las demás

especificaciones quedaran en la sección de ANEXO.

Figura 10 Tiempos de escritura serial ADE7763 [32]

Figura 11 Tiempos de lectura serial ADE7762 [32]

La Figura 10 y la Figura 11 fueron de gran importancia en el proceso de comunicación

entre los dispositivos esclavo y maestro ya que si no se efectuaba una comunicación

serial confiable no se podría realizar la calibración del medidor, ni proseguir con el

33

desarrollo del prototipo. Por lo cual, con la ayuda de un osciloscopio se realizó un

análisis del sistema por defecto de comunicación que viene del dispositivo maestro

(Arduino®) concluyendo que los tiempos no eran los adecuados como se ve en la

Figura 12, según la hoja de especificaciones, y basados en la Figura 10 y Figura 11

existen tiempos muertos que se deben cumplir además de que la señal de reloj debe

iniciar antes que la de envió de datos.

Figura 12 Comportamiento de la comunicación SPI por defecto de la librería de Arduino® [Autores]

Por lo anterior, se debían corregir dichos requerimientos a partir de la librería de SPI

por defecto incluida en el sistema maestro Arduino®. Para realizar dichas correcciones

se realizó un análisis de los modos de operación de la comunicación SPI los cuales son

cuatro(4) desde el modo 0 al modo 3, siendo el modo 0 (ver Figura 13), el que viene

por defecto en las librerías del Arduino®, el cual no cumple con los tiempos y

condiciones delimitadas por el integrado ADE7763 para realizar una comunicación

optima, lo que hizo necesario trabajar con el modo 1 (ver Figura 14), el cual se adecua

perfectamente a las condiciones de trabajo del integrado ya que este modo cumple con

la señal de reloj empezando en bajo y primero que la señal de envió de datos.

1. Modo 0

Figura 13. Modo 0 SPI, [33]

34

2. Modo 1:

Figura 14. Modo 1 SPI, [33]

El segundo requerimiento mencionado es el de los tiempos muertos que según la hoja

de especificaciones del integrado [32] deben ser mayores o iguales a 4 Microsegundos

por lo que en el código se implementa la función:

delayMicroseconds (4);

Además de esto, como se menciona en la base teórica, el ADE7763 puede enviar de 1

a 3 bytes. Cada uno de los bytes debe tener un cero acompañándolo ya que el integrado

para responder debe tener un tiempo “extra” al de envío, por lo que en conclusión se

deben enviar ceros después de cada byte, por lo cual la línea de código delay debe ser

implementada entre cada línea de lectura y escritura.

Para asegurar que la comunicación SPI trabajara correctamente se usaron unos

protocolos de prueba, los cuales tenían como objetivo realizar una consulta al integrado

de registros internos por medio de la línea de código SPI.transfer, y comprobando que

la respuesta sea congruente a los valores predeterminados incluidos en la hoja de

especificaciones del integrado.

A continuación, se detallan, las pruebas con los siguientes 3 registros:

Figura 15 Registros por defecto del ADE7763 [32]

35

Las líneas de código implementadas para el protocolo de prueba fueron las siguientes:

digitalWrite (slaveAPin, LOW);// Activación del PIN A0 en bajo para activar el ADE7763

ganancia= SPI.transfer(0x0A);// Pregunta el Registro 0x0A

delayMicroseconds (4);//Realiza un retardo de 4 microsegundos.

ch1os= SPI.transfer(0x00);// Envía los 0

delayMicroseconds (4); ;//Realiza un retardo de 4 microsegundos.





digitalWrite (slaveAPin, HIGH); Desactiva PIN A0 en alto para terminar comunicación con

el ADE7763

delay(100); //Retardo de 100 milisegundos


ganancia= SPI.transfer(0x14);// Pregunta el Registro 0x14

delayMicroseconds (4); //Realiza un retardo de 4 microsegundos.

bh1= SPI.transfer(0x00);// Envia 0


bh2= SPI.transfer(0x00);// Envia 0


bh3= SPI.transfer(0x00);// Envía 0



el ADE7763

delay(100);/ /Retardo de 100 milisegundos


ganancia= SPI.transfer(0x1E);// Pregunta el Registro 0x1E


nh1= SPI.transfer(0x00);// Envia 0


nh2= SPI.transfer(0x00);// Envia los 0


nh3= SPI.transfer(0x00);// Envia 0



el ADE7763

delay(100); / /Retardo de 100 milisegundos

Con la ayuda del puerto serial se obtienen los valores por defecto que deben ser acordes

a los que se observan en la Figura 16.

36

Figura 16 Resultados del protocolo de pruebas de la comunicación SPI [Autores]

A partir de aquí se concluye que la comunicación funciona acorde a la hoja de

especificaciones y se prosigue con la etapa de calibración del integrado.

Para la calibración se debe realizar un circuito de acondicionamiento de señal para los

dos canales CH1 y CH2 de corriente y tensión respectivamente, además de seguir un

proceso de selección de Ganancia del integrado Figura 17 que nos permitirá aumentar

o disminuir el rango de nuestro medidor.

Figura 17. Ganancia ADE7763, [32]

Por defecto el ADE7763 tiene la ganancia en 0, lo que significa que se encuentra en el

rango de 0.5V, el rango mayor que puede presentar, por lo que para una aplicación

dentro de una instalación eléctrica residencial este sería apropiado. Ahora bien, para el

montaje realizado se dejó dicha ganancia y se realizó el siguiente montaje:

37

Figura 18 Circuito implementado, Fuente Autores y [32]

CANAL 1 CORRIENTE:

Para el canal de corriente se utilizó el integrado ACS714 [34] (Figura 19), del cual se

habló anteriormente en el marco de referencia. Este sensor de corriente utilizado

consta de un circuito preciso, con un offset de 2.5 [V] (Figura 20), cuenta con una

trayectoria de conducción de cobre ubicada, cerca de la superficie del montaje la

que hace que a través de este camino se genere un campo magnético que el

IC Hall convierte en una tensión proporcional. Se tomó la decisión de utilizar este

sensor por su fácil implementación rango aceptable y por su tamaño ya que uno

de los objetivos es el desarrollo de un sistema de media con un tamaño r e d u c i d o

para realizar la supervisión de cada uno de los circuitos de una instalación eléctrica

residencial.

38

Figura 19 Circuito del sensor ACS714, [34]

Figura 20 Grafica del comportamiento de la tensión de salida contra la corriente censada. [34]

Para la calibración del parámetro de corriente fue necesario implementar un circuito de

acondicionamiento (ver Figura 21) de la señal, tal que se acoplara la ganancia

seleccionada como valor máximo de entrada, que por defecto fue configurado en 0.5

[V], por lo que fue necesario disminuir l offset generado por sensor de efecto hall.

Figura 21 Circuito de entrada para el ADE7763 con el sensor de corriente ACS714 [Autores]

39

Ya implementado el anterior circuito el procedimiento a seguir fue, con la ayuda del

Variac o transformador variable de voltaje y de dos bombillos de 100W como carga,

se efectuó la medición de corriente suministrada a las cargas, con diferentes niveles de

tensión, generando así un cambio continuo de la corriente que con la ayuda del circuito

de acondicionamiento y el sensor de efecto hall, se convierten en una entrada entre el

rango de 0 y 0.5[V] para los pines 4 y 5 del ADE7763 (Canal 1). Para efectuar una

medida más confiable se implementó un multímetro de precisión y se realizó una toma

de datos desde 100mA.

CANAL 2 TENSION:

Para el canal de tensión no hubo inconveniente alguno y fue sencillo de acondicionar.

Se utilizó un Variac al igual que en el canal de corriente, un multímetro y el

correspondiente circuito Figura 22 utilizado en la hoja de especificaciones del ADE

[32] para la entrada de tensión (Correspondiente a los pines 6 y 7).

Figura 22. Circuito de entrada al canal 2 (Tensión) Pines 6 y 7 ADE7763 Fuente: Autores.

Al momento de realizar la calibración se elaboraron tablas en las que se enfrenta el

valor arrojado por el ADE visualizado en el monitor serial y la medición del voltímetro

en la salida del Variac, como se verá en la etapa de resultados.

MEDICIÒN DE ENERGÌA

El ADE 7763, permite contabilizar el consumo de energía de una carga a partir de las

señales de corriente y tensión, las cuales ingresan al dispositivo por medio de entradas

en modo diferencial (como ya se mencionó anteriormente los canales 1 y 2). Adicional

a esto, el integrado puede realizar la medición de potencia activa teniendo en cuenta

que esta potencia corresponde a la componente DC de la señal de potencia instantánea

que se representa de acuerdo a la siguiente expresión:

𝑝(𝑡) = 𝑉𝐼 − 𝑉𝐼𝑐𝑜𝑠(𝑤𝑡) [32] Ecuación 1. Fórmula potencia instantánea

40

Esta es la relación que el ADE 7763 usa para calcular la potencia activa, la cual se

obtiene por medio del paso de la señal por un filtro pasa bajos. La señal que se

encuentra en la salida del filtro, pasa a través de un bloque de ganancia ajustable la cual

ya previamente se mencionó que sería de 0.5 y por ultimo través del registro de

ganancia de 12 bits:

A continuación, se presenta la manera cómo se ajusta la ganancia en relación con el

contenido del registro:

𝑂𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡𝑊𝐺𝐴𝐼𝑁 = (𝐴𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟 ∗ [1 +𝑊𝐺𝐴𝐼𝑁

212] [32]

Ecuación 2. Fórmula como se ajusta la ganancia en el ADE

Donde WGAIN es el valor del registro, configurado por el usuario.

Para realizar la medición de energía activa la cual puede ser expresada como se presenta

a continuación:

𝐸 = ∫ 𝑝 𝑑𝑡 [32] Ecuación 3. Fórmula de energía activa.

El ADE 7763 acumula continuamente los valores de potencia activa en un registro de

49 bits, de manera que la integral se realiza por medio de la sumatoria de estos valores,

de acuerdo con la igualdad representada en la ecuación:

𝐸 = ∫ 𝑃 𝑑𝑡 = lim𝑡→0

[∑ 𝑝(𝑛𝑇) ∗ 𝑇∞𝑛=1 ] [32]

Ecuación 4. Formula de energía activa por medio de la sumatoria de valores.

Donde el periodo de muestreo es de 1.1 μs; el proceso de integración realizado en el

ADE 7763, se presenta en la Figura 23.

Figura 23 Integración en el módulo ADE7763 [32].

41

6.3. SISTEMA DE CONMUTACIÒN:

Para entrar en el tema de la conmutación se debe aclarar el objetivo primordial de esta

etapa, el cual es permitir al usuario el uso de fuentes no convencionales según sea el

caso para la alimentación de sus cargas “SIN PERDER CONFIABILIDAD EN EL

SISTEMA”. En otras palabras, permitir al usuario usar una u otra fuente de energía sin

alterar su actividad en el momento de realizar dicha acción. Para lograr cumplir a

cabalidad este objetivo se tuvieron en cuenta dos posibilidades:

1. Trabajar con relevadores

2. Implementar relés de estado solido

El objetivo principal de cambiar la fuente de alimentación es cumplido a cabalidad por

ambas opciones, por lo cual su diferencia radicará en la pérdida del suministro de

energía eléctrica al momento del cambio de fuente. Al trabajar con relevadores donde

su uso es simple, ya que su funcionamiento es basado en la energización de una bobina

y en el cierre y apertura de contactos por medio de esta, se vuelve complejo al momento

de perder el suministro de energía a la carga conectada, ya que si se realiza una

conmutación, esta puede afectar directamente a la vida útil de la carga. Para solucionar

esto sería conveniente utilizar sistemas capaces de sincronizar las fuentes en uso dentro

de la instalación antes de realizar el cambio de fuente, y con esto nos aseguramos que

la carga no reciba algún tipo de transitorio al momento de realizar una conmutación.

Esta opción fue descartada ya que el uso de sistemas de sincronización tiene un elevado

costo además de extender el proyecto si se diseñaban desde el principio.

Por el otro lado se encuentran los relés de estado sólido basados en principios de

electrónica de potencia, con semiconductores de potencia capaces de conmutar en

cuestión de milisegundos, además del hecho de que poseen circuitos de cruce por cero

que estabilizan aún más la conmutación y que para la aplicación dentro del proyecto

aprueban todas las condiciones necesarias para su uso. Por esta razón y por otras que

se presentaran a continuación en la Tabla 6 donde se muestran las ventajas y

desventajas de usar las dos opciones propuestas, se toma como definitiva la opción de

usar relés de estado sólido.

42

Adicional al uso de los relés también se implementó un circuito de enclavamiento para

la activación de los mismos por medio de una compuerta negadora (NOT) de alta

velocidad de respuesta de referencia 74LS04. El objetivo principal de esta compuerta

es el de impedir que las señales de disparo de los relés de estado sólido sean activadas

al mismo tiempo, lo cual crearía una unión física de dos fuentes que no se encuentran

sincronizadas entre sí, generando una falla de alta magnitud dentro del sistema.

Figura 24 configuración interna Integrado 74LS04 [35]

43

RELÉ DE ESTADO SÓLIDO [SSR] RELÉ ELECTROMECANICO [EMR]

Los SSR son generalmente de menor tamaño que los EMR, ahorrando así un valioso espacio en aplicaciones realizadas sobre placa de circuito impreso, aplicaciones comunes.

Los SSR mejoran la confiabilidad del sistema dado que no tienen contactos (piezas

móviles), así que no hace falta considerar la degradación por erosión de los

contactos.

Los SSR proporcionan las prestaciones más avanzadas; no necesitan electrónica de

gobierno (driver) y su conmutación no genera rebotes de señal.

Los EMR tienen menos confiabilidad que un SSR por lo que contiene piezas móviles; la

capacidad de conmutación máxima de los EMR se degrada sustancialmente más allá de las

recomendaciones del fabricante en un esfuerzo por prolongar la vida de los contactos del relé.

A menudo esta degradación indica la carga real que puede ser manejada por un EMR dentro

del margen operativo de un SSR.

Los contactos son los componentes más importantes en un EMR en cuanto a su confiabilidad.

Sus características se ven afectadas significativamente por factores como el material de los

contactos, los valores de la tensión y la corriente aplicados a ellos, el tipo de carga, la

frecuencia de trabajo, la atmósfera, la disposición de los contactos y el rebote de señal en los

contactos. Si alguno de estos valores falla a la hora de satisfacer el límite predeterminado,

pueden surgir problemas como la degradación del metal entre los contactos, la soldadura de

los contactos, su desgaste o el rápido incremento de la resistencia de contacto.

Los SSR mejoran los costes del ciclo de vida del sistema, con diseños simplificados

con menos requisitos en cuanto a fuentes de alimentación y disipación de calor

Los EMR tienen un ciclo de vida mucho más corto que el de un SSR y además tiene más

requisitos en cuanto a fuentes de alimentación y disipación del calor (se calienten más).

Los SSR, se pueden especificar con confianza a las tensiones y corrientes de carga

reales. La erosión de los contactos no es una preocupación ya que no hay contactos.

Los SSR están disponibles con un amplio abanico de capacidades para el manejo de

corriente, asegurando así que se ajustan bien a cada diseño.

Cuando se diseña con EMR, la tendencia a sobre especificar un componente para una

aplicación determinada es el resultado de dos preocupaciones relativas al diseño. En muchos

casos, los EMR están sobre especificados para la capacidad de manejo de corriente porque no

está disponible una unidad para menor corriente. Pero todavía resulta más frecuente que los

EMR se sobre-especifiquen para contrarrestar la erosión de los contactos prevista a lo largo de

su tiempo de vida útil. La erosión de los contactos lleva a una mayor resistencia de contacto y

a la tendencia de soldar los contactos del EMR para que estén cerrados, haciendo así que el

relé no sea funcional.

Los SSR no tienen interacción magnética; Los SSR no generan y no son sensibles a

las interferencias electromagnéticas (EMI).

Los EMR trabajan con campos electromagnéticos. La interacción se describe en las siguientes

indicaciones incluidas dentro del material de aplicación de EMR:

Evite su uso en un campo magnético (por encima de 8000 A/m).

Los SSR no generan ruido eléctrico Al hacer la conmutación los EMR generan un ruido gracias al pequeño arco eléctrico que hace

al cambiar de contacto.

Los SSR son más inmunes ante choques físicos y vibraciones Si los EMR son expuestos a golpes o vibraciones sus componentes internos pueden

desacoplarse causando fallo el elemento.

En la fabricación avanzada de placas de circuito impreso, los SSR tienen la ventaja

de la posibilidad de su manejo.

Los EMR trabajan con campos magnéticos. Estos campos no se encuentran confinados en el

propio relé, por lo que debe tenerse en cuenta la interacción de los campos magnéticos entre

componentes electromagnéticos adyacentes en el diseño de placas de circuito impreso.

44

Fiabilidad y Rendimiento Aunque resulta difícil de cuantificar, existe un consenso en

la industria en el sentido de que el proceso manual y la soldadura requerida por la

fabricación de placas de circuito impreso de tecnología mixta conllevan unos

rendimientos de la fabricación más bajos y unas cifras de tiempo medio entre fallos

más bajas para los productos fabricados, pero conllevando un alto precio en el

resultado final.

En consecuencia, la utilización de SSR, que no requieren procesos de tecnología mixta,

puede significar una mayor fiabilidad y mejores rendimientos.

Ya que los EMR no requieren de unos rendimientos de fabricación altos su precio es bajo

para aplicaciones sencillas donde el componente se adecue a las condiciones de trabajo

deseadas por lo que el rendimiento sería aceptable.

Todos los componentes electrónicos presentan modos de fallo.

La fiabilidad de los SSR en relación con las secciones de LED y opto aislante de los

componentes ha mejorado enormemente en los últimos años.

Los EMR, con sus piezas móviles, superficies de contacto y bobinados arrollados, presentan

generalmente más fallos a lo largo del tiempo que los SSR.

Tabla 6 Cuadro Comparativo Relés De Estado Solido Frente A Relés Electromecánicos [Autores]

45

De acuerdo al diseño de cada una de las etapas del sistema previamente mostradas y a

las conexiones del sistema maestro con los diferentes componentes se obtiene el

esquema de conexión total de los 3 sistemas como se muestra en la Figura 25.

Figura 25 Esquema de conexión total del sistema

Para concluir el capítulo del hardware, a continuación en la Figura 26 se muestra el

montaje físico de la instalación eléctrica junto con los relés de estado sólido, las

entradas de alimentaciones de las diferentes fuentes y las correspondientes salidas

eléctricas para las cargas que son dos rosetas y dos tomas, en donde se pondrán cargas

de uso común en una instalación eléctrica convencional y se evaluará el

comportamiento de todo el prototipo frente a cada una de ellas. En la Figura 27 se

muestra el montaje de los medidores de energía que se realizaron. En este caso son dos

medidores los que se utilizaron para el prototipo los cuales estarán censando el

consumo de las cargas por cada fuente. El modelo final del hardware implementado es

el conjunto de las elementos de la Figura 26 (numero (1) relés de estado sólido, numero

(2 y 3) la red de distribución de energía eléctrica y la fuente renovable respectivamente,

número (4) elementos de conexión de cargas y número (5) protecciones asociadas a

cada uno de los circuitos) y la Figura 27 (numero (1) sensores de corriente ACS 714,

numero (2) medidores de energía ADE7763 y número (3) las borneras de conexión

46

para las fuentes de energía implementadas) como se observó previamente en el

diagrama unifilar de la Figura 9.

Figura 26 Montaje físico de la instalación [Autores]

Figura 27 Montaje físico de los medidores [Autores]

47

7. SOFTWARE

Para el desarrollo del software se dividió el mismo en tres subsistemas los cuales se

pueden apreciar en el diagrama UML de la Figura 28, teniendo como fin el generar un

sistema capaz de gestionar una instalación eléctrica residencial.

Figura 28 Diagrama UML Software [Autores]

Para tener claro el funcionamiento y el objetivo principal del software que es la

medición y control en la instalación eléctrica, para realizar toma de decisiones

proyectadas a mejorar la gestión de la energía, se deben tener en cuenta las siguientes

variables dentro de la programación mostradas en la Figura 29.

Figura 29 Variables necesarias dentro del software [Autores]

En la Figura 30 se observa el diagrama de despliegue con cada uno de los nodos

participantes dentro del software ya que este es un sistema tipo cliente-servidor.

USUARIO Y CONTRASEÑA

Mantiene la seguridad e integridad de la información del usuario y su residencia

TENSIÓN, CORRIENTE, POTENCIA

Variables necesarias para el análisis y creación de posibilidades que mejoren la gestión de la energía dentro de la instalación

MANUAL Y AUTOMATICO

Modo escogido por el usuario para realizar la toma de decisiones

DISPONIBILIDAD DE FUENTES

Disponibilidad de las fuentes a utilizar dentro de la instalación.

48

A partir de lo anterior, se propone un diagrama de actividades general para el software

mostradas en la Figura 31.

Figura 30 Diagrama de actividades general [Autores].

49

Figura 31 Diagrama de despliegue.

50

7.1 Subsistema de medida

Dentro de este subsistema se encuentran las variables provenientes del sistema maestro

relacionados directamente con la parte de medición. Este se desarrolló utilizando

protocolos de comunicación por SPI, mediante librerías anexadas dentro del Arduino®.

En la Figura 32 se explica detalladamente cada uno de los pasos a seguir para

consolidar una medición efectiva utilizando el dispositivo maestro y el medidor de

energía ADE7763, y así mismo, en el ANEXO 3 se incluirá el código completo.

Figura 32 Diagrama de actividades para subsistema de medida [Autores]

51

7.2 Subsistema de control y consulta (PAGINA WEB)

En la actualidad el uso del internet se ha vuelto indispensable para la vida cotidiana de

las personas, ya que con el avance exponencial de la tecnología y el uso global que

abarca el internet hoy en día, nos encontramos en el inicio de una etapa considerada

como “El internet de las cosas” que basa su principio en que todo equipo electrónico

o herramienta llevara consigo una dirección con la que por medio de internet se tenga

completo acceso al dispositivo. Por esto se considera necesario en este proyecto brindar

al usuario la capacidad de controlar y de obtener la información de su instalación no

solo de manera local sino también desde cualquier tipo de ubicación utilizando este

medio de comunicación global.

Dentro del desarrollo del software se estableció la creación de una página web como

interfaz entre el usuario y la instalación, la cual tiene como objetivos principales:

1. El uso de sesiones como herramienta de seguridad de la información donde el

usuario deberá poseer un usuario y contraseña para el acceso completo a cada

uno de los elementos de su instalación.

2. Poseer la capacidad de permitir al usuario la visualización de los parámetros

eléctricos que se consideraron importantes dentro de la instalación como lo son

tensión, corriente y energía.

3. Obtener gráficamente el consumo de energía en la instalación.

4. Controlar la instalación a partir del modo manual o automático propuesto en

este proyecto.

Para cumplir los requisitos de la página se optó por trabajar lenguajes de diseño web

como lo son PHP, HTML, bases de datos en MYSQL y librerías de ethernet del

dispositivo maestro Arduino® para comunicación con las bases de datos.

Iniciando el desarrollo de la programación para este proyecto se utilizó un servidor

libre (Apache) de forma local, el cual se obtiene instalando el paquete de WAMPserver.

Este es un entorno de desarrollo web para Windows, el cual incluye el servidor, un

motor de base de datos MYSQL, un software de programación script PHP y HTML,

además de poseer un administrador de base de datos PHPMyAdmin con el que se puede

crear bases de datos, crear tablas e ingresar los datos en las mismas, realizar consultas

y generar scripts SQL como exportar e importar scripts desde la base de datos.

Teniendo instalado el paquete se procede a crear una base de datos para dos tablas:

Tabla para los Usuarios

52

Tabla para las Variables eléctricas

Se creó una base de datos llamada tesis con la ayuda del administrador PHPMyAdmin

y dentro de esta se elaboraron dos tablas con nombres usuarios_pass y variables

(Figura 33) en las cuales se almacenarán los usuarios y los parámetros eléctricos

tomados del sistema maestro.

Figura 33 Tablas para almacenamiento de usuarios y variables eléctricas en la base de datos

Para la tabla de usuarios se tienen dos variables de tipo text con el nombre y la

contraseña del usuario (Figura 34) y para la tabla de variables se tienen seis (6)

variables de tipo float para el almacenamiento de la tensión, corriente y energía de las

dos fuentes implementadas, además de una variable de tipo timestamp la cual

almacenará la fecha y hora de captura de los registros (Figura 35).

Figura 34 Tabla de usuarios y contraseña

53

Figura 35 Tabla de Variables Eléctricas

Teniendo creada la base de datos con las dos tablas, se asigna una contraseña para evitar

el ingreso de cualquier persona con acceso al servidor, esto con el fin de proteger la

integridad de la información almacenada en la base de datos.

A partir de aquí se procede a obtener las variables eléctricas del sistema maestro para

su posterior almacenamiento en la tabla dentro de la base de datos llamada tesis. Para

lograr este objetivo se procede a crear una página en PHP que se encargara de realizar

una conexión a la base de datos y una escritura dentro de la tabla llamada “variables”

de los parámetros eléctricos obtenidos por el Arduino® con la siguiente línea de

código:

<?php

$conexion = mysql_connect("localhost","arduino","12345");

mysql_select_db("tesis",$conexion);

$Tiempo = date('Y-m-d H:i:s'); // Captura la hora y fecha

mysql_query("INSERT INTO `variables`(TensionRed,

CorrienteRed,EnergiaRed,TensionReno,CorrienteReno,EnergiaReno,Tiempo) VALUES ('" .

$_GET['TensionRed'] . "','" . $_GET['CorrienteRed'] . "','" . $_GET['EnergiaRed'] . "','" .

$_GET['TensionReno'] . "','" . $_GET['CorrienteReno'] . "','" . $_GET['EnergiaReno'] . "','" .

$Tiempo . "')", $conexion);

?>

Primero se debe realizar la conexión con el servidor ingresando la dirección IP del

mismo. En este caso, como es de manera local, se puede usar la sentencia LocalHost.

Se ingresa el usuario y contraseña del operador del servidor en este caso “arduino” y

“12345”. Después se selecciona la base de datos y se establece una conexión, se captura

la hora y la fecha, y por último se realiza la petición, en este caso con la función INSERT

INTO, la cual permite escoger la tabla y las variables a las cuales se les asignará un

54

valor con la función VALUES, para asignar un valor se utiliza el método GET, el cual

es una forma de envió de datos por URL.

Para lograr que los Parámetros eléctricos que posee el Arduino® lleguen a la URL del

archivo PHP y este se encargue del almacenamiento de los datos en las tablas, se debe

realizar una conexión del sistema maestro como cliente del servidor, para así tener

acceso al archivo PHP y ser capaz de escribir en la URL los datos obtenidos del sistema

de medida. Para esto se implementó la siguiente línea de código:

if (client.connect(server, 80)) {

// Envia el requerimiento al servidor via GET

Serial.println("Iniciando conexion...");

client.print("GET /Paginaweb/tesis.php?TensionRed=");

//Impresion de los parametros en el servidor para su posterior almacenamiento

client.print(tension);

client.print("&CorrienteRed=");

client.print(intensidad);

client.print("&EnergiaRed=");

client.print(potencia);

client.print("&TensionReno=");

client.print(tension1);

client.print("&CorrienteReno=");

client.print(intensidad1);

client.print("&EnergiaReno=");

client.print(potencia1);

client.println(" HTTP/1.1");

client.print("Host: ");

client.println(server);

client.println("User-Agent: Arduino-Ethernet");

client.println("Connection: close");

client.println();

ultimaConexion = millis();

client.stop();// termina conexión como cliente

}

El archivo PHP tiene por nombre tesis.php el cual se encuentra en el ANEXO 2. A

partir de esto se conecta el sistema maestro al servidor por medio de su IP y puerto, se

ingresa al archivo PHP y con la ayuda del método GET y de los parámetros eléctricos

obtenidos del sistema de medida almacenados en las variables de tensión, intensidad y

energía, para cada una de las fuentes se registran los valores en las tablas. Esto se realiza

aproximadamente cada 2 min según los retrasos y tiempos dentro del código del

Arduino®.

Terminado el almacenamiento de variables en la base de datos se procede a hacer su

visualización en la interfaz web realizando una petición con la sentencia SELECT

55

desde la página donde se quiera mostrar las variables, en el caso del proyecto desde la

página llamada usuarioadmitido2.php:

$consulta="SELECT * FROM variables WHERE Tiempo=(SELECT MAX(Tiempo) AS Tiempo FROM

variables)";

$resultados=mysqli_query($conexion,$consulta);

$fila=mysqli_fetch_row($resultados);

Se debe seleccionar la tabla y las variables que se quieran mostrar, pero como es

fundamental mostrar al usuario en tiempo real su consumo de energía se necesita de

los últimos datos que se hallan incluido en la base de datos, por lo cual se utiliza la

sentencia SELECT MAX (tiempo) para tomar únicamente las variables incluidas en el

último instante de tiempo. Con esto se almacenan las variables en una matriz para

facilitar su impresión dentro de la página web. Cabe resaltar que cada una de las páginas

que se diseñaron debe contar con la sentencia de conexión para el servidor o para la

base de datos, si la página lo necesita.

Iniciando ya con el proceso de diseño web, se trabajó la primera página de la Figura

36, la cual se encarga de cumplir el primer objetivo del subsistema de control y

consulta, el cual es proteger la integridad de la información del usuario referente a su

instalación eléctrica. Para este desarrollo se utilizó una base de datos creada en

MYSQL, como ya se mencionó anteriormente, para establecer un usuario y contraseña

que garantice el acceso de una persona autorizada. Esta página tiene el nombre de

login.html.

Figura 36 Página de recopilación de usuario y contraseña [Autores]

Para generar un aspecto mucho más amigable en cuanto al uso de la aplicación web, se

elaboró un menú en la parte izquierda de la página de inicio (usuarioadmitido.php)

Figura 37, que presenta los siguientes índices:

56

Parámetros eléctricos

Control de la instalación

Grafica de consumo

Créditos

Cerrar sesión.

Figura 37 Página inicial de presentación [Autores]

Iniciando con el primer índice Parámetros eléctricos el cual muestra los valores de las

variables eléctricas en tiempo real [Tensión, Corriente, Energía], nivel porcentual de

carga de la batería y el valor en pesos correspondiente al consumo de energía por el

usuario (Figura 38). El archivo tiene como nombre usuarioadmitido2.php, el cual se

mencionó anteriormente, indicando como se realiza la visualización de las variables.

57

Figura 38 Página de Parámetros Eléctricos [Autores]

El segundo índice Control de la instalación establecerá la posibilidad de que el usuario

cambie de fuente de alimentación las cargas conectadas de una forma manual, en la

que puede establecer si la fuente que va a alimentar la instalación va a hacer la fuente

renovable o la red de distribución de energía eléctrica. También se puede hacer de

forma automática; si el usuario decide poner la instalación de este modo, el programa

establecerá la alimentación de la instalación por una fuente o la otra dependiendo de la

carga de la batería de la fuente renovable o si la red de distribución de energía eléctrica

deja de suministrar energía.

Para lograr el funcionamiento de los botones incluidos en la página se estableció la

comunicación entre el Arduino® y el sistema de conmutación dado de acuerdo a la

opción que elija el usuario. El Arduino® debe enviar la señal a los relés de estado sólido

para que conmuten de una fuente a otra, y la comunicación entre el sitio web y el

Arduino®. Para lograr dicha comunicación fue necesario acoplar tres archivos PHP a

cada uno de los botones uno para cambio a la red eléctrica al cual se le asocia el archivo

con nombre cambiador.php, el botón para cambio a fuente renovable al cual se le

asigna el archivo cambiador1.php y finalmente el botón de automático al cual se le

asigna cambiador2.php. Todo esto usando las siguientes sentencias de código presentes

en el archivo Usuarioadmitido3.php correspondiente a la página de control de la

instalación (Figura 39):

echo"<input type=submit value=FUENTE.RED.ELECTRICA style=width:200px;height:75px

onClick=location.href='cambiador.php'>";

echo"<input type=submit value=FUENTE.RENOVABLE style=width:200px;height:75px

onClick=location.href='cambiador1.php'>";

58

echo"<input type=submit value=AUTOMATICO style=width:200px;height:75px


Los archivos PHP cambiadores tienen como finalidad el cambiar un texto en un archivo

independiente llamado led.php de acuerdo al botón pulsado. En este caso, ya sea el de

la red donde el texto será “encendido”, o la fuente renovable donde el texto es

“apagado”, y para el botón de automático es “automático”. Esto se realiza con la

siguiente línea de código:

<?php

$textfile = "led.php";

$fileLocation = "$textfile";

$fh = fopen($fileLocation, 'w ') or die("Algo Fallo"); // Esto abre el archivo .txt para escribir y

remplaza su contenido

$stringToWrite = "<?php echo'hola=automatico';?>";

fwrite($fh, $stringToWrite); // Escribe sobre el archivo .txt

fclose($fh);

header("location:usuarioadmitido3.php");

?>

El anterior código es para el caso en el cual el usuario oprime el botón de automático.

Después de seleccionado el botón, este inmediatamente elige el archivo que contendrá

el texto led.php y se escribe sobre el mismo, se cierra y se devuelve a la página de

control de la instalación o usuarioadmitido3.php.

Modificado el archivo que contendrá el texto, se realiza por medio del Arduino® una

conexión con el servidor como cliente y se abre el archivo led.php. A partir de esto y

con la instrucción client.read se obtienen los caracteres escritos en el archivo, se

concatenan y se almacenan en una variable tipo string llamada nombre.

Teniendo ya la variable de ejecución de los botones se realiza un condicional para cada

caso, cabe agregar que se omite el primer carácter y se ejecuta la acción de encendido

o apagado de los relés:

if(nombre=="ncender"){

digitalWrite(PIN_relereno,HIGH);

}

else if(nombre=="pagado"){

digitalWrite(PIN_relereno,LOW);

}

// condicional para la activacion de los reles de estado sólido según los caracteres obtenidos en modo

automatico

else if(nombre=="utomatico"){

if(tension>=110){


}

else if(tension<110){

digitalWrite(PIN_relereno,LOW); }

59

Figura 39 Página de control de la instalación [Autores]

En el índice de Grafico de consumo se muestra una gráfica del nivel de energía

consumida en tiempo real, donde el usuario podrá observar el ahorro progresivo que se

obtendrá a partir de la fuente renovable, además de ver el consumo habitual de la

energía del operador de red en este caso CODENSA para Bogotá (Figura 40). El

nombre del archivo es grafica.php. Para lograr el grafico de consumo se utilizó un

archivo llamado randomclass.php el cual se encarga de conectar con la base de datos

para acceder a la tabla de variables almacenarlas en una matriz y por medio de librerías

predefinidas de Javascript (jquery.js, highstock.js, exporting.js), en grafica.php se

genera una gráfica. Las librerías pueden ser descargadas directamente del servidor de

Java.

Figura 40 Página Gráfico de Consumo [Autores]

60

En el índice de créditos se muestra un texto corto indicando el fundamento del proyecto

y los autores del mismo Figura 41 el nombre del archivo es usuarioadmitido4.php.

Figura 41 Pagina Créditos [Autores]

61

8. PRUEBAS DE CALIBRACIÓN

El proyecto de grado que se desarrolló se basa en el diseño de una instalación eléctrica

residencial con topología variable, que es capaz de realizar un cambio de alimentación

entre dos fuentes de energía eléctrica, en este caso la energía suministrada por el

operador de red y una fuente de energía no convencional, según ciertas condiciones de

operación de la instalación. Para lograr una medición de los parámetros eléctricos se

utilizaron dos integrados ADE7763 con el objetivo de censar las dos fuentes

previamente mencionadas independientemente una de la otra, con el fin de ejecutar

unas pruebas de funcionamiento básicas al prototipo.

Para calibrar los dos integrados se realizó una serie de mediciones de los parámetros

de tensión y corriente en una carga común en una instalación. La Tabla 7 muestra los

valores obtenidos por el ADE y los valores obtenidos de dos dispositivos de censado

diferentes como lo son el multímetro de precisión y el PQA (analizador de redes) [37]

encontrados en los laboratorios de la Universidad Distrital Francisco José De Caldas.

ADE7763 RED

Valor

Promedio

de registro

de tensión

ADE

Valor del

registro

de corriente

ADE

Promedio

Corriente

leída

con el

PQA [A]

Corriente

leída

Multímetro

[A]

Tensión

leída

con el

PQA

[V]

Tensión

aplicada

Variac

[V]

316.5 492 10.9 493 10.5 1 10.5 1.1

567.5 617 19.9 617.5 19.5 1.26 19.5 1.3

863.5 746 30.3 746.5 29.9 1.51 29.9 1.6

1158 860 40.7 860.5 40.2 1.75 40.2 1.8

1406.5 951 49.6 952 49.2 1.93 49.2 2

1695.5 1047 59.5 1047.5 59.1 2.12 59.1 2.2

1994 1142 70.4 1142.5 70.1 2.32 70.1 2.4

2264 1222 79.8 1222.5 80.3 2.47 80.3 2.6

2563.5 1304 90.1 1304.5 89.7 2.64 89.7 2.8

2840.5 1376 99.9 1376.5 99.6 2.79 99.6 2.9

3114.5 1447 109.4 1447.5 108.9 2.92 108.9 3.1

3414.5 1521 120.5 1521.5 120 3.08 120 3.2

3661.5 1582 129.6 1582.5 128.9 3.2 128.9 3.4

Tabla 7 Resultados obtenidos a partir de una serie de mediciones [Autores]

Ya obtenidos los resultados comparados con los dos diferentes equipos de medición

(PQA y Multímetro de precisión), se prosiguió a realizar una regresión lineal para

obtener la ecuación específica que caracteriza la calibración de cada uno de los

integrados ADE7763. Los dos equipos de medición utilizados generaron una ecuación

diferente para la calibración de los medidores, a pesar de que los dos se encontraban

62

censando al mismo tiempo y bajo las mismas condiciones, por lo que se decide hacer

distintas pruebas con las 2 diferentes ecuaciones obtenidas y analizar el error de cada

una, de tal manera que se tome a consideración la que presente el menor porcentaje [%]

de error con respecto al equipo de medida utilizado como referencia. En la Gráfica 1

se ve un ejemplo grafico de la obtención de la ecuación para el caso donde se usó el

analizador de redes y en la Tabla 8 se muestran las dos ecuaciones obtenidas en los dos

casos.

Gráfica 1 Valores del registro de tensión del ADE comparado con la tensión del variac leída

con el PQA [Autores]

Equipo de calibración Ecuación de calibración

para tensión

Analizador de redes (PQA) 0.0353x - 0.2405

Multímetro de precisión 0.0353x - 0.5551

Tabla 8 Ecuaciones de calibración de tensión para el ADE de la red de distribución de

energía eléctrica

Así mismo, para la calibración de corriente se repite el mismo procedimiento y se

obtienen las siguientes ecuaciones de calibración,Tabla 9.


para Corriente

Analizador de redes (PQA) 0.0021x + 0.0053

Multímetro de precisión 0.002x + 0.0104

Tabla 9 Ecuaciones de calibración de Corriente para el ADE de la red de distribución de

energía eléctrica

y = 0,0353x - 0,2405

0

20

40

60

80

100

120

140

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Valores del registro de Tensión Vs Tensión

leida con PQA

63

A continuación, en la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos de tensión por el

integrado ADE7763 ya previamente calibrado y el porcentaje de error correspondiente

comparado con los dos equipos de medida tomados como referencia (Multímetro de

precisión y PQA), obteniendo así la calibración final que se realizó con referencia al

PQA, ya que el error fue menor comparado con el multímetro.

Valor del registro

de tensión ADE

[V]

Promedio

Tensión

leída

con

multímetro

[V]

Tensión

leída

con el

PQA [V]

Error [%]

con

respecto al

multímetro

Error

[%] con

respecto

al

PQA

9.89 10.2 10.045 9.7 10.1 3.55670 0.5445

20.05 20.7 20.375 20.1 20.5 1.3681 0.6097

29.72 30.64 30.18 29.9 30.3 0.9364 0.3960

39.2602 40.389 39.8246 39.6 40 0.5671 0.4385

49.56 50.48 50.02 49.9 50.3 0.2404 0.5566

59.31 60.93 60.12 60.1 60.5 0.0332 0.6280

69.68 71.206 70.443 70.2 70.6 0.3461 0.2223

78.76 80.8788 79.8194 79.7 80 0.1498 0.2255

89.56 91.5395 90.54975 90.1 90.5 0.4991 0.0549

99.6938 101.7412 100.7175 100.6 101.1 0.1167 0.3783

108.8012 111.6252 110.2132 109.9 110.4 0.2849 0.1692

118.685 121.721 120.203 119.6 120.2 0.5041 0.0024

128.3 130.36 129.33 128.9 129.2 0.3335 0.1006

Tabla 10 Porcentajes de error de la medida de tensión [V] obtenida del integrado ADE7763

contra los equipos de medida utilizados como referencia. [Autores]

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos de la medición de corriente por el

ADE ya calibrado y el porcentaje de error correspondiente comparado con los dos

equipos de medida, obteniendo así la calibración final que se realizó con referencia al

multímetro. Ya que la ecuación de calibración era muy cercana la una con la otra, el

criterio para utilizar el multímetro fue el hecho de que el PQA mostraba solo un decimal

lo que hacía menos exacta la medida, en comparación con el multímetro de precisión,

que proporcionaba un rango mayor.

Valor del

registro

de Corriente

ADE [A]

Promedio

Corriente

leída

con

multímetro

[A]

Corriente

leída

con el

PQA [A]

Error [%]

con

respecto al

multímetro

Error

[%] con

respecto

al

PQA

0.9684 0.9684 0.9684 0.97 1 0.1649 3.16

1.2564 1.26 1.2582 1.27 1.3 0.9291 3.2153

1.498 1.5 1.499 1.51 1.6 0.7284 6.3125

1.716 1.718 1.717 1.73 1.8 0.7514 4.6111

1.9244 1.9264 1.9254 1.95 2 1.2615 3.73

2.116 2.1204 2.1182 2.14 2.2 1.0186 3.7181

64

2.2944 2.2964 2.2954 2.32 2.5 1.0603 8.184

2.4524 2.4564 2.4544 2.48 2.6 1.0322 5.6

2.6204 2.6224 2.6214 2.64 2.7 0.7045 2.9111

2.7744 2.7764 2.7754 2.8 2.9 0.8785 4.2965

2.9104 2.9124 2.9114 2.94 3 0.9727 2.9533

3.0484 3.0524 3.0504 3.08 3.1 0.9610 1.6

3.0844 3.0864 3.0854 3.12 3.3 1.1089 6.5030

Tabla 11 Porcentajes de error de la medida de corriente [A] obtenida del integrado

ADE7763 contra los equipos de medida utilizados como referencia. [Autores]

Se puede mencionar que al trabajar con diferentes ADE7763 el comportamiento de los

mismos cambia según sus variables de calibración, así que hay que realizar el mismo

procedimiento para cada uno ellos independientemente que sean de la misma

referencia. A continuación, en la Tabla 12, se muestran los datos más relevantes de la

calibración para el segundo medidor implementado.

ADE7763 Fuente no convencional

Valor

Promedio

del registro

de tensión

del ADE

Valor del

registro

de

corriente

ADE

Promedio

Corriente

leída

con el

PQA [A]

Corriente

leída

Multímetro

[A]

Tensión

leída

con el

PQA

[V]

Tensión

aplicada

Variac

[V]

317 903 904 9.8 9.8 0.98 1 9.8

590.5 1166 1167 19.7 19.7 1.26 1.3 19.7

887.5 1407 1408 30.02 30.02 1.52 1.6 30.02

1170 988 1616 40 40 1.74 1.8 40

1449.5 1815 1817 50.4 50.4 1.96 2.1 50.4

1765.5 2001 2002 60.8 60.8 2.15 2.3 60.8

2049 2162 2165 70.3 70.3 2.32 2.5 70.3

2342.5 2316 2319 80.3 80.3 2.49 2.6 80.3

2623.5 2468 2470 90.1 90.1 2.64 2.8 90.1

2892 2598 2599 99.8 99.8 2.79 3 99.8

3191.5 2713 2714 109.5 109.5 2.93 3.1 109.5

3462.5 2811 2813 119 119 3.06 3.2 119

3731.5 2901 2903 129.9 129.9 3.21 3.4 129.9

Tabla 12 Resultados obtenidos a partir de una serie de mediciones para el segundo

integrado utilizado [Autores]

De igual forma para el nuevo medidor se obtienen las ecuaciones de calibración tanto para

corriente como para tensión las cuales se resumen en la Tabla 13.


para tensión

Ecuación de calibración

para Corriente

Analizador de redes (PQA) 0.0347x - 0.3867 0.0012x - 0.0614

Multímetro de precisión 0.0348x - 0.8238 0.0011x - 0.0216

Tabla 13 Ecuaciones de calibración de tensión y corriente para el ADE de la fuente no

convencional

65

En la Tabla 14 se muestran los valores obtenidos de tensión por el ADE de energía

renovable ya calibrado y el porcentaje de error correspondiente comparado con los dos

sensores de referencia utilizados (multímetro y PQA).

Valor del registro

de tensión ADE[V] Promedio

Tensión leída

con

multímetro[V]

Tensión

leída

con el

PQA[V]

Error [%]

con

respecto al

multímetro

Error [%]

con

respecto al

PQA

10.89 11.41 11.15 10.5 10.9 6.1904 2.2935

19.87 20.29 20.08 19.6 20 2.4489 0.4

29.83 30.94 30.385 30.2 30.6 0.6125 0.7026

39.69 40.5 40.095 39.9 40.3 0.488 0.5086

49.82 51.038 50.429 50.5 50.9 0.1405 0.9253

59.92 60.23 60.075 59.1 59.7 1.6497 0.6281

70.5 71.19 70.845 70.2 70.7 0.9188 0.2050

79.7 80.98 80.34 80.1 80.4 0.2996 0.0746

90 91.53 90.765 90.3 90.6 0.5149 0.1821

99.96 101.42 100.69 100.1 100.5 0.5894 0.1890

109.09 111.03 110.06 109.4 109.8 0.6032 0.2367

117.8 120.95 119.375 119.1 119.4 0.2308 0.0209

128.3 130.36 129.33 128.9 129.2 0.3335 0.1006

Tabla 14 Porcentajes de error de la medida de tensión [V] obtenida del segundo integrado


En la Tabla 15 se muestran los valores obtenidos de corriente por el ADE ya calibrado

y el porcentaje de error correspondiente comparado con los dos sensores de referencia

utilizados (multímetro y PQA), que al igual que en el anterior ADE7763 se toma como

calibración la del multímetro de precisión.

Valor del registro

de Corriente

ADE[A]

Promedio

Corriente

leída

con

multímetro[A]

Corriente

leída

con el

PQA[A]

Error [%]

con

respecto al

multímetro

Error

[%] con

respecto

al

PQA

0.993 0.994 0.9935 1 1 0.65 0.65

1.25 1.256 1.253 1.26 1.3 0.5555 3.6153

1.526 1.526 1.526 1.52 1.6 0.3947 4.625

1.748 1.75 1.749 1.74 1.8 0.5172 2.8333

1.975 1.976 1.9755 1.96 2 0.7908 1.225

2.148 2.149 2.1485 2.13 2.2 0.8685 2.3409

2.3499 2.35 2.34995 2.32 2.4 1.2909 2.0854

2.52 2.52 2.52 2.49 2.6 1.2048 3.0769

2.68 2.69 2.685 2.65 2.8 1.3207 4.1071

2.83 2.84 2.835 2.79 3 1.6129 5.5

66

2.964 2.966 2.965 2.93 3.1 1.1945 4.3548

3.069 3.071 3.07 3.06 3.3 0.3267 6.9696

3.168 3.167 3.1675 3.19 3.4 0.7053 6.8382

Tabla 15 Porcentajes de error de la medida de corriente [A] obtenida del segundo integrado


CALIBRACIÒN ENERGIA

Para la calibración de la energía se procedió a tomar como referencia el analizador de

redes (PQA), conectado a un sistema con una carga resistiva en este caso un bombillo

de 100[W], dejándolo por distintos lapsos de tiempo que fueron de 5, 10 y 15 minutos,

para establecer una constante de calibración que permita realizar la conversión de las

variables de conteo del ADE7763 por defecto, a valores reales de consumo de energía

eléctrica. Los resultados se observan en la Tabla 16.

Tiempo

[min]

Valor del

registro

de potencia

activa ADE

Energía

[W*h] (PQA)

Potencia pico

[kW] (PQA)

Constante de

calibración

5 3212 31 0.38 0.00965131

10 6538 63 0.38 0.009635974

15 9634 93 0.38 0.009653311

Tabla 16 Constante de calibración para conteo de energía

Para esta calibración, el objetivo principal se basa en encontrar una constante, por lo

que no es necesario realizar ni regresiones, ni análisis exhaustivos en comparación a la

calibración de tensión y corriente previamente mostrada, ya que en las tres pruebas que

se realizaron con tres tiempos distintos, la constante de calibración tiene un cambio

mínimo como se ve en la Tabla 16. Después de obtenidos los resultados al conteo por

defecto de energía que tiene el ADE7763 se le multiplicó la variable de calibración

para mostrar en parámetros de vatios por hora el resultado de consumo del sistema.

67

9. RESULTADOS PRACTICOS

Los resultados que se muestran a continuación tuvieron como objetivo principal el

demostrar que la instalación es capaz de generar un cambio de fuente para distintas

cargas sin alterar su funcionamiento, además de presentar las distintas funcionalidades

en conjunto de las diferentes etapas del proyecto desarrollado.

Las pruebas se desarrollaron con seis (6) cargas distintas, las cuales se ven resumidas

en la Tabla 17. Con la ayuda de un analizador de redes directamente conectado sobre

la carga, se analizaron los cambios de fuente ejecutados por el sistema de conmutación

teniendo en cuenta el nivel de tensión y de corriente que demanda la carga, así como

las posibles alteraciones que puede generar dichos cambios (armónicos) y la velocidad

de funcionamiento de los dispositivos de conmutación. Cabe resaltar que para el control

de todas las pruebas se estableció la página web sobre un servidor local.

Carga Detalles

Cargador de celular Marca Samsung, 1[A],

Maquina depiladora Marca Philips, 12[W]

Bombillo 60[W]

Televisor Marca Panasonic, corriente

máxima 1.9A

Plancha para el cabello Marca Nobelsound, 10[W]

Computador Marca Dell 19.5[V],

3.34[A] Tabla 17 Cargas implementadas en las pruebas [Autores]

Otro punto importante a mencionar es que para todas las pruebas realizadas la fuente

no convencional fue elegida de tal manera que se usaran dispositivos de un bajo costo,

por lo que se usó un inversor de 300[W] onda modificada (ya que son mucho más

económicos que los de onda pura), a 12 [Vdc] 110 [Vac] y una batería de 18 [A*h] a

12[V], Figuras 35 y 36 respectivamente.

68

Figura 42 Inversor de 300[W] onda modificada a 12 [Vdc] 110 [Vac] [Autores]

Figura 43 Batería de 18 [A*h] a 12[V].

9.1 PRIMERA PRUEBA

Para la primera prueba se usaron dos cargas una máquina depiladora y un cargador de

celular Tabla 17, las pruebas se enfocaron en:

Verificar que el sistema de medición se encuentre en funcionamiento y

realizando una correcta medición de los parámetros eléctricos.

Realizar una serie de cambios de fuente reiterativos para ver el comportamiento

de las cargas, utilizando el control generado en la página web.

Observar el cambio en el consumo y ver el comportamiento de este con la ayuda

de las gráficas en la interfaz web.

Teniendo en cuenta los objetivos de la prueba se procedió a conectar las dos cargas al

mismo tiempo, ya que las dos poseen muy bajo consumo y con la ayuda de la página

web se verificaron inicialmente que los valores de tensión de las dos fuentes

implementadas se lograran visualizar como se ve en la Figura 44.

Figura 44 Medición de la prueba 1 desde la interfaz WEB [Autores]

69

Como se aprecia en la interfaz de la página web, las variables de tensión se encuentran

en buen funcionamiento ya que corresponden a las fuentes de energía implementadas.

También se puede observar un consumo de energía para las fuentes, por lo que se

procede a analizar el comportamiento del prototipo con la ayuda de un analizador de

redes PQA824 que tuvo como objetivo el monitoreo de la carga, y partir de ahí se

empezó a realizar una serie de conmutaciones entre las fuentes (Red de distribución de

energía eléctrica e Inversor con batería) con la ayuda de la interfaz web.

La prueba duro aproximadamente seis (6) minutos, en la cual los tres(3) primeros se

dejó alimentada la carga con la red de distribución de energía eléctrica para verificar

que el sistema fuera capaz de censar la corriente y la tensión de manera adecuada. De

ahí se procedió a realizar un cambio de un minuto a la otra fuente donde en la Gráfica

2 (Línea negra Tensión, línea naranja Frecuencia y línea azul corriente) se puede apreciar

que el nivel de tensión (línea Negra) decae a los 110 [Vac]. Además en la Tabla 18 se

pueden ver numéricamente los instantes de tiempo con su respectivo nivel de tensión,

al igual que el porcentaje de cambio del mismo en cada uno de los instantes de tiempo.

Cabe agregar que al realizar el cambio de fuente, la carga no presentó alteración alguna

en su funcionamiento. A partir de esto se realizaron varios cambios de fuente

rápidamente para visualizar el estado de la carga que no presentó ninguna alteración.

Por el nivel tan bajo de la corriente (línea Azul) el PQA no fue capaz de censar esta

variable, ya que el rango mínimo de corriente que mide con precisión inicia desde un

amperio.

Otro punto importante es que el inversor al ser de onda modificada, la carga también

ve una alteración en la frecuencia de 60 [Hz] (línea Naranja) hasta 57.7 [Hz]. Según la

regulación vigente, la frecuencia nominal del sistema Colombiano es de 60 [Hz] y su

rango de variación, en condiciones normales de operación, comprende una franja de

calidad 59.8-60.2 Hz, por lo que se podría decir que el inversor puede afectar la calidad

de la energía dentro de la instalación al ser de onda modificada y no ser de una buena

calidad.

70

Gráfica 2 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número uno [Autores]

HORA

MINUTO

DE LA

PRUEBA

NIVEL DE

TENSIÓN

[V]

PORCENTAJE

DE CAMBIO

DE NIVEL DE

TENSION [%]

18:30:00 0 119.2

18:32:58 00:02:58 109 8.5570

18:33:48 00:03:48 109 0

18:33:49 00:03:49 115 5.5045

18:33:50 00:03:50 119.2 3.6521

18:34:11 00:04:11 119.7 0.4194

18:34:12 00:04:12 112 6.4327

18:34:13 00:04:13 110 1.7857

18:34:14 00:04:14 109.6 0.3636

18:34:25 00:04:25 109.5 0.0912

18:34:26 00:04:26 118.7 8.4018

18:34 00:04:27 119.8 0.9267

18:34:34 00:04:34 119.8 0

18:35:35 00:05:35 112 6.5108

18:36:36 00:06:36 108.9 2.7678

18:34:42 00:04:42 109.6 0.6427

18:34:43 00:04:43 105 4.1970

18:34:44 00:04:44 119.8 14.0952

18:34:50 00:04:50 120 0.1669

18:34:51 00:04:51 113.4 5.5

18:34:52 00:04:52 108.8 4.0564

18:34:55 00:04:55 109 0.1838

18:34:56 00:04:56 118.3 8.5321

71

18:34:57 00:04:57 119.7 1.1834

18:35:07 00:05:07 119.8 0.0835

18:35:08 00:05:08 114 4.8414

18:35:09 00:05:09 106 7.0175

18:35:10 00:05:10 106 0

18:35:11 00:05:11 103 2.8301

18:35:12 00:05:12 103 0

18:35:13 00:05:13 103 0

18:35:14 00:05:14 112.7 9.4174

18:35:15 00:05:15 119.8 6.2999

18:35:43 00:05:43 119.8 0

PROMEDIO 4.2393

Tabla 18 Porcentajes de variación del nivel de tensión de las fuentes implementadas prueba

uno

Además del cambio en la frecuencia por la inclusión del inversor, también existen otras

distorsiones; en este caso armónicas que pueden también afectar en gran parte a la

calidad de la energía suministrada a la instalación, por la inclusión del inversor, como

se ve en la Gráfica 3 (THD tensión- línea verde). El THD (Total Harmonic Distortion) o

distorsión armónica total, en este caso de tensión (línea color verde), aumenta

significativamente cuando es la fuente renovable la que alimenta la carga, generando

que se presenten niveles de armónicos mucho más altos que pueden generar

sobrecalentamientos en los conductores especialmente en el neutro de las instalaciones,

debido al efecto pelicular, disparos intempestivos de Interruptores automáticos y

diferenciales, además de un posible deterioro de la forma de onda de la tensión, y

consiguiente malfuncionamiento de los aparatos eléctricos.

Gráfica 3 Distorsiones armónicas para la prueba uno [Autores]

72

9.2 SEGUNDA PRUEBA

Esta prueba fue realizada por la razón de que la corriente en la prueba uno era muy baja

para su análisis y se decide incluir a las cargas de la prueba anterior un bombillo de 60

W.

Se verificó el buen funcionamiento de la medición de los parámetros eléctricos en la

interfaz web (Figura 45). Al igual que en la prueba anterior, observando los niveles de

tensión de las dos fuentes implementadas, así como un nivel de corriente por la

conexión de las cargas sobre la red de distribución de energía eléctrica. El único detalle

a destacar es que el consumo tiene un valor negativo que fue añadido en esta prueba

por error, pero que no afecta en si al funcionamiento del prototipo.

Figura 45 Medición de la prueba 2 desde la interfaz WEB [Autores]

Para esta prueba, ya que en la anterior no se mostró dentro de la interfaz web la gráfica

de consumo tanto de la red de distribución de energía eléctrica como de la fuente

renovable, por el problema de la corriente, se puede observar en la Gráfica 4 como la

interfaz es capaz de generar una comparación gráfica entre el consumo de las dos

fuentes implementadas, y permitir al usuario verificar el ahorro por el uso de la fuente

renovable.

73

Gráfica 4 Prueba de consumo energía [Autores]

En la implementación de esta prueba se tuvo un tiempo aproximado de nueve (9)

minutos, donde los primeros cuatro (4) se realizaron una serie de cambios de fuentes a

distintas velocidades, donde se puede apreciar una variación en el nivel de tensión a

partir del uso de la fuente renovable (como ya se mencionó de un inversor de 110[V])

como se ve en la Tabla 19. También se visualiza en la Gráfica 5 (Línea negra Tensión,

línea verde Frecuencia y línea azul corriente) cuatro (4) instantes donde se realiza una

conmutación de fuentes en menos de un segundo.

Gráfica 5 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número dos [Autores].

74

HORA

MINUTO

DE LA

PRUEBA

NIVEL DE

TENSIÓN

[V]

PORCENTAJE

DE CAMBIO

DE NIVEL DE

TENSION [%] 19:00:00 00:00:00 118.6 NA

19:01:28 00:01:28 118.4 0.1686

19:01:29 00:01:29 114.5 3.2939

19:01:30 00:01:30 104.6 8.6462

19:02:00 00:02:00 106.4 1.7208

19:02:01 00:02:01 116.8 9.7744

19:02:02 00:02:02 118.4 1.3698

19:02:10 00:02:10 118.4 0

19:02:11 00:02:11 108.8 8.1081

19:02:12 00:02:12 106.1 2.4816

19:02:13 00:02:13 106.5 0.3770

19:02:16 00:02:16 106.5 0

19:02:17 00:02:17 115.7 8.6384

19:02:18 00:02:18 118.4 2.3336

19:02:19 00:02:19 112.7 4.8141

19:02:20 00:02:20 106.2 5.7675

19:02:21 00:02:21 106.4 0.1883

19:02:22 00:02:22 107.3 0.8458

19:02:23 00:02:23 118.3 10.2516

19:02:24 00:02:24 118.4 0.0845

19:02:25 00:02:25 109.3 7.6858

19:02:26 00:02:26 106.6 2.4702

19:02:27 00:02:27 111 4.1275

19:02:28 00:02:28 118.4 6.6666

19:02:29 00:02:29 116.3 1.7736

19:02:30 00:02:30 106.2 8.6844

19:02:31 00:02:31 106.6 0.3766

19:02:32 00:02:32 116.7 9.4746

19:02:33 00:02:33 118.4 1.4567

19:02:39 00:02:39 118.4 0

19:02:40 00:02:40 109.2 7.7702

19:02:41 00:02:41 106.6 2.3809

19:02:42 00:02:42 111.8 4.8780

19:02:43 00:02:43 113.3 1.3416

19:02:44 00:02:44 106.6 5.9135

19:02:45 00:02:45 106.6 0

19:02:51 00:02:51 106.6 0

19:02:52 00:02:52 109.2 2.4390

19:02:53 00:02:53 118.3 8.3333

19:03:03 00:03:03 118.3 0

19:03:04 00:03:04 109.2 7.6923

19:03:05 00:03:05 106.7 2.2893

19:03:19 00:03:19 106.5 0.1874

19:03:20 00:03:20 107 0.4694

19:03:21 00:03:21 108.5 1.4018

19:03:22 00:03:22 118 8.7557

19:04:20 00:04:20 118 0

19:04:21 00:04:21 113.1 4.1525

19:02:22 00:02:22 106.9 5.4818

19:07:18 00:07:18 106.5 0.3741

75

19:07:19 00:07:19 118.5 11.2676

19:07:20 00:07:20 118.5 0

19:08:38 00:08:38 118.6 0.0843

PROMEDIO 4.2453


dos

Al igual que con la prueba anterior se puede apreciar una alta alteración en cuanto a los

armónicos de corriente y tensión como se muestra en la Gráfica 6 (THD tensión -línea

azul y corriente-línea roja) que produce la fuente renovable por hacer uso del inversor.

También en forma de resumen se puede mencionar que a pesar de realizar cambios de

fuente a altas velocidades y continuamente, no se produce una elevación mayor del

porcentaje de THD dentro del rango de tiempo de los cambios. Esto quiere decir que

la conmutación no presenta alteraciones armónicas que desfavorezcan a la calidad de

la energía, pero al contrario el uso de fuentes con inversores de ondas modificadas si

lo generan.

Gráfica 6 Distorsiones armónicas para la prueba dos [Autores]

9.3 TERCERA PRUEBA

En la tercera prueba se utilizó como carga un electrodoméstico muy común dentro del

ámbito residencial: el televisor. Además de realizar los mismos protocolos de prueba

anteriores, se enfocó mucho en la confiabilidad del sistema, ósea en que la carga no

76

llegue a afectar su funcionamiento a pesar de realizar varios cambios de fuente en un

tiempo determinado.

Las variables eléctricas obtenidas en el transcurso de la prueba mediante el sistema de

medición y la interfaz web se pueden apreciar en la Figura 46 donde se observa un

nivel de corriente de 0.11 [A], por parte de la carga conectada a la red de distribución

de energía eléctrica. Además, en la Gráfica 7 se observa detalladamente el consumo

de las dos fuentes usadas para esta prueba durante un tiempo aproximado de 20

minutos, donde el televisor llego a tener un consumo de 7[W*h] conectado a la red

eléctrica.

Figura 46 Medición de la prueba tres desde la interfaz WEB[Autores]

Gráfica 7 Consumo energía prueba tres [Autores]

77

Dentro de la prueba se observa un comportamiento similar a las anteriores pruebas

donde ni la tensión ni la corriente se ven alterados por los cambios producidos en las

fuentes desde la interfaz web. La prueba duró un aproximado de 12 minutos, donde se

realizaron las conmutaciones a diferentes velocidades y tiempos, los cuales se pueden

observar más detalladamente en la Tabla 20, obteniendo por resultado un

comportamiento normal de la carga donde en ningún momento se presentó un apagado

de la misma.

HORA

MINUTO

DE LA

PRUEBA

NIVEL DE

TENSIÓN

[V]

PORCENTAJE

DE CAMBIO

DE NIVEL DE

TENSION [%] 21:06:00 0 118.5 NA

21:06:01 00:00:01 118.5 0

21:06:02 00:00:02 110.8 6.4978

21:06:03 00:00:03 107.8 2.7075

21:06:13 00:00:13 107.6 0.1855

21:06:14 00:00:14 118.8 10.4089

21:06:28 00:00:28 118.8 0

21:06:29 00:00:29 107.7 9.3434

21:07:10 00:01:10 107.7 0

21:07:11 00:01:11 118.8 10.3064

21:07:23 00:01:23 118.5 0.2525

21:07:24 00:01:24 107.7 9.1139

21:07:26 00:01:26 107.8 0.0928

21:07:27 00:01:27 119 10.3896

21:07:30 00:01:30 118.4 0.5042

21:07:31 00:01:31 107.6 9.1216

21:07:34 00:01:34 107.8 0.1858

21:07:35 00:01:35 118.4 9.833

21:07:51 00:01:51 118.8 0.3378

21:07:52 00:01:52 108 9.0909

21:08:00 00:02:00 107.9 0.0925

21:08:01 00:02:01 114.7 6.3021

21:08:02 00:02:02 119.2 3.9232

21:12:25 00:06:25 119.1 0.0838

21:12:26 00:06:26 109.2 8.3123

21:14:04 00:08:04 108.2 0.9157

21:14:05 00:08:05 119.1 10.0739

21:15:37 00:09:37 119.5 0.3358

21:15:38 00:09:38 108.7 9.0376

21:15:46 00:09:46 108.4 0.2759

21:15:47 00:09:47 120 10.7011

21:15:50 00:09:50 119.6 0.3333

21:15:51 00:09:51 108.8 9.0301

21:15:54 00:09:54 108.6 0.1838

21:15:55 00:09:55 119.6 10.1289

21:15:57 00:09:57 119.5 0.0836

21:15:58 00:09:58 108.7 9.0376

21:16:04 00:10:04 108.4 0.2759

78

21:16:05 00:10:05 119.7 10.4243

21:18:01 00:12:01 119.2 0.4177

21:18:02 00:12:02 108.5 8.9765

21:18:34 00:12:34 108.2 0.2764

21:18:35 00:12:35 119.4 10.3512

21:18:02 00:12:02 120.7 1.0887

PROMEDIO 4.9758


tres

En la Gráfica 8 (Línea azul Tensión, línea verde Frecuencia y línea roja corriente) se

presenta un nivel de corriente que tiende a cero por breves instantes de tiempo no por

mal funcionamiento del dispositivo si no por el movimiento de la sonda de corriente

del analizador de redes.

Gráfica 8 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número tres [Autores].

De igual forma en la Gráfica 9 (THD tensión – línea azul y corriente- línea roja) se

presentaran los niveles porcentuales de los armónicos de corriente y tensión producidos

en los cambios a la fuente renovable implementada.

79

Gráfica 9 Distorsiones armónicas para la prueba tres [Autores]

9.4 CUARTA PRUEBA

Esta prueba fue realizada teniendo como carga una plancha para el cabello, la cuál

presenta un comportamiento de alto consumo de energía mientras se inicia su

calentamiento, y pasado un tiempo esta se estabiliza en un nivel de corriente.

Las variables eléctricas obtenidas en la prueba mediante el sistema de medición se

pueden apreciar en la Figura 47.

Figura 47 Medición de la prueba cuatro desde la interfaz WEB [Autores]

80

En la Gráfica 10 (Línea azul Tensión, línea verde Frecuencia y línea rosa corriente) se puede

observar el comportamiento de la prueba realizada por alrededor de siete (7) minutos

de duración, los cuales se pueden ver numéricamente en la Tabla 21. Los resultados

obtenidos mostraron un comportamiento resaltante en el nivel de corriente, el cual

presentaba un cambio de nivel al momento de realizar los cambios de fuente. Iniciando

en la primera conmutación, en el primer minuto (1) se observa una pequeña alteración

en la corriente de la carga, no tan profunda pero si visible. A pesar de eso al mantener

la carga en la fuente renovable vemos que el comportamiento de la corriente es normal

alrededor de los siguientes tres (3) minutos, ya que disminuye al alcanzar cierto nivel

de temperatura de la plancha. Pero al realizar los cinco (5) siguientes cambios,

alrededor del minuto cuatro (4) se observa como la corriente disminuyó por breves

instantes mientras estuviera en la fuente renovable. Los cambios en la medida de

corriente también fueron vistos dentro de la Interfaz del analizador de redes, por lo que

se intentó mover la sonda de corriente explicando el comportamiento de la corriente a

partir del minuto cinco (5). A pesar de que el funcionamiento de la sonda del analizador

no fue del 100% buena en los últimos minutos por movimientos en la misma, la

plataforma web con la ayuda de los medidores llego a un nivel de corriente alrededor

de los 0.4 [A], donde se estabilizó mientras la carga se encontraba encendida, llegando

a un nivel de temperatura estable de la plancha, alrededor de los 220 grados

centígrados.

Gráfica 10 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número cuatro [Autores].

81

HORA

MINUTO

DE LA

PRUEBA

NIVEL

DE

TENSIÓN

[V]

PORCENTAJE

DE CAMBIO

DE NIVEL DE

TENSION [%] 22:00:00 0 118.4 NA

22:01:02 00:01:02 118.9 0.4222

22:01:03 00:01:03 108.7 8.5786

22:03:37 00:03:37 108.8 0.0919

22:03:38 00:03:38 119 9.375

22:03:42 00:03:42 119.2 0.1680

22:03:43 00:03:43 109.1 8.4731

22:03:49 00:03:49 108.9 0.1833

22:03:50 00:03:50 118.9 9.1827

22:04:03 00:04:03 119.5 0.5046

22:04:04 00:04:04 109.2 8.6192

22:04:11 00:04:11 109.2 0

22:04:12 00:04:12 119 8.9743

22:06:40 00:06:40 119.4 0.3361

PROMEDIO 4.5757


cuatro

En la Gráfica 11 (THD tensión-línea azul y corriente-línea roja) se observan los niveles

porcentuales de distorsión armónica, tanto para tensión como para corriente de la

prueba. Cabe resaltar que dentro del minuto dos (2) y minuto siete (7), donde se

presentaron los cambios de fuente de alimentación, el nivel porcentual de los armónicos

disminuyó al igual que los niveles de corriente.

Gráfica 11 Distorsiones armónicas para la prueba cuatro [Autores]

82

9.5 QUINTA PRUEBA

Esta prueba fue catalogada como una de las más importantes, ya que la carga utilizada

-un computador (portátil)- tiende a ser muy sensible a los cambios bruscos de tensión.

Además, esta carga se ha convertido en un electrodoméstico vital en cualquier hogar,

no solo dentro del país sino también del mundo, siendo esta una carga sensible. Como

ya se mencionó anteriormente, los resultados arrojados por esta prueba nos dan una

base de la veracidad del funcionamiento del prototipo ante el uso de este dentro del

ámbito residencial.

Figura 48 Medición de la prueba cinco desde la interfaz WEB [Autores]

La prueba duró alrededor de unos 15 minutos, donde al igual que las anteriores, se

realizaron cambios en la fuente de alimentación del computador portátil. Cabe aclarar

que este no tenía batería, ya que se tenía que observar el más mínimo cambio en el

funcionamiento de la carga.

En la Gráfica 12 (Línea azul Tensión, línea verde Frecuencia y línea rosa corriente), se puede

observar el comportamiento de la carga siendo este normal frente a los niveles de

tensión y corriente según la fuente a alimentar. Cabe agregar que aunque se realizaran

cambios bruscos de fuentes de alimentación a diferentes tiempos (Tabla 22) la carga

no se veía afectada en cuanto a su funcionamiento, por lo que no había un apagado de

la misma, resultado muy importante para el prototipo, ya que al ser una carga sensible,

porque que no se presente una alteración es signo del buen desempeño del mismo.

83

Gráfica 12 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número cinco [Autores].

HORA MINUTO DE LA

PRUEBA

NIVEL DE

TENSIÓN [V]

PORCENTAJE DE

CAMBIO DE NIVEL

DE TENSION [%]

22:20:00 0 119.8 NA

22:20:47 00:00:47 119.8 0

22:20:48 00:00:48 109.2 8.8480

22:21:07 00:01:07 108.9 0.2747

22:21:08 00:01:08 120 10.1928

22:21:11 00:01:11 120 0

22:21:12 00:01:12 116.4 3

22:21:13 00:01:13 109.1 6.2714

22:21:15 00:01:15 109.2 0.0916

22:21:16 00:01:16 120.1 9.98168

22:21:35 00:01:35 119.9 0.1665

22:21:36 00:01:36 111.3 7.1726

22:21:37 00:01:37 109.3 1.7969

22:25:37 00:05:37 109.8 0.4574

22:25:38 00:05:38 120.4 9.6539

22:25:48 00:05:48 119 1.1627

22:25:49 00:05:49 109 8.4033

22:25:52 00:05:52 111.3 2.1100

22:25:53 00:05:53 120 7.8167

22:25:56 00:05:56 120.1 0.0833

22:25:57 00:05:57 109.9 8.4929

22:26:00 00:06:00 110 0.0909

22:26:01 00:06:01 120.5 9.5454

22:31:12 00:11:12 120.8 0.2489

PROMEDIO 4.5648


cinco

84

Para el análisis de los armónicos, según la Gráfica 13 (THD tensión- línea azul y

corriente- línea roja) se puede observar que los niveles de THD de tensión y de

corriente, como ya se había mencionado, presentan elevaciones en el momento del uso

del inversor.

Gráfica 13 Distorsiones armónicas para la prueba cinco [Autores]

9.6 SEXTA PRUEBA

La última prueba fue enfocada en el uso del botón de automático dentro de la página

web implementada, además de medir su capacidad de respuesta frente a una

desconexión completa de una de las fuentes conectadas.

La prueba se llevó a cabo usando como carga un bombillo incandescente que permitiera

de manera segura ver visualmente el comportamiento de la misma en ausencia de una

de las fuentes, en este caso de la red de distribución de energía eléctrica. En simples

palabras se trabajaría la fuente renovable como fuente de respaldo en caso de falla o

desconexión la red eléctrica.

Ya teniendo las pautas de la prueba, es importante comentar que el botón de automático

puede realizar una toma de decisiones de distintas formas, algunas de estas son:

A partir de la disponibilidad de carga eléctrica en la batería.

85

Por niveles de corriente por circuito, ya que se recomendaría tener medidores

en cada circuito, para realizar una toma de decisiones de acuerdo a la capacidad

de la fuente no convencional que el usuario pueda adquirir.

En caso de falla o desconexión de alguna de las fuentes.

Teniendo en cuenta estas formas de trabajo, el dispositivo maestro debe recibir esas

condiciones de operación al momento de la implementación del prototipo dentro de la

instalación eléctrica residencial.

Figura 49 Medición de consumo de la prueba seis desde la interfaz WEB [Autores]

La prueba duró a alrededor de ocho (8) minutos donde se realizaron cinco (5)

desconexiones de la red de distribución de energía eléctrica. Cabe aclarar que el botón

de automático se activa desde el inicio de la prueba, teniendo como condición de

trabajo el que si la tensión de la fuente eléctrica disminuye por debajo de los 110 [V]

se haga un cambio de fuente a la renovable. A partir de esto en la Gráfica 14 (Línea

azul Tensión, línea verde Frecuencia y línea rosa corriente) se observa cuando se realiza la

desconexión y el sistema implementado es capaz de realizar un cambio a la fuente

disponible en menos de 3 segundos, teniendo un rendimiento aceptable aunque no es

capaz de mantener la carga encendida. Los cambios se pueden apreciar numéricamente

en la Tabla 23.

86

Gráfica 14 Resultados obtenidos con analizador de redes Prueba número seis [Autores].

HORA

MINUTO

DE LA

PRUEBA

NIVEL DE

TENSIÓN

[V]

PORCENTAJE

DE CAMBIO

DE NIVEL DE

TENSION [%]

22:43:00 0 119.9 NA

22:44:56 00:01:56 119.6 0.2502

22:44:57 00:01:57 0 -

22:44:58 00:01:58 0 -

22:44:59 00:01:59 108.9 8.9464

22:45:53 00:02:53 108.9 0

22:45:54 00:02:54 118.1 8.4481

22:46:17 00:03:17 119.5 1.1854

22:46:18 00:03:18 0 -

22:46:19 00:03:19 0 -

22:46:20 00:03:20 109.2 8.6192

22:46:33 00:03:33 108.9 0.2747

22:46:34 00:03:34 119.8 10.0091

22:47:57 00:04:57 119.5 0.2504

22:47:58 00:04:58 0 -

22:47:49 00:04:49 0 -

22:48:00 00:05:00 109.4 8.4518

22:48:10 00:05:10 109.7 0.2742

22:48:11 00:05:11 119.7 9.1157

22:48:44 00:05:44 119.4 0.2506

22:48:45 00:05:45 0 -

22:48:46 00:05:46 0 -

22:48:47 00:05:47 105.1 11.9765

22:48:49 00:05:49 109.3 3.9961

22:49:07 00:06:07 109.2 0.0914

87

22:49:08 00:06:08 119.5 9.4322

22:49:23 00:06:23 119.4 0.0836

22:49:24 00:06:24 84 29.6482

22:49:25 00:06:25 69 17.8571

22:49:26 00:06:26 109.5 58.6956

22:49:50 00:06:50 108.9 0.5479

PROMEDIO 8.9716


seis

La Gráfica 15 (THD tensión- línea azul y corriente- línea roja) muestra un comportamiento

similar a las anteriores pruebas, donde el nivel de armónicos se ve incrementado al

momento del uso de la fuente renovable. Aunque cabe destacar que para esta prueba,

el nivel de armónicos en cuanto a corriente no presenta un elevado incremento.

Gráfica 15 Distorsiones armónicas para la prueba seis [Autores]

9.7 Resumen de las pruebas:

Prueba 1: Carga implementada cargador de celular y maquina depiladora.

Prueba 2: Carga implementada cargador de celular, maquina depiladora y

bombillo de 60[W].

88

Prueba 3: Carga implementada televisor.

Prueba 4: Carga implementada plancha para el cabello.

Prueba 5: Carga implementada Computador portátil sin batería.

Prueba 6: Carga implementada bombillo de [60W], desconexión total de

fuente.

TABLA RESUMEN PRUEBA

ASPECTOS A EVALUAR 1 2 3 4 5 6 OBSERVACIONES

¿SE PRODUJO ALGUN APAGADO DE LAS CARGAS DURANTE LA

CONMUTACION? NO NO NO NO NO NO

Siendo este uno de los aspectos más importantes a evaluar durante la operación

del sistema se puede mencionar que el

sistema funciona de acuerdo a lo esperado ya que en

ningún momento en los que se realizaron las

conmutaciones se produjo una desconexión total de la

carga conectada.

¿LOS NIVELES DE TENSION SE MANTUVIERON ESTABLES DURANTE

LAS PRUEBAS? SI SI SI SI SI N/A

A pesar de que el porcentaje de variación del nivel de

tensión, para las primeras 5 pruebas fue

aproximadamente el 4 % esto se atribuye al hecho de que

el inversor implementado no posee una salida de 120

voltios AC sino de 110 voltios AC.

¿EXISTIERON CAMBIOS DE CORRIENTE DURANTE LAS

CONMUTACIONES? N/A NO NO SI NO NO

En la prueba número cuatro (4) existieron cambios de

corriente en los momentos en los que se realizaban las conmutaciones entre las dos fuentes, por la razón de que la carga intentaba estabilizar su nivel de corriente cuando

entraba la fuente renovable a alimentar la misma, ya que al ser una plancha busca llegar a

un nivel de temperatura

89

estable según el gusto del usuario.

¿LOS MEDIDORES FUNCIONARON CORRECTAMENTE DURANTE LA

EJECUCION DE LA PRUEBA? SI SI SI SI SI SI

Durante la ejecución de todas las pruebas el sistema de

medición fue capaz de censar los parámetros

eléctricos de cada una de las cargas aun en los momentos

donde se realizaron as conmutaciones a las diferentes fuentes

AUMENTO EN NIVELES DE ARMONICOS

SI SI SI SI SI SI

Los niveles de armónicos se vieron aumentados en los

momentos de la inclusión de la fuente renovable

especialmente por el uso del inversor

alrededor de un 30% para el THD de tensión y hasta un 3%

en el caso de la corriente, esto representaría según las

normas actuales un dimensionamiento de

conductores mayor para el uso del inversor, ya que entre alguno de los efectos de los armónicos se encuentra el

sobrecalentamiento del neutro.

Tabla 24 Tabla resumen de las pruebas

9.8 Análisis de resultados según enfoques:

Uno de los principales objetivos de este proyecto es que está enfocado al desarrollo

sostenible del país. Es por ello que es de vital importancia realizar unos análisis

orientados a hacer un balance entre aspectos energéticos, económicos, sociales y

medioambientales, por lo cual los indicadores que se establecen en este proyecto se

enfocan a esos cuatro (4) aspectos anteriormente mencionados, los cuales se explicara

más detalladamente a continuación.

9.8.1 Enfoque Medio Ambiental

El proyecto está ligado inicialmente a la promoción de las fuentes de energía no

convencionales especialmente las de carácter renovable, por lo cual el enfoque medio

ambiental está incluido en los beneficios que conlleva el uso del prototipo. Si el uso

90

del mismo se realiza de forma masiva, podría llegar a tener un impacto positivo en el

medio ambiente, al crear una disminución de nuevos centros de generación de energía

eléctrica, como centrales hidroeléctricas y térmicas (las cuales constituyen más del el

99.32% de la generación de energía eléctrica del país), por incrementos en la demanda

del país, los cuales podrían ser solventados o reducidos por el uso del prototipo en

relación con fuentes no convencionales. De esta forma disminuirían los daños

colaterales al medio ambiente ligados a dichas construcciones, como por ejemplo:

Daños a hábitats naturales incluyendo fauna y flora asociada.

Contaminación por uso de combustibles fósiles.

Uso de recursos naturales de manera indiscriminada.

9.8.2 Enfoque Económico

Dentro de los propósitos del desarrollo del proyecto se encuentra un punto muy

relevante en la posible instalación del prototipo dentro de un hogar colombiano y es la

parte económica. Fundamentalmente se busca proponer el menor costo posible para la

instalación completa del prototipo. Por esto mismo, a continuación se recopilarán un

promedio de los costos de las instalaciones eléctricas en la parte residencial actuales,

Tabla 25.

Cantidad deacuerdo al

ítem según Tipo de

instalación

Totales

ITEM Precio (promedio) Apartamento Casa Apartamento Casa

Salidas

iluminación $ 56,256.00 12 30 $ 675,072.00 $ 1,687,680.00

salidas para

tomacorriente

normal

$ 41,053.00 17 27 $ 697,901.00 $ 1,518,912.00

salidas para

tomacorriente

GFCI

$ 64,971.00 3 5 $ 194,913.00 $ 281,280.00

Salida

Extractor $ 41,053.00 1 1 $ 41,053.00 $ 56,256.00

Salida timbre $ 70,883.00 1 1 $ 70,883.00 $ 56,256.00

Tablero de

distribución 1 1 $ 193,137.00 $ 318,000.00

Total $ 1,872,959.00 $ 3,918,384.00

Tabla 25 Costos promedio de las instalaciones eléctricas actuales. (Precios a octubre de 2016)

[Autores]

Los precios que se observan en la Tabla 25 son exentos de mano de obra, e incluyen el

IVA, además de ser costos promedio determinados por proyectos elaborados en

91

empresas de desarrollo de instalaciones eléctricas como lo son Diamante ingeniería

[36] y COINTELCO [37] por parte de los autores, teniendo dos diferentes perspectivas,

tanto para apartamentos entre sus 50 y 80 metros cuadrados hasta casas de más de 100

metros cuadrados. Ahora bien a los costos totales de la instalación se les debe agregar

un costo adicional determinado por los costos individuales de cada una de las fases de

la producción del prototipo, y estos se pueden observan en la Tabla 26 que corresponde

al presupuesto del sistema implementado

92

El presupuesto va a ser dividido en dos diferentes prototipos implementados. El primero fue desarrollado para la primera calibración que se realizó

de los medidores de energía, pero presento una falla causada por un cortocircuito al momento de unir dos de los caminos de soldadura del prototipo,

los cuales se encontraban cerca uno del otro. El segundo prototipo es el prototipo final que se diseñó y construyó, de manera que los caminos de

soldadura se encontraran mucho más alejados uno del otro. Adicional a esto se anexaron dos fusibles.

PRIMER PROTOTIPO SEGUNDO PROTOTIPO

ELEMENTO UNIDAD VALOR UNITARIO (PESOS) CANTIDAD VALOR TOTAL CANTIDAD VALOR TOTAL

ARDUINO® MEGA UN $120.000 1 $120.000 NA NA

ARDUINO® UNO UN $75.400 NA NA 1 $75.400

ADE7763 UN $27.500 2 $55.000 2 $55.000

ACS714 UN $21.000 2 $42.000 2 $42.000

RESISTENCIA UN $50 15 $750 15 $750

CONDENSADORES UN $100 10 $1.000 10 $1.000

BAQUELA UN $15.000 1 $15.000 1 $15.000

ESTAÑO ML $1.000 10 $10.000 10 $10.000

CREMA PARA SOLDAR UN $500 1 $500 1 $500

RELES DE ESTADO SOLIDO UN $50.000 NA NA 2 $100.000

TABLERO UN $20.000 NA NA 1 $20.000

ACRILICO UN $15.000 1 $15.000 NA NA

BREAKER UN $14.000 1 $14.000 2 $28.000

RELE ELECTROMECANICO UN $12.000 1 $12.000 NA NA

CONMUTADOR UN $1.200 1 $1.200 NA NA

TRANSISTOR UN $200 3 $600 3 $600

CABLE #12 ML $1.200 2 $2.400 3 $3.600

CABLE delgado ML $500 5 $2.500 5 $2.500

TOTAL, POR PROTOTIPO $171.950 $354.350

TOTAL, IMPLEMENTADO EN LOS DOS PROTOTIPOS $ 526.300 Tabla 26 Presupuesto (Precios a octubre de 2016) [Autores]

93

Para evitar los inconvenientes producidos con el prototipo uno es conveniente realizar

un diseño usando circuitos impresos de alta calidad hasta de dos o tres capas, para evitar

interconexiones entre los caminos de cada uno de los integrados. De esta forma, el

sistema de medición tomaría dimensiones menores hasta de 3x3 centímetros de área

total como se ve en la Figura 50. El propósito de estos dispositivos y de su tamaño, es

la de generar un acople tanto con el dispositivo maestro como con los conductores de

cada uno de los circuitos a medir, de una forma más segura y sencilla.

Figura 50 Proyección circuito medidor ADE7763 3x3cm

Al minimizar las dimensiones de los dispositivos de medición se puede generar un

costo agregado al prototipo en general, el cual incluirá el costo aproximado de las

adecuaciones del circuito tanto para los medidores como para el Arduino®. Cabe

mencionar que los costos de dichas adecuaciones pueden ser menores en construcción

en masa de los dispositivos.

ITEM COSTO

Placa para la conexión de los

dispositivos de medición sobre el

Arduino®

$90.000

Diseño y construcción de dos

Circuitos de medición en doble

capa de dimensiones de 3 x 3[cm]

(sin incluir materiales)

$480.000

Tabla 27 Costos circuitos impresos (Precios a octubre de 2016).

Adicional a los costos de los circuitos impresos, también existen otros ligados a

diferentes situaciones dentro de la instalación eléctrica como lo es la ubicación por

normatividad de los dispositivos o incluso el uso del servidor y la capacidad de este

para guardar la información del usuario. Por esto en la Tabla 28 se mencionan y se

describen brevemente los puntos anexos al prototipo para su instalación final, y en la

Tabla 29 se resumen los costos totales del dispositivo construido con circuitos impresos

de alta calidad.

94

Ítem Precio Descripción

Servidor $10,000.00

El uso del servidor es de vital importancia para el usuario ya que

va

a ser el lugar de almacenamiento de la información de cada

cliente, además de que la plataforma completa estará montada

directamente sobre este, cabe agregar que la idea del uso del

prototipo es consolidar una empresa encargada de generar el

mantenimiento y dirección del mismo para efectuar unos costos

anexos con mayor facilidad, además de menores en comparación a

si el usuario incluyera el prototipo de manera individual.

Tablero de

conmutación y

adquisición de

datos, con

comunicación

ethernet

$320,000.00

Para el uso de la instalación de los dispositivos de control y

supervisión de la instalación

es vital desde el punto de vista de los autores realizar la

instalación de un tablero adyacente al tablero de distribución de

los circuitos el cual tendrá como función principal agrupar los

dispositivos y aislarlos, para evitar accidentes para el usuario

directamente, además de realizar la conexión del sistema maestro

mediante comunicación ethernet a un router de la red disponible,

para esto se sugiere utilizar sistemas de comunicación por línea de

potencia para evitar cableados y cambios dentro de la instalación

propia.

Mantenimiento $10,000.00

El mantenimiento es de vital importancia para el usuario para

tener una administración eficiente de su información

además de asegurar el buen funcionamiento de los dispositivos de

conmutación los cuales establecen la posibilidad de trabajo del

prototipo, como empresa se debería cobrar un mantenimiento o

agregar un precio a dicho servicio.

Tabla 28 Costos anexos para la instalación del prototipo

Costo/Tipo de instalación Apartamento Casa

Costo instalación $ 1,872,959.00 $ 3,918,384.00

Costo prototipo con circuitos

impresos $ 924,350.00 $ 924,350.00

Costo anexo por tablero y

conexión ethernet via PLC

$ 320,000.00 $ 320,000.00

Mantenimiento/servidor[mes] $ 20,000.00 $ 20,000.00

Total $ 3,057,309.00 $ 5,102,734.00

Tabla 29 Costo total proyectado sin incluir mano de obra

Cabe agregar que los costos anexos son desde el punto de vista de la creación de una

empresa encargada de realizar la instalación y supervisión de todos los prototipos que

se pudieran implementar, ya que si un usuario individualmente instalara el prototipo

debería realizar pagos individuales del servidor según su gusto y facilidad económica,

además de tener en cuenta el mantenimiento del prototipo, lo que crearía un incremento

en los costos finales para este usuario individual. Igualmente, cabe aclarar que entre los

costos No se tiene en cuenta el valor de la fuente no convencional a usar.

95

El prototipo implementado en este trabajo tiene un precio de $924.350, pero si se

analiza el sistema para su posible venta al público, se debería modificar dicho valor

según ciertos puntos:

A. Se deben obviar los costos de la tabla 27 referentes a elementos de soldadura y

protección, ya que el circuito impreso reemplazara dichos elementos y dentro

de la residencia deben existir las diferentes protecciones de cada circuito, por

valor de $73,500 pesos colombianos.

B. Si se realiza la producción en masa de los circuitos impresos, tanto de los

medidores como de la placa de conexión para los mismos, los precios pueden

disminuir hasta un 15%, reduciendo su precio final a $484,500 para dos

medidores con la placa de conexión.

Teniendo en cuenta las anteriores modificaciones el precio final para la venta al público

del sistema de gestión con dos medidores y un juego de conmutación para un circuito

puede llegar a ser de $765,350.

Costo Beneficio

Costo económico del prototipo

incluyendo costos anexos $765.350

Incentivar y apoyar el proceso de uso de energías

no convencionales

dirigidas a proteger el medio ambiente.

Operación de su instalación de manera versátil a

partir de uso de comunicación vía internet.

Ahorro progresivo según la capacidad en la

fuente de energía no convencional.

Disponibilidad de energía eléctrica sin la

conexión de un operador de red.

Tabla 30 Beneficio Costo [Autores]

Además de los beneficios mencionados en cuanto al uso del prototipo en conjunto con

las energías renovables propuesto, existen otros incentivos directamente relacionados

con la parte legislativa del país que conceden diferentes beneficios de acuerdo al nivel

y/o capacidad de la fuente implementada y el uso de la misma. Todo se encuentra

mencionado en la ley 1715 [2], por lo que a continuación se resumirán los incentivos

delimitados en la misma:

Articulo Incentivo ARTICULO 8 PROMOCIÓN DE LA

AUTOGENERACIÓN A PEQUEÑA Y

GRAN ESCALA Y LA GENERACIÓN

DISTRIBUIDA

Este articulo autoriza la entrega de excedentes

de energía los cuales se reconocerán, mediante

un esquema de medición bidireccional, como

créditos de energía, los cuales podrán negociar

al igual que sus derechos inherentes a los

mismos con terceros naturales o jurídicos, según

las normas que la CREG defina para tal fin.

96

ARTÍCULO 10. FONDO DE ENERGÍAS

NO CONVENCIONALES Y GESTIÓN

EFICIENTE DE LA ENERGÍA (FENOGE).

Se creará un Fondo de Energías No

Convencionales y Gestión Eficiente de la

Energía con el fin de patrocinar y financiar

programas de fuentes de energía no

convencionales y gestión de la energía, por parte

de entidades públicas o privadas, así como por

organismos de carácter multilateral e

internacional.

Como parte importante del proyecto se puede

mencionar que los recursos del Fondo podrán

financiar parcial o totalmente, programas y

proyectos dirigidos al sector residencial de

estratos 1, 2 y 3, para la implementación de

mejoras de eficiencia energética mediante la

promoción de buenas prácticas, equipos de uso

final de energía, adecuación de instalaciones.

Internas y remodelaciones arquitectónicas.

ARTÍCULO 11. INCENTIVOS A LA

GENERACIÓN DE ENERGÍAS NO

CONVENCIONALES.

En este artículo se menciona que los obligados a

declarar renta que realicen directamente

inversiones en este sentido, tendrán derecho a

reducir anualmente de su renta, por los 5 años

siguientes al año gravable en que hayan

realizado la inversión, el cincuenta por ciento

(50%) del valor total de la inversión realizada.

ARTÍCULO 12. INSTRUMENTOS PARA

LA PROMOCIÓN DE LAS

FNCE. INCENTIVO TRIBUTARIO IVA

Los equipos elementos, maquinaria y servicios

nacionales o importados que se destinen al uso

de las fuentes no convencionales, así como para

la medición y evaluación de los potenciales

recursos estarán excluidos de IVA.


LA PROMOCIÓN DE LAS ENERGÍAS

RENOVABLES. INCENTIVO

ARANCELARIO

Quienes sean titulares de proyectos relacionados

con la temática de gestión eficiente de la energía

y uso de fuentes no convencionales de energía

son exentos del pago de derechos arancelarios

de importación de los equipos o materiales

utilizados para el desarrollo del proyecto.


LA PROMOCIÓN DE LAS

FNCE. INCENTIVO CONTABLE

DEPRECIACIÓN ACELERADA DE

ACTIVOS.

La maquinaria, equipos y obras civiles

necesarios para la generación usando fuentes de

energía no convencionales gozaran de una

depreciación acelerada con una tasa anual no

mayor al 20% como tasa global anual.

Tabla 31 Incentivos para el uso de fuentes de energia renovable ley 1715 [2]

97

9.8.3 Ahorro energético

Uno de los beneficios más importantes del uso del prototipo dentro de una instalación

eléctrica residencial como se ve en la Tabla 30, es un ahorro progresivo en cuanto al

uso de energía eléctrica proveniente del operador de red en cada uno de los casos en el

país. Ahora bien, este ahorro dependerá de la fuente de energía no convencional a

conectar a la instalación. Para mostrar un breve ejemplo entre las pruebas que se

realizaron, se trabajó con una batería de 18[A*h] la cual puede ser recargada de

diferentes formas, ya sea con la ayuda de un sistema fotovoltaico, eólico, hidráulico,

hasta la fuerza motriz de una persona a partir del uso de una bicicleta estática en casa,

etc. Esta fuente es capaz de generar un ahorro progresivo al momento de que el sistema

realice una conmutación, ya sea por disponibilidad de la misma o porque el consumo

que se está realizando el momento es de bajo impacto y puede ser suplido mediante la

misma. A partir de esto y del uso del sistema de adquisición de datos se puede obtener

el precio de la energía ahorrada en el lapso de tiempo que el usuario disponga de la

energía no convencional. En la Gráfica 16 se observa la capacidad de almacenamiento

que tiene el sistema de medición en conjunto con una base de datos para las diferentes

pruebas realizadas. Además, se visualizan los consumos de cada una de ellas

exceptuando las dos primeras, donde se puede observar la comparación entre el

consumo de las dos fuentes implementadas para cada escenario.

Gráfica 16 Consumo energía para las pruebas tres, cuatro, cinco y seis [Autores]

Desde el punto de vista de ahorro de energía, para este ejemplo se toma el consumo

total de las pruebas mostradas en la Gráfica 16 que es de 34[W*h]. A partir de este

dato se logra estimar que alrededor del 35% del consumo total de energía eléctrica en

las pruebas fue suplido por la fuente de energía renovable y el 65% restante por la

energía proveniente de la red de distribución de energía eléctrica, por lo que en

términos de energía se tendría 11.9 [W*h] de ahorro durante la duración de las pruebas,

equivalentes al 35% mencionado anteriormente.

98

9.8.4 Enfoque Social

9.8.4.1 Confiabilidad y disponibilidad:

Para tener claro el término de confiabilidad, se definirá como la probabilidad de

ocurrencia de fallas dentro del prototipo en un tiempo determinado, y el término de

disponibilidad será el tiempo y la posible operación de los equipos para que el usuario

reciba un servicio de energía adecuado y constante. Por esto es indispensable realizar

un cuadro donde se recopilen las posibles fallas dentro del funcionamiento del

prototipo, y como estas son solucionadas teniendo la premisa de no cortar en ningún

momento el suministro de energía eléctrica:

Fallas Soluciones

Desconexión

de una de las

fuentes

a alimentar

El sistema implementado tiene por defecto el uso de la red en cualquier tipo

de falla dentro del prototipo, es decir, que si existe una falla con el sistema

de adquisición de datos, sistema de conmutación, pagina web, comunicación

o de la fuente no convencional, el usuario no perderá la energía de su

instalación ya que el sistema implementado asignará todas las cargas a la

energía proveniente del operador de red.

Pero cabe agregar que, si la Red eléctrica es la que presenta una falla, el

sistema es capaz de realizar un cambio a la fuente de energía renovable si

esta tiene disponible su energía y es capaz de suplir la carga conectada, así

como se observa en el caso de la prueba número seis (6) realizada.

Fallo en el

sistema

de control y

adquisición

de datos

Ya que el Arduino® es el cerebro de la instalación, si a este le ocurre un

fallo, la red y la comunicación queda deshabilitada pero el sistema es capaz

de cambiar a la fuente de energía de la red eléctrica partir del uso de

enclavamientos en el sistema de conmutación que permitan el

funcionamiento de los relés de estado sólido.

Nota importante: Cabe aclarar que para que los enclavamientos funcionen

al igual que los relés se debe hacer uso de una batería de suplencia de 5[V]

Fallo en los

relés de

estado

solido

Si ocurre un fallo en los relés de estado sólido, es de vital importancia dejar

la posibilidad de cambio de fuente manualmente, que permita al usuario

realizar un cambio y seguir con sus actividades corrientes en el día. Cabe

añadir que la probabilidad de fallo de estos dispositivos es mínima, además

de que según el concepto de los autores se debe tener un relativo

mantenimiento de los mismos a lo largo de seis (6) meses.

Fallo en el

servidor

Si es el servidor el que falla, la instalación debería funcionar normalmente,

ya que el Arduino® es capaz de realizar los cambios necesarios sin el uso de

la conexión al servidor, por lo que la única funcionalidad que entraría en

falla seria el muestreo de datos al usuario en tiempo real.

Tabla 32 Posibles fallas del sistema [Autores]

99

9.8.4.2 Flexibilidad

Flexibilidad es la capacidad que tiene la instalación de adaptarse a cambios. Este

prototipo tiene la gran ventaja de ofrecer al usuario la flexibilidad de alimentar su

instalación con dos fuentes de energía diferentes de manera manual o automática, lo

que le proporciona al usuario una gran ventaja en cuanto a la falla de alguna de las dos

fuentes, pues puede obtener un respaldo de la otra fuente haciendo que además de

flexible, la instalación se convierta en confiable.

Adicional a lo anterior, uno de los incentivos más grandes es tener la posibilidad de

alimentar unos circuitos con una fuente u otra, haciendo que el usuario sea menos

dependiente de alguna de ellas, como ha sido siempre con la red de distribución de

energía eléctrica. Lo que ha ocasionado que si ocurre una falla el usuario no pueda

hacer nada al respecto, sino que tiene que quedarse siempre a la espera de que el

operador de red sea el que actúe en ese caso, haciendo que interrumpa las actividades

que esté realizando en ese momento, lo cual no es óptimo para el mismo. Además que

a largo plazo, el hecho de que el usuario pueda tener una fuente de energía renovable

en su instalación puede hacer un gran ahorro en el bolsillo del mismo sin que sienta la

presión de quedarse sin energía por una u otra fuente, ya que como se había mencionado

antes, se va a tener una fuente de respaldo.

9.8.5 Enfoque Energético

9.8.5.1 Tiempos de respuesta:

Dentro de los resultados más importantes está el comportamiento de los sistemas de

conmutación los cuales deben presentar una operación eficiente en cuanto a tiempos de

operación entre cambios de fuente, para que las cargas alimentadas dentro de la

instalación desarrollada no pierdan continuidad en su trabajo.

Para medir los tiempos aproximados de respuesta, se tomó dos de las pruebas que se

realizaron las pruebas son la numero cinco (5) y número seis (6).

Para la prueba número cinco (5) se observó dentro del software asociado al analizador

de redes (TOPview) que el cambio completo entre un nivel de tensión y otro no

sobrepasa un segundo, pero la herramienta no es capaz de estipular los milisegundos,

ya que según la hoja de especificaciones el trabajo de los relés es en microsegundos

para lograr que las cargas no sienten algún cambio brusco en su operación y no

presenten un apagado repentino. No obstante, es de vital importancia agregar el tiempo

entre la señal de envió de operación que es aproximadamente de dos segundos, hasta

el cambio completo de fuentes que tomaría menos de un segundo.

100

Gráfica 17 Tiempos de respuesta prueba cinco (5) [Autores]

Para la prueba seis (6) se obtuvo según el analizador de redes un tiempo de reconexión

a la fuente renovable menor a 5 segundos, pero también se realizó una prueba al mismo

tiempo con la ayuda de un cronometro y este marco un tiempo de reconexión entre 2 y

3 segundos diferente al mostrado en analizador de redes.

Gráfica 18 Tiempo de respuesta prueba seis (6) [Autores]

101

10. LIMITACIONES

A continuación, se resaltarán las limitaciones del prototipo implementado.

Inconsistencia en lecturas de niveles de tensión menores a 20[V] y en corriente

menores a 10[mA].

Fallo por corrientes superiores a los límites permitidos en los sensores de

corriente. Para el caso del prototipo 20 [A] para la red eléctrica y 5 [A] para la

fuente no convencional.

Limitación para alimentación de algunas cargas según la fuente no

convencional a usar. Para el caso de las pruebas realizadas, máximo 300[W]

siendo esta la máxima potencia de salida del inversor implementado.

Capacidad límite de espacio para almacenar información en el servidor.

Necesidad de inclusión de batería de suplencia de 5[V] para alimentación de

los relés en caso de fallo.

El sistema no es lo suficientemente rápido para hacer un respaldo sin tener un

apagado total de la instalación por falta de una de las fuentes.

102

11. PROYECCION Y TRABAJOS FUTUROS

11.1 Proyección Futura

El proyecto inicialmente fue ideado con la finalidad de formar una empresa, ya que se

considera que de acuerdo al estado actual del planeta en lo que ambiental y

energéticamente se refiere, es de vital importancia integrar opciones de suplencia de

energía eléctrica con fuentes de carácter renovable por medio de una instalación

eléctrica gestionable que utilice fuentes de energía eléctrica de carácter renovable.

El sistema propuesto ofrece a los usuarios flexibilidad y una mayor confiabilidad en la

instalación, pues tienen la opción de elegir cual fuente puede alimentar los circuitos de

la misma. Y no solo eso, sino que además se podría considerar la fuente de energía

renovable como una fuente de respaldo en la que si llegase ocurrir una contingencia

por parte de la red de distribución de energía eléctrica, el sistema actuaria

automáticamente tardando no más de 3 segundos en conectar la fuente renovable.

Aunque haciendo una visión aún más grande del proyecto, el hecho de que varios

usuarios adopten el uso de este tipo de instalación eléctrica podría llegar a ser muy

benéfico para el país, ya que como se había explicado en el planteamiento del problema,

muchas veces se utilizan plantas generadoras de suplencia para responder a la demanda

de energía eléctrica nacional en ciertos picos que se presentan más o menos en horarios

de 19 a 21 pm como se muestra en la Figura 5, lo que lleva a que se desperdicie la

capacidad instalada de las mismas y, que además se contamine el medio ambiente

porque muchas de esas plantas son térmicas y usan combustibles fósiles para su

funcionamiento. En cambio, con el uso del prototipo se podría llegar a aplanar esa curva

y a evitar el uso de esas plantas que podrían utilizarse no como suplencia, si no para

llegar a vender energía eléctrica a los países cercanos.

Partiendo del hecho que se espera que la demanda de energía de cada instalación se

supla el 50% por parte de la red de distribución de energía eléctrica y el otro 50% por

parte de la fuente de energía renovable, a continuación se muestra una tabla de

proyección de ahorro de energía por parte de la red de distribución de energía eléctrica

supliendo esta cantidad con lo que aportaría las fuentes renovables. Inicialmente se

tomó una cantidad de usuarios residenciales que optarían por utilizar la instalación

eléctrica gestionable y haciendo un promedio del consumo de cada usuario de 120 kWh

(aproximado que se realizó de acuerdo a lo que se consume en los hogares de familiares

y de los autores con el mismo estrato), se multiplicaría esta cantidad de usuarios por el

promedio de consumo de energía por el 50%, que es lo que inicialmente se tiene

visualizado. Esto da como resultado la energía total ahorrada, que es realmente lo que

103

estaría aportando la fuente de energía renovable. Esto se realizó variando la cantidad

de usuarios y haciendo un estimado como se explicó anteriormente (Tabla 33).

No. CASAS

QUE

ADOPTEN

UTILIZAR

EL

PROTOTIPO

ENERGÍA

CONSUMIDA

PROMEDIO

X CASA

CONSUMO

MES kWh

kWh

MENSUAL

CONSUMIDA

POR

COLOMBIA

Aprox. (UPME

PROYECCIÓN

DEMANDA

JUNIO 2016)

ENERGIA

TOTAL

AHORRADA

POR USO

DEL

PROTOTIPO

ENERGÍA

SUMINISTRADA

POR LA RED DE

DISTRIBUCION

DE ENERGIA

ELÉCTRICA

%

ENERGÍA

AHORRADA

10 120 5.733.000 600 5.732.400 0,0105%

20 120 5.733.000 1.200 5.731.800 0,0209%

30 120 5.733.000 1.800 5.731.200 0,0314%

40 120 5.733.000 2.400 5.730.600 0,0419%

50 120 5.733.000 3.000 5.730.000 0,0523%

60 120 5.733.000 3.600 5.729.400 0,0628%

70 120 5.733.000 4.200 5.728.800 0,0733%

80 120 5.733.000 4.800 5.728.200 0,0837%

90 120 5.733.000 5.400 5.727.600 0,0942%

100 120 5.733.000 6.000 5.727.000 0,1047%

150 120 5.733.000 9.000 5.724.000 0,1570%

200 120 5.733.000 12.000 5.721.000 0,2093%

250 120 5.733.000 15.000 5.718.000 0,2616%

300 120 5.733.000 18.000 5.715.000 0,3140%

350 120 5.733.000 21.000 5.712.000 0,3663%

400 120 5.733.000 24.000 5.709.000 0,4186%

450 120 5.733.000 27.000 5.706.000 0,4710%

500 120 5.733.000 30.000 5.703.000 0,5233%

550 120 5.733.000 33.000 5.700.000 0,5756%

600 120 5.733.000 36.000 5.697.000 0,6279%

650 120 5.733.000 39.000 5.694.000 0,6803%

700 120 5.733.000 42.000 5.691.000 0,7326%

750 120 5.733.000 45.000 5.688.000 0,7849%

800 120 5.733.000 48.000 5.685.000 0,8373%

850 120 5.733.000 51.000 5.682.000 0,8896%

900 120 5.733.000 54.000 5.679.000 0,9419%

950 120 5.733.000 57.000 5.676.000 0,9942%

1000 120 5.733.000 60.000 5.673.000 1,0466%

2000 120 5.733.000 120.000 5.613.000 2,0931%

3000 120 5.733.000 180.000 5.553.000 3,1397%

4000 120 5.733.000 240.000 5.493.000 4,1863%

104

5000 120 5.733.000 300.000 5.433.000 5,2329%

6000 120 5.733.000 360.000 5.373.000 6,2794%

7000 120 5.733.000 420.000 5.313.000 7,3260%

8000 120 5.733.000 480.000 5.253.000 8,3726%

9000 120 5.733.000 540.000 5.193.000 9,4192%

10000 120 5.733.000 600.000 5.133.000 10,4657%

20000 120 5.733.000 1.200.000 4.533.000 20,9314%

Tabla 33 Proyección de uso del prototipo en hogares [1]

Otro punto importante a destacar es que el trabajo desarrollado abrirá las puertas a la

generación distribuida y al trabajo con diferentes tarifas horarias de energía, que si aún

no están activas en el país, estas pueden ser implementadas con la posibilidad de venta

de excedentes de energía al usuario. El prototipo condicionado a ciertas operaciones

según las horas del día, además de incorporar el medidor que puede ser acondicionado

para trabajo bidireccional, puede ser una herramienta óptima para estos nuevos

desarrollos en el país.

11.2 Trabajos Futuros

De acuerdo al trabajo realizado en el presente proyecto, surgieron propuestas de las que

podrían mejorar el progreso del proyecto base. Algunas de estas son:

Medidor bidireccional: convendría mucho el uso de un medidor con esta

cualidad ya que en desarrollos futuros en los que el usuario residencial puede

llegar a ser un cogenerador, sería de vital importancia medir tanto la energía

que se está consumiendo como la que también se está entregando. Esto se logra

reemplazando el medidor de corriente manejado (el ACS714), por otro

medidor de corriente que se pueda utilizar bidireccionalmente y ajustando el

circuito para que se acople de igual manera.

Mejorar la eficiencia energética de la instalación eléctrica, tomando como base

el prototipo desarrollado e incluyendo una alimentación de corriente directa

(DC), ya que hay varias cargas de nuestra vida cotidiana que son alimentados

por corriente directa, y omitiría el uso de inversores, de los cuales se vio que

generan una gran distorsión armónica en los equipos.

Implementación de un sistema experto que se adecue automáticamente a las

necesidades del entorno futuro, donde se cambie de consumidor a generador

dependiendo de las condiciones del mercado.

105

Establecer un marco reglamentario en el que se normalice el uso de este tipo

de instalaciones, para que la incorporación de la misma al mercado sea segura

y confiable con el fin de mejorar la calidad de vida del usuario.

Mejorar el alcance del medidor de energía, haciéndolo más completo al incluir

otros detalles específicos como lo son el factor de potencia, potencia activa,

potencia reactiva, potencia aparente, entre otros.

Incorporación al prototipo de tecnologías en paneles solares para el uso a nivel

residencial, orientado siempre mejorar la gestión eficiente de la energía con el

uso de fuentes de energía renovables.

106

12. CONCLUSIONES

El prototipo puede ser propuesto como un sistema de medida reglamentado para

el trabajo como un sistema de gestión eficiente de energía, además de participar

en los incentivos que propone la ley 1715. De igual forma, cabe mencionar que

las normas vigentes en cuanto a las instalaciones eléctricas permiten la

inclusión de forma sencilla del sistema de control y supervisión mediante el uso

de tableros con señalización y elementos de cableados específicos para tal

objetivo.

De acuerdo al desarrollo del proyecto y la normatividad actual, se determina

que el hecho de que en el prototipo se esté haciendo inclusión de elementos

poco convencionales a una instalación, es necesario que estos se reglamenten

de acuerdo a los estándares de la normatividad vigente, para así poder tener

seguridad en que los elementos utilizados sean óptimos y no riesgosos para las

personas, animales y la propia instalación.

En el uso de relés electromecánicos dentro del prototipo, se debe tener en cuenta

que para no perder la confiabilidad en el sistema es necesario incluir un sistema

de sincronización al momento de usar dichos relés.

Para el sistema de medida se utilizaron dos (2) integrados ADE7763 de las

mismas especificaciones, de los cuales se pudo observar que el comportamiento

de cada uno es diferente. Por lo que se concluyó que siempre se debe efectuar

calibración para cualquier sistema de medida que utilice el ADE7763. Esto

quiere decir que para una aplicación comercial de este dispositivo se debe

contar con un sistema de calibración para cada componente que se fabrique.

Esta calibración se hace ajustado el algoritmo en software.

El uso de dispositivos de comunicación por línea de potencia (PLC) mejora la

latencia de envió y recibido de datos, ya que estos son probados y empleados

en sistemas que requieren alto ancho de banda, comparado con el uso de

sistemas Wifi. Adicional a esto, se evita realizar cambios estructurales en la

instalación eléctrica con el uso de nuevo cableado de conexión entre el sistema

maestro y el modem de conexión a internet.

El cambio del código que se genere directamente sobre el Arduino®, ya sea por

ajustes de variables de calibración, condiciones de operación, cambios en la

página etc., puede generar alteraciones en el comportamiento de la carga como

por ejemplo flicker si esta se encuentra energizada con el prototipo en el

momento de carga del código.

107

Para establecer la comunicación doble entre el Arduino® con los medidores y

el servidor, se debe realizar por obligación retardos entre las diferentes

solicitudes a los medidores y además realizar un cambio al modo de

funcionamiento del protocolo de SPI al modo 0 (modo por defecto), ya que si

no se realiza, las dos vías de comunicación crean interferencia una con la otra

haciendo que la información suministrada pierda validez.

En la medición de tensión se obtuvo que rangos menores a 20V no son leídos

por el integrado de manera adecuada. Esto se debe a que la ganancia que se

toma es por defecto, para el rango hasta 0.5V, los valores de tensión pequeños

tienen un error mayor, situación no preocupante ya que en una instalación

eléctrica residencial los valores de tensión están alrededor de 120V, y para el

sistema probado presenta un error de 0.22%, que es aceptable por las normas.

Para la medición de corriente se tienen errores cercanos al +/- 2%. Sin embargo,

se observa que para la medida de corrientes pequeñas, el sistema es bastante

preciso, razón que lo hace confiable para medir circuitos de alumbrado

especialmente con bombillos economizadores de energía o de tipo LED, que

serían los circuitos elegibles para conmutar a las fuentes de energía renovable.

El error porcentual determinado para el sistema de medición tiene mejores

respuestas para la medida de voltaje, toda vez que la señal se toma de manera

directa a través de divisores resistivos, dando resultados cercanos al 0,2% lo

que quiere decir que según norma ANSI C12.20 la clase de precisión para este

sistema de medición es 0.2. En tanto que para la medida de corriente, los

resultados son cercanos al 2%, los cuales pueden ser mejorados para incurrir en

la norma usando una menor ganancia.

Durante las pruebas se observó que el sistema es capaz de mantener cargas

encendidas aun cuando se realizan cambios bruscos de fuentes reiteradamente

sin alterar su comportamiento, lo que le da una gran ventaja al prototipo para

ser instalado directamente en instalaciones eléctricas residenciales.

El prototipo recurre a ciertas limitaciones de tensión y de corriente, según los

componentes usados para este. En el caso de las pruebas no se puede tener una

corriente mayor a 5 amperios para la fuente renovable, lo que estaría

restringiendo su uso para cargas de alto consumo como lo son licuadoras,

hornos, duchas, planchas, entre otras. Esto podría cambiar solo adicionándole

un ACS714 de mayor capacidad y volviendo a calibrar el medidor.

Según el enfoque medioambiental, el desarrollo e implementación del prototipo

como sistema de monitoreo y control de una instalación eléctrica residencial

permite generar un incremento porcentual en el uso de fuentes de energía no

108

convencionales en Colombia, lo cual sería directamente proporcional al

incremento en investigaciones y financiaciones directamente ligados al tema.

La calidad de energía no se ve afectada por el sistema de adquisición de datos

ni el de conmutación, pero la inclusión de sistemas de conversión AC/DC de

ondas modificadas y diferentes niveles de tensión a las normalizadas a las

estandarizadas en el país, incrementa los niveles de armónicos en un alto

porcentaje a considerar frente a la calidad de energía eléctrica en la instalación.

El sistema no es lo suficientemente rápido para hacer un respaldo sin tener un

apagado total de la instalación por falta de una de las fuentes, pero se puede

mejorar la respuesta de los dispositivos agregando una batería que se active en

el momento de perdida de la red eléctrica, lo cual le da el tiempo suficiente al

sistema de medida de realizar la verificación del nivel de tensión, enviar la señal

y hacer el respectivo cambio de fuente, sin perder la estabilidad de carga

conectada en el momento.

Dentro del análisis económico se tiene un precio proyectado del sistema

implementado para venta al público de $765.350. Dicho valor puede disminuir

teniendo en cuenta diferentes descuentos desde el punto de vista de una empresa

encargada de la creación de los circuitos, pero también puede aumentar ya que

solo se tienen dos medidores y deberían instalarse un número mayor según la

cantidad de circuitos en la residencia, lo que generaría una capacidad de gestión

aún más alta, pero con el costo agregado de cada uno de los medidores que sería

de alrededor de $204,000, o incluso menor si se ve desde el punto de vista

mencionado anteriormente.

En las 5 primeras pruebas se vio un porcentaje de cambio promedio del nivel

de tensión aplicado sobre la carga de alrededor de más o menos el 4%, atribuido

a que el inversor seleccionado es de 110 [VAc] y no de 120[VAc] cercano a los

valores reales de la red. Por la misma razón, en las pruebas no se dejó descargar

la batería a menos del 70% de su capacidad, porque teniendo en cuenta el nivel

de tensión de la batería y la salida del inversor, podría disminuir a niveles

cercanos a los 90 [VAc] que pueden afectar directamente la carga y evitar su

encendido.

109

13. REFERENCIAS:

[1] UPME, «PROYECCIÓN DE LA DEMANDA DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y POTENCIA MÁXIMA EN COLOMBIA,» 2016.

[2] C. d. Colombia, Ley 1715, 2014.

[3] P. B. A. E. A. V. B. Diaz, «Prototipo de un sistema de medida para una instalación eléctrica residencial de topologia variable,» Tecnura, vol. 19, nº 22487638, p. 8, 2015.

[4] UPME, «Proyeción de demanda energía eléctrica en Colombia,» Colombia, 2013.

[5] «Selectra,» [En línea]. Available: http://tarifaluzhora.es/precio-electricidad-espana. [Último acceso: 07 03 2017].

[6] I. J. O. ORTEGA, «SABER,» [En línea]. Available: http://www.saber.cic.ipn.mx/cake/SABERsvn/trunk/Repositorios/webVerArchivo/368/2. [Último acceso: 2 5 2016].

[7] ELSTER, «A102C Medidor electrònico monofàsico,» [En línea]. Available: vhttp://www.elster.com.ar/downloads/ar_e_a102c.pdf. [Último acceso: 18 3 2016].

[8] DIVERTEKA, «DIVERTEKA,» 4 2014. [En línea]. Available: http://www.diverteka.com/?p=1966. [Último acceso: 5 2016].

[9] D. M. H. LONDOÑO, «DESARROLLO DE UNA GUÍA ENFOCADA A MEDIDORES DE ENERGÍA Y CONEXIONES DE MEDIDORES,» UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA, Pereira, 2013.

[10] A. Device, «Anlago Products,» 2016. [En línea]. Available: http://www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/integrated-special-purpose-converters/single-phase-metering-ic. [Último acceso: 6 2015].

[11] Scribd, «INVESTIGACIÓN PARA ELDESARROLLO DE SOFTWARE EN DOMÓTICAORIENTADO AL SECTOR DOMESTICO Y EMPRESARIAL DE COLOMBIA,» [En línea]. Available: https://es.scribd.com/doc/30715431/INVESTIGACION-PARA-EL-DESARROLLO-DE-SOFTWARE-EN-DOMOTICA-ORIENTADO-AL-SECTOR-DOMESTICO-Y-EMPRESARIAL-DE-COLOMBIA. [Último acceso: 5 2016].

[12] D. M. E. Cardona, «casasinteligentesodomotica,» 2012. [En línea]. Available: http://casasinteligentesodomotica.blogspot.com.co/. [Último acceso: 5 2016].

[13] L. F. H. Quintero, Revista ingenieria e investigacion, Bogota, 2012.

[14] L. C. D. Andrade, DISEÑO DE UNA ALTERNATIVA ECONÓMICA PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE LECTURA DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA, Cuenca, 2014.

[15] Fernando, «ERENOVABLE.COM,» 03 11 2015. [En línea]. Available: http://erenovable.com/energias-renovables/. [Último acceso: 25 2 2016].

[16] «¿Cómo va el desarrollo de energías renovables en Colombia y Latinoamérica?,» DINERO, vol. 498, 25 3 2016.

110

[17] U. D. P. M. ENERGETICA, «INTEGRACIÒN ENERGÌAS RENOVABLES EN COLOMBIA,» 2015. [En línea]. Available: http://www.upme.gov.co/Estudios/2015/Integracion_Energias_Renovables/INTEGRACION_ENERGIAS_RENOVANLES_WEB.pdf. [Último acceso: 30 1 2016].

[18] CODENSA, «Normas CODENSA,» Bogota.

[19] M. d. M. y. Energía, «Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas, RETIE,» Bogota, 2013.

[20] M. D. D. ECONOMICO, NTC2050, Colombia, 1998.

[21] M. d. M. y. Energía, «Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público, RETILAP,» Bogota, 2016.

[22] U. d. P. M. Energética, «Resolucion 281,» 2015.

[23] M. d. m. y. energia, «Decreto 2469,» 2014.

[24] M. d. m. y. energia, «Decreto 2492,» 2014.

[25] Microchip, «Microchip,» 2016. [En línea]. Available: http://www.microchip.com/. [Último acceso: 24 1 2016].

[26] R. Pi, «Raspberry Pi,» [En línea]. Available: https://www.raspberrypi.org/. [Último acceso: 24 1 2016].

[27] Arduino, «Arduino,» [En línea]. Available: https://www.arduino.cc/. [Último acceso: 18 8 2015].

[28] Arduino, «ArduinoEthernetShield,» 2016. [En línea]. Available: https://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoEthernetShield. [Último acceso: 18 1 2016].

[29] OpenEnergyMonitor, «Measuring AC Voltage with an AC to AC power adapter,» [En línea]. Available: http://openenergymonitor.org/emon/buildingblocks/measuring-voltage-with-an-acac-power-adapter. [Último acceso: 15 9 2014].

[30] M. H. H. A. Ayari Ahlem, «Design and implementation of Single Phase Intelligent Energy Meter using a microcontroller interfaced to PC,» IEEE, p. 5, 2014.

[31] A. P. F. Y. A. N. H. Hilwadi Hindersah, «Prototype Development of Single Phase Prepaid kWh Meter,» IEEE, p. 6, 2011.

[32] A. Devices, «Single-phase active and apparent energy metering IC-ADE 7763, Application Note,» 2009.

[33] A. Device, Single-Phase Active and Apparent Energy Metering IC Datasheet, 2016.

[34] G. S. solutions, «Gammon Software solutions Forums,» 8 Julio 2012. [En línea]. Available: http://www.gammon.com.au/forum/?id=10892. [Último acceso: 20 julio 2015].

[35] A. MycroSystems, Automotive Grade, Fully Integrated, Hall Effect-Based Linear Current Sensor ICwith 2.1 kVRMS Voltage Isolation and a Low-Resistance Current Conductor, 2013.

111

[36] Motorola, «HEX INVERTER,» [En línea]. Available: http://ecee.colorado.edu/~mcclurel/sn74ls04rev5.pdf. [Último acceso: 2016].

[37] H. INSTRUMENTS, «Profesionales de la medida,» [En línea]. Available: http://www.htinstruments.es/analizador-de-redes-profesionales-para-la-medida-registro-de-los-parametros-de-red-segun-la-en50160. [Último acceso: 07 03 2017].

[38] D. ingenieria. [En línea]. Available: http://www.geoscopio.net/empresas/diamanteingenieria/. [Último acceso: 2016].

[39] COINTELCO, 2016. [En línea]. Available: http://www.cointelco.com/.

[40] Ecointeligencia, «Los 10 países líderes en energías sostenibles,» Ecointeligencia, Octubre 2013. [En línea]. Available: http://www.ecointeligencia.com/2013/10/10-paises-lideres-energias-sostenibles/. [Último acceso: 2016].

112

14. ANEXOS

ANEXO 1.

Alimentación:

Figura 51 .Especificaciones alimentación ADE7763 [32]

Comunicación:

Figura 52 .Especificaciones de comunicación ADE7763 [32]

113

Gráfica 19 Valores del registro de tensión del ADE comparado con la tensión del variac leída con el

PQA [Autores]

Gráfica 20 Valores del registro de corriente del ADE comparado con la corriente suministrada a la

carga leída con el multímetro de precisión [Autores]

y = 0,0353x - 0,2405

0

20

40

60

80

100

120

140

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000


leida con PQA

y = 0,002x + 0,0104

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Valores del registro de Corriente Vs

Corriente leida en multimetro

114

Gráfica 21Valores del registro de corriente del ADE comparado con la corriente suministrada a la

carga leída con el PQA [Autores]

Gráfica 22 Valores del registro de tensión del segundo ADE implementado comparado con la tensión

del variac leída con el multímetro de precisión para la fuente renovable [Autores]

y = 0,0021x + 0,0053

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800


Corriente leida en el PQA

y = 0,0348x - 0,8238

0

20

40

60

80

100

120

140

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000


Variac

115

Gráfica 23 Valores del registro de tensión del segundo ADE implementado comparado con la tensión

del variac leída con el PQA para la fuente renovable [Autores]

Gráfica 24 Valores del registro de corriente del segundo ADE implementado comparado con la

corriente suministrada a la carga leída con el multímetro de precisión para la fuente renovable

[Autores]

y = 0,0347x - 0,3867

0

20

40

60

80

100

120

140

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000


leida con PQA

y = 0,0011x - 0,0216

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500


Corriente leida en multimetro

116

Gráfica 25 Valores del registro de corriente del segundo ADE implementado comparado con la

corriente suministrada a la carga leída con el PQA para la fuente renovable [Autores]

y = 0,0012x - 0,0614

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500


Corriente leida en el PQA

117

ANEXO 2.

CODIGOS:

Arduino® //LIBRERIAS

#include <SPI.h> // Libreria de comunicacion SPI

#include <Ethernet.h> //Libreria de comunicacion Ethernet

//DECLARACION DE VARIABLES

int PIN_relereno=2; //Pin de control de los reles

const int slaveAPin = 9;//Pin de comunicacion para ADE7763 en la Red 20A

const int slaveBPin = 7;//Pin de comunicacion para ADE7763 en la Renovable 5A

byte ganancia, ch1os, ch2os,ch3os,bh1,bh2,bh3,nh1,nh2,nh3,ch1o, ch2o,ch3o,h1,h2,h3,n1,n2,n3;

//Variables tipo byte para almacenamiento delos bits de cada registro

String codigo; //Aquí se almacena la respuesta del servidor

String nombre; //Aquí se almacena el nombre que serecupera de MySQL

boolean fin = false; // Finalizar ciclo

boolean pregunta = true;//Finaliza peticion

//DIRECCIONES

byte mac[]={0xDE,0xAD,0xBE,0xEF,0xFE,0xED}; //MAC

IPAddress ip(169, 254, 112, 122); //IP del Arduino

IPAddress server(169, 254, 112, 121);// IP del sevridor

IPAddress myDns(169, 254, 112, 122);//DNS

EthernetServer servidor(80); //puerto del servidor

EthernetClient client;//variable de cliente

String readString=String(30); //lee los caracteres de una secuencia en una cadena.

unsigned long ultimaConexion = 0; // Estado de la ultima conexion

boolean ultimoEstado = false;

const unsigned long intervaloConexion = 10000; // Intervalo en milisegundos entre conexiones

void setup() {

SPI.begin();// Se inicializa la comunicacion SPI

Serial.begin(9600);// Se inicializa el puerto serial

pinMode (slaveAPin, OUTPUT);// se toma como salida el pin 9

pinMode (slaveBPin, OUTPUT);// se toma como salida el pin 7

pinMode(PIN_relereno,OUTPUT); //se toma como salida el pin 2

digitalWrite(PIN_relereno,LOW);// se inicializa en bajo

Ethernet.begin(mac, ip,myDns); //Se inicializa con las direcciones asignadas

delay(1000);

delay(100);

}

void loop() {

// Solicitud de registros al ADE7763

118

SPI.setBitOrder(MSBFIRST);//Se le da prioridad al bit mas significativo

SPI.setDataMode(SPI_MODE1); // Modo del SPI

SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV4);// Frecuencia del reloj

//Peticion primer registro 0x17 registro de tension para la medicion sobre la red electrica de

distribucion

digitalWrite (slaveAPin, LOW);// Activacion del PIN 9 en bajo para activar el ADE7763

SPI.transfer(0x17);// Pregunta el registro

delayMicroseconds (4);// Retardo de 4 microsegundos

ch1os= SPI.transfer(0x00);// Se envia un 0 para el 1 byte






digitalWrite (slaveAPin, HIGH);// Termina comunicacion colocando en alto el pin 9

delay(100);

//Peticion segundo registro 0x16 registro de corriente para la medicion sobre la red electrica de

distribucion




bh1= SPI.transfer(0x00);// Se envia un 0 para el 1 byte







delay(100);

//Peticion segundo registro 0x2 registro de energia para la medicion sobre la red electrica de

distribucion




nh1= SPI.transfer(0x00);// Se envia un 0 para el 1 byte







delay(100);

//Peticion primer registro 0x17 registro de tension para la medicion sobre la fuente de energia

renovable

digitalWrite (slaveBPin, LOW);// Activacion del PIN 7 en bajo para activar el ADE7763


119


ch1o= SPI.transfer(0x00);// Se envia un 0 para el 1 byte






digitalWrite (slaveBPin, HIGH);// Termina comunicacion colocando en alto el pin 7

delay(100);

//Peticion primer registro 0x16 registro de corriente para la medicion sobre la fuente de energia

renovable




h1= SPI.transfer(0x00);// Se envia un 0 para el 1 byte







delay(100);

//Peticion primer registro 0x2 registro de energia para la medicion sobre la fuente de energia renovable




n1= SPI.transfer(0x00);// Se envia un 0 para el 1 byte







delay(100);

//Variables tipo float para el almacenamiento de los valores obtenidos de los registros

float tension=0;

float intensidad=0;

int potencia=0;

float tension1=0;

float intensidad1=0;

int potencia1=0;

//Concatenamiento de los bits adquiridos de los registros de tension

tension=ch1os<<8|ch2os;

tension1=ch1o<<8|ch2o;

//Calibracion de las variables utilizando ecuaciones

tension=tension*0.0353-0.2405;

120

tension1=tension1*0.0347-0.3867;

//Concatenamiento de los bits adquiridos de los registros de corriente

intensidad=bh1<<8|bh2;

intensidad1=h1<<8|h2;


intensidad=intensidad*0.002+0.0104; // Calibracion Corriente ADE nuevo

intensidad1=intensidad1*0.0011+0.0216; //Calibracion Corriente ADE antiguo

//Concatenamiento de los bits adquiridos de los registros de energia

potencia=nh1<<8|nh2;

potencia1=n1<<8|n2;


potencia=potencia*0.009635974;

potencia1=potencia1*0.009635974;

SPI.setDataMode(SPI_MODE0); // se reinicia el Modo del SPI al modo por defecto

//EthernetClient Crea un cliente que se puede conectar a

//una dirección específica de Internet IP

if (client.available())

{

char c = client.read();

Serial.print(c);

}

// Si no hay conexion de red y se conecto correctamente la ultima vez

// detiene el cliente Ehternet

if (!client.connected() && ultimoEstado) {

Serial.println();

Serial.println("Desconectando...");

client.stop();

}

// se conecta al servidor como cliente por medio de su direccion IP

if(!client.connected() && (millis() - ultimaConexion > intervaloConexion)) {


// Envia el requerimiento al servidor via GET

Serial.println("Iniciando conexion...");

client.print("GET /Paginaweb/tesis.php?TensionRed=");

//Impresion de los parametros en el servidor para su posterior almacenamiento

client.print(tension);

client.print("&CorrienteRed=");

client.print(intensidad);

client.print("&EnergiaRed=");

client.print(potencia);

client.print("&TensionReno=");

121

client.print(tension1);

client.print("&CorrienteReno=");

client.print(intensidad1);

client.print("&EnergiaReno=");

client.print(potencia1);


client.print("Host: ");

client.println(server);

client.println("User-Agent: Arduino-Ethernet");


client.println();

ultimaConexion = millis();

client.stop();// termina conexion como cliente

}

else {

// Si la conexion fallo se desconecta

Serial.println("Error al conectarse al servidor");

Serial.println("Desconectando...");

}

}

// Conexion como cliente al servidor para conexion con archivo led.php del cual se

// leeran sus caracteres y se utilizaran para la activacion de los reles de estado solido


Serial.println("nConectado");

// Enviar la petición HTTP

//Dirección del archivo php dentro del servidor

client.print("GET /Paginaweb/led.php");

//Se manda la variable junto a la línea de GET


//IP del servidor

client.println("Host: 192.168.1.24");

client.println("User-Agent: arduino-ethernet");


client.println();

}

else {

// Si no se consigue se conecta

Serial.println("Conexión fallida");

Serial.println("Desconectando");

client.stop();

}

delay(500);

//Se comprueba si se tiene respuesta respuesta del servidor y la

//Se almacena en el string ----> codigo.

while (client.available()) {

122

char c = client.read();

codigo += c;

//Se habilita la comprobación del código recibido

fin = true;

}

//Si está habilitada la comprobación del código entra en el IF

if (fin) {

//Se analiza la longitud del código recibido

int longitud = codigo.length();

//Se busca en qué posición del string se encuentra nuestra variable

int posicion = codigo.indexOf("hola=");

//Se borra lo que haya almacenado en el string nombre

nombre = "";

//Se analiza el código obtenido y se almacena el nombre en el string nombre

for (int i = posicion + 6; i < longitud; i ++){

if (codigo[i] == ';') i = longitud;

else nombre += codigo[i];

}

//Se deshabilita el análisis del código

fin = false;

//Imprimir el nombre obtenido

Serial.println("Valor de la variable nombre: " + nombre);

//Cerrar conexión

Serial.println("Desconectarn");

client.stop();

}

// condicional para la activacion de los reles de estado solido segun los caracteres obtenidos en modo

manual

if(nombre=="ncender"){


}

else if(nombre=="pagado"){


}

// condicional para la activacion de los reles de estado solido segun los caracteres obtenidos en modo

automatico

else if(nombre=="utomatico"){

if(tension>=110){


}

else if(tension<110){


}

}

codigo="";// borra el contenido de la variable

return ;// regresa}

123

PAGINA WEB DE INICIO DE SESIÓN (Login.html)

<!DOCTYPE html>

<html>

<head>

<meta charset="utf-8">

<title>LOGIN</title>

<style >// Estilo visual de la pagina

h1{text-align: center; position: absolute;width: 25%; height: 0%;left:38%;top:45%;}

table{position:absolute;width: 25%;background-color: alpha;z-index: -1;left:37%;top:55%;}

.izq{text-align: right;}

.der{text-align: left;}

td{text-align: center;padding: 10px}

#fondo

{position: absolute; top: 0; left: 0; width: 100%; height: 100%; z-index: -1}

</style>

</head>

<body>

<img src="primera.png" id="fondo" alt="backgroundimage"/>

<h1>Introduce tus datos</h1>

<form action="compruebalogin.php" method="post">//uso del metodo post para comprobar usuario

<table>

<tr>

<td class="izq">

Login:</td><td class="der"> <input type="text" name="loginn">

</td>

</tr>

<tr><td class="izq">

Password:</td>

<td class="der"><input type="password" name="password"></tr>

<tr><td colspan="2"><input type="submit" name="enviar" value="LOGIN">

</td>

</tr>

</table>

</body>

</html>

ARCHIVO PHP (compruebalogin.php)

<!DOCTYPE html 1>

<html>

<head>

<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; chaset=utf-8"/>

<title>Instalacion Gestionable</title>

</head>

<body>

<?php

try{

//conexion con la base de datos

$base= new PDO("mysql:host=localhost;dbname=tesis","arduino","12345");

124

$base->setAttribute(PDO::ATTR_ERRMODE, PDO::ERRMODE_EXCEPTION);

$sql="SELECT * FROM usuarios_pass WHERE USUARIOS=:login AND

PASSWORD=:password";

$resultado=$base->prepare($sql);

$login=htmlentities(addslashes($_POST["loginn"]));

$password=htmlentities(addslashes($_POST["password"]));

//almacenamiento de variables de usuario y contraseña

$resultado->bindValue(":login",$login);

$resultado->bindValue(":password",$password);

$resultado->execute();

$numero_registro=$resultado->rowcount();

if ($numero_registro!=0) { //inicio de sesion

session_start();

$_SESSION["usuario"]=$_POST["loginn"];

header("location:usuarioadmitido.php");

}

else{

header("location:login.html");

}

}

catch(Exception $e){

die("Error: " . $e->getMessage());

}

?>

</body>

</html>

PAGINA WEB DE PRESENTACIÓN (usuarioadmitido.php)

<!DOCTYPE html>

<html>

<head>



<style >

h1{text-align: center;}


h5{font:bold 500% ;width:660px;height: 0px;text-align: justify;position: absolute;top: 40%;left: 25%;}

h6{font:bold 500% ;width:660px;height: 0px;text-align: justify;position: absolute;top: 48%;left: 25%;}

h{font:bold 500% ;width:660px;height: 0px;text-align: justify;position: absolute;top: 48%;left: 25%;}



table{width: 25%;background-color: #FFB;border: 3PX dotted #f00;margin: auto;}




#fondo


125

#paula

{position: absolute; top: 15%; left: 2%; width: 10%; height: 0%; color: white}

#paula1


#paula2


#paula3


#paula4


#paula5

{position: absolute; top: 50%; left: 75%; width: 15%; height: 15%;}

</style>

</head>

<body>

<img src="final.png" id="fondo" alt="backgroundimage"/>

<img src="GESETIC.png" id="paula5"/>

<?php

session_start(); //comprueba si se inicia sesion

if (!isset($_SESSION["usuario"]))

{


}

echo "<a location href='usuarioadmitido2.php' id='paula'>Parametros Eléctricos</a>";

echo "<a location href='usuarioadmitido3.php' id='paula1'>Control de la instalación</a>";

echo "<a location href='grafica.php' id='paula2'>Grafica Consumo</a>";

echo "<a location href='usuarioadmitido4.php'id='paula3'>Creditos</a>";

echo "<a location href='cerrarsesion.php'id='paula4'>Cerrar sesión</a>";

echo "<br>";

echo "<h1>Universidad Distrital Francisco Jose de caldas</h1>";

echo "<h2>Bienvenida/o ".$_SESSION["usuario"]."</h2>";

echo "<h4>En la siguiente página tendrás la opción de tener información y control sobre tu instalación

eléctrica gestionable.<h4>";

echo

"<h4>_____________________________________________________________________________

___<h4>";

echo "<h4>Desde el menú lateral izquierdo puedes seleccionar diferentes opciones de las cuales te

permitirá:<h5>";

echo "<p><span style='font-size:13px;'><strong>PARAMETROS ELÉCTRICOS:</strong>

Consulta de variables eléctricas tales como tensión [V], corriente [A] y

energía [kW*h].</span></p>

<p><span style='font-size:13px;'>

* TENSIÓN: La diferencia de

potencial eléctrico entre dos conductores, que hace que fluyan electrones<br />

por

una resistencia, su unidad es el voltio.</span></p>

126


* CORRIENTE: Es el

movimiento de cargas eléctricas entre dos puntos

que no se hallan al mismo<br />

potencial, por tener uno de ellos un exceso de electrones respecto al otro.

</span></p>


* ENERGÍA: Es la forma de

energía que resultará de la existencia de una diferencia de

potencial entre<br />

dos

puntos, situación que permitirá establecer una corriente

eléctrica entre ambos puntos<br />

si se los

coloca en contacto por intermedio de un conductor eléctrico para obtener el

trabajo<br />

mencionado.</span></p>

<p><span style='font-size:13px;'><strong>CONTROL DE LA INSTALACIÓN:

</strong> Da la opción de escoger cuál de

las fuentes va a alimentar la instalación, esto se<br />

puede hacer de manera automática o semiautomática.</span></p>

<p><span style='font-size:13px;'><strong>GRAFICA DE CONSUMO:</strong> Muestra

gráficamente el consumo de tu instalación,

discriminando si fue de la FUENTE<br />

DE LA RED ELÉCTRICA o de la FUENTE RENOVABLE.</span></p>

<p> </p>

<p style='text-align: justify;'> </p>

";

?>

</body>

</html>

127

PAGINA WEB PARAMETROS ELÉCTRICOS (usuarioadmitido2.php)

<!DOCTYPE html>

<html>

<head>



<style >



p{text-align: center;}



table{width: 25%;background-color: alpha;border: 3PX dotted white;margin: auto;}




#fondo


#paula


#paula1


#paula2


#paula3


#paula4


</style>

</head>

<body>


<?php

session_start();//comprueba inicio de sesion


{


}






echo"<br>";

echo "<h1>VARIABLE ELÉCTRICAS DE SU INSTALACIÓN</h1>";

echo"<br>";

128

//Conexión con base de datos más petición de variables de la tabla

$conexion = mysqli_connect("localhost","arduino","12345","tesis");

$consulta="SELECT * FROM variables WHERE Tiempo=(SELECT MAX(Tiempo) AS Tiempo

FROM variables)";

$resultados=mysqli_query($conexion,$consulta);

/ /se guardan los resultados de la petición en una matriz

$fila=mysqli_fetch_row($resultados);

// creación de tabla para mostrar las variables

echo "<table align=center border=2 cellpadding=1 cellspacing=1 style=width:500px>";

echo"<thead>";

echo"<tr>";

echo"<th scope=row>MAGNITUD FUENTE</th>";

echo"<th scope=col>RED ELECTRICA</th>";

echo"<th scope=col>RENOVABLE</th>";

echo"<th scope=col>FECHA Y HORA</th>";

echo"</tr>";

echo"</thead>";

echo"<tbody>";

echo"<tr>";

echo"<th scope=row><i style=font-weight: bold; text-align: center;>VOLTAJE [V]</i></th>";

echo"<td>";

echo $fila[0]. "";// se imprimen las posiciones de la matriz creada con los resultados de la peticion

echo"</td>";

echo"<td>";

echo $fila[3]. "";

echo"</td>";

echo"<td>";

echo $fila[6]. "";

echo"</td>";

echo"<tr>";

echo"</tr>";

echo "<th scope=row><em style=font-weight: bold; text-align: center;>CORRIENTE

[A]</em></th>";

echo"<td>";

echo $fila[1]. "";

echo"</td>";

echo"<td>";

echo $fila[4]. "";

echo"</td>";

echo"<td>";

echo "<h4>NIVEL DE BATERIA</h4>";

echo"</td>";

echo"<tr>";

echo"</tr>";

echo"<th scope=row><em>ENERGIA [W*h]</em></th>";

echo"<td>";

echo $fila[2]. "";

echo"</td>";

echo"<td>";

echo $fila[5]. "";

129

echo"</td>";

echo"<td>";

echo $fila[3]*100/125 .'%';

echo"</td>";

echo"</tr>";

echo"</tbody>";

echo"</table>";

echo"<br>";

echo"<br>";

echo"<center>";

echo "<h4>PRECIO ENERGIA CONSUMIDA DEL OPERADOR DE RED</h4>";

echo "$".$fila[2]*0.15934; //se agrega el precio actual del k/wh este se puede actualizar por medio de

conexión a internet

echo"<br>";

echo "<h4>AHORRO EN ENERGIA CONSUMIDA FUENTE RENOVABLE</h4>";

echo "$".$fila[5]*0.15934;

echo"</center>";

?>

</body>

</html>

PAGINA WEB CONTROL DE LA INSTALACIÓN (usuarioadmitido3.php)

<!DOCTYPE html>

<html>

<head>



<style >










#fondo


#paula


#paula1


#paula2


#paula3


130

#paula4


</style>

</head>

<body>


<?php

session_start(); // se verifica inicio de sesion


{


}






echo"<br>";

echo "<h1>CONTROL DE LA INSTALACIÓN</h1>";

echo"<div>";

echo"<div>";

echo"<div>";

echo"<div>";

echo"<p align='center'><strong>MANEJO SEMIAUTOMATICO</strong></p>

</div>";

echo"<p>El botón FUENTE RED ELÉCTRICA te permite alimentar el circuito de la

instalación usando como fuente</p>";

echo"<p> de alimentación la red eléctrica nacional.</p>";

echo"<p>El botón FUENTE RENOVABLE te permite alimentar

el circuito de la instalación usando</p>";

echo"<p> como fuente de alimentación la fuente de energía renovable.</p>";

echo"<br>";//creación de botones para el control de la instalación y asociación de los mismos con los

archivos php cambiadores de texto

echo"<center>";

echo"<input type=submit value=FUENTE.RED.ELECTRICA style=width:200px;height:75px

onClick=location.href='cambiador.php'>";

echo"<input type=submit value=FUENTE.RENOVABLE style=width:200px;height:75px


echo"</center>";

echo"<p align='center'><strong>MANEJO AUTOMATICO</strong></p>";

131

echo"<p> El botón de AUTOMATICO permite que la instalación

automáticamente decida que</p>";

echo"<p> fuente de energía alimente el circuito de la instalación

dependiendo de la cantidad</p>";

echo"<p> de energía que tenga la batería.</p>";

echo"</div>";

echo"</div>";

echo"</div>";

echo"<center>";

echo"<input type=submit value=AUTOMATICO style=width:200px;height:75px


echo"</center>";

?>

</body>

</html>

PAGINA WEB CREDITOS (usuarioadmitido4.php)

<!DOCTYPE html>

<html>

<head>



<style >










#fondo


#paula


#paula1


#paula2


#paula3


#paula4


#paula5

132

{position: absolute; top: 70%; left: 43%; width: 15%; height: 15%;}

</style>

</head>

<body>


<img src="GESETIC.png" id="paula5"/>

<?php

session_start();


{


}






echo"<br>";

echo"<h1>CREDITOS</h1>";

echo"<br>";

echo"<p>Esto fue realizado como proyecto de grado por los estudiantes de ingeniería

eléctrica Brian Diaz Ospitia y Paula Bautista</p>";

echo"<p>Aguilar, dirigidos y acompañados del director de

tesis el ingeniero Álvaro Espinel Ortega y la codirectora de tesis la</p>";

echo"<p>ingeniera Adriana Marcela Escobar.</p>";

echo"<p>El proyecto de grado lleva por título: “Prototipo de una

instalación eléctrica gestionable para facilitar el uso de fuentes</p>";

echo"<p>de energía renovable en Colombia” y se realizó con el

fin de obtener el título de ingenieros eléctricos en la Universidad</p>";

echo"<p>Distrital Francisco José de caldas, queriendo si es posible

poder seguir adelante con el proyecto; ya que se considera</p>";

echo"<p>que puede ser un gran proyecto a futuro dada la situación actual del país y del

planeta en general. </p>";

?>

</body>

</html>

PAGINA WEB GRAFICA DE CONSUMO (grafica.php) <?php

function conectarBD(){ //conexion a la base de datos

133

$server = "localhost";

$usuario = "arduino";

$pass = "12345";

$BD = "tesis";

//variable que guarda la conexión de la base de datos

$conexion = mysqli_connect($server, $usuario, $pass, $BD);

//Se comprueba si la conexión ha tenido éxito

if(!$conexión){

echo 'Ha sucedido un error inexperado en la conexion de la base de datos<br>';

}

//se devuelve el objeto de conexión para usarlo en las consultas

return $conexion;

}

/*Desconectar la conexion a la base de datos*/

function desconectarBD($conexion){

//Cierra la conexión y guarda el estado de la operación en una variable

$close = mysqli_close($conexion);

//Se comprueba si se ha cerrado la conexión correctamente

if(!$close){

echo 'Ha sucedido un error inexperado en la desconexion de la base de datos<br>';

}

//devuelve el estado del cierre de conexión

return $close;

}

//Devuelve un array multidimensional con el resultado de la consulta

function getArraySQL($sql){

//Se crea la conexión

$conexion = conectarBD();

//Se genera la consulta

if(!$result = mysqli_query($conexion, $sql)) die();

$rawdata = array();

//Se guarda en un array multidimensional todos los datos de la consulta

$i=0;

while($row = mysqli_fetch_array($result))

{

//Se guarda en rawdata todos los vectores/filas que nos devuelve la consulta

$rawdata[$i] = $row;

$i++;

}

//Se cierra la base de datos

desconectarBD($conexion);

//Se devulve rawdata

return $rawdata;

}

//Sentencia SQL

$sql = "SELECT EnergiaRed,EnergiaReno,Tiempo from variables;";

//Array Multidimensional

$rawdata = getArraySQL($sql);

134

//Adaptar el tiempo

for($i=0;$i<count($rawdata);$i++){

$time = $rawdata[$i]["Tiempo"];

$date = new DateTime($time);

$rawdata[$i]["Tiempo"]=$date->getTimestamp()*1000;

}

?>

<HTML>

<head>



<style >

h1{text-align: center;position: absolute;top: 8%; left: 26%;}









#fondo


#paula


#paula1


#paula2


#paula3


#paula4


</style>

</head>

<BODY>



<?php

session_start(); // se verifica inicio de sesion


{


}


135





echo "<br>";

echo "<h1>GRAFICA CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA</h1>";

?>

// Se Importa el archivo Javascript de Highcharts directamente desde su servidor

<script src="jquery.js"></script>

<script src="highstock.js"></script>

<script src="exporting.js"></script>

<div id="container" style="position: absolute; top: 25%; left: 18%; width: 1000px; height: 400px; ">

</div>

<script type='text/javascript'>

$(function () {

$(document).ready(function() {

Highcharts.setOptions({

global: {

useUTC: false

}

});

var chart;

$('#container').highcharts({

chart: {

type: 'spline',

animation: Highcharts.svg, // don't animate in old IE

marginRight: 10,

events: {

load: function() {

}

}

},

title: { // se cargan los ejes de la grafica

text: 'Consumo de energÍa eléctrica [W*h]'

},

xAxis: {

type: 'datetime',

tickPixelInterval: 150

},

yAxis: {

title: {

text: 'EnergÍa [W*h]'

},

plotLines: [{

136

value: 0,

width: 1,

color: '#808080'

}]

},

tooltip: {

formatter: function() {

return '<b>'+ this.series.name +'</b><br/>'+

Highcharts.dateFormat('%Y-%m-%d %H:%M:%S', this.x) +'<br/>'+

Highcharts.numberFormat(this.y, 2);

}

},

legend: {

enabled: true

},

exporting: {

enabled: true

},

series: [{

name: 'Energía de la red',

data: (function() {

var data = [];

<?php

for($i = 0 ;$i<count($rawdata);$i++){

?>

data.push([<?php echo $rawdata[$i]["Tiempo"];?>,<?php echo

$rawdata[$i]["EnergiaRed"];?>]); // se imprimen los resultados de la variable almacenada “energía”

<?php } ?>

return data;

})()

},{

name: 'Energía de la fuente renovable',

data: (function() {

var data = [];

<?php

for($i = 0 ;$i<count($rawdata);$i++){

?>

data.push([<?php echo $rawdata[$i]["Tiempo"];?>,<?php echo

$rawdata[$i]["EnergiaReno"];?>]);

<?php } ?>

return data;

})()

}]

});

});

});

</script>

</html>

137

ARCHIVO PHP PARA RECOPILACION DE DATOS DE LA BDD (BASE DE

DATOS) (randomclass.php) <?php

function conectarBD(){ // se conecta a la base de datos

$server = "localhost";

$usuario = "arduino";

$pass = "12345";

$BD = "tesis";

//variable que guarda la conexión de la base de datos

$conexion = mysqli_connect($server, $usuario, $pass, $BD);

//Se comprueba si la conexión ha tenido exito

if(!$conexion){

echo 'Ha sucedido un error inexperado en la conexion de la base de datos<br>';

}

//Se devuelve el objeto de conexión para usarlo en las consultas

return $conexion;

}

/*Desconectar la conexion a la base de datos*/

function desconectarBD($conexion){

//Cierra la conexión y guarda el estado de la operación en una variable

$close = mysqli_close($conexion);

//Se comprueba si se ha cerrado la conexión correctamente

if(!$close){

echo 'Ha sucedido un error inexperado en la desconexion de la base de datos<br>';

}

//devuelve el estado del cierre de conexión

return $close;

}

//Devuelve un array multidimensional con el resultado de la consulta

function getArraySQL($sql){

//Se crea la conexión

$conexion = conectarBD();

//Se genero la consulta

if(!$result = mysqli_query($conexion, $sql)) die();

$rawdata = array();

//Se guarda en un array multidimensional todos los datos de la consulta

$i=0;

while($row = mysqli_fetch_array($result))

{

//Se guarda en rawdata todos los vectores/filas que nos devuelve la consulta

$rawdata[$i] = $row;

$i++;

}

//Se cierra la base de datos

desconectarBD($conexion);

//Se devuelve rawdata

return $rawdata;

}

138

//Sentencia SQL

$sql = "SELECT EnergiaRed,EnergiaReno,Tiempo from variables;";

//Array Multidimensional

$rawdata = getArraySQL($sql);

//Adaptar el tiempo

for($i=0;$i<count($rawdata);$i++){

$time = $rawdata[$i]["Tiempo"];

$date = new DateTime($time);

$rawdata[$i]["Tiempo"]=$date->getTimestamp()*1000;

}

?>

ARCHIVO PHP PARA ALMACENAMIENTO DE LAS VARIABLES DEL

ARDUINO A LA BDD (tesis.php)

<?php

$conexion = mysql_connect("localhost","arduino","12345"); // conexion al servidor

mysql_select_db("tesis",$conexion);// Conexion a la base de datos

$Tiempo = date('Y-m-d H:i:s'); // Captura la hora y fecha

mysql_query("INSERT INTO `variables`(TensionRed,

CorrienteRed,EnergiaRed,TensionReno,CorrienteReno,EnergiaReno,Tiempo) VALUES ('" .

$_GET['TensionRed'] . "','" . $_GET['CorrienteRed'] . "','" . $_GET['EnergiaRed'] . "','" .

$_GET['TensionReno'] . "','" . $_GET['CorrienteReno'] . "','" . $_GET['EnergiaReno'] . "','" . $Tiempo .

"')", $conexion); // petición al servidor de escribir variables en la tabla

?>

ARCHIVO PHP PARA ESCRITURA DE ARCHIVO LED.PHP PARA EL

CONTROL DE LA INSTALACIÓN EN MODO MANUAL, CONMUTACION

A FUENTE RED DE DISTRIBUCIÓN (cambiador.php) <?php

$textfile = "led.php";// nombre del archivo


$fh = fopen($fileLocation, 'w ') or die("Algo Fallo"); // Esto abre el archivo .txt para escribir y remplaza

su contenido

$stringToWrite = "<?php echo'hola=encender';?>";

fwrite($fh, $stringToWrite); // Escribe sobre el archivo .php

fclose($fh); //Cierra el archivo


?>


CONTROL DE LA INSTALACIÓN EN MODO MANUAL, CONMUTACION

A FUENTE RENOVABLE (cambiador1.php)

139

<?php





$stringToWrite = "<?php echo'hola=apagado';?>"; // Escribe 1 o 0 dependiendo de la respuesta

obtenida en index.html


fclose($fh);


?>


CONTROL DE LA INSTALACIÓN EN MODO AUTOMATICO

(cambiador2.php)

<?php





$stringToWrite = "<?php echo'hola=automatico';?>"; // Escribe 1 o 0 dependiendo de la respuesta

obtenida en index.html


fclose($fh);


?>

ARCHIVO PHP PARA CERRAR SESIÓN (cerrarsesion.php)

<?php

session_destroy(); //termina sesion


?>

PROTOTIPO DE INSTALACIÓN ELÉCTRICA RESIDENCIAL...

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Transcript of PROTOTIPO DE INSTALACIÓN ELÉCTRICA RESIDENCIAL...