ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITOEXTENSIÓN LATACUNGA

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE INGENIERÍA

ELECTROMECÁNICA“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MEDIDOR

DE ENERGÍA ELÉCTRICA DIGITAL CON CONEXIÓN INALÁMBRICA A UN COMPUTADOR,

PARA EL LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS”

JOSÉ LUIS ORTIZ BONILLA

OBJETIVO FINALOBJETIVO FINAL

• Diseñar e implementar un medidor Diseñar e implementar un medidor electrónico de energía eléctrica con electrónico de energía eléctrica con conexión Inalámbrica a un conexión Inalámbrica a un computador para el Laboratorio de computador para el Laboratorio de Máquinas Eléctricas.Máquinas Eléctricas.

OBJETIVOS ESPECÍFICOSOBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Diseñar y Construir medidor de Diseñar y Construir medidor de Energía Eléctrica.Energía Eléctrica.

• Registrar las variables eléctricas.Registrar las variables eléctricas.

• Adaptar este sistema en forma Adaptar este sistema en forma inalámbricainalámbrica

• Facilitar la visualización de las Facilitar la visualización de las variables eléctricas en el Laboratorio variables eléctricas en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas.de Máquinas Eléctricas.

JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIAJUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA

• Implementación de nueva tecnología Implementación de nueva tecnología al Laboratorio de Máquinas al Laboratorio de Máquinas Eléctricas.Eléctricas.

• Se contará con un sistema de Se contará con un sistema de medición preciso de parámetros medición preciso de parámetros Eléctricos.Eléctricos.

• Aportar con el avance científico a la Aportar con el avance científico a la Escuela Politécnica del Ejército.Escuela Politécnica del Ejército.

DESCRIPCIÓN DEL MEDIDOR DESCRIPCIÓN DEL MEDIDOR ELECTRÓNICOELECTRÓNICO

• En este trabajo se ha desarrollado un sistema para En este trabajo se ha desarrollado un sistema para medir energía eléctrica empleando dispositivos medir energía eléctrica empleando dispositivos electrónicos de última generación, de una manera electrónicos de última generación, de una manera rápida y confiable. Los componentes empleados rápida y confiable. Los componentes empleados permiten una gran flexibilidad de desarrollo que permiten una gran flexibilidad de desarrollo que facilitan que el prototipo sea permanentemente facilitan que el prototipo sea permanentemente mejorado sin ulteriores inversiones. Las grandes mejorado sin ulteriores inversiones. Las grandes compañías internacionales que desarrollan compañías internacionales que desarrollan sistemas electrónicos de medición de energía sistemas electrónicos de medición de energía utilizan circuitos integrados del mismo tipo que los utilizan circuitos integrados del mismo tipo que los presentados en este proyecto, como Analog presentados en este proyecto, como Analog Devices, Cirrus Logic, CR Magnetics y Microchip.Devices, Cirrus Logic, CR Magnetics y Microchip.

REQUERIMIENTO:REQUERIMIENTO:

Se requiere que el aparato sea capaz de medir o calcular los siguientes valores:

• Corriente y Voltaje utilizados y su correspondiente desfase φ.•Potencia instantánea, activa y reactiva.

COMPONENTES DEL COMPONENTES DEL SISTEMA:SISTEMA:

DIAGRAMA DE BLOQUES:DIAGRAMA DE BLOQUES:

SENSORES DE CORRIENTE:SENSORES DE CORRIENTE:

SHUNT DE CORRIENTE DE BAJA SHUNT DE CORRIENTE DE BAJA RESISTENCIA:RESISTENCIA:

• Solución de más bajo costo y alta Solución de más bajo costo y alta confiabilidad.confiabilidad.

• Lectura sencilla con excelente Lectura sencilla con excelente precisión.precisión.

• Solución popular para la medición de Solución popular para la medición de corriente.corriente.

FUNCIONAMIENTO DE LAS FUNCIONAMIENTO DE LAS RESISTENCIA SHUNTRESISTENCIA SHUNT

• El shunt es una carga resistiva a través El shunt es una carga resistiva a través de la cual se deriva una corriente de la cual se deriva una corriente eléctrica.eléctrica.

• Es utilizada para determinar la intensidad Es utilizada para determinar la intensidad de corriente eléctrica que fluye a través de corriente eléctrica que fluye a través de esta carga, mediante la medición de la de esta carga, mediante la medición de la diferencia de tensión o voltaje a través de diferencia de tensión o voltaje a través de ella, valiéndose de ello de la ley de Ohm ella, valiéndose de ello de la ley de Ohm (I = V/R).(I = V/R).

FUNCIONAMIENTO DE LAS FUNCIONAMIENTO DE LAS RESISTENCIA SHUNTRESISTENCIA SHUNT

SENSORES DE VOLTAJESENSORES DE VOLTAJE

• Es indispensable para obtener el desfase Es indispensable para obtener el desfase entre la corriente y el voltaje, para el entre la corriente y el voltaje, para el calculo de la potencia activa y reactiva.calculo de la potencia activa y reactiva.

• Se utilizó un transformador de voltaje, Se utilizó un transformador de voltaje, por ser una solución barata y de fácil por ser una solución barata y de fácil diseño.diseño.

• Además se puede utilizar este mismo Además se puede utilizar este mismo transformador como una fuente para el transformador como una fuente para el circuito.circuito.

UNIDAD DE UNIDAD DE PROCESAMIENTO:PROCESAMIENTO:

• Debe encargarse de obtener los Debe encargarse de obtener los datos desde los sensores.datos desde los sensores.

• Debe obtener el valor de la Debe obtener el valor de la Corriente.Corriente.

• Debe Calcular la potencia activa, Debe Calcular la potencia activa, reactiva y aparente.reactiva y aparente.

• Entrega los datos a un PC.Entrega los datos a un PC.

dsPIC30F4013dsPIC30F4013

• Cumple las aplicaciones de adquisición Cumple las aplicaciones de adquisición de datos (Esclavo).de datos (Esclavo).

• Cumple las funciones de Cerebro Cumple las funciones de Cerebro (Maestro).(Maestro).

• Es responsable del buen Es responsable del buen funcionamiento del circuito al que funcionamiento del circuito al que gobierna.gobierna.

• Procesa la información adquirida en su Procesa la información adquirida en su memoria. (Programa de aplicación)memoria. (Programa de aplicación)

CARACTERISTICAS DEL CARACTERISTICAS DEL dsPIC30F4013dsPIC30F4013• arquitectura harvard modificada arquitectura harvard modificada • - 84 instrucciones básicas- 84 instrucciones básicas• - ancho de instrucciones de 24 bits - ancho de instrucciones de 24 bits • - Ancho de datos de 16 bits. - Ancho de datos de 16 bits. • - Almacenamiento 48 kbytes en su memoria de - Almacenamiento 48 kbytes en su memoria de

programa programa • - RAM de 2 kbytes y una EEPROM de 1 kbyte - RAM de 2 kbytes y una EEPROM de 1 kbyte • - Velocidad de operación de 30 MIPS - Velocidad de operación de 30 MIPS • - 33 fuentes de interrupción - 33 fuentes de interrupción • - 16 registros de trabajo de 16 bits - 16 registros de trabajo de 16 bits • - 2 acumuladores de 40 bits.- 2 acumuladores de 40 bits.

INTERFAZ USUARIOINTERFAZ USUARIO

Interfaz física del usuario:Interfaz física del usuario:

• LCD (Liquid Crystal Display) de LCD (Liquid Crystal Display) de 128x64128x64 caracteres. caracteres.

DISPOSITIVO DE DISPOSITIVO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICACOMUNICACIÓN INALÁMBRICAZIG-BEE.ZIG-BEE.• Es un protocolo de comunicaciones Es un protocolo de comunicaciones

inalámbricas basada en el estándar de inalámbricas basada en el estándar de comunicaciones IEEE 802.15.4.comunicaciones IEEE 802.15.4.

• Comunicación a través de una única Comunicación a través de una única frecuencia.frecuencia.

• El alcance depende de la potencia de El alcance depende de la potencia de transmisión del dispositivo.transmisión del dispositivo.

• Su velocidad de transmisión es de hasta Su velocidad de transmisión es de hasta 256kbps.256kbps.

• Una red Zig-Bee la puede formar Una red Zig-Bee la puede formar teoricamente, hasta 65535 equipos.teoricamente, hasta 65535 equipos.

DISPOSITIVO DE DISPOSITIVO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICACOMUNICACIÓN INALÁMBRICA

Entre las necesidades que satisface Entre las necesidades que satisface el módulo son:el módulo son:

• Bajo costo.Bajo costo.• Ultra-bajo consumo de energía.Ultra-bajo consumo de energía.• Uso de bandas de radio libres y sin Uso de bandas de radio libres y sin

necesidad de licencias.necesidad de licencias.• Instalación barata y simple.Instalación barata y simple.• Redes flexibles y extensibles.Redes flexibles y extensibles.

DISPOSITIVO DE DISPOSITIVO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICACOMUNICACIÓN INALÁMBRICA

Uso del protocolo Zig-Bee:Uso del protocolo Zig-Bee:

• Reemplazo de comunicación por Reemplazo de comunicación por cable.cable.

• Comunicación serial inalámbrica.Comunicación serial inalámbrica.

INTERFAZ COMPUTADOR:INTERFAZ COMPUTADOR:

• Es necesario transmitir los datos a un Es necesario transmitir los datos a un computador y para esto se logra realizar la computador y para esto se logra realizar la adquisición de datos mediante el receptor adquisición de datos mediante el receptor Zig-Bee.Zig-Bee.

• Se utiliza el puerto serial, con el protocolo Se utiliza el puerto serial, con el protocolo USB (Universal Serial Bus), para este USB (Universal Serial Bus), para este propósito.propósito.

SOFTWARE DE ADQUISICIÓN SOFTWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS:DE DATOS:• Programación en Labview.Programación en Labview.• Adquisición de datos mediante la interfase de comunicación NI-Adquisición de datos mediante la interfase de comunicación NI-

VISA.VISA.• Programación utilizando herramientas del Software.Programación utilizando herramientas del Software.

CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

• En el presente trabajo se logró proponer un En el presente trabajo se logró proponer un sistema de medición requerido con comunicación sistema de medición requerido con comunicación inalámbrica a un computador, con lo cuál se inalámbrica a un computador, con lo cuál se cumple el objetivo de esta tesis de grado.cumple el objetivo de esta tesis de grado.

• Se ha logrado obtener un proyecto en el cual se Se ha logrado obtener un proyecto en el cual se pueden adquirir datos confiables puesto que en pueden adquirir datos confiables puesto que en los experimentos realizados con el patrón de los experimentos realizados con el patrón de medida, los resultados llegaron a ser medida, los resultados llegaron a ser satisfactorios.satisfactorios.

• El sistema de medición propuesto es compacto, y El sistema de medición propuesto es compacto, y al ser electrónico es más versátil que los sistemas al ser electrónico es más versátil que los sistemas de medición electromecánicos.de medición electromecánicos.

CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

• Las etapas de software y hardware desarrolladas Las etapas de software y hardware desarrolladas en el presente trabajo pueden ser utilizadas como en el presente trabajo pueden ser utilizadas como plataforma para trabajos futuros en los que se plataforma para trabajos futuros en los que se requiere resolver problemas de control requiere resolver problemas de control electrónico relacionados con la línea de energía.electrónico relacionados con la línea de energía.

• La comunicación que se implementó en el diseño, La comunicación que se implementó en el diseño, el cual fue el protocolo Zig-Bee, es un medio de el cual fue el protocolo Zig-Bee, es un medio de comunicación muy confiable, puesto que los comunicación muy confiable, puesto que los datos enviados no presentan perdidas en la datos enviados no presentan perdidas en la recepción y se logró obtener una comunicación recepción y se logró obtener una comunicación inalámbrica con un margen de error mínimo.inalámbrica con un margen de error mínimo.

CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

• La adecuación de comunicación serial que se La adecuación de comunicación serial que se implementó fue satisfactoria para su diseño, ya implementó fue satisfactoria para su diseño, ya que se pudieron obtener datos independientes que se pudieron obtener datos independientes desde los microcontroladores esclavos, hasta el desde los microcontroladores esclavos, hasta el microcontrolador maestro, permitiendo así, que microcontrolador maestro, permitiendo así, que los datos no se mezclen y produzca un margen los datos no se mezclen y produzca un margen elevado de error o cálculos que no se apeguen a elevado de error o cálculos que no se apeguen a la realidad.la realidad.

• El medidor de energía eléctrica presentó muchas El medidor de energía eléctrica presentó muchas dificultades en la etapa de programación del dificultades en la etapa de programación del código fuente, puesto que los cálculos para la código fuente, puesto que los cálculos para la obtención de los resultados cumplen con obtención de los resultados cumplen con rigurosas ecuaciones matemáticas y es muy rigurosas ecuaciones matemáticas y es muy difícil adecuarlas en el software de programacióndifícil adecuarlas en el software de programación

CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

• Sin duda alguna, la culminación del Sin duda alguna, la culminación del presente proyecto es un logro para presente proyecto es un logro para su diseñador pues se termina una su diseñador pues se termina una etapa de arduo trabajo y de mucho etapa de arduo trabajo y de mucho tiempo de investigación científica tiempo de investigación científica para realizarlo.para realizarlo.

RECOMENDACIONES:RECOMENDACIONES:

• El presente proyecto se presenta como un El presente proyecto se presenta como un prototipo totalmente funcional, el cual podría prototipo totalmente funcional, el cual podría ser modificado para futuras aplicaciones en el ser modificado para futuras aplicaciones en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas.Laboratorio de Máquinas Eléctricas.

• En el presente proyecto se presentaron En el presente proyecto se presentaron muchos inconvenientes en la parte de muchos inconvenientes en la parte de programación puesto que se debe tener programación puesto que se debe tener mucho cuidado con la lógica ya que variables mucho cuidado con la lógica ya que variables no definidas pueden afectar a la no definidas pueden afectar a la programación.programación.

RECOMENDACIONES:RECOMENDACIONES:

• Se debe elegir con cuidado los dispositivos Se debe elegir con cuidado los dispositivos electrónicos a utilizar especialmente el electrónicos a utilizar especialmente el microcontrolador ya que es muy importante microcontrolador ya que es muy importante reconocer las bondades de dichos dispositivos.reconocer las bondades de dichos dispositivos.

• Es necesario la auto preparación para poder Es necesario la auto preparación para poder adquirir los conocimientos suficientes y adquirir los conocimientos suficientes y realizar proyectos electrónicos de tal realizar proyectos electrónicos de tal magnitud, puesto que los dispositivos que se magnitud, puesto que los dispositivos que se presentan a menudo con mayor rapidez de presentan a menudo con mayor rapidez de actualización adquieren mayor grado de actualización adquieren mayor grado de complejidad en su ingeniería.complejidad en su ingeniería.

RECOMENDACIONES:RECOMENDACIONES:

• Se recomienda utilizar los software que Se recomienda utilizar los software que puedan tener accesibilidad con el sistema puedan tener accesibilidad con el sistema actual del computador en el cual se trabaje ya actual del computador en el cual se trabaje ya que los Firmwares de los mismos, se que los Firmwares de los mismos, se actualizan periódicamente y cada vez más actualizan periódicamente y cada vez más rápido.rápido.

• Se recomienda la manipulación precisa y Se recomienda la manipulación precisa y delicada de los dispositivos electrónicos, ya delicada de los dispositivos electrónicos, ya que si no se los trata con cuidado se echan a que si no se los trata con cuidado se echan a perder y se convierten en un problema a la perder y se convierten en un problema a la hora de presentarse un error en el diseño.hora de presentarse un error en el diseño.

RECOMENDACIONES:RECOMENDACIONES:

• En el mercado actual existen un número elevado de En el mercado actual existen un número elevado de fabricantes de dispositivos electrónicos, sin fabricantes de dispositivos electrónicos, sin embargo se recomienda que se utilicen los embargo se recomienda que se utilicen los dispositivos de marcas conocidas y de renombre, ya dispositivos de marcas conocidas y de renombre, ya que su construcción es más minuciosa y su que su construcción es más minuciosa y su versatilidad ayuda mucho al momento de realizar versatilidad ayuda mucho al momento de realizar cualquier proyecto electrónico.cualquier proyecto electrónico.

• Los sensores que existen en el mercado actual, son Los sensores que existen en el mercado actual, son dispositivos electrónicos variados y abundantes, sin dispositivos electrónicos variados y abundantes, sin embargo se recomienda la utilización de marcas embargo se recomienda la utilización de marcas confiables que vayan acorde con el diseño confiables que vayan acorde con el diseño propuesto, ya que no todos los tipos de sensores propuesto, ya que no todos los tipos de sensores que existen, cumplen con las mismas características que existen, cumplen con las mismas características y no se apegarían a un diseño específico.y no se apegarían a un diseño específico.

RECOMENDACIONES:RECOMENDACIONES:

• Para la comunicación inalámbrica es Para la comunicación inalámbrica es recomendable utilizar un protocolo conocido recomendable utilizar un protocolo conocido y fácil de usar, pues ya que es la parte final y fácil de usar, pues ya que es la parte final del proyecto, no es propicio encontrar una del proyecto, no es propicio encontrar una barrera más en la implementación y estudio barrera más en la implementación y estudio de un protocolo de difíciles prestacionesde un protocolo de difíciles prestaciones

• El protocolo de comunicaciones VISA debe El protocolo de comunicaciones VISA debe ser correctamente instalado en el software ser correctamente instalado en el software Labview puesto que si no se tiene una Labview puesto que si no se tiene una versión que se acople al computador, la versión que se acople al computador, la comunicación serial entre los dispositivos comunicación serial entre los dispositivos no se va a poder realizar.no se va a poder realizar.