ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO EXTENSIÓN 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 FINAL Diseñar e implementar un medidor electrónico de energía eléctrica con conexión Inalámbrica a un computador para el Laboratorio de Máquinas Eléctricas.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Diseñar y Construir medidor de Energía Eléctrica. Registrar las variables eléctricas. Adaptar este sistema en forma inalámbrica Facilitar la visualización de las variables eléctricas en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas.

JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA Implementación de nueva tecnología al Laboratorio de Máquinas Eléctricas. Se contará con un sistema de medición preciso de parámetros Eléctricos. Aportar con el avance científico a la Escuela Politécnica del Ejército.

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

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 SISTEMA:

DIAGRAMA DE BLOQUES:

SENSORES DE CORRIENTE: SHUNT DE CORRIENTE DE BAJA RESISTENCIA: Solución de más bajo costo y alta confiabilidad. Lectura sencilla con excelente precisión. Solución popular para la medición de corriente.

FUNCIONAMIENTO DE LAS RESISTENCIA SHUNT El shunt es una carga resistiva a través de la cual se deriva una corriente eléctrica. Es utilizada para determinar la intensidad de corriente eléctrica que fluye a través de esta carga, mediante la medición de la diferencia de tensión o voltaje a través de ella, valiéndose de ello de la ley de Ohm (I = V/R).

FUNCIONAMIENTO DE LAS RESISTENCIA SHUNT

SENSORES DE VOLTAJE Es indispensable para obtener el desfase entre la corriente y el voltaje, para el calculo de la potencia activa y reactiva. Se utilizó un transformador de voltaje, por ser una solución barata y de fácil diseño. Además se puede utilizar este mismo transformador como una fuente para el circuito.

UNIDAD DE PROCESAMIENTO: Debe encargarse de obtener los datos desde los sensores. Debe obtener el valor de la Corriente. Debe Calcular la potencia activa, reactiva y aparente. Entrega los datos a un PC.

dsPIC30F4013 Cumple las aplicaciones de adquisición de datos (Esclavo). Cumple las funciones de Cerebro (Maestro). Es responsable del buen funcionamiento del circuito al que gobierna. Procesa la información adquirida en su memoria. (Programa de aplicación)

CARACTERISTICAS DEL dsPIC30F4013 arquitectura harvard modificada - 84 instrucciones básicas - ancho de instrucciones de 24 bits - Ancho de datos de 16 bits. - Almacenamiento 48 kbytes en su memoria de programa - RAM de 2 kbytes y una EEPROM de 1 kbyte - Velocidad de operación de 30 MIPS - 33 fuentes de interrupción - 16 registros de trabajo de 16 bits - 2 acumuladores de 40 bits.

INTERFAZ USUARIO Interfaz física del usuario: LCD (Liquid Crystal Display) de 128x64 caracteres.

DISPOSITIVO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA ZIG-BEE. Es un protocolo de comunicaciones inalámbricas basada en el estándar de comunicaciones IEEE 802.15.4. Comunicación a través de una única frecuencia. El alcance depende de la potencia de transmisión del dispositivo. Su velocidad de transmisión es de hasta 256kbps. Una red Zig-Bee la puede formar teoricamente, hasta 65535 equipos.

DISPOSITIVO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA Entre las necesidades que satisface el módulo son: Bajo costo. Ultra-bajo consumo de energía. Uso de bandas de radio libres y sin necesidad de licencias. Instalación barata y simple. Redes flexibles y extensibles.

DISPOSITIVO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA Uso del protocolo Zig-Bee: Reemplazo de comunicación por cable. Comunicación serial inalámbrica.

INTERFAZ COMPUTADOR: Es necesario transmitir los datos a un computador y para esto se logra realizar la adquisición de datos mediante el receptor Zig-Bee. Se utiliza el puerto serial, con el protocolo USB (Universal Serial Bus), para este propósito.

SOFTWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Programación en Labview. Adquisición de datos mediante la interfase de comunicación NI-VISA. Programación utilizando herramientas del Software.

CONCLUSIONES: En el presente trabajo se logró proponer un sistema de medición requerido con comunicación inalámbrica a un computador, con lo cuál se cumple el objetivo de esta tesis de grado. Se ha logrado obtener un proyecto en el cual se pueden adquirir datos confiables puesto que en los experimentos realizados con el patrón de medida, los resultados llegaron a ser satisfactorios. El sistema de medición propuesto es compacto, y al ser electrónico es más versátil que los sistemas de medición electromecánicos.

CONCLUSIONES: Las etapas de software y hardware desarrolladas en el presente trabajo pueden ser utilizadas como plataforma para trabajos futuros en los que se requiere resolver problemas de control electrónico relacionados con la línea de energía. La comunicación que se implementó en el diseño, el cual fue el protocolo Zig-Bee, es un medio de comunicación muy confiable, puesto que los datos enviados no presentan perdidas en la recepción y se logró obtener una comunicación inalámbrica con un margen de error mínimo.

CONCLUSIONES: La adecuación de comunicación serial que se implementó fue satisfactoria para su diseño, ya que se pudieron obtener datos independientes desde los microcontroladores esclavos, hasta el microcontrolador maestro, permitiendo así, que los datos no se mezclen y produzca un margen elevado de error o cálculos que no se apeguen a la realidad. El medidor de energía eléctrica presentó muchas dificultades en la etapa de programación del código fuente, puesto que los cálculos para la obtención de los resultados cumplen con rigurosas ecuaciones matemáticas y es muy difícil adecuarlas en el software de programación

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

RECOMENDACIONES: El presente proyecto se presenta como un prototipo totalmente funcional, el cual podría ser modificado para futuras aplicaciones en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas. En el presente proyecto se presentaron muchos inconvenientes en la parte de programación puesto que se debe tener mucho cuidado con la lógica ya que variables no definidas pueden afectar a la programación.

RECOMENDACIONES: Se debe elegir con cuidado los dispositivos electrónicos a utilizar especialmente el microcontrolador ya que es muy importante reconocer las bondades de dichos dispositivos. Es necesario la auto preparación para poder adquirir los conocimientos suficientes y realizar proyectos electrónicos de tal magnitud, puesto que los dispositivos que se presentan a menudo con mayor rapidez de actualización adquieren mayor grado de complejidad en su ingeniería.

RECOMENDACIONES: Se recomienda utilizar los software que puedan tener accesibilidad con el sistema actual del computador en el cual se trabaje ya que los Firmwares de los mismos, se actualizan periódicamente y cada vez más rápido. Se recomienda la manipulación precisa y delicada de los dispositivos electrónicos, ya que si no se los trata con cuidado se echan a perder y se convierten en un problema a la hora de presentarse un error en el diseño.

RECOMENDACIONES: En el mercado actual existen un número elevado de fabricantes de dispositivos electrónicos, sin embargo se recomienda que se utilicen los dispositivos de marcas conocidas y de renombre, ya que su construcción es más minuciosa y su versatilidad ayuda mucho al momento de realizar cualquier proyecto electrónico. Los sensores que existen en el mercado actual, son dispositivos electrónicos variados y abundantes, sin embargo se recomienda la utilización de marcas confiables que vayan acorde con el diseño propuesto, ya que no todos los tipos de sensores que existen, cumplen con las mismas características y no se apegarían a un diseño específico.

RECOMENDACIONES: Para la comunicación inalámbrica es recomendable utilizar un protocolo conocido y fácil de usar, pues ya que es la parte final del proyecto, no es propicio encontrar una barrera más en la implementación y estudio de un protocolo de difíciles prestaciones El protocolo de comunicaciones VISA debe ser correctamente instalado en el software Labview puesto que si no se tiene una versión que se acople al computador, la comunicación serial entre los dispositivos no se va a poder realizar.