SONY 78511791A3 Service Manual

Universidad Tecnológica de la Mixteca

“Diseño y construcción de un módulo de

almacenamiento para el medidor de variables

eléctricas PowerLogic PM650 basado en el

microcontrolador 8031”

TESIS

para obtener el título profesional de:

INGENIERO EN ELECTRÓNICA

PRESENTA: Zhoraya López Villegas

•

ASESOR: M. C. Fermín Hugo Ramírez Leyva

Huajuapan de León, Oax. agosto de 2002

RESUMEN

Este trabajo tiene como finalidad el diseño y construcción de un módulo de almacenamiento programable, el cual recolecta la información adquirida por el medidor de potencia trifásico marca PowerLogic modelo PM650 a través de una interfaz RS-485 y el protocolo de comunicaciones MODBUS. Las variables eléctricas a almacenar y el tiempo de muestreo son configurables a través de la interfaz de usuario del módulo. La información contenida en el modulo de almacenamiento se descarga hacia una computadora personal, mediante un programa desarrollado con el software de programación gráfica LabView de National Instruments. Este programa de descarga tiene la capacidad de graficar las variables eléctricas adquiridas y guardar la información para su posterior procesamiento.

AA mmiiss aabbuueellooss yy mmiiss ppaaddrreess::

FFeelliippaa yy MMaaggddaalleennoo,, EEsstthheerr ee IIggnnaacciioo,, AAllbbaa yy ZZaaaallaatthhiieell..

GGrraacciiaass.

AGRADECIMIENTOS

Al M. C. Hugo F. Ramírez Leyva, asesor de esta tesis, por su apoyo, confianza, conocimientos compartidos y guía para la realización de este trabajo.

A los profesores que fueron los sinodales de mi tesis: C. M. C. Esteban Guerrero Ramírez, C. M. C. Enrique Guzmán Ramírez y C. Dr. Heriberto Hernández Martínez por sus valiosos consejos y el tiempo que dedicaron en la revisión de este documento.

A las autoridades y personal de la Universidad Tecnológica de la Mixteca por brindar me el apoyo necesario para realizar esta tesis en las instalaciones de la misma.

A los maestros que participaron en mi formación académica, en especial a los siguientes profesores: Gustavo Jiménez Santana, Hugo Suárez Onofre, José Antonio Moreno Espinoza, Raúl Cruz Barbosa, Jorge de Dios Domínguez y Vitaly Ryback, mi agradecimiento y admiración.

A Efraín por su amor, consejos y apoyo. A los amigos y compañeros que con sus palabras de aliento no me dejaron detenerme en esta carrera.

A mi familia: López Villegas, Villegas Córdova, Villegas Cruz, Vázquez Niño y Vázquez López Bautista.

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN .........................................................................................................................1

CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO............................................................................................5

1.1. LA ENERGÍA ELÉCTRICA ..................................................................................................................................5

1.1.1. Parámetros de la energía eléctrica..................................................................................................................6

1.1.2. Costo de la energía ...........................................................................................................................................8

1.1.3. Mediciones eléctricas.....................................................................................................................................10

1.1.3.1. Medidores de potencia digitales ..........................................................................................................12

1.1.3.2. Medidor PM650.....................................................................................................................................12

1.2. COMUNICACIONES SERIALES......................................................................................................................13

1.2.1. Estándar RS-232.............................................................................................................................................13

1.2.1.1. Convertidor ADM233 ...........................................................................................................................14

1.2.2. Estándar RS-485.............................................................................................................................................15

1.2.2.1. Convertidor MC3486............................................................................................................................17

1.2.2.2. Convertidor MC3487............................................................................................................................17

1.3. PROTOCOLO MODBUS.....................................................................................................................................18

1.3.1. Código CRC....................................................................................................................................................19

1.3.2. Función de lectura de registros.....................................................................................................................20

1.4. LABVIEW ................................................................................................................................................................22

1.4.1. Instrumentos Virtuales...................................................................................................................................22

CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DEL MÓDULO DE ALMACENAMIENTO .....................25

2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL.................................................................................................................................25

2.2. MEDIDOR PM650 .................................................................................................................................................26

2.2.1. Parámetros considerados para el almacenamiento....................................................................................26

2.3. MÓDUL O DE ALMACENAMIENTO..............................................................................................................27

2.3.1. Submódulo de control....................................................................................................................................28

2.3.1.1. Respaldo de la información almacenada............................................................................................31

2.3.2. Submódulo de interfaz de usuario ................................................................................................................ 31

2.3.2.1. Teclado.....................................................................................................................................................32

2.3.2.2. Pantalla.....................................................................................................................................................34

2.3.3. Submódulo de comunicaciones seriales......................................................................................................36

CAPÍTULO 3. DESARROLLO DEL SOFTWARE................................................................39

3.1. DESCRIPCIÓN GENERAL.................................................................................................................................39

3.2. PROGRAMA DEL MÓDULO DE ALMACENAMIENTO .......................................................................... 40

3.2.1. Inicialización del módulo ..............................................................................................................................41

3.2.2. Determinación de la velocidad de transmisión..........................................................................................42

3.2.3. Envío de paquete de petición........................................................................................................................44

3.2.4. Verificación de memoria de almacenamiento............................................................................................44

3.2.5. Petición de opción..........................................................................................................................................45

3.2.5.1. Configuración del módulo ....................................................................................................................45

3.2.5.2. Inicio de almacenamiento de parámetros eléctricos.........................................................................46

3.2.5.3. Envío de datos a la PC..........................................................................................................................47

3.3. PROGRAMA DE DESCARGA DE DATOS....................................................................................................47

3.3.1. Algoritmo del programa de descarga..........................................................................................................48

3.3.2. inf_confg.vi......................................................................................................................................................50

3.3.3. indices.vi..........................................................................................................................................................50

3.3.4. archivo de salida.vi.........................................................................................................................................50

3.3.5. modulo almacenamiento.vi ........................................................................................................................... 51

CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES .............................................................55

4.1. RESULTADOS .......................................................................................................................................................55

4.1.1. Prototipo del módulo de almacenamiento..................................................................................................55

4.1.2. Prueba de funcionamiento del módulo de almacenamiento....................................................................56

4.1.2.1. Ejemplo 1................................................................................................................................................59

4.1.2.2. Ejemplo 2................................................................................................................................................64

4.2. CONCLUSIONES ..................................................................................................................................................69

4.3. PERSPECTIVAS....................................................................................................................................................70

BIBLIOGRAFÍA..........................................................................................................................73

ANEXO A. Tarifas para el suministro y venta de energía eléctrica (2001 - 2002) *...........A-1

TARIFAS ESPECÍFICAS ...........................................................................................................................................A-1

TARIFAS GENERALES ............................................................................................................................................A-1

TIPOS DE MODELOS DE RECIBOS DE LUZ ....................................................................................................A-1

RECIBO DE LUZ PARA BAJA TENSIÓN, ALUMBRADO PÚBLICO, BOMBEO DE AGUA Y RIEGO

AGRÍCOLA .......................................................................................................................................A-2

Información del consumo .......................................................................................................................................A-3

Cálculo del importe del consumo..........................................................................................................................A-3

Detalle de los cargos y créditos que integran la facturación............................................................................A-4

RECIBO DE LUZ PARA BAJA Y MEDIA TENSIÓN ........................................................................................A-5

Información del consumo .......................................................................................................................................A-5

Cálculo del importe del consumo..........................................................................................................................A-6

Detalle de los cargos y créditos que integran la facturación............................................................................A-7

RECIBO DE LUZ PARA HORARIOS EN MEDIA Y ALTA TENSIÓN........................................................A-7

Información del consumo .......................................................................................................................................A-8

Cálculo del importe del consumo..........................................................................................................................A-8

Detalle de los cargos y créditos que integran la facturación............................................................................A-9

ANEXO B. Microcontrolador 8031..........................................................................................B-1

ANEXO C. Esquemático del módulo de almacenamiento.....................................................C-1

ANEXO D. Manual de usuario del módulo de almacenamiento...........................................D-1

GENERALIDADES .....................................................................................................................................................D-1

Definición..................................................................................................................................................................D-1

Características ..........................................................................................................................................................D-1

Conexiones................................................................................................................................................................D-1

ALMACENAMIENTO DE LOS DATOS DEL PM650 .......................................................................................D-2

Instalación del medidor PM650............................................................................................................................D-2

Estado de funcionamiento del módulo de almacenamiento.............................................................................D-2

Inicialización ............................................................................................................................................................D-2

Configuración ...........................................................................................................................................................D-3

Inicia muestreo .........................................................................................................................................................D-6

Envía datos PC .........................................................................................................................................................D-7

Reinicia......................................................................................................................................................................D-8

DESCARGA DE DATOS ...........................................................................................................................................D-8

Ejecución del programa de descarga....................................................................................................................D-8

Adquisición de los datos .........................................................................................................................................D-9

Presentación de los datos........................................................................................................................................D-9

ERRORES COMUNES.............................................................................................................................................D-10

Errores en el módulo de almacenamiento..........................................................................................................D-10

Errores en el software de descarga ......................................................................................................................D-11

ANEXO E. Listado de programas............................................................................................E-1

ANEXO E.1. Programa en lenguaje opal para decodificar la memoria y seleccionar el estándar de

comunicaciones.................................................................................................................................E-1

ANEXO E.2. Programa en lenguaje opal para mapeo en memoria RAM del teclado y display.....................E-3

ANEXO E.3. Programa del módulo de almacenamiento.......................................................................................E-5

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Planta de energía de ciclo combinado. Cortesía, CFE. ..........................................................................6

Figura 1.2. Representación de la forma de onda de la señal eléctrica......................................................................7

Figura 1.3. Amperímetro de gancho. Cortesía Wavetek Co....................................................................................10

Figura 1.4. Voltímetro. Cortesía Fluke Co.................................................................................................................11

Figura 1.5. Wattihorímetro. Cortesía Extech Co.......................................................................................................11

Figura 1.6. Analizador de redes. Cortesía Yokogawa Co. ....................................................................................... 11

Figura 1.7. Medidor PM650 Powerlogic con visualizador. Cortesía PowerLogic. .............................................12

Figura 1.8. Conector macho DB9. ................................................................................................................................ 14

Figura 1.9. Diagrama lógico del ADM233 y sus conexiones..................................................................................15

Figura 1.10. Conexiones para el conector DB9.........................................................................................................16

Figura 1.11. Diagrama lógico del MC3486................................................................................................................17

Figura 1.12. Diagrama lógico del MC3487................................................................................................................18

Figura 1.13. Diagrama de flujo del algoritmo para calcular el código CRC. .......................................................20

Figura 1.14. Panel de control de modulo almacenamiento.vi. .................................................................................23

Figura 1.15. Diagrama de bloques de inf_confg.vi....................................................................................................24

Figura 1.16. Icono y conectores del subVI: inf_confg.vi..........................................................................................24

Figura 2.1. Diagrama a bloques del medido PM650 y el módulo de almacenamiento.......................................25

Figura 2.2. Medidor PM650 PowerLogic, cortesía SquaredD................................................................................26

Figura 2.3. Diagrama a bloques del módulo de almacenamiento...........................................................................28

Figura 2.4. Distribución de la memoria externa del sistema mínimo del 8031....................................................29

Figura 2.5. Conexiones de la memoria externa del módulo de almacenamiento.................................................30

Figura 2.6. Diagrama lógico del ADM691.................................................................................................................31

Figura 2.7. Conexiones del submódulo de interfaz de usuario...............................................................................32

Figura 2.8. Diagrama lógico del MM74C923............................................................................................................33

Figura 2.9. Diagrama de tiempos del MM74C923....................................................................................................33

Figura 2.10. Conexiones del MM74C923. .................................................................................................................. 34

Figura 2.11. Diagrama a bloques del AND491. Cortesía Purdy Electronics........................................................35

Figura 2.12. Conexiones del AND491. .......................................................................................................................36

Figura 2.13. Conexiones de las comunicaciones seriales del módulo de almacenamiento................................36

Figura 3.1 Diagrama a bloques del programa. ...........................................................................................................39

Figura 3.2. Diagrama a bloques del programa del módulo de almacenamiento. ................................................. 40

Figura 3.3. Diagrama de flujo del algoritmo de determinación de velocidad de transmisión...........................43

Figura 3.4 Diagrama de flujo del algoritmo de envío de paquete de petición de lectura. ..................................44

Figura 3.5. Algoritmo de la rutina de inicio de almacenamiento............................................................................46

Figura 3.6. Diagrama de flujo del programa de descarga........................................................................................49

Figura 3.7. Icono y conectores del subVI viinf_confg. ............................................................................................50

Figura 3.8. Icono y conectores del subVI indices.vi................................................................................................50

Figura 3.9. Icono y conectores del subVI

Figura 3.10. Icono del VI modulo almacenamiento.vi.............................................................................................51

Figura 3.11. Componentes del panel frontral del programa de descarga..............................................................53

Figura 4.1. Prototipo del módulo de almacenamiento y sus componentes...........................................................55

Figura 4.2. Diagrama unifilar de la red eléctrica de la UTM..................................................................................56

Figura 4.3. Módulo de almacenamiento instalado en la red eléctrica de la UTM...............................................57

Figura 4.4. Conexión de los voltajes y los transformadores de corriente..............................................................57

Figura 4.5. Conexión de comunicaciones RS485 del módulo de almacenamiento a las del PM650...............58

Figura 4.6. Mensaje durante el almacenamiento en un tiempo automático y no automático............................58

Figura 4.7. Gráfica de los valores de frecuencia del ejemplo 1. .............................................................................61

Figura 4.8. Gráfica de los valores de la corriente monofásica del ejemplo 1.......................................................62

Figura 4.9. Gráfica del voltaje monofásico del ejemplo 1. ...................................................................................... 62

Figura 4.10. Gráfica de los valores absoluto s del factor de potencia del ejemplo 1............................................ 63

Figura 4.11. Gráfica de los valores con signo del factor de potencia del ejemplo 1. ..........................................63

Figura 4.12. Gráfica de los valores de distorsión armónica del voltaje del ejemplo 1........................................64

Figura 4.13. Gráfica de los valores de frecuencia del ejemplo 2............................................................................66

Figura 4.14. Gráfica de los valores de corriente monofásica del ejemplo 2. ........................................................ 67

salida.vde archivo .............................................................................51

Figura 4.15. Gráfica de los valores de voltaje monofásico del ejemplo 2. ............................................................ 67

Figura 4.16. Gráfica de los valores absolutos del factor de potencia del ejemplo 2. ........................................... 68

Figura 4.17. Gráfica de los valores con signo del factor de potencia del ejemplo 2. ..........................................68

Figura 4.18. Gráfica de los valores de distorsión armónica del voltaje del ejemplo 2........................................69

Figura D.1. Conexiones de módulo de almacenamiento........................................................................................D-1

Figura D.2. Cuadro de diálogo para el almacenamiento de datos........................................................................D-9

Figura D.3. Panel frontal d el programa de descarga.............................................................................................D-10

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1. Tarifas de costo de energía eléctrica de CFE. ...........................................................................................9

Tabla 1.2. Descripción de los pines del DB9 según el RS-232...............................................................................14

Tabla 1.3. Código de algunas funciones del protocolo Modbus. ............................................................................19

Tabla 1.4. Campos de la función de lectura de registros..........................................................................................20

Tabla 1.5. Campos del paquete de respuesta a la función de lectura de registros................................................21

Tabla 2.1. Parámetros considerados por el módulo de almacenamiento...............................................................27

Tabla 2.2. Señales empleadas en el direccionamiento de memoria del módulo de almacenamiento...............29

Tabla 2.3. Distribución y asignación de memoria externa.......................................................................................30

Tabla 2.4. Valores de los pines de salida del MM74C923......................................................................................34

Tabla 2.5. Descripción de las señales de control del AND491...............................................................................35

Tabla 3.1. Variables principales del programa del módulo de almacenamiento..................................................42

Tabla 3.2 Descripción de los bloques de mediciones...............................................................................................45

Tabla 3.3. Opciones de gráficas del programa de descarga.....................................................................................52

Tabla 4.1. Archivo que almacena los datos de la medición del ejemplo 1...........................................................60

Tabla 4.2. Archivo que almacena los datos de la segunda medición.....................................................................65

Tabla B.1 Integrantes de la familia MCS-51 y sus principales características. ..................................................B-1

1 1

INTRODUCCIÓN

El desarrollo y evolución de la sociedad humana siempre ha estado ligado al uso de energía proveniente de diversas fuentes, la humanidad ha utilizado los recursos naturales como fuente de energía para la elaboración de bienes y servicios que satisfacen sus necesidades elementales. La energía de mayor uso en la actualidad es, sin duda, la energía eléctrica, la cual es generada principalmente usando hidrocarburos a pesar de ser fomentadas e impulsadas otras formas de generación (eólica, solar, nuclear, geotérmica, etc.), éstas no alcanzan porcentajes considerables frente al uso de hidrocarburos. Esta proporción hace inminente la búsqueda de nuevas formas de generación de energía, el desarrollo de las existentes, el fortalecimiento de una cultura de ahorro y el aprovechamiento racional de la energía disponible.

Un suceso determinante para el fomento de la cultura de ahorro de energía ocurrió en el año 1973 cuando, a partir de un enfrentamiento militar entre Egipto e Israel, el precio del petróleo se disparó provocando una crisis económica mundial, mostrando la dependencia de la economía mundial al precio del crudo. A partir de ese año países como Estados Unidos de América (EUA) desarrollaron y fomentaron la idea de una administración orientada a la demanda (DMS, Demand-Side Management), la cual tiene como fundamento la lógica económica de que es más barato invertir en la modificación de los consumos de los usuarios que construir y operar plantas nuevas de generación eléctrica.

En el panorama nacional, en 1990 se fundó el Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica (FIDE) con el objeto de impulsar programas de ahorro de energía eléctrica. Además de este organismo se han creado normas que establecen formas de apoyo a empresas que ahorren y utilicen de manera eficiente la energía eléctrica suministrada por la Comisión Federal de Electricidad (CFE), organismo gubernamental que genera, distribuye y administra la energía eléctrica en México. Para aprovechar el apoyo otorgado por el gobierno mexicano a quien menos consume o mejor utiliza la electricidad, los consumidores de energía eléctrica, empresas principalmente, realizan análisis del comportamiento de su red eléctrica basados en historiales de los valores de las variables eléctricas más importantes para implementar medidas de ahorro de energía y programas de control de la demanda eléctrica.

Entre los instrumentos de medición de las variables eléctricas que se emplean en los análisis eléctricos se encuentra el medidor de potencia o analizador de redes eléctricas que tiene en general las siguientes características:

§ Adquisición de manera instantánea de los valores de la corriente, el voltaje y la potencia

eléctrica.

§ Almacenamiento de la información obtenida en forma de historiales de mediciones.

§ Impresión de los datos medidos en períodos preestablecidos.

§ Programación de los intervalos de recolección de datos en períodos mayores y menores a

15 minutos.

En el mercado internacional y nacional existen varias compañías que fabrican y comercializan diversos modelos de medidores de potencia; su costo depende, de manera directamente proporcional, a las caracter ísticas presentes. A pesar de los beneficios económicos a largo plazo que genera un análisis eléctrico, la compra de un medidor de potencia, con todas las características listadas anteriormente, implica el desembolso de una cantidad considerable de dinero, lo cual no representa un ahorro económico a corto plazo.

La Universidad Tecnológica de la Mixteca (UTM) cuenta con un medidor de variables eléctricas; el medidor marca PowerLogic modelo PM650, con el que se realizan mediciones para el análisis del comportamiento de la red eléctrica de la universidad. Aunque este medidor puede medir hasta 31 variables eléctricas, registrar los valores de las mediciones instantáneamente y desplegar los valores en su pantalla, su utilidad se ve disminuida al carecer de una memoria que almacene los datos obtenidos en un período determinado de tiempo, debido a lo cual las mediciones deben ser anotadas manualmente y la calidad de la información obtenida disminuye.

El presente documento describe la implementación de un módulo de almacenamiento de parámetros eléctricos obtenidos por el medidor PM650, tanto el hardware como el software, además de la descripción de los principales resultados obtenidos durante el desarrollo de este trabajo.

OBJETIVOS

OObbjjeettiivvoo ggeenneerraall::

§ Diseñar y constr uir un módulo de almacenamiento para el medidor de variables eléctricas

PowerLogic PM650 basado en el microcontrolador 8031.

OObbjjeettiivvooss ppaarrttiiccuullaarreess::

§ Determinar la memoria mínima requerida para almacenar hasta 7 días en intervalos de 5

minutos las variables eléctricas más importantes en el análisis eléctrico.

Introducción

§ Realizar una investigación bibliográfica del estándar y protocolo de comunicaciones

utilizados por el medidor PM650.

§ Diseñar el sistema de comunicaciones con las especificaciones de comunicaciones del

medidor PM650.

§ Integrar las siguientes características al módulo de almacenamiento:

§ Configuración del número de variables a almacenar.

§ Elección del tiempo de muestreo.

§ Indicador de inicio de la recolección de los datos.

§ Descarga de los datos hacia la PC.

§ Implementar un programa que obtenga, almacene y grafique en la PC los datos

almacenados en el módulo de almacenamiento.

§ Evaluar los resultados obtenidos a partir del funcionamiento del módulo de

almacenamiento conectado al medidor PM650 y éste a su vez a una red eléctrica.

Descripción del contenido

El presente trabajo esta dividido en cuatros capítulos con el siguiente contenido:

En el capítulo uno se definen las características, los parámetros y el costo de la energía eléctrica. Se explica la importancia de las mediciones de parámetros de las redes eléctricas, los instrumentos utilizados y en particular se describe el medidor de variables eléctricas PowerLogic PM650. Se describen las comunicaciones seriales, el estándar RS -485, el estándar RS -232 y los convertidores de niveles de voltaje utilizados en el módulo de almacenamiento. Además, se explica el protocolo de comunicaciones Modbus, utilizado por el medidor PM650 y se resume el uso y descripción del lenguaje LabView de National Instruments.

En el capítulo dos se listan y explican las características del módulo de almacenamiento correspondientes al diseño e implementación de los submódulos que lo integran.

El capítulo tres se expone la implementación del programa utilizado por el módulo de almacenamiento y e l programa de descarga de los datos implementado en LabView.

El capítulo cuatro incluye los resultados y conclusiones obtenidos con el desarrollo del presente trabajo y las perspectivas del mismo.

Introducción

CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO

1.1. LA ENERGÍA ELÉCTRICA

La palabra energía denota movimiento, acción o capacidad de realizar una actividad; la energía eléctrica es aquella que permite que la mayoría de las máquinas que se utilizan cotidianamente realicen las funciones para las cuales fueron construidas. Este tipo de energía se encuentra presente en la Naturaleza, en fenómenos como las descargas atmosféricas conocidas como rayos, pero ésta energía no puede ser aprovechada y es necesario emplear otros medios para producirla y utilizarla en beneficio.

En el año de 1819, el físico danés Hans Oersted descubrió el principio para obtener energía eléctrica, el movimiento de una serie de espiras de cobre en el seno del campo magnético, producido por un imán, genera una diferencia de potencial en las terminales de la bobina que al final de cuentas es energía eléctrica que puede ser utilizada después de ciertas modificaciones. Al conjunto que forman el campo magnético y la bobina se denomina generador, el cual transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Esta energía mecá nica es obtenida a partir de diferentes fuentes: el movimiento de agua, el calor, la geotermia, la energía nuclear y las energías renovables como la eólica y de la biomasa (leña, carbón basura y rastrojos del campo).

En México el 75% de la electricidad se genera usando hidrocarburos, los cuales producen calor y vapor que mueven los generadores contenidos en las plantas o centrales termoeléctricas [URL 1]. La figura 1.1 muestra un diagrama de una planta generadora.

Figura 1.1. Planta de energía de ciclo combinado. Cortesía, CFE.

La electricidad producida en un generador alcanza unos 25,000 voltios (unidades de diferencia de potencial eléctrico). En la planta de energía el voltaje es elevado a 400,000 voltios para que la electricidad pueda viajar largas distancias a través de cables de alta tensión y después mediante transformadores se reduce el nivel del voltaje para ser utilizado en hogares o industrias.

En México, la energía eléctrica que se consume en los hogares tiene, aproximadamente, el valor de 120 voltios RMS (voltaje eficaz); en la industria y en otras actividades se emplean 220 voltios RMS e incluso voltajes superiores para mover maquinaria y grandes equipos. En países europeos lo normal es el uso de 220 voltios RMS para todos los aparatos eléctricos.

11..11..11.. PPaarráámmeettrrooss ddee llaa eenneerrggííaa eellééccttrriiccaa

La energía eléctrica se puede describir mediante sus parámetros más importantes, los cuales son indispensables para obtener un análisis del comportamiento eléctrico de un equipo, sistema o instalación. Las mediciones de los parámetros relacionados al consumo de energía (potencia activa y reactiva) se consideran indispensables para fines de un diagnóstico energético, mientras que los datos de intensidad de corriente y tensión aportan información complementaria sobre el comportamiento de la instalación y la calidad del suministro.

La energía eléctrica es representada como una onda senoidal con 2120 voltios de amplitud y 60 Hertz

(1)

Hz., unidades ciclo por segundo

(1)

de frecuencia. La forma de onda de la señal de la energía eléctrica,

Capítulo 1. Marco Teórico

mostrada en la figura 1.2, revela que el valor de la onda del voltaje se repite en el sentido negativo de π hasta 2π y tiene el mismo valor máximo de 2120 voltios de amplitud, arriba y

abajo del eje de los grados de rotación del generador.

Figura 1.2. Representación de la forma de onda de la señal eléctrica.

El comportamiento del voltaje alterno se debe a la forma en que es generado; durante una revolución completa de la armadura del generador ocurre lo siguiente: el voltaje comienza en cero cuando la armadura no corta líneas magnéticas de fuerza, al girar la armadura, la tensión aumenta desde cero hasta un valor máximo en una dirección, luego disminuye otra vez hasta cero, en este punto el voltaje cambia de polaridad y aumenta hasta que llega a un máximo con ésta polaridad opuesta, para disminuir nuevamente a cero completando una revoluc ión.

Además del voltaje y corriente, existen otros parámetros con los cuales se describe a la energía eléctrica. La frecuencia θ de la señal eléctrica es comúnmente de 60 Hz., la cual indica

que se presentaron 60 ciclos de la señal en un segundo. La mayor parte de la energía eléctrica generada en América tiene una frecuencia de 60 Hz., en Europa y Sudamérica emplean energía eléctrica con una frecuencia de 50 Hz. [1].

En su forma matemática más simple, la ecuación de voltaje senoidal es :

máx

θsenVV

(1.1)

donde:

Es el valor del voltaje para θ grados de rotación del generador.

máx

Es el voltaje de pico de la onda senoidal, 2120 voltios.

Capítulo 1. Marco Teórico

ωθ=

ϕ cos SP=

ϕ senSQ

Instante en un ciclo, de 0° a 360°.

, donde ω es la fase de la señal y t el tiempo.

Potencia y factor de potencia son parámetros eléctricos considerados para la facturación de la energía por las empresas encargadas de distribución de la misma. El factor de potencia indica el rendimiento con que se utiliza la capacidad eléctrica y los contratos de tarifas de consumo de energía eléctrica pueden incluir términos referentes a recargos monetarios según los niveles del factor de potencia.

Si las ondas de voltaje y de corriente de un motor eléctrico se grafican, se puede apreciar que la onda de corriente está desfasada un ángulo ϕ con respecto a la onda de voltaje. El factor de potencia se define como el coseno del ángulo ϕ, siempre que no exista distorsión de onda. El

factor de potencia es un valor numérico, en un rango de 0 a 1 (valor absoluto), que indica la relación entre la potencia activa y la potencia aparente. Los valores de factor de potenc ia pueden ser positivos o negativos, si es un valor negativo indica que la corriente se encuentra atrasada respecto al voltaje, la potencia reactiva es de origen inductivo; si es un valor positivo expresa que la corriente está adelantada respecto al voltaje, la potencia reactiva es de origen capacitivo. El factor de potencia puede definirse brevemente como un indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica [2].

La potencia o potencia aparente S de la energía eléctrica se define como la energía que un equipo requiere para poder operar [2]. La potencia aparente puede ser de dos tipos: potencia activa o potencia reactiva; la potencia activa P es la potencia que gasta el consumidor y transforma en otra forma de energía (calor, mecánica); la potencia reactiva Q es la potencia necesaria para la formación del campo electromagnético, por ejemplo motores eléctricos y transformadores, éste tipo de potencia no es transformado en ninguna forma de energía utilizable. Estos tipos de potencia se encuentran re lacionados matemáticamente con la siguiente fórmula:

222

QPS +=

(1.2)

donde:

(1.3)

(1.4)

11..11..22.. CCoossttoo ddee llaa eenneerrggííaa

La Comisión Federal de Electricidad (CFE) es la empresa que genera, transmite, distribuye y comercializa la energía eléctrica para la mayor parte del país, con excepción del Distrito Federal y algunas poblaciones cercanas, donde el servicio está a cargo de Luz y Fuerza del Centro.

La CFE como empresa encargada de suministrar ene rgía eléctrica a industrias y hogares mexicanos, ha establecido treinta y tres tipos de tarifas eléctricas; 13 tipos de tarifas específicas y veinte de tarifas generales [URL 2]. La tabla 1.1 muestra las tarifas utilizadas clasificadas según su tipo y aplicación.

Capítulo 1. Marco Teórico

Tabla 1.1. Tarifas de costo de energía eléctrica de CFE.

Domésticas alto

Tipo Aplicación Tarifa

Domésticas 1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E

DAC

Específicas

consumo Servicios públicos 5, 5-A, 6 Agrícolas 9, 9M Temporal 7 En baja tensión 2, 3 En media tensión O-M, H-M En alta tensión HS, HS-L, HT, HT-L

Generales

Servicio de respaldo

HM-R, HM-RF, HM-RM, HS R, HS-RF, HS-RM, HTHT-RF, HT-RM

Servicio interrumpible I-15, I-30

El precio total para el servicio eléctrico es la suma del cargo por el consumo más la demanda (aplicación de las tarifas mencionadas anteriormente), además de considerar otros conceptos como: cargo fijo, bonificación por alto factor de potencia o cargo por bajo factor de potencia, ajuste por variación el precio de los combustibles, inflación nacional, derecho de alumbrado público e impuesto, todo esto dependiendo del tipo de uso que se le dé a la energía eléctrica.

El costo de la energía consumida durante un período determinado se lista en un documento llamado recibo de luz. Para la CFE existen tres tipos de recibo de luz dependiendo del uso de la energía, los cuales son los siguientes:

§ Recibo para consumo en baja tensión, alumbrado público, bombeo de agua y riego

agrícola.

§ Recibo para consumo en baja y media tensión.

§ Recibo para consumo en media y alta tensión.

El recibo para baja tensión, alumbrado público, bombeo de agua y riego agrícola sólo considera el consumo de Kwh alta tensión consideran además el consumo de kVarh

(2)

, en cambio el recibo para baja y media tensión y el de media y

(3)

. El concepto de factor de potencia es tomado en cuenta en los recibos de baja y media tensión y de media y alta tensión para bonificar o aplicar un cargo al usuario dependiendo de su valor [URL 2]. La descripción más detallada de cada uno de estos recibos está contenida en el anexo A.

(2)

kwatts por hora, consumo de potencia real.

(3)

kVar por hora, consumo de potencia reactiva.

Capítulo 1. Marco Teórico

11..11..33.. MMeeddiicciioonneess eellééccttrriiccaass

Una medición eléctrica tiene como objetivo principal la obtención de los valores de los principales parámetros eléctricos para poder determinar el comportamiento eléctrico de una red al interpretar los valores obtenidos. También la medición eléctrica sirve para:

§ Verificar los horarios y tiempo de operación de los equipos eléctricos.

§ Detectar picos de demanda de energía.

§ Detectar anomalías de factor de potencia.

§ Detectar desbalanceo de fases.

§ Tener antecedentes para la implantación de medidas de ahorro de energía y programas

para controlar la demanda eléctrica.

§ Comparar datos de medición eléctrica con los de facturación.

Además de los puntos antes mencionados, las mediciones eléctricas, que incluyen parámetros como: factor de potencia y distorsión armónica de voltaje, proporcionan información adicional del comportamiento de la red eléctrica. Dicha información puede ser utilizada para aplicar sistemas o dispositivos correctores del factor de potencia para reducir costos en el recibo de consumo energético.

Para realizar estas mediciones es necesario hacer uso de instrumentos que midan los parámetros que describen el comportamiento de la red eléctrica analizada, algunos de estos instrumentos son los siguientes [3].

Amperímetro: instrumento que permite medir la intensidad de corriente, en amperes, de una línea eléctrica. El tipo de amperímetro comúnmente utilizado es el de gancho (figura 1.3) debido a que la medición de corriente con un amperímetro normal debe hacerse en serie y para esto el cable que conduce la corriente debe cortarse en dos, lo cual en la realidad no es práctico. Este tipo de amperímetro no requiere la ruptura del cable pues el dispositivo mide la corriente mediante un campo magnético inducido.

Voltímetro: instrumento que mide el potencial eléctrico o voltaje de una línea eléctrica determinada, ver figura 1.4. Las puntas de este instrumento deben ser conectadas en paralelo con la carga a medir. Existen diversos tipos de presentaciones de acuerdo a la necesidad y calidad de las mediciones, pueden ser portátiles, fijo, analógicos o digitales.

Figura 1.3. Amperímetro de gancho. Cortesía Wavetek Co.

Capítulo 1. Marco Teórico

Factorímetro: indispensable cuando es necesario medir el factor de potencia, el cual es el nombre dado a la relación de la potencia activa usada en un circuito la potencia aparente que se obtiene de las líneas de alimentación. Este instrumento mide el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje.

Figura 1.4. Voltímetro. Cortesía Fluke Co.

Wattihorímetro: utilizado generalmente en la medición comercial de energía eléctrica, es un dispositivo que mide la potencia promedio absorbida por una carga de dos terminales, ver figura 1.5. Está compuesto por dos bobinas, una de corriente con una impedancia muy baja y otra de voltaje con una impedancia muy alta. La bobina de corriente está conectada en serie con la carga y la bobina de voltaje está conectada en paralelo con la carga. La lectura de la potencia promedio se da cuando la corriente y el voltaje para la carga tienen ambos los mismos valores positivos o negativos.

Figura 1.5. Wattihorímetro. Cortesía Extech Co.

Medidor de demanda máxima: utiliza un integrador que totaliza los kilowatts demandados sobre períodos de 15 minutos. Las mediciones son almacenadas en la memoria del medidor.

Analizador de redes o medidor de potencia: instrumento capaz de obtener toda la información de los parámetros eléctricos de manera instantánea, adquiriendo y almacenando la información, ver figura 1.6.

Figura 1.6. Analizador de redes. Cortesía Yokogawa Co.

Capítulo 1. Marco Teórico

1.1.3.1. Medidores de potencia digitales

Un medidor de potencia o analizador de redes realiza mediciones de los parámetros eléctricos utilizados en el análisis de la red eléctrica. Las características de estos analizadores de redes, también conocidos como medidores de potencia, dependen del modelo y del fabricante; entre sus características más comunes se destacan las siguientes:

§ Medición de parámetros eléctricos por fase o trifásica.

§ Cálculo y/o presentación en pantalla de los principales parámetros eléctricos.

§ Interfaz para la comunicación con una computadora.

§ Registro de valores de forma remota utilizando un software destinado a ello.

§ Almacenamiento de valores máximos y mínimos de todos los parámetros.

1.1.3.2. Medidor PM650

Uno de los medidores de potencia existentes en el mercado es el medidor Powerlogic PM650, mostrado en la figura 1.7. Este medidor es capaz de reemplazar medidores básicos análogos como amperímetros, voltímetros o wattihorímetros, además es útil en aplicaciones industriales de monitorización de energía eléctrica. El medidor PM650 dispone de un visualizador opcional para observar las variables medidas y realizar ajustes localmente. Adicionalmente, este visualizador se utiliza como elemento independiente para la configuración de cualquier unidad instalada [4].

Figura 1.7. Medidor PM650 Powerlogic con visualizador. Cortesía PowerLogic .

El medidor PM650 realiza mediciones de los principales parámetros y pueden clasificarse como:

§ Lecturas en tiempo real: corriente en cada fase, voltaje (fase-fase, fase-neutro), potencia

activa (por fase, 3Ø), potencia reactiva (por fase, 3Ø), potencia aparente (por fase, 3Ø), factor de potencia verdadera (por fase, 3Ø) y frecuencia.

Capítulo 1. Marco Teórico

§ Lecturas de energía: energía total acumulada activa, reactiva y aparente en las tres fases.

§ Lecturas de calidad de energía: distorsión armónica de voltajes y corrientes.

Además de las características antes mencionadas, el medidor PM650 cuenta con un puerto RS-485 para comunicar el medidor con una PC y los protocolos de comunicaciones que soporta el medidor PM6550 son: Powerlogic, Modbus y Jbus [4].

1.2. COMUNICACIONES SERIALES

La información de un dispositivo electrónico es generalmente representada en forma lógica por un conjunto de bits (con valores de ‘1’

(4)

o ‘0’

(5)

). Un dispositivo puede utilizar dos

tipos de comunicaciones para enviar o recibir información: en forma paralela o en forma serial.

En la comunicación paralela la información se codifica en datos de 8 bits, los cuales son enviados en forma simultánea por el cable de transmisión, esta forma de transmitir información es rápida pero costosa ya que se requiere un cable para cada bit. La comunicación serial en cambio sólo necesita uno o un par de cables para enviar o recibir información a distancias mayores a 2 metros, dicha información debe enviarse bit a bit hasta completar toda la información [5].

La EIA (Asociación de Industrias Electrónicas, por sus siglas en inglés), es un organismo internacional encargado de establecer los estándares de comunicaciones, los cuales sirven para fijar las características de comunicación entre dos o más dispositivos. La EIA define las siguientes características:

§ Eléctricas: Definición de los voltajes que representan los ceros y unos lógicos.

§ Mecánicas y de procedimiento: El tipo de conector y la asignación de número a cada uno de

los pines del conector.

§ Funcionales: Descripción de las conexiones el transmisor y el receptor.

11..22..11.. EEssttáánnddaarr RRSS--223322

El estándar RS-232 es definido por la EIA como un conjunto de normas para señales eléctricas utilizadas para la comunicación serial asíncrona [5]. Éste estándar se encuentra dentro de la categoría de comunicación de “single ended" (terminación única), debido a que ocupa una sola señal para el transmisor y otra para el receptor. Las características de este estándar son las siguientes:

§ Tiene una terminal única para el transmisor y para el recepto r.

§ El número de elementos conectados son dos; un transmisor y un receptor.

§ La distancia máxima es 15.24 metros a 19.2 Kbps.

(4)

Representado por un voltaje de 3.5V a 5V.

(5)

Representado por un voltaje de 05V a 1.5V.

Capítulo 1. Marco Teórico

RXD

TXD

DTR

§ La máxima razón de datos es 19.2 Kbps para 15.24 metros.

§ ‘1’ lógico: -5 a –15 Voltios.

§ ‘0’ lógico: 5 a 15 Voltios.

§ Su nivel mínimo de entrada es de ±3 voltios.

Otra característica definida en este estándar es el tipo de conectores utilizados y la distribución de los pines en ellos. Existe n dos tipos de conectores para el RS-232, el DB25 y el DB9 ( DB, “conector miniatura D”) con 25 y 9 pines de conexión respectivamente. El conector DB9 se muestra en la figura 1.8 y la descripción de sus pines es mostrada en la tabla 1.2.

1 5

6 9

Figura 1.8. Conector macho DB9.

Tabla 1.2. Descripción de los pines del DB9 según el RS-232.

Pin del DB9 Descripción

1 2

3 4

Detector de recepción Receptor

Transmisor Terminal de datos disponible

5 GND Tierra 6

7 8

DSR RTS

CTS

Datos disponibles Petición de transmisión Listo para transmitir

9 Indicador de tono

1.2.1.1. Convertidor ADM233

El ADM233 pertenece a la familia de convertidores de voltaje ADM2xx de Analog Devices Inc., la cual está diseñada para las interfaces de comunicaciones EIA-232-E [6]. Las

características principales de este convertidor son:

§ Voltaje de alimentación: 5 V.

§ Velocidad de transmisión de datos: 120 kbps.

§ Convertidores de niveles TTL a niveles RS -232: 2.

§ Convertidores de niveles RS -232 a niveles TTL: 2.

Capítulo 1. Marco Teórico

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