DISEÑO Y DESARROLLO DE PROTOTIPOS ESCALARES DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE PARÁMETROS DE CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉC-

TRICA DISTRIBUIDA Y EL DE UN SISTEMA TEMPORAL DE PROTECCIÓN ELÉCTRICA EN LAS ÁREAS DONDE SE ENCUENTREN LOS EQUIPOS

ELECTRÓNICOS MÁS SENSIBLES EN UN HOTEL.

JUAN CARLOS ESCOBAR AROS – 1227002 – 3746JUAN FELIPE MORENO – 1228265– 3746

KEVIN ALEXANDER MENCO – 1231158 – 3746JUAN DAVID CUELLAR – 1225124– 3746EDIZON ARLEY DIAZ – 1222914– 3746

LABORATORIO DE ELECTRONICA IEIEE UNIVERSIDAD DEL VALLE

juan.escobar.aros@correounivalle.edu.copipe.2525@hotmail.com

kevin.menco@correounivalle.edu.coedison.diaz@correounivalle.edu.cojuan.cuellar@correounivalle.edu.co

INTRODUCCION Los indicadores de calidad de la energía eléctrica han sido establecidos, evaluados y desarrollados desde 1965, producto del primer gran apagón del a ciudad de Nueva, en función de las necesidades implícitas y explicitas de los clientes y/o usuarios, cada vez más exigentes. Entre estos se encuentran la continuidad del servicio y las deformaciones de las ondas de tensión y corriente.

Sin embargo es reciente la atención prestada a los indicadores para la calidad del servicio comercial, donde sus procesos promueven un mayor acercamiento, una mejora de su satisfacción por el servicio recibido y un mayor bienestar a la ciudadanía en general es importante resaltar que el servicio eléctrico, como servicio público de primera necesidad, en una sociedad cada vez más dependiente de la energía eléctrica, requiere de indicadores para evaluar su calidad que vayan más allá de los tradicionales como los derivados de la calidad técnica del suministro o el cumplimiento de lapsos, entre otros.

Se requiere de indicadores con un enfoque sistémico orientado a la interacción con el usuario y por tanto a su satisfacción en aspectos como la información, requerimientos y reclamos. En el presente trabajo, a través de una revisión literaria, se proponen indicadores para evaluar la calidad del servicio en un hotel en la ciudad de cali, los cuales reflejen la opinión e interacción con el usuario e incorporando indicadores asociados a la calidad de la información.

Para analizar la calidad de energía se debe:

Determinar el estado de la instalación eléctrica y el sistema de tierras del área de interés

Determinar la calidad del voltaje con el que se alimenta el equipo en problemas

Determinar el origen y el impacto de algún disturbio eléctrico en la operación del equipo

Con esta información se debe determinar la mejor opción de solución al problema identificado, y analizar los siguientes aspectos que causan las problemáticas en el hotel

Cuando comenzó el problema.

Qué tipo de equipos tienen problemas. Como se presentan las fallas en los equipos. Cuando ocurren los problemas Existen otro evento que coincida con el

problema Verificar la existencia de equipos con

demanda de corriente altas Se han realizado modificaciones o

instalación de otros equipos. Evaluar si se cuenta con alguna tecnología

de protección.

Para contrarrestar las fallas que presenta el hotel a partir de su remodelación; y teniendo en cuenta lo anterior, se aplicara un sistema de monitoreo de variables eléctricas y de protección.

RESUMEN.Con la realización de este proyecto se desarrollo prototipos escalados (a regímenes de voltaje y co-rriente pequeños) de un sistema de medición de ca-lidad eléctrica y otro de protección para equipos sensibles; el cual será aplicado a un hotel de la ciu-dad de Cali que recientemente realizo una amplia-ción y una serie de mejoras a su infraestructura, en el cual a partir de esto se empezaron a presentar fa-llas, que se volvían más frecuentes.

Con el fin de mantener la buena reputación del hotel y para corregir estas fallas, se ha analizado las fuen-tes de estos problemas y se concluyó que se trata de un problema de calidad de potencia debido muy probablemente a una saturación de la red eléctrica del hotel, no contemplada durante la planeación de su última remodelación.

Teniendo conocimiento de todo lo mencionado an-teriormente se diseñaron y desarrollaron 3 bloques como medidas para contrarrestar las fallas en el ho-tel:

Medición y protección ante cambios en Frecuencia.

Medición de Voltaje RMS y Corriente RMS Protección contra sobre voltajes y sobre co-

rrientes Medición de Potencia eléctrica

METODOLOGIA

Con la realización de este proyecto se desarrollo un sistema de medición de calidad eléctrica y otro para protección de los equipos sensible, el cual comenza-ba con la realización de un módulo para la Medi-ción y Protección ante cambios de frecuencia, el cual constaba del siguiente proceso:

Un circuito de lazo enganchado de fase (PLL, el cual se engancha en un determinado rango de frecuencias (55Hz a 65 Hz); lo que le permite pro-teger el sistema ante los cambios o variaciones de la red eléctrica, ya que solo funciona en el rango esta-blecido. Esto se hizo implementando un conversor de frecuencia a voltaje, usando el integrado CD4046, trabajando con una señal senosoidal de 6 Vols pico a 60Hz y alimentado a 10 Vols de DC.

Entendiendo el funcionamiento de un oscilador controlado por voltaje (VCO, convertidor de fre-cuencia a voltaje; en principio lo que se espera es tener una señal de voltaje de salida en proporción a algún parámetro de la frecuencia de control) donde dichos parámetros proporcionan un rango de volta-jes de salida que entran a un comparador de ventana (en circuito integrado) donde de acuerdo al rango de frecuencias, este permite determinar si una tensión de entrada está comprendida dentro de un margen de tensiones ( Para 55Hz 1.9 Volts y para 65Hz 3.25 Vols.

Vout = 3.25 Volts para 65Hz

VLT = 1.9 Volts para 55Hz

Dicho comparador hará conmutar un transistor siempre y cuando la señal este en el rango deseado de frecuencia. Estos rangos de voltajes son implementados al montaje, por medio de dos divisores de voltaje implementados con potenciómetros alimentados a 12 Volts Dc.

Habiéndose cumplido lo anterior se energizará el relevador que también se alimenta a 12 Volts Dc; el cual conectara la carga a la red eléctrica. Dicha carga para poderla apreciar se utilizó una resistencia en serie con un diodo led alimentados 6 volts pico a 60 Hz.

Figura 4.

Ahora en la siguiente fase se implementó un módulo de Medición de Voltaje RMS y Corriente RMS: para esta sección se implementa dos convertidores AC-DC que cuentan con rectificador de onda completa, (para obtener un voltaje RMS de la se la señal sinusoidal de entrada).Pero antes de llevar la señal de entrada a los convertidores se hizo pasar por dos seguidores de voltaje para disminuir el efecto de carga.La señal de entrada Vs fue de un valor pico de 6 volt pico lo cual se esperaba que al salir de los convertidores AC-DC se obtuviera un valor de 4.24 volt RMS aproximadamente este valor entraba al convertidor a partir de v1 que lo podemos ver en la figura 6.De la misma forma se envía una segunda señal v2 al segundo convertidor AC-DC, estas dos señales se enviaban a un amplificador de instrumentación el cual se configura para una ganancia de 80 aproximadamente, E1 y E2 se restaban y el resultado se amplificaba 80 veces, el resultado de esta resta dependía de la variación de RL en el circuito inicial (ver figura 1) y dependiendo esta variación se podía medir corriente RMS.

Con lo expuesto anteriormente se implemento el circuito que se muestra en la figura 1, al cual se sometiò una señal de entrada tipo seno de amplitud 6Vp a una frecuencia de de 60Hz. La señal v1 sera el voltaje en la resistencia Rm de 10Ω inicialmete modificada por una de 100 Ω para obtener una mayor caida de potencial en esta, y de esta manera una diferencia entre v1 y v2 mas amplia, la señal v2 es el voltaje en la resistencia RL de 10k; se ajustò por medio de un potenciometro el valor para Rl el valor de 9kΩ en serie con una resistencia de 1kΩ

Figura 5. Diagrama de bloques

Figura 6. Circuito con Vs, RL, RM

Se realizó el montaje de la figura 2. Convertidor de AC-DC

Figura 7. Convertidor AC.-DC o MVA

Se realizó el circuito de la figura 3 (Amplificador de instrumentación) para realizar la siguiente operación

VRm=Vs−VRL

Para el amplificador de instrumentación se ajustó una ganancia de 80 mediante las siguientes operaciones:

VoE 1−E 2

=(1+ 2a)

80=(1+ 2a )

a= 279

Rg=a∗RObteniendo así una resistencia aR

aR= 279

∗1 K=200079

≈ 25

Para la parte de protección de sobre-voltaje y sobre-corriente:

Teniendo ya los valores RMS de corriente y voltaje se procedió a realizar el montaje de protección de sobre-voltaje y sobre-corriente con ayuda del diagrama de bloques de la figura 4

En el caso específico de protección de sobre-voltaje se utilizó el siguiente circuito.

Circuito Comparador usando un diodo zener, utilizado para protección de sobre voltaje

Figure 1. Comparador usando un diodo zener.

La señal V2 de entrada es la señal DC que representa la medida indirecta de voltaje RMS en RLEn nuestro caso ajustamos el circuito para que

Figure 2 Transistor en conmutación energizando para sobre-voltaje

cuando la señal V2 fuera mayor a 5.5V se activara el diodo LED indicando que existe un sobre-voltaje.El amplificador es un comparador, funciona básicamente teniendo siempre un Vzener en la entrada inversora; cuando el voltaje en la entrada no-inversora es mayor al Vzener el comparador manda una señal Vo al otro circuito el cual conmutará el estado de un transistor el cual conducirá y encenderá un diodo LED.Para hallar el valor del potenciómetro hicimos el siguiente cálculo:

5.5 xR 210 k+R 2

≥ 2.12

Es un divisor de tensión entre la resistencia de 10 kΩ y el potenciómetro R2. Buscando que el voltaje en la entrada no-inversora sea mayor a 2.12 que es el Vzener hallado experimentalmente.De esta manera se llegó a que R2= 6 kΩ

Para la protección de sobre-corriente se implementó la siguiente configuración.

Circuito comparador utilizado para protección de sobre-corriente.

Figure 3. Comparador.

Figure 4 Transistor en conmutación energizando para sobre-corriente.

En este caso la señal de entrada no-inversora Ei es el voltaje que sirve como medida indirecta de corriente RMS que es el voltaje de salida del amplificador de instrumentación implementado en la práctica 4.El Ei utilizado fue de 8.3 V, entonces por medio de un divisor de tensión.

12 x 1K1 K+R 2

≥ 8.3 V

Donde R1=1k

Se llegó al valor de R=440Ω

De esta manera cuando el voltaje en la entrada no-inversora sea mayor que 8.3 V el comparador mandará una señal Vo al otro circuito el cual conmutará el estado de un transistor el cual conducirá y encenderá un diodo LED que indicará visualmente que existe una sobre-corriente.Para evitar que el diodo LED se queme en ambos casos de sobre-tensión y sobre-corriente, se colocó una resistencia de 1KOHM en serie con el diodo LED.

3. (6.2) El valor encontrado experimentalmente de RL cuando enciende el diodo LED es el siguiente: RL= 1.4KΩ

La corriente RMS Iac=2.67mA para ese valor de RL.

Por último se realizó el modulo la Medición de Potencia Eléctrica; cuyo diseño era el siguiente:

Figura 4. Medidor de potencia Eléctrica

Este circuito está compuesto por una señal VIN= 7.2 Vrms a 60 Hz, una resistencia de 33kΩ en serie con 3 resistencias de 100Ω,

2.7kΩ, 10kΩ también conectadas en serie y que suman un total de 12.8kΩ; estas resistencias van en paralelo con una re-sistencia R=10Ω, y todo lo mencionado anteriormente va conectado en serie con una resistencia de carga RL.

Con este diseño podemos medir la potencia en la resistencia de carga RL de manera indirecta, siendo esta equivalente a la caída de potencial que se da en la R=33k. Esta potencia se puede verificar teórica-mente haciendo el cálculo en RL.

EJ: Se midió el voltaje en la R=33kΩ, el cual era V (33kΩ) = 10mV. Luego se midió el voltaje en la re-sistencia RL, la cual se cuadro a 5kΩ, y era V (RL) = 7.2 V. Se aplicó la fórmula de potencia.

P=V 2

Rl (1)

P=7.22

5 k =10mW

Esto muestra que la resistencia de carga se puede obtener a través del voltaje en la resistencia de 33kΩ, con una relación directa 1:1

P=vo (2)R3=33kΩ

Una vez conociendo las relaciones entre la potencia RL y el voltaje en la resistencia de 33kΩ; se proce-dió a cambiar el valor de la carga RL entre 1kΩ y 20kΩ. Donde para una variación de 1kΩ se registró el valor de la potencia RL y el voltaje Vo de R3 de acuerdo a la ecuación (1)

RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para Medición y Protección ante cambios de frecuencia, se obtuvieron los siguientes datos y resultados:

Fo=60Hz Frecuencia centralFc=10 Hz Frecuencia, rango de capturaFl=40Hz Frecuencia de amarreFmin=20 Hz Frecuencia mínimaFmax=100 Frecuencia máxima

(1)2 Fc= 1τ 1

∗ 2√ 2π∗Flτ 1

τ 1=R 3∗C 2 Donde R3 = R20 y C2= C8

Reemplazando

2(10)= 1τ 1

∗2√ 2 π∗40τ 1

τ 1=0.856499 C2=680 nF

τ 1=0.856499=R 3∗680 nF

R 20=R 3=0.856499680 nF

=1.25 M Ω

FmaxFmin

=10020

=5

R23=100kΩ

R 23R 1

=5→ R 1=100 KΩ5

=20 kΩ

Los rangos de frecuencia determinados experimentalmente son los siguientes.

Vmax=3.25 V → F=65 Hz

Vmin=1.9 V → F=55 Hz

La frecuencia por fuera del rango, corresponde a la Frecuencia sin enganche que equivale a 1.76 Hz

Divisores de voltaje con los potenciómetros.

Vo max=3.25 V V1= 12 V

Vo= R10 KΩ

∗V 1 → 3.25= R10 KΩ

∗12

R=3.25∗10 KΩ12

=2.7 KΩ

Para Vo min=1.9V V 1=12 V

Vo= R5 KΩ

∗V 1 → 1.9= R5 KΩ

∗12

R=1.9∗5 KΩ12

≈ 792 Ω

Tabla 1

Frecuencia (rad) Voltaje (V)

1,823 55

1,961 55,805

2,104 56,52

2,301 57,505

2,475 58,375

2,634 59,17

2,821 60,105

3,001 61,005

3,119 61,595

3,134 61,67

3,214 62,07

3,421 63,105

3,638 64,19

3,8 65

1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000505254565860626466

f(x) = 5 x + 46R² = 1

Frecuencia vs Voltaje

Voltaje

Frec

uenc

ia

Grafica 1

Con estos cálculos se pudo determinar el valor de los elementos para que el circuito de medición y protección de frecuencia funcione correctamente en el rango indicado (55 Hz y 65Hz) de acuerdo a la frecuencia en que operan los circuitos del hotel.

Esto garantiza que los equipos no corran el riesgo de sufrir un daño por algún cambio brusco en la frecuencia de la red, ya que los voltajes determinados para los rangos son fijos para así proteger con más fiabilidad los equipos.

Por otro lado, para verificar el correcto funcionamiento de la Medición de Voltaje RMS y Corriente RMS, en los convertidores AC-DC, se tomaron algunos datos que los veremos a continuación:

Variando la amplitud de Vs entre 4Vp y 8Vp, se tomaron datos de Vs y su correspondiente voltaje DC de salida Vo=v2 (tabla1.) luego pasamos a graficar y observamos que mediante el grafico se define la relación a través de una ecuación lineal como la siguiente:

VRMS= m∗V DC+b (1)

Donde m es la pendiente y b es el intercepto

Tabla1.Vo (AC/DC) v2

(DC)VRMS Rm (AC)

2.826 2.822.994 2.993.207 3.203.360 3.353.467 3.463.572 3.573.646 3.643.849 3.843.986 3.984.14 4.144.301 4.304.431 4.434.609 4.604.876 4.885.01 5.045.12 5.195.19 5.305.22 5.365.31 5.475.48 5.65

Al graficar los anteriores datos se obtiene el siguiente grafico.

Donde podemos concluir la siguiente ecuacion VRMS=1.05∗V dc-0.206

Podemos observar que los datos de la columna 1 son muy semejantes a los datos obtenidos en la columna 2 esto nos lleva a comprobar que si podemos medir voltaje RMS a partir de los circuitos montados; mas sin embargo en la práctica en algunas ocasiones se observó que el valor medido en la señal v2 ya rectificada correspondía al valor promedio de la señal de entrada, lo cual nos llevó a buscar una solución para obtener el valor RMS que buscamos, nos encontramos que para obtener un valor RMS a partir de un valor promedio para una onda sinusoidal debíamos multiplicarlos por su factor de forma, (Factor de forma para una onda sinusoidal =1.11) y de esta manera ya podemos obtener el valor RMS que buscamos.

Para obtener la medición de corriente RMS se toman datos variando la resistencia de carga RL en el circuito de la figura 1 y de voltaje DC promedio en Rm que es el voltaje de salida del amplificador de instrumentación determinando así la relación entre la corriente RMS del circuito y el voltaje DC promedio de la resistencia de Rm.

Esta medición se hizo de manera indirecta tomando el voltaje en Rm de la figura 1 y dividiendo entre el valor de la resistencia Rm=100 ohm

Tabla 2.I AC (mA) V DC (V)

3.97 8.42.58 8.31.04 7.50.75 7.20.5 7.10.43 70.36 6.80.32 6.7028 6.40.24 6.20.22 5.8

A continuación se muestran las gráficas y ecuaciones obtenidas mediante los datos expuestos en la tabla2.

GRAFICO I ac VS Vdc

Linealizando se tiene el siguiene grafico.

Iac=m∗Vdc+b (2)

Iac = 1.299Vdc-8.169

De la tabla 1 y tabla 2 según los datos obtenidos se puede ver que existirá una sobre tensión para el va-lor de VRm= 5.5 volt y una sobre corriente para un valor de voltaje de 8.3 volt; estos datos se los utili-zara para la siguiente sección que es la Protección contra sobre voltajes y sobre corrientes.

La última fase de los resultados y análisis de resultados consiste en el medidor de potencia eléctrica en el que se comparan el voltaje (Vo) con la potencia que se da en la resistencia de carga RL para esto hicimos una tabla con datos experimentales y simulados de Voltaje vs Potencia comprobando la linealidad del circuito.

Luego se implementó un amplificador de instru-mentación, el cual no era necesario para tomar los datos respectivos de la medición de potencia eléctri-ca.

Las ventajas de un amplificador instrumental son la alta impedancia de entrada, la ganancia variable y la reducción de señal común. La entrada es el voltaje V0 en la resistencia R3 del circuito de la figura 1.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5005

101520253035404550

f(x) = 0.95825026037792 x + 1.29216783216783R² = 0.994717975791514

Voltaje vs Potencia (exper-imental)

Voltaje

Pote

ncia

0 10 20 30 40 50 600

10

20

30

40

50

60

f(x) = 0.988827297747489 x + 0.0796521256575211R² = 0.999981357068664

Voltaje vs Potencia (simulado)

Voltaje

Pote

ncia

SIMULACIONES

Representación de cada módulo simulado para la mejora en la calidad de energía eléctrica de hotel de la ciudad de Cali.

A continuación está la representación simulada de todo el sistema de medición de parámetros de calidad de la energía eléctrica distribuida y el de un sistema temporal de protección eléctrica en las áreas donde se encuentren los equipos electrónicos más sensibles en un hotel.

Conclusiones:

- Se realizó la implementación de un conversor de frecuencia utilizando el CD4046B aprendiendo sus características, configuración y funcionamiento ante los cambios de frecuencia, mediante su lazo enganchado (PLL).

- El comportamiento del circuito empleado nos garantiza que la carga empleada este protegida ante cambios repentinos de la señal.

- El conversor de frecuencia a voltaje se veía afectado por cambios bruscos de frecuencia el cual podría ser solucionado con un com-parador que permita tener una histéresis.

- Fue de gran importancia conocer los méto-dos para lograr medir voltaje y corriente rms en un sistema eléctrico para poder ter-minar de esta manera un mecanismo para protección de sobre-corriente y sobre-volta-je.

- El uso de seguidores fue demasiado útil para conectar las diferentes etapas del pro-yecto, con estos se evitan algunas molestias como el efecto de carga.

- Algunas fuentes que causaban dificulta-des y generaban error era estado de algu-nos equipos como el generador de señales el cual en algunos momentos se caía el volta-je de salida y algunos instrumentos de me-dición que no median con exactitud valores de milésimas.

- La diferencia que había entre la señal V1 y V2 era demasiado pequeña y se veía afecta-da por ruido, o el rizado de las señales tenía algunos picos más altos el cual hacia que la

diferencia fuera inconsistente, por ese motivo se procedió a cambiar la resis-tencia de 10 por una de 100.

- Se implementó un circuito en donde medimos de forma indirecta la potencia en RL la cual tiene relación 1:1 con el Vo en R=33k; y no una relación de 100 que era lo que estableció la guía inicialmente, donde será útil para la medidas de potencia en los equipos del hotel.

VIII. BIBLIOGRAFÍA

[1] COOPER, William David; Instrumentación Electrónica y Mediciones. Ed. Prentice-Hall, 2da edición, 1982.

[2]Tabla de valores nominales. http//www.arrakis.es/~fon/simbología/_private/colores.htm. Agosto de 2012

[3] Formato Artículos IEEE https://docs.google.com/document/d/1DDDHbyujVE0Jso3ITDVRpF-n_ydSYhf2IecZ8xTA-0w/preview?markAsViewed=false.

[4] Calidad de energía en la industria y sus soluciones – Salvador Chaves Negrete Ing, M.C – Mexico.http://es.slideshare.net/fnuno/calidad-de-la-energa-elctrica-en-la-industria-y-sus-soluciones

[5] PLL LAZOS DE FIJACIÓN DE FASE. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Escuela de Ingeniería Electrónica, Departamento de Electrónica.http://www.fceia.unr.edu.ar/enica3/pll.pdf

[6] Comparador de ventana; publicado a la(s) 9 de dic. De 2012 13:39 por A&B email.https://sites.google.com/site/bcbelectronica/contenido/comparadordeventana

[7] Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos Electrónicos. Octava Edición. BOYLESTAD NASHELSKY.