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CIRCUITO DE MONITOREO DE CORRIENTE PARA EL
CÁLCULO DE FACTOR DE POTENCIA EN CIRCUITOS DE A.C.
Autores: Venegas Alvarez Rocío Maribel-Universidad de Guanajuato
DICIS, Jurado Páramo Alejandro-Universidad Tecnológica de Salamanca
RESUMEN
El presente trabajo muestra el sistema
que ayudara a calcular el factor de
potencia que existe en una instalación
eléctrica ya sea residencial, comercial o
industrial por medio de la obtención de
dos señales la de voltaje y de corriente.
El sistema cuenta con un sensor de
corriente de núcleo dividido, y un
reductor de voltaje, que se colocan en
el circuito alimentador, esto para poder
medir la corriente total suministrada al
usuario, para la adquisición de las dos
señales de voltaje y corriente, se usó
como herramienta de adquisición de
datos y para poder realizar el análisis
de las mismas la tarjeta Arduino Mega,
con esta se reciben las dos señales
senoidales en un rango más pequeño
pero proporcional al real, una vez
obtenidas las señales, se procesaron y
por medio de un algoritmo se calculará
el ángulo de desfase y el mismo
permitirá calcular el factor de potencia.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad la energía tiene un alto
costo, por lo cual con este trabajo se
busca el ahorro de energía en hogares,
industrias y comercios, esto se logrará
construyendo un sistema que mida el
voltaje y corriente de uso en los lugares
mencionados ya que con la adquisición
de las dos señales se podrá calcular el
ángulo de desfase que existe entre las
dos, y con esto se puede determinar la
corrección del factor de potencia ya
que un bajo factor de potencia nos
indica un bajo aprovechamiento de la
energía eléctrica, este bajo valor se da
regularmente por cargas inductivas
como
motores,
balastros,
transformadores etc.
Algunas de las consecuencias que se
tienen al operar las instalaciones
eléctricas con un bajo factor de
potencia son:
-El incremento de las pérdidas por
efecto Joule, que se manifiesta como
calentamiento de cables, calentamiento
de embobinados de transformadores
de distribución y disparo sin causa
aparente de dispositivos de protección.
-Sobrecarga
de
generadores
y
transformadores
en
líneas
de
distribución por el exceso de corriente
debido a un bajo factor de potencia que
ocasiona que los equipos mencionados
con anterioridad trabajen con cierta
sobrecarga y reduzcan su vida útil
porque están ya diseñados para operar
con cierto valor de corriente.
-Aumento de la caída de tensión debido
a que la circulación de corriente a
través de los conductores ocasiona
pérdida de potencia transportada por el
cable y una caída de tensión o
diferencia entre las tensiones de
origen.
Todo lo mencionado anteriormente
implica pérdidas y mal uso de energía
eléctrica lo que se traduce a pagar más
por la energía suministrada, por lo tanto
al obtener este dato importante como lo
es el factor de potencia se puede
buscar una solución adecuada al
problema que esté ocasionando este
resultado.
OBJETIVO
Desarrollar un sistema que sirva para la
medición de la corriente y voltaje para
poder determinar el ángulo de
desfasamiento que existe entre cada
una de las señales, con esto se
calculará el factor de potencia en
instalaciones eléctricas lo que ayudará
a saber el aprovechamiento de la
energía eléctrica y por consecuencia
buscar una solución para el ahorro de
energía. El análisis de las dos señales
se logrará haciendo un circuito que las
acondicionara para medirlas de una
manera proporcional y después ser
procesadas por medio de programación
para obtener un buen resultado.
8to. Verano Estatal de Investigación
CONSEJO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL ESTADO DE GUANAJUATO
CIRCUITO DE MONITOREO DE CORRIENTE PARA EL
CÁLCULO DE FACTOR DE POTENCIA EN CIRCUITOS DE A.C.
Autores: Venegas Alvarez Rocío Maribel-Universidad de Guanajuato
DICIS, Jurado Páramo Alejandro-Universidad Tecnológica de Salamanca
MATERIALES Y MÉTODOS
Para desarrollar el proyecto fue
necesario: Un sensor de corriente no
invasivo SCT013-000 [1] con capacidad
de 0 a 100A y núcleo partido por su
accesibilidad a la hora de conectar, un
filtro pasabajos [2] que nos sirve para
evitar el ruido en la señal de la
corriente, ya que si no se coloca cabe
la posibilidad de que tengamos lecturas
erróneas a la hora de capturar la señal,
capacitores de 0.1 y 0.01Faradios,
diodos [3] y un circuito integrado
NE555 [4] que sirvieron para poner en
funcionamiento el filtro, resistencias de
diferentes valores así como también
algunos
potenciómetros
que
se
utilizarán para utilizar un divisor de
voltaje, método que se usó para a
acondicionar la señal de voltaje en un
rango de 0 a 5 volts que admite la
tarjeta de adquisición de datos, placas
de cobre para el armado de los
circuitos, la tarjeta de adquisición de
datos, que en este caso se utilizó
Arduino Mega[5], y para hacer todo un
poco más accesible una caja de
plástico, donde se colocará los circuitos
armados y el sistema terminado.
(Figura 1)
Obtención de señales
VOLTAJE,
CORRIENTE
Acondicionamiento de
señales
placa de cobre para hacer más
accesible el montaje, el método
utilizado para recibir la señal del voltaje
fue el haciendo un divisor de voltaje, se
utilizó además de algunas resistencias
un potenciómetro para poder ajustar la
señal de entrada entre un rango de 0 a
5 volts, este pontenciómetro fue muy
útil ya que el voltaje de entrada será
variable dependiendo de dónde se
conectará el sistema, ya sea en una
instalación eléctrica residencial o
comercial.
En cuanto al circuito que ayudó a
adquirir la corriente que se obtuvo al
conectar el sensor inductivo no
invasivo, se tuvo que agregar después
de la señal del sensor un filtro
pasabajos, ya que esta contenía mucho
ruido, lo cual sería un problema al
sistema, porque estaría entregando en
ocasiones valores erróneos de la señal
original, entonces se optó por agregar
el filtro que ayudó a tener una señal
más limpia y, por lo tanto con menos
margen de error.
Para la obtención y análisis de las
señales se tomó en cuenta una
frecuencia de muestreo de 7200Hz,
con esta frecuencia se pueden tomar
un total de 120 muestras de cada una
de las señales y son suficientes para
formar las ondas senoidales tanto de
voltaje como de corriente. (Figura 2)
Procesamiento de
señales (Cálculo
ángulo de
desfase)
Resultado
Adquisición de datos
(Tarjeta Arduino)
Figura 1. Diagrama de bloques para
realización de proyecto.
RESULTADOS
Se construyeron los dos circuitos para
acondicionar las señales en una sola
Figura 2. Señales obtenidas con una
carga de prueba
En cuanto a la adquisición de las
señales, el convertidor analógico digital
de la tarjeta Arduino Mega acepta solo
valores positivos, como se ha
8to. Verano Estatal de Investigación
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CIRCUITO DE MONITOREO DE CORRIENTE PARA EL
CÁLCULO DE FACTOR DE POTENCIA EN CIRCUITOS DE A.C.
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mencionado anteriormente en un rango
de 0 a 5V ya que la resolución con la
que cuenta es de 10bits, es decir que
sólo admite valores de 0 a 1023, por lo
que no se tuvo la señal senoidal
completa en un ciclo en el análisis, sin
embargo el ángulo de desfase es de
igual manera notable en la mitad del
ciclo y con solo los valores positivos de
la onda por lo cual no fue necesaria
ninguna otra adaptación al sistema y
por medio de la programación se
calculó el ángulo de desfase teniendo
en cuenta la frecuencia de muestreo.
La definición matemática del factor de
potencia es:
Ec. (1)
F.P.  cos 
Donde  es el ángulo de desfase
(Figura 3), por lo que este cálculo de
igual manera se realizó dentro de la
programación en la tarjeta Arduino [6],
para después este mostrarlo en el
display acoplado al sistema.
la industria o casa hogar donde se
tiene, si no que este alto costo se tiene
ya que a la empresa que distribuye la
energía eléctrica le trae como
consecuencia una mayor inversión en
los equipos generadores, ya que su
capacidad de energía que producen
deberá ser mayor, para entregar la
energía adicional que provoca el bajo
factor de potencia.
También provoca elevadas caídas de
tensión y baja regulación de voltaje, lo
cual puede afectar la estabilidad de
toda la red eléctrica, y lo que se busca
con esto es una solución adecuada a
los problemas de industrias o casas
hogar que tengan este problema. Las
soluciones
económicas
y
más
utilizadas en la industria son los bancos
de capacitores o el uso de motores
síncronos. En México se ha establecido
que un factor de potencia menor de
0.90 ya es acreedor a una sanción
económica y con este sistema se podrá
saber ese valor que de acuerdo lo que
se tenga se podrá acoplar alguna
solución para evitar fallas en el sistema
de distribución eléctrica.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Figura 3. Ondas senoidales
muestras de cada señal.
120
CONCLUSIONES Y DISCUSIÓN
El desarrollo de este proyecto trae
como beneficio un tema del que se ha
estado hablando en los últimos años,
que es el ahorro de energía, y aunque
no es beneficio directo, con este
sistema como antes se mencionaba se
puede
saber
el
verdadero
aprovechamiento
de
la
energía
eléctrica. Un bajo factor de potencia no
solo afecta con un alto costo por la
energía eléctrica que se consume en
[1] Non invasive sensor SCT013-000
Data Sheet Specification.
[2] MF4 4th Order Switched Capacitor
Butterworth Lowpass Filter, Data Sheet.
[3] High conductance ultra fast
switching diodes, Diode 1N4148 Data
Sheet.
[4] Texas Instruments, Precision Timers
NA555,NE555,SA555,SE555;
Data
Sheet.
[5] www.arduino.cc
[6] Arduino programming notebook,
Evans Brian W., Edicion Española.
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