Resumen: T-036

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Medidor de Energía Activa Controlada por Microcontrolador

Marder, Felipe - Sasowski, Francisco P.

Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura – UNNE

9 de Julio 1449 – 2° Piso – Laboratorio N°10 (W3400AYY) Corrientes – Argentina

E-mail: franciscosasowski@hotmail.com y fmarder@exa.unne.edu.ar

Introducción

El siguiente proyecto nace de la necesidad de crear un medidor de energía de bajo coste, debido a las actuales

condiciones del país. El siguiente proyecto que aquí se explaya tiene la capacidad de sensado de una corriente mínima

de 100 mA, una máxima de 10 A, y una tensión de 250 V. Este prototipo es muy flexible en cuánto a su rango máximo

de sensado de corriente, ya que depende del tipo de TI (Transformador de Intensidad) que se le adose. Lo mismo

podríamos decir de la tensión, pero para éste caso hablaríamos de un TV (Transformador de Tensión).

Este dispositivo ha sido pensado de forma tal que el consumo propio del prototipo, sea prácticamente despreciable

frente a la mínima carga que el equipo puede detectar.

El puntal de éste proyecto es el microcontrolador MC68HC908JK1 de la familia de 8 bits de MOTOROLA. Este

componente tiene muy variadas prestaciones, como también la propiedad de ser un elemento de muy bajo coste, lo que

trae beneficios económicos y de espacio requerido para el desarrollo del proyecto propuesto aquí.

Este microcontrolador consta de todos los elementos necesarios para el procesamiento de las señales y operaciones

matemáticas necesarias para el cálculo ya sea del cos ϕ y de la potencia activa de la carga. Una de las ventajas de éste

dispositivo es la protección de código, la cuál hace casi imposible la lectura del código fuente del programa de éste. El

diagrama de bloques del sistema se puede notar en la figura N° 1.

La descripción de cada uno de los bloques que conforman el equipo, se detalla a continuación:

Transformador de Corriente: Es el encargado de sensar la corriente consumida por la carga.

Transformador de Tensión: Es el encargado de sensar la tensión de red, como así también la de proveer de energía al

circuito de medición.

Amplificador: Amplifica la salida del sensor de corriente, produciendo una tensión de salida determinada.

Conformador: Es en realidad un detector de cruce por cero, que produce una onda cuadrada para la tensión y otra para

la corriente. Es lo que me permitirá medir el desfasaje entre V e I.

Lectura de V y de I: Son los encargados de producir una tensión proporcional a la tensión y a la corriente en la carga.

Es lo que me permitirá medir el valor de V e I.

Transformador

de Tensión

Transformador

de Corriente

Conformador

Amplificador

Microcontrolador

Lectura de I

Lecture V Displays

Figura N° 1 Diagrama de Bloques del Medidor de Energía

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Microcontrolador: Es el más importante de todos, ya que en él se realizan todas las operaciones matemáticas y de

control, que determinan el funcionamiento del sistema.

Displays: Es la interfaz gráfica, es decir, lo que nos permitirá visualizar el valor de Energía acumulado por el

dispositivo de medición.

Principios de Diseño del Sistema

Una de las cuestiones más importantes, a mi entender, es la determinación del desfasaje entre la Tensión y la Corriente.

Cómo se puede ver en la figura N° 2, se ha graficado dos ondas, la primera correspondiente a la Corriente, y la segunda

correspondiente a la Tensión.

Las ondas cuadradas, son las salidas del conformador, ya sea para la onda de corriente, como para la onda de tensión.

Estas dos ondas cuadradas, se hacen entrar al microcontrolador, por dos de sus puertos de entradas.

La letra griega ∆, es el desfasaje que queremos calcular.

El microcontrolador posee un contador autónomo (Timer), que nos simplificará la tarea.

Si fijamos como referencia la tensión, el ∆, puede ser positivo o negativo, dependiendo de la naturaleza de la carga.

0 1 2 3 4

t [ms]

- 2

2

4

v [V]

∆∆∆∆ v(t)

i(t)

Figura N° 2

Si el conteo se inicia en 0, entonces, en éste caso la operación:

∆ = Conteo De Tensión – Conteo de Corriente < 0 ⇒ Sistema es Capacitivo

Del mismo modo se puede analizar el ∆ para un circuito Inductivo ⇒⇒⇒⇒ ∆∆∆∆ > 0.

Entonces una vez realizada, ésta operación de resta, ya conocemos el desfasaje entre la Tensión y Corriente, cómo

también la naturaleza del sistema.

El paso siguiente a determinar es el cálculo del cos ϕ, que se realiza mediante una serie de Taylor. Todas éstas

operaciones matemáticas las realiza el microcontrolador.

Por último nos resta conocer los valores de Tensión y Corriente, para realizar el cálculo de la energía consumida, la cuál

la calculamos así:

Los valores de V e I, los conocemos leyendo las entradas, que poseen conversión analógica digital, del µC

(microcontrolador). El conversor A/D del µC solo puede leer valores entre 0 y

5V y los transforma en valores discretos entre 0 y 255. De esto se puede ver que tendremos que hacer una adaptación

de niveles de tensión, tanto para la Tensión como para la Corriente.

Esto se logró regulando la ganancia de los Amplificadores Operacionales del circuito y considerando, ciertas constantes

de conversión. Por último, el tiempo t, es el tiempo de muestreo, es decir el tiempo entre dos mediciones consecutivas,

se lo tomó en 4 segundos. Analizando esto nos damos cuenta que cada 4 seg., tendremos un nuevo valor de V e I.

E [Kwh] = V[V] x I[A] x cos ϕϕϕϕ x t

1000

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Sensores de Tensión y Corriente

El sensado de la tensión se realiza mediante un transformador comercial de 12V+12V, que por la potencia requerida por

el circuito de medición, tiene dimesiones muy reducidas.

Para el caso de la corriente se construyó un sensor lineal de Corriente con núcleo de aire (µ=1). Al mismo se le dieron 4

vueltas de alambre φ=1.65 mm, para el primario y 4000 vueltas de alambre φ=0.15 mm para el secundario. Este

transformador nos entrega aproximadamente una tensión de 0,6 V para una corriente de 10 A.

Esquema Eléctrico

El esquema eléctrico del dispositivo se muestra a continuación:

El diagrama generalizado de bloques está representado en la figura N°4.

100k

100k

1k

100k

10k

R38 1k R37 1k

R36 1k R35 1k

R34 10k

+5V

C10 10pF

C9 10pF R33 10M 4MHZ

+5V LED2

LED1 R32 330 R31 330

R30 330 R29

330 R28 330

Q4 BC549 Q3

BC549 Q2 BC549 Q1

BC549 R27 330

+5V

a b c d e f g .

Gnd DISP4

a b c d e f g .

Gnd DISP3

a b c d e f g .

Gnd DISP2

a b c d e f g .

Gnd DISP1

4511 D3 D2 D1 D0 EL BI LT g f

e d c b a

U2

R9

-12V

+12V

+12V

-12V

R13

TI C1 2,2uF

R2 C2

.22uF +

AO1 Lm324

+12V

R4

+ C4 47uF +12V

+

AO3 Lm324

+

AO2 Lm324

+12V D1 1N751A

D5 1N751A

+12V D4 1N4148

+

AO4 Lm324

+ C9 1uF

C8 .1uF

C7 .1uF

D3 1N4007

TV

-12V

+12V

IN COM

OUT 7912

IN COM

OUT 7812

+ C6 100uF

+ C5 100uF

R21 PR

IRQ Vss Osc1 Osc2 Vdd PTB7 PTB6 PTB5

PTB4 PTD7 PTD6

PTB3 PTB2 PTB1 PTB0 PTD3 PTD2 PTD5 PTD4 RST

MC68HC908JK1

R10 100k

R8 100k

R12 330k

R15 100k

R14 100k

R1 3,3k

R3 18k

R5 1k

R6 3,3k

R7 220k

R19 5,6k

R20 5,6k

R11 330k

R16 680

R17 10k

R18 1k

R26 1k

R25 10k

R24 220k

R23 10k

R22 18k

I

V

2

1

4

3

2

4

1 3

Figura N° 3 – Esquema Eléctrico del Dispositivo de Medición

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Programa de Medición del Microcontrolador

Figura N° 4 – Diagrama de Bloques Generalizado de Microcontrolador

En la figura se puede ver que el programa comienza en Inicio, que es el punto de partida del software. La inicialización

de registros setea todos los valores iniciales que necesitan los registros, para que comience la ejecución del programa.

Otro punto a aclarar es el siguiente; en la condición del tiempo t =4 seg., se realiza el retardo correspondiente al tiempo

de muestreo (4 seg.), si no ha transcurrido éste tiempo, solo se visualiza en los displays, el valor de E[Kw]. Cuando

hayan pasado los 4 seg., éstos se irán sumando en un registro para tal fin, cuando éste registro posea un valor de 15

minutos, se procederá a grabar la memoria no volátil del microcontrolador, para evitar la pérdida de la energía

mensurada, en el caso de un corte del suministro eléctrico. Por último se borrarán todos los valores de los registros

utilizados, se resetearán los contadores de los timers y se comenzará un nuevo ciclo de medición.

Bibliografía

Albert Paul Malvino “Principios de Electrónica”. McGraw Hill 5ta. Edición

National Semiconductors “Operational Amplifiers Databook”

Marder Felipe, Franco Alberto, Lombardero Oscar “Sensor Lineal de Corriente para Medición de Energía”. FACENA

UNNE - 2003.

Motorola “MC68HC908JK1 Technical Data”. Rev. 1 - 1999

Si

INICIO

Inicializar

Registros

I = 0 ?

Leer

Tensión

Leer

Corriente

Calcular

Desfasaje

Mostrar

Displays

Mostrar

Displays

Calcular

Cos ϕ

Calcular

E [Kw]

T = 4 seg. ?

Mostrar

Displays

T = 15 min. ?

Grabar E[Kw]

en EEPROM

Resetear Contadores

y Temporizadores

Si

No

1

No

1 No

Si

1