Introducción En este reporte se pretende dar a conocer la utilización de las herramientas virtuales, y sus ventajas, ya que por lo general, al adquirir un instrumento de medición, su cuenta muchas veces con mas modalidades o funciones, de las que en verdad son necesarias, lo que significa que tenemos una herramienta a la cual no le exigimos lo que en realidad nos puede dar, el problema con esto es que en una herramienta, todas las funciones o modalidades, son pagadas, lo que significa que tenemos una herramienta con un costo muy elevado para las necesidades de nuestras mediciones. Una manera de poder reducir ese costo de una herramienta de medición, es la utilización de una herramienta virtual, la cual puede ser diseñada solamente para el propósito original, asi no tendremos una herramienta con funciones sin utilizar, además de esto, en ciertas mediciones, bajo ciertas circunstancias se puede tener control sobre nuestras variables de medición, teniendo así no solo una herramienta de medición sino una herramienta de control
Resumen En el presente reporte, se utilizara LabVIEW, que es un programa para la creación de instrumentos virtuales, para desarrollar un instrumento virtual para la medición de los parámetros de voltaje, corriente y las varias formad de potencia en una instalación dada. Los datos serán introducidos a través de un archivo de texto, y se le realizaran los análisis para calcular los valores RMS a la corriente y voltaje, las potencias activas, reactivas y aparentes además de su factor de potencia; adicionalmente se calculara la distorsión armónica y se graficara su espectro de Fourier para ambas señales
Desarrollo LabVIEW es un lenguaje grafico de programación, en donde las funciones son bloques con pines de entradas y salidas, de esta forma la función RMS se puede invocar de la forma:
Figura 01, Función RMS
Donde, en la izquierda se conectara la señal a la que se desea calcular el valor RMS y la salida será el valor RMS. El entorno de LabVIEW, posee dos espacios, un espacio que es en donde se colocan todos los elementos que el instrumento poseerán, y el otro en donde todas la programación esta, ahí, los cálculos y vinculaciones entre los elementos se realizan a nivel grafico. Las funciones únicamente aparecen en la ventana de programación, pero los elementos visibles al usuario se encuentran presente en ambos entornos, en la vista del instrumento, muestran todos los resultados de los cálculos, y en el entorno de programación se vincula cada elemento para que muestre el dato correspondiente. A continuación, se listaran las funciones que fueron utilizadas en el desarrollo del instrumento, seguidamente de las etapas que formaban el programa y finalmente los resultados obtenidos.
Funciones utilizadas: Read From Measurement File Es la primera función utilizada, su función es tomar los datos para ser analizados a partir de un archivo de texto delimitado por tabulaciones con extensión “.lvm” Esta función se programa con el nombre y tipo de archivo a utilizar, y a la salida devuelve, como matriz, la tabla con todos los datos contenidos en el archivo. Dicha función se muestra en la figura 02.
Figura 02, Función que permite leer de un archivo de texto
Como anexo, se encuentra parte de la tabla de datos que fue utilizada para realizar los cálculos.
Amplitud and Level Measurement Esta función recibe un vector de datos, y en su salida se obtiene los valores RMS, pico, pico-pico, entre otros.
Figura 03, Función obtener valores RMS, pico y pico-pico
Distortion Measurements Entre sus salidas tenemos el THD de la señal que se le introduce, esta salida es un dato decimal, para expresarlo de forma porcentual, debe multiplicarse por 100
Figura 04, Función obtener la distorsión harmónica
Timing and Transition Measurements De sus salidas se puede tomar la frecuencia y periodo de la señal que esta en su entrada.
Figura 04, Función frecuencia y periodo de una señal
Split signal Esta función convierte la matriz producida por la función “Read From Measurement File” en dos vectores, uno para voltaje, y uno para corriente.
Figura 05, Función para separar señales
Merge signal Esta función hace lo contrario a la función anterior, combina dos o mas, señales en una sola matriz.
Figura 06, Función fusionar señales
Amplitud and Phase Measurement Esta función recibe una señal y a su salida muestra el espectro de Fourier de la amplitud y fase de dicha señal.
Figura 06, Función amplitud y fase de una señal
Funciones matemáticas Son funciones diseñadas para realizar operaciones matemáticas como multiplicaciones, divisiones, sumatorias, y operaciones trigonométricas, como entradas se tienen los operando y como salida el resultado de dicha operación.
Figura 07, Funciones matemáticas
Adaptadores de señal La mayor parte de operaciones matemáticas tiene un tipo de señal distinto al que manejan las funciones “Read From Measurement File”, y “Amplitud and Level Measurement”, por lo que para poder conectarse, necesitan funciones cast que hagan el cambo entre tipos de datos
Figura 08, Funciones de conversión de tipo de dato
Interfaces utilizadas: Indicadores numéricos Son utilizados para mostrar los resultados al usuario, cuando estos son datos puntuales.
Figura 09, Indicador numérico, en la interfaz de programación y en la vista del instrumento respectivamente
Pantlallas de ploteo Muestran el resultado de una operación en forma grafica, si esta es un vector o matriz de datos
Figura 10, Indicador Grafico, en la interfaz de programación y en la vista del instrumento respectivamente
Etapas: Lectura y separación de datos Ocupa la función “Read From Measurement File” para obtener la tabla de datos y separarlos en vectores de voltaje y corriente, además grafica ambas señales en un mismo plano
Figura 11, Primera etapa del programa, lectura de datos desde un archivo
Valores RMS Ocupa la función “Amplitud and Level Measurement” para obtener los valores pico, RMS, y pico-pico de la señal, esta etapa es igual para voltaje y a la corriente
Figura 12, Segunda etapa del programa, calculo y muestra de los valores pico, RMS y pico-pico
Frecuencias Esta etapa ocupa la función “Timing and Transition Measurements” para obtener la frecuencia, pero hay que recordar que esta frecuencia es una
frecuencia basado en el número de muestras, no en el tiempo, por lo que habrá que multiplicar estos resultados por la frecuencia o periodo de muestreo, que para el caso es de 15360. Al igual que la etapa anterior, es igual para el voltaje como para la corriente.
Figura 13, Tercera etapa del programa, calculo y muestra de la frecuencia
Distorsión Harmónica Ocupa la función “Distortion Measurements” para calcular el THD, y luego lo multiplica por 100 para mostrarlo de manera porcentual. Al igual que las dos anteriores es igual para la corriente y para el voltaje
Figura 14, Cuarta etapa del programa, calculo y muestra de la frecuencia
Potencia Aparente Por definición: || = ∗ Por ello, esta etapa consiste en la multiplicación de los valores RMS, además se utiliza una función de suma, ya que el valor RMS en realidad es el espectro de frecuencias para cada señal, por lo que para obtener el valor completo de potencia se deben de sumar todas las potencias a todas las frecuencias.
Figura 15, Quinta etapa del programa, calculo y muestra de la potencia aparente
Potencia Activa y Reactiva Para la potencia activa y reactiva tenemos: = ∗ − cos() = ∗ − sin() Donde θ es el ángulo que separa ambas curvas La misma función ocupara en la etapa anterior da como una salida el desfase de cada señal, si se restan se tiene el desfase entre ambas de modo que la etapa resulta:
Figura 16, Sexta etapa del programa, calculo y muestra de la potencia activa y reactiva
Factor de Potencia El factor de potencia viene dado por: =
| |
Por lo que esta etapa consiste únicamente en la división de estas dos cantidades
Figura 17, Séptima etapa del programa, calculo y muestra del factor de potencia
Espectros de Fourier Esta última etapa es común para ambos, corriente y voltaje, y consiste en plotear los espectros de Fourier de ambas señale, los espectros están dados por la función “Amplitud and Phase Measurement” y es unida por una función “Merge signal”, para ser mostrados en una misma pantalla de ploteo.
Figura 18,Ultima etapa del programa, calculo y muestra del espectro de Fourier
Resultados: Los resultados de los cálculos se muestran a continuación:
Figura 19,Resultados numéricos
Figura 20,Resultados Gráficos
Conclusiones . De lo obtenido en la elaboración de este informe se puede concluir que si un equipo de medición es demasiado costoso, y se duda que valla a suplir las necesidades, este tipo de instrumentos brindan una gran solución, ya que el costo mayormente será el de diseñar el instrumento, lo que, por lo general, es mas barato que el instrumento en si. El conocimiento de las herramientas de medición virtuales nos permite poder monitorear y controlar desde simples elementos en una práctica de laboratorio, hasta grandes equipos ubicados en lugares de difícil acceso a personal, facilitando tareas que bajo otras condiciones seria muy complicado resolver A pesar de que el lenguaje de programación de LabVIEW sea de alto nivel, y que la mayor parte de funciones ya están creadas, el conocimiento de como realizar los cálculos es de gran importancia en el desarrollo de cualquier herramienta virtual, no solo en el área de eléctrica, sino que en cualquier área que se desee, ya que en fin, ese conocimiento es el que marca la diferencia entre un técnico y un ingeniero
Anexos Primeros 86 datos de un total de 4096 datos que fueron analizados -267,9503583 -273,4187175 -276,0389975 -278,0896483 -281,5073567 -286,5200525 -289,3681642 -291,532715 -294,6086917 -297,3428708 -299,5074217 -299,7352867 -303,039095 -306,0011392 -306,3429033 -306,6846683 -309,53278 -311,1277342 -309,53278 -310,78597 -311,2416667 -310,6720375 -310,6720375 -311,2416667 -309,7606442 -307,4821617 -306,2289717 -305,6593425 -304,0644208 -300,7606117 -298,4821292 -296,65931 -292,899805 -289,9377933 -288,3428383 -285,1529625 -280,3681317 -277,9757158 -275,0136717 -270,0009925 -266,4693358 -263,1655275 -258,9503258 -254,3933433 -250,1781417
-795,4671 -788,4737 -780,4387 -773,1476 -763,6246 -755,0688 -746,6618 -737,4364 -726,5743 -717,1257 -707,3051 -696,8149 -684,7624 -673,677 -662,2941 -650,0184 -635,5107 -622,4166 -608,9504 -594,4428 -578,6703 -562,9723 -546,3071 -529,6418 -512,307 -494,9722 -476,6702 -459,1122 -439,9918 -421,541 -402,7926 -383,3747 -363,2871 -343,4972 -322,6656 -302,3549 -281,6721 -260,2454 -238,7443 -216,4992 -194,4773 -172,4554 -150,4335 -126,7004 -104,2321
-246,0768558 -241,97557 -236,16543 -231,2666833 -226,2540042 -221,4691733 -217,0261233 -210,5324217 -205,9754392 -200,3931475 -195,2665367 -188,4310708 -183,5323242 -177,6082517 -171,7980958 -165,1904783 -159,0385583 -153,00057 -146,7347167 -140,5827958 -134,7726483 -127,59541 -120,7599367 -114,8358642 -108,9117917 -102,6459475 -94,6712325 -88,51931167 -82,25346667 -75,98762167 -68,35467917 -61,51921417 -54,68374833 -46,1394125 -39,07609417 -31,8988525 -23,2405925 -14,5823325 -7,974713333 -1,7088675 5,5825
-83,1774 -60,0395 -37,4968 -15,5493 6,547 27,304 49,18 71,12 91,44 112,42 133,1 153,78 173,2 193,29 213,23 231,97 250,8 269,4 288,67 306,89 324,6 342,6 360,4 377,4 394,5 411,1 427,4 443,3 459 475,9 491,3 506,6 521,4 537,5 552,9 568 582,2 597,2 611,7 626,4 640,8
Instrumento Virtual:
Código Completo:
