Medidas II
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ENERGIA ELECTRICA ASPECTOS GENERALES
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ENERGIA ELECTRICA Generalidades •
INTRODUCCIÓN Medir la energía eléctrica, permite determinar y facturar facturar el consumo de los usuarios, así como calcular el factor de carga, la máxima demanda, etc . de una instalación especifica. especifica.
•
CONCEPTO Trabajo desarrollado desarrollado por la potencia potencia en un determinado tiempo. Se definen dos tipos de energía:
•
Energía Activa y Reactiva.
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ENERGIA ELECTRICA Energía Activa Área bajo la curva de la ecuación de potencia activa instantánea. En T/2 (+), la carga recibe energía de la fuente; y en T/2 (-) devuelve a la fuente, una parte de la energía recibida: E = E(+) – E(-)
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ENERGIA ELECTRICA Energía Activa Se tiene:
t, tiempo de carga conectada a la fuente Unidades: WH, KWH y MWH
Energía Reactiva Desarrollada por las cargas reactivas L y C del sistema. Viene expresado por:
•
Unidades:
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VARH, KVARH, MVARH Ing. Basilio Salas Alagón
ENERGIA ELECTRICA Ejemplos sobre Energía Activa y Reactiva •
Ejemplo 1.
Una carga monofásica de impedancia Z, alimentado por 220 V, funciona durante 3 horas y 40 minutos diarios. Determinar: a)
La función de potencia senoidal para los siguientes casos: Z1= R = 55 Ω; Z2= L = 1.8 H; Z3= R + jwL, con R=15 Ω y L= 1.2 H.
b)
•
La energía activa y reactiva consumida mensualmente para cada uno de los casos anteriores. Ejemplo 2.
Repetir el problema anterior para un sistema trifásico, cuando: a)
Cada caso es un carga trifásica equilibrada.
b)
Una carga desequilibradas con: Za = Z1, Zb=Z2 y Zc = Z3.
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ENERGIA ELECTRICA Ejemplos sobre Energía Activa y Reactiva •
Ejemplo 3.
Un motor trifásico de 15 HP, 220 V, 60 Hz, fdp 0.9 y η= 92 %; funciona diario como sigue: 3 horas al 30 %, 5 horas al 50% y 4 horas al 85%. Determinar: a)
El diagrama de carga y máxima demanda, diario y mensual correspondiente
b)
La energía activa y reactiva que consume mensualmente
•
Ejemplo 4.
Un domicilio tiene una carga monofásica instalada de 5 KW (cocina, ducha, lavadora, alumbrado, sonido, video, etc). Su consumo horario diario es como sigue: De 6 a 8, 1 KW; De 8 a 12, 3 KW; De 12 a 14, 2.5 KW; De 14 a 18, 1.5 KW; De 18 a 22, 4.2 KW ; De 22 a 24, 1.5 KW. Determinar: a)
El diagrama de carga y máxima demanda, diario y mensual correspondiente
b)
La energía que consume mensualmente el usuario.
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MEDIDORES DE ENERGIA ELECTRICA WATTHORIMETRO TECNOLOGIAS DE CONSTRUCION Y FUNCIONAMIENTO
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MEDIDORES ELECTROMECANICOS
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MEDIDORES ELECTROMECANICOS Estructura y principio de funcionamiento •
Los flujos de tensión y corriente (Φi , Φu), producen corrientes inducidas (IDi, IDu), en el disco, los mismos que interactuando con los flujos anteriores, producen un par motor Mm, que hace girar al rotor de aluminio.
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MEDIDORES ELECTROMECANICOS Estructura y principio de funcionamiento Inicialmente, el disco gira lentamente, y a medida que aumenta su velocidad, el par de frenado MF dado por el imán, también aumenta, hasta alcanzar un estado de equilibrio entre los momentos Mm y MF , entonces el disco gira con una velocidad constante, cuyo número de vueltas es proporcional a la energía consumida:
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MEDIDORES ELECTROMECANICOS Características de los Medidores Electromecánicos •
•
•
•
•
•
De construcción robusta Soportan sobrecargas Bajo nivel de precisión y exactitud Alto costo de construcción Generalmente de función única Medidores especiales de doble función
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MEDIDORES DIGITALES
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MEDIDORES DIGITALES TECNOLOGÍAS EN EL DISEÑO DE MEDIDORES DIGITALES •
•
Los medidores Digitales, entre muchas de sus bondades, permiten la aplicación de diferentes tarifas, haciendo más eficiente la producción y el consumo de la energía eléctrica. En el diseño y fabricación de los medidores digitales, se identifican 2 tecnologías específicas:
a)
Medidores con tecnología DFS
b)
Medidores con tecnología DSP.
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MEDIDORES DIGITALES CON TECNOLOGIA DFS Estructura y principio de funcionamiento
•
Un sensor Hall, DFS (Sensor de campo directo), multiplica la tensión y corriente, y genera la potencia sinusoidal, que es convertida a frecuencia, y luego procesada por el microcontrolador, y finalmente mostrar en display el valor de la energía consumida.
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MEDIDORES DIGITALES CON TECNOLOGIA DFS Sensor Hall DFS •
Dispositivo similar al sensor Hall vatimétrico, que consta básicamente de un núcleo de ferrita, un sensor Hall semiconductor, y un amplificador de señal.
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MEDIDORES DIGITALES CON TECNOLOGIA DSP Estructura y principio de funcionamiento
La tecnología DSP, primero digitaliza la tensión y corriente mediante los ADC, con técnicas de muestreo y retención, luego, los multiplica digitalmente, y genera así la potencia sinusoidal p(t) de tipo digital, lo procesa, hasta mostrar su valor en diplay. Medidas II
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MEDIDORES DIGITALES CON TECNOLOGIA DSP Técnicas de Muestreo y Retención Un circuito de Muestra y Retención (S/H: Sample and Hold), se utiliza para capturar el valor de una magnitud en un momento especifico, y retenerlo hasta que se tome la próxima muestra, de tal forma que si la señal es variable, los valores de muestra se mantengan estables hasta que finalice el proceso. Funcionamiento básico:
Cuando el interruptor (S) esta cerrado, el voltaje a través del condensador sigue (muestrea) al voltaje aplicado Vi, y cuando el interruptor se abre el condensador mantiene (retiene) el voltaje alcanzado en ese momento. Medidas II
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MEDIDORES DIGITALES CON TECNOLOGIA DSP Muestro y Retención para onda senoidal
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MEDIDORES DIGITALES CON TECNOLOGIA DSP Circuito Práctico de Muestreo y Retención •
Parámetros técnicos :
•
Tiempo de adquisición
•
•
•
•
•
•
•
Un circuito de S/H, básicamente se compone de los siguientes dispositivos electrónicos: 2 seguidores de tensión Un interruptor electrónico Mosfet Un condensador de bajas pérdidas
Medidas II
•
Tiempo que tarda el voltaje de salida en alcanzar su valor final. Velocidad de adquisición
Velocidad de cambio del voltaje en el modo de retención, es función de las perdida o caída de Id, del capacitor C. Un dispositivo típico de S/H (LF348) , con C de 1000pF, tienen una corriente de caída de 30 pA y un tiempo de adquisición de 4 useg dentro del 0.1 % de error.
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MEDIDORES DIGITALES CON TECNOLOGIA DSP Esquema básico por Bloques del Medidor Digital DSP
El microprocesador DSP (Procesador digital de señales), realiza la operación de multiplicación e integración de la potencia instantánea, y obtiene el valor medio o potencia activa. El funcionamiento de todos los dispositivos es integrado y verificado por un micro controlador . Medidas II
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MEDIDORES DIGITALES CON TECNOLOGIA DSP El Microprocesador DSP •
•
•
Los DSP, son dispositivos programables que ejecutan operaciones matemáticas complejas en un solo ciclo de reloj, a través de sus unidades Multiplicadora y Alu, e Incluye: donde almacena las instrucciones mas utilizadas, Memoria
caché,
Memoria de programas y datos, donde ejecuta el
software especifico.
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CARACTERISTICAS DE LOS MEDIDORES DIGITALES Prestaciones o alcances funcionales más importantes •
•
Permiten la facturación multitarifa. Multifuncionales, miden energía activa, reactiva y aparente, demanda máxima, tensión de línea, corriente, factor de potencia, y otras características de la red, que determinan la calidad de energía.
•
Memoria no volátil para almacenar datos del sistema eléctrico.
•
Sistemas anti fraude.
•
Sistemas de comunicación para lectura remota o telemetría.
•
Sistemas inteligentes sobre el suministro de energía (detección de apagones, desconexión remota, prepago, administración de cargas).
•
Son de alta precisión (0.1 %).
•
Robustez relativa
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CARACTERISTICAS DE LOS MEDIDORES DIGITALES Parámetros técnicos operativos más importantes •
Para la selección y adquisición comercial de los medidores digitales de energía, debe especificarse las características técnicas más importantes, siendo estas las siguientes Características técnicas
C las e o precis ión C orriente nominal (A ) C orriente máxi ma (A ) Tensión nominal (Volt.) Corriente de arranque R ang os de tensión Frecuencia Consumos: C ircuito de tensión C ircuito de corriente Nivel de as ilamiento
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Monofásicos
Trifásicos
0,5 % a 2 % 5, 10, 15, 20 20, 30, 40, 50, 60, 100, 120 220; 230; 240
0,5 % a 2 % 5, 10, 15, 20 20, 30, 40, 50, 60, 100, 120
0,4 % In 0,8 Vn a 1,7 Vn 50 a 60 Hz.
0,4 % In. 0,8 Vn a 1,15 Vn 50 a 60 Hz
< 2 W / 10 VA x linea < 4 VA. 2 KV, 50 Hz, 1 min.
< 2 W / 10 VA x linea < 4 VA. 2 KV, 50 Hz, 1 min.
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3x 220 / 380 ; 3x 230 / 400
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MEDIDOR DE ENERGÍA DIGITAL PROTOTIPO Diseño y Construcción
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La componente continua de la potencia instantánea es extraída por el Filtro Pasa bajos 2 (LPF2) para obtener información de la potencia activa. Considerando que la potencia es la velocidad del flujo de energía, esta se expresa matemáticamente de la siguiente manera: E
P .dt
El ADE7756 realiza la integración de la potencia activa por la acumulación continua de la misma en un registro interno de 40 bits denominado Active Energy. Esta acumulación de tiempo discreto es equivalente a la integración en tiempo continuo, por lo tanto tenemos: E P .dt Lím P (nT ).T n
0
t 0
Donde n es el número de muestras discretas de tiempo y T el período. El período de muestreo para el registro de acumulación en el ADE7756 es 4/CLKIN Medidas II
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TIPOS DE MEDIDORES DE ENERGÍA
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TIPOS DE MEDIDORES DE ENERGÍA •
•
•
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Por el tipo de red Por el tipo de exactitud Por el tipo de función Ing. Basilio Salas Alagón
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MEDIDORES POR EL TIPO DE RED MEDIDORES MONOFÁSICOS Son aquellos que miden la energía consumida por cargas monofásicas, menores a 20 KW, y que están instaladas en redes de 2 líneas de 220 V, ó 3 líneas con toma central 220/440 V. Generalmente son de 5 A nominales y 30 A máximos.
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MEDIDORES POR EL TIPO DE RED MEDIDORES TRIFÁSICOS DE 3 LÍNEAS Son aquellos que miden la energía consumida por cargas trifásicas en DELTA ó ESTRELLA con neutro aislado, de hasta 100 KW instaladas en redes de 3 líneas de 220 V. Generalmente son de 30 A de corriente nominal y 100 A de corriente máxima, y tensión máxima de 250 V.
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MEDIDORES POR EL TIPO DE RED MEDIDORES TRIFÁSICOS DE 4 LÍNEAS •
Son aquellos que miden la energía consumida por cargas trifásicas conectadas en ESTRELLA con neutro corrido, de hasta 100 KW instaladas en redes de 4 líneas de 380/220 V. Generalmente son de 30 A de corriente nominal y 100 A de corriente máxima, y tensión máxima de 400 V.
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MEDIDORES POR EL TIPO EXACTITUD MEDIDORES DE CLASE 0.5 •
Utilizados en los sistemas de Generación, Transmisión, y en la comercialización de la energía en bloque a usuarios de la gran industria, empresas distribuidoras, y con suministro de la energía en barras de alta, media o baja tensión, con TT y TC. Son trifásicos, programables y multifuncionales.
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MEDIDORES POR EL TIPO EXACTITUD MEDIDORES CLASE 1 Utilizados en la venta de energía a usuarios de la mediana industria, y el comercio, con suministro en barras, de alta, media o baja tensión; son monofásicos o trifásicos, programables y multifuncionales, con TT y TC
Medidas II
MEDIDORES CLASE 2 Utilizados en la medición de energía, en viviendas, y en el sector de la pequeña industria y el comercio, con cargas menores a 20KW. Pueden ser monofásicos ó trifásicos, multifunción ó de función fija, con ó sin TC.
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MEDIDORES POR EL TIPO FUNCIÓN Medidores de Función Única o Fija. Son medidores que miden la energía activa durante las 24 horas, sin distinguir horarios de demanda. Se aplican a cargas con potencias menores a 20 KW, como en residencias, pequeños comercios, y pequeños centros industriales como talleres u otros, etc.
Medidas II
•
Ejemplo: Medidor electrónico residencial Siemens Metering modelo ZMD120, clase de precisión 2, corriente nominal de 5, 10, 20 y 40 A, corriente máxima de 100A, con interfase óptica de comunicación, tecnología DFS.
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MEDIDORES POR EL TIPO FUNCIÓN Medidores de Función Múltiple y Programables •
Son medidores, cuyas diferentes funciones se programan por software, como medir la energía activa y reactiva en diferentes horarios, la máxima demanda cada 15 minutos, determinar el perfil de carga, medir la tensión y corriente instantánea, etc.
Medidas II
Ejemplo: Contador trifásico AS 1440 de ELSTER, mide y registra, energía activa, reactiva y aparente, anti fraude, perfil de carga, valores instantáneos de v, i, f, interfaz óptica y RS-485, software alphaset, (Windows 2000, XP), medición en 4 cuadrantes (+/P,+/-Q), multitarifario (8 tarifas de energía y 4 de MD), clase 1 en CD y 0.5S para TC.
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MEDIDORES POR EL TIPO FUNCIÓN Ejemplo de Medidores Programables •
•
•
Medidores Landis y Gir modelo ZMD128A, trifásico, de energía activa de BT, multitarifa, tensiones de 120V ó 240V, 60Hz; corriente de 15A y 120 A, sistema anti fraude, clase 1; memoria EEPROM, tecnología DFS Contador monofásico multitarifa ME420 con curva de carga e indicador de máxima demanda (MD) mide la energía activa de forma bidireccional, clase 1 ó 2, para uso comercial y domestico, tecnología DSP. Medidor Trifásico , mide E.Activa y E.Reactiva, Multitarifa, conexión Delta o Estrella. Bidireccional, Autorrango, Clase 1.
Medidas II
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Las entradas de corriente de este instrumento (0-5A) están referidas a masa, por debe ser acompañado por un juego de transformadores de corriente adecuado al rango de mediciones a efectuar, y debe ingresarse la relación de transformación a través del panel de control. La figura muestra una conexión típica en sistemas trifásicos desequilibrados, con cable de neutro. Cuando no existe el neutro, puede utilizarse también la conexión de Aron (que permite ahorrar un transformador de corriente)
Medidas II
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MEDIDORES DE ENERGÍA CON SISTEMAS INTELIGENTES •
•
•
Medidas II
MEDIDORES PRE PAGO MEDIDORES CONCENTRADORES LOCALES MEDIDORES CONCENTRADORES AMR
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MEDIDORES DE FUNCIÓN INTELIGENTE Concepto y Tipos •
•
a)
Son Medidores, de función múltiple, que pueden ser programados para realizar tareas adicionales como corte y re conexión de cargas, envío y recepción de datos, etc. Dentro de los medidores con esta tecnología se tienen:
Ejemplo: Medidor monofásico de MTC, comunicación por onda portadora, mide y registra potencia, energía activa, reactiva, tensión y corriente, sistema anti fraude, multitarifario, corte y re conexión automática.
Medidores Pre Pago
b) Medidores locales c)
•
concentradores
Medidores concentradores con sistemas AMR
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MEDIDORES DE ENERGÍA CON SISTEMAS PRE PAGO
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MEDIDORES CON SISTEMAS CONCENTRADORES DE LECTURA
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MEDIDORES CONCENTRADORES Equipo electrónico de alta tecnología, que centraliza la medida del consumo de energía de varios usuarios o cargas, sean monofásicas o trifásicas
Los equipos concentradores , pueden ser de dos tipos: a) Concentradores locales b) Concentradores de datos remotos Medidas II
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MEDIDORES CONCENTRADORES LOCALES Se aplican en la medida de la energía, donde los usuarios están concentrados en un área local, como edificios multifamiliares, centros comerciales multiuso, y similares. La lectura de este tipo de concentradores es de carácter local, es decir se realiza en el lugar donde se encuentra instalado dicho equipo.
Medidas II
Especificaciones •
•
•
•
•
Capacidad: Decenas de medidores monofásicos ó trifásicos Tensión nominal: 220 / 400 V. Corriente nominal: 5 A a 10 A. corriente máxima: 50 A a 100 A Puertos de comunicación: óptico(local) y PLC (remoto)
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MEDIDORES CONCENTRADORES LOCALES VENTAJAS •
•
•
•
•
Permite el registro de diferentes opciones tarifarias. Reducción de espacio y costos, de instalación y operación. Confiabilidad en la medida Lectura de los equipos en un área determinada. Posibilidad de corte y re conexión remota.
Medidas II
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MEDIDORES CONCENTRADORES DE DATOS REMOTO Y AMR Se aplican en la recolección de la medida de la energía, donde los usuarios están concentrados en un área o zona, como Urbanizaciones, barrios residenciales o similares. Son utilizados en sistemas AMR, (sistema de lectura automática de medidores), donde recolecta los datos de varios medidores, almacena los mismos, y los envía a un centro de control a través de enlaces de comunicación. Medidas II
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Ejemplo de Concentrador El Concentrador de datos de Systela, modelo DTC-1000 •
•
•
•
Administra y controla los medidores, y gestiona el tráfico bidireccional mediante TCP/IP Permite la utilización de cualquier enlace para la comunicación entre los concentradores y el servidor de datos. •
Sistema operativo LINUX. Puerto Serie GPRS/GSM
Medidas II
disponible
para •
Administra los medidores detectando su estado: activo o inactivo y fase. Recolecta información cada media hora y la mantiene
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Ejemplos aplicativos 1.
•
•
•
•
Un medidor de energía residencial monofásico de función única, ha registrado un consumo de energía de 80 KWH. Determinar la facturación correspondiente del mes, para una tarifa BT5B, cuyo pliego tarifario es: Cargo fijo: S/. 2.29 Costo de Energía total: S/. 0.3833 por KWH Costo de alumbrado público: S/. 0.27 Los factores para Alumbrado Público es:
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Ejemplos aplicativos 2.
•
•
•
Un medidor residencial monofásico, programable de función múltiple, ha registrado los siguientes consumos: Energía Activa HP: 75 KWH Energía Activa FP: 252 KWH Determinar la facturación mensual, si los pliegos tarifarios para la tarifa BT5A(a) y BT5A(b), son:
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