Medidores de Energía Eléctrica Parte 2 · 2020. 11. 24. · Mediciones Eléctricas II - 2020 3 Medidores de Energía Eléctrica de Estado Sólido Medidores de Energía Eléctrica

Mediciones Eléctricas II - 2020

Mediciones Eléctricas II (3D2)(Cursada en modalidad no presencial 2020)

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – UNMdP.

1

Medidores de Energía

Eléctrica

Medidores de Energía Eléctrica – Parte 2


Medidor de Estado Sólido


Eléctrica – Parte 2


Medidores de Energía Eléctrica de Estado Sólido



• En un medidor digital, las señales analógicas de tensión y corriente son adquiridas y

digitalizadas tomando muestras y convirtiendo estas muestras en un registro. Una vez que

se tienen las señales digitales, los valores de éstas son utilizados para estimar los

parámetros requeridos para evaluar las potencias y energías del sistema

Siendo:

P(activa) = Potencia activa en un ciclo de la tensión o corriente.

Q(reactiva) = Potencia reactiva en un ciclo de la tensión o corriente

N: número de muestras de tensión y corriente por ciclo.

vn: valor instantáneo de tensión en el instante “n”.

in: valor instantáneo de corriente en el instante “n”.

Ecuaciones para mediciones básicas:

𝐸(𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 1 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜) = 𝑃(𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎)𝑡(1 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜)

𝐸(𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 1 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜) = 𝑄(𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎)𝑡(1 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜)

𝑣(𝑡) = 𝑉𝑀𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)

𝑖(𝑡) = 𝐼𝑀𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − 𝜑)

𝑃(𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎) =1

𝑁

𝑛=0

𝑁−1

𝑣𝑛𝑖𝑛

S= 𝑉𝑅𝑀𝑆𝐼𝑅𝑀𝑆

𝑄(𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎) = 𝑆2 − 𝑃(𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎)

2𝐹𝑃 =𝑃(𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎)

𝑆

𝑉𝑅𝑀𝑆 =1

𝑁

𝑛=0

𝑁−1

𝑣𝑛2

𝐼𝑅𝑀𝑆 =1

𝑁

𝑛=0

𝑁−1

𝑖𝑛2










Otras

alternativas

usadas

para

medir Q y

energía

reactiva

Calculando Q como el valor medio de la potencia reactiva instantánea (producto de la

tensión retrasada un cuarto de período multiplicada por la corriente):

𝑣𝑄(𝑡) = 𝑣 𝑡−𝑇4

Ya que:

𝐹𝑃 = 𝑐𝑜𝑠 𝑎𝑟𝑐_𝑡𝑎𝑛𝑄

𝑃

0

𝑇

𝑣𝑄(𝑡)𝑖(𝑡)𝑑𝑡 = 0

𝑇

𝑣(𝑡−𝑇/4)𝑖(𝑡)𝑑𝑡 = 0

𝑇

𝑉𝑀𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 − 90° 𝐼𝑀𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 − 𝜑 𝑑𝑡 =𝑉𝑀𝐼𝑀2𝑠𝑒𝑛𝜑 = 𝑄

𝑣(𝑡) = 𝑉𝑀𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)

𝑖(𝑡) = 𝐼𝑀𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − 𝜑)𝑄(𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎) =

1

𝑁

𝑛=0

𝑁−1

𝑣𝑄𝑛𝑖𝑛










Otras

alternativas

usadas

para

medir Q y

energía

reactiva

𝑣𝑄(𝑡) = 𝜔 𝑣(𝑡)𝑑𝑡

Ya que:

𝜔 𝑣(𝑡)𝑑𝑡 = 𝜔 𝑉𝑀𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 𝑑𝑡 = −𝜔 𝑉𝑀cos 𝜔𝑡

𝜔= 𝑉𝑀𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 − 90° =𝑣 𝑡−𝑇

4

Y como antes:

0

𝑇

𝑣𝑄(𝑡)𝑖(𝑡)𝑑𝑡 = 0

𝑇

𝑣(𝑡−𝑇/4)𝑖(𝑡)𝑑𝑡 = 0

𝑇

𝑉𝑀𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 −𝜋

2𝐼𝑀𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 − 𝜑 𝑑𝑡 =

𝑉𝑀𝐼𝑀2𝑠𝑒𝑛𝜑 = 𝑄

Calculando Q como el valor medio de la potencia reactiva instantánea (obteniendo la

tensión retrasada como la integral de la tensión multiplicada por la frecuencia

fundamental en rad/s):

𝑄(𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎) =1

𝑁

𝑛=0

𝑁−1

𝑣𝑄𝑛𝑖𝑛





Existen gran cantidad de circuitos integrados comerciales diseñados para medir

energía y demás variables eléctricas que se utilizan en una variedad de aplicaciones:

como parte de sistemas de medición de energía (en medidores digitales o Smart

Meter), en inversores solares, en la supervisión de la calidad de la energía, en la

supervisión de procesos, etc.

Entre los tantos modelos existentes podemos mencionar:

Modelo Fabricante Características

ADE7753ARS Analog DevicesActiva, reactiva, y aparente; corriente y tension RMS.

ADC Sigma Delta

CS5460A Analog Devices Monofásico, bidireccional de potencia/energía

MCP39F521Microchip

Potencia activa, reactiva y aparente bidireccional, corriente

RMS tensión RMS, frecuencia de línea y factor de potencia –

ADC Sigma Delta 24 bit

CS5463 Cirrus Logic

Tensión, corriente y potencia Instantanea – I RMS y V RMS,

Aparente, reactiva, activa – potencia active y reactiva de

armónicos, factor de potencia, frecuencia.

Monofasica – Trifásica trifilar





La medición de energía puede hacerse en forma unidireccional o bidireccional:

P(+)

suministrada

Q(-

)

reci

bid

a

REA

CTI

VA

-C

APA

CIT

IVA

(+) 0°

PO

TEN

CIA

REA

CTI

VA

REC

IBID

A P

OR L

A F

UEN

TE

(-) -90°

CUADRANTE IV

PO

TEN

CIA

REA

CTI

VA

SU

MIN

ISTR

AD

A A

LA

CA

RG

A(+) 90° CUADRANTE I

SUMINISTRADA A LA CARGA

POTENCIA ACTIVA

RECIBIDA POR LA FUENTE

POTENCIA ACTIVA(-) 180°

P(+)

Suministrada

sum

inis

tra

da

Q(+

)

REA

CTI

VA

–IN

DU

CTI

VA

sum

inis

tra

da

Q(+

)

CUADRANTE IIREA

CTI

VA

–IN

DU

CTI

VA

P(-)

recibida

Q(-

)

reci

bid

a

P(-)

recibida

CUADRANTE III

REA

CTI

VA

-C

APA

CIT

IVA





Ejemplo: Medidor de Estado Sólido “elster”:





Medidor de Estado Sólido: (modelo Ampy 5192A)

Diagrama de bloques y vista frontal de un medidor Ampy 5192A. (Fuente: www.afinidadelectrica.com)

http://www.afinidadelectrica.com/






Diagrama de bloques y vista frontal de un medidor Ampy 5192A. (Fuente: www.afinidadelectrica.com)

Internamente está compuesto por:

•1- Display.

• 2- Circuitos de acondicionador de

corriente.

•3- Circuitos de acondicionador de

tensión.

•4- Puerto óptico de comunicación.

•5- LEDs emisores de pulsos de

energía activa y energía reactiva.

•6- Pulsador de lectura (para

permitir a un usuario cambiar el

menú de display)

•7- Microprocesador.

•8- Memoria.

•9- Cristal oscilador.

10- Cables de conexión de entrada

de circuitos de medición

http://www.afinidadelectrica.com/






Los terminales de estos shunt son conectados

a los circuitos de corriente de la placa donde

se procede al filtrado y adaptación de las

señales (amplificación mediante el integrado

LMC60 de National Semiconductor que es un

doble amplificador operacional de

tecnología CMOS) para su conversión

analógica-digital.

La medición de tensión se consigue al dividir la

tensión de línea mediante divisores resistivos. En

la figura observamos las resistencias de

precisión de metal film de 330 Ohm y 2 watts

de disipación.






Ya en la placa se procede al filtrado de línea y

adaptación de las señales para su conversión

analógica-digital. En la figura se ve el circuito

de corriente correspondiente a la fase 2 en

donde se destaca el integrado LMC60 de

National Semiconductor que es un doble

amplificador operacional de tecnología CMOS






El microcontrolador M30620ECFP de Mitsubishi

Microcomputers, también llamado

microcomputadora de un solo chip, es el

cerebro del medidor. Este chip de cien contactos

trae integradas todas las funciones necesarias

para la medición y registro de datos

Toda la información del medidor es registrada

en una memoria FRAM FM24C16a de Ramtron

controlada por el microprocesador. Todos los

registros de kWh son almacenados en la

memoria y actualizados






El medidor cuenta con un puerto de

comunicación que utiliza una señal de interfase

óptica basada en el protocolo IEC 1107 para

lo que se han dispuesto en la placa un emisor

(LED infrarrojo) y un receptor (detector

infrarrojo).

(modelo ELSTER) (Terminal toma estado)


Ensayos sobre Medidores de Energía



Para que un medidor de energía pueda ser comercializado en Argentina, debe aprobar los ensayos de “Aprobación de Modelo”

requeridos por el INTI, que consisten en una serie de ensayos a fin de evaluar todas las características de seguridad, de exactitud, de influencia climática, de compatibilidad electromagnética, de

resistencia mecánica, etc, del modelo en cuestión.

Una vez aprobado el ensayo de Modelo, se permite la comercialización del mismo.

Luego, las empresas prestadoras del servicio eléctrico en sus laboratorios, verifican la exactitud de los ejemplares del modelo

aprobado que instalarán.


Medidores de Energía Eléctrica - Calibración



Verificación y Calibración de un Medidor




Normas a considerar

• Instrumentos Analógicos:

- IRAM N° 2410 (definiciones)

- IRAM N° 2411 (especifica los ensayos a realizar)

- IRAM N° 2412 (especifica ensayos para un lote)

- IRAM N° 2413 (especifica condiciones y la forma de hacer los ensayos)

• Instrumentos Digitales :

- IRAM N° 2420 y 21 (especifican condiciones y la forma de hacer los ensayos)

- IRAM N° 2422 (especifica ensayos para un lote)

máximo100verdaderaEnergía

verdaderaEnergíamedidaEnergíaee


Verificación y Calibración de un Medidor en General:




Método Potencia - Tiempo:

Dos métodos: a) Potencia - Tiempo

b) Con Medidor Patrón

Con Vatímetro y Cronómetro

a) Bobina amperométrica del medidor en serie con bobina amperométria del W.-

b) Bobinas voltimétricas del medidor y W en paralelo.

1

1

)( elEn

pulsos) (o vueltasEn t

PtAPW

K

NAN

m

i

1

1

Pt

PtK

N

A

AAe mi

Implica P= cte en t1

Para un

medidor de

inducción de

constante de

lectura Km

Km = Cte medidor

Métodos para realizar la Verificación y Calibración de un

Medidor


kWh

pulsoso

kWh

vueltaskm




Método con Medidor Patrón

Ventaja: la potencia activa “P” no es necesario que sea constante.

a) Bobinas amperométricas en serie y voltimétricas en paralelo entre medidores.

Si llamamos:

KP = Constante patrón

Np = Nº de vueltas que giró el disco del medidor patrón.

KmX = Constante medidor a verificar

NPX = Nº de vueltas que giró el disco medidor a verificar.Para un

medidor de

inducción

P

P

P

P

mX

PX

P

Px

K

N

K

N

K

N

A

AAe

1mXP

PPX

KN

KNe


Métodos para realizar la Verificación y Calibración de un

Medidor Dos métodos: a) Potencia - Tiempob) Con Medidor Patrón




Cualquiera de los métodos de contraste ( Potencia – Tiempo ó con Medidor Patrón)

pueden realizarse con una carga real o con una carga “ficticia”

Ejemplo:

1) Con una carga real: Si el medidor es UN=220V e IN= 5A. Pn (necesaria)=1.1Kw

2) Con carga ficticia (equipo de contraste)

a) Fuente de Tensión: 220V y una I del orden de los mA

b) Fuente de corriente: 5A y una tensión del orden de los mV

Casi no disipa

potencia


La tensión y corriente

pueden desfasarse a

voluntad para simular

distintos factores de

potencia

Métodos para realizar la Verificación y Calibración de un Medidor




Ejemplo con carga real.

(método de potencia tiempo)

Ejemplo con carga ficticia

(método de potencia tiempo)

Tri: Transformador de corriente.

Tru: Autotransformador de tensión.

Df: Desfasador de Tensión.

Cualquiera de los métodos de contraste ( Potencia – Tiempo ó con Medidor

Patrón) pueden realizarse con una carga real o con una carga “ficticia”






Ejemplo con carga ficticia

(método de medidor patrón)

Ejemplo con carga real.

(método de medidor patrón)

Banco de ensayo para N medidores

Cualquiera de los métodos de contraste ( Potencia – Tiempo ó con Medidor

Patrón) pueden realizarse con una carga real o con una carga “ficticia”




Calibración de Medidores de Inducción

(Electromecánicos)






1) P = 100% Un=100% In= 100% cos φ = 1 (ajuste de cupla de frenado)

2) P = 50% Un=100% In= 100% cos φ = 0,5 (ajuste de condición de 90°)

3) P = 10% Un=100% In= 10% cos φ = 1 (ajuste de cumpla auxiliar)


Verificación y Calibración de un Medidor de InducciónPrevio a la Calibración se deben ajustar (regular) las distintas cuplas:

Ajuste de la

condición de

90°Ajuste de la cupla de frenado

Si la placa se mueve en forma

tangencial al disco podría ser

un ajuste de la cupla auxiliar




Ajuste de cupla de frenado: Por ejemplo se mueve el brazo de palanca del imán.

Se hace la regulación con carga resistiva: U nominal, 100% de la In y cos φ = 1


Verificación y Calibración de un Medidor de Inducción

Previo a la Calibración se deben ajustar (regular) las distintas cuplas:




Se hace la regulación con carga inductiva: U nominal, 100% de la In y cos φ = 0,5

Ajuste de la condición de 90°: Se ajustan desfasajes de los flujos en los

electroimanes de tensión y/o corriente




Forma Constructiva 1:










UI=IA

φΦi

α

IB

ΦUsh

ΦU

ΦUT

σ

β=90°-φ

Se varía α hasta lograr la condición

de 90°

IB










UI=IA

φΦi

α

IB

ΦUsh

ΦU

ΦUT

σ

β=90°-φ

Se varía α hasta lograr la condición

de 90°




Se hace la regulación con escasa carga: U nominal,10% de la In y cos φ =1

)('''' BB senKCax Cupla auxiliar

Ajuste de la cupla auxiliar: Se ajusta el tornillo o placa deslizante sobre el polo

voltimétrico para generar la cupla que compense el rozamiento.




Φ´´

Φ´




Arranque: Se verifica el “enganche magnético”.

Se realiza con la Un. Se aplica en una corriente de 0,1% In. a cos φ=1. El disco

no deberá girar más de una vuelta.

Luego, con un valor de 0,6 % de In. Deberá desengancharse y girar normalmente.

Marcha en vacío: Se debe verificar que sin carga y con 110% de la tensión

nominal el disco no debe girar. Eventualmente se reajusta la cupla auxiliar.



Ajuste de la cupla auxiliar: Se ajusta el tornillo o placa deslizante sobre el polo

voltimétrico para generar la cupla que compense el rozamiento.




Errores límites aceptables por Norma IRAM para medidores electromecánicos:

Ib: Valor de la corriente de referencia para medidores con conexión directa (5- 10- 15- 20) A.

In: Valor de la corriente de referencia para medidores en conexión con transformadores (1- 1,5- 2,5- 5) A

Imax: Mayor valor de la corriente para el cual el fabricante declara que se satisfacen las prescripciones de

exactitud.



Luego de regular las cuplas se deben verificar los siguientes límites de error:




.- Variación de Potencia no mayor +- 0,1% en método de Potencia-Tiempo.

.- Variación de V e I : menor a +- 2% para contraste con Medidor Patrón.

.- Tensión y corriente sinusoidal cuyo factor de distorsión no exceda el 3%.

.- Variación de la corriente: 5,10,20,50,100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 de % In.

.- Variación de frecuencia no mayor al +- 0,5%.

.- Factor de potencia: Para monofásico 0,5 y 1.

Para trifásico 0,5 induc. 1 0,8 capac.

.-Temperatura ambiente: 23°C +- 2°C

.- Los medidores permanecerán conectados 1 hora antes.

.- Los instrumentos y demás aparatos garantizarán que la incertidumbre no sea mayor a +- 0,4% con

cos φ =1 y +- 0,6% con cos φ = 0,5 inductivo.

Consideraciones a tener en cuenta en un contraste (Medidor de Inducción)



Calibración de Medidores de Estado Sólido

(Estáticos o Digitales)






Marcha en vacío y arranque para medidores de estado sólido:


Verificación y Calibración de un Medidor de Estado Sólido

Para medidores estáticos, cuando se aplique tensión, sin pasar corriente por el circuito de corriente, eldispositivo de salida del medidor no debe emitir más de un impulso durante un tiempo especificado.

La duración de este ensayo está regulada:

∆𝑡 ≥900𝑥106

𝐾𝑚 𝑉𝑛 𝐼𝑚𝑎𝑥𝑚𝑖𝑛 (para clase 0,2S)

∆𝑡 ≥600𝑥106

𝐾𝑚 𝑉𝑛 𝐼𝑚𝑎𝑥𝑚𝑖𝑛 (para clase 0,5S y 1)

∆𝑡 ≥480𝑥106

𝐾𝑚 𝑉𝑛 𝐼𝑚𝑎𝑥𝑚𝑖𝑛 (para clase 2)

Luego, debe empezar y continuar registrando a la corriente proporcionada en la siguiente tabla:

Para este ensayo, el circuito de corriente debe estarabierto y se debe aplicar una tensión del 115% de latensión de referencia a los circuitos de tensión.




Errores límites aceptables por Norma IRAM para medidores de estado sólido:

Ib: Valor de la corriente de referencia para medidores con conexión directa (5- 10- 15- 20) A.



exactitud.





Eléctrica – Parte 2 36

Errores límites aceptables por Norma IRAM para medidores de estado sólido:



exactitud.



Valor de la corriente

para medidores

conectados a

transformadores

Factor de potencia

Límites de errores en porciento para los

medidores de clase

0,2S 0,5S

0,01 In = I < 0,05 In 1 0,4 ± 1,0

0,05 In = I = Imáx 1 0,2 ± 0,5

0,02 In = I < 0,1 In0,5 ind. 0,5 ± 1,0

0,8 cap. 0,5 ± 1,0

0,1 In = I = Imáx 0,5 ind. 0,3 ± 0,6

Límites de errores en porciento para medidores estáticos clases 0,2S y 0,5S

(Medidores monofásicos y medidores trifásicos con carga equilibrada)






Para medidores estáticos, los ensayos de exactitud para los casos monofásico y polifásico se deben llevar a cabo a los puntos especificados en la tabla, en el orden mostrado en la tabla:

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