Cómo calcular con precisión la potencia eléctrica con QuantumX y catman

En muchas aplicaciones, cada vez es más importante la adquisición de señales eléctricas y el posterior cálculo de la potencia, junto con el análisis de las señales en los dominios temporal y de frecuencia. Este artículo ofrece consejos prácticos sobre los pasos necesarios para realizar estas tareas con QuantumX MX403B y el software catman, de HBM.

Los actuadores eléctricos se utilizan en un número creciente de aplicaciones; por ejemplo, en ascensores, escaleras mecánicas o como componentes de vehículos. En estas aplicaciones, los actuadores (por ejemplo, accionamientos o válvulas) están sustituyendo rápidamente a los sistemas hidráulicos que se empleaban hasta ahora para calcular la potencia eléctrica. Por ello, la adquisición de "magnitudes eléctricas", como la tensión y la corriente, tiene un interés cada vez mayor.

El sistema de adquisición de datos QuantumX permite adquirir magnitudes eléctricas, además de las magnitudes físicas habituales. En concreto, el módulo de medición de 4 canales QuantumX MX403B se ha desarrollado específicamente para adquirir tensiones eléctricas con precisión. Este módulo MX403B también permite medir pequeñas tensiones diferenciales en condiciones de alto potencial eléctrico.

Atención: La medición de tensiones peligrosas solo puede ser llevada a cabo por personal con la formación adecuada. Las categorías de medición definidas en la norma IEC 61010 son una ayuda importante a la hora de elegir el equipo de medición adecuado. En ese sentido, consulte las instrucciones de seguridad del manual de funcionamiento del módulo MX403B.

Sistema de adquisición de datos QuantumX MX403B

El módulo QuantumX MX403B dispone de cuatro canales de medición diferencial aislados, para la medición directa de tensiones de corriente continua hasta 1000 V o de corriente alterna hasta 1000 Vrms. Es posible parametrizar libremente rangos de medida de 10, 100 y 1000 V. Esos rangos permiten adquirir tensiones elevadas con respecto a una masa de referencia o medir pequeñas tensiones diferenciales con potenciales altos con respecto a una masa de referencia. Cada canal cuenta con filtros analógicos anti solapamiento, convertidores AD de 24 bits y filtros digitales. Los canales se pueden parametrizar individualmente.

Los módulos QuantumX se pueden distribuir físicamente y conectarse de forma óptica en las proximidades del punto de medición (Ethernet o FireWire de fibra óptica), para garantizar la máxima fiabilidad entre el punto de medición y el PC.

El módulo ofrece frecuencias de muestreo de hasta 100 kS/s por canal y anchos de banda de hasta 40 kHz. Además, se puede integrar por completo en un sistema de adquisición de datos QuantumX ya existente. Esta solución QuantumX permite adquirir todas las magnitudes mecánicas, eléctricas y térmicas de forma completamente sincronizada. Asimismo, calcula las señales, lo que lo convierte en una solución completa y en una valiosa herramienta de I+D.

Medidas de tensión con QuantumX MX403B

Por supuesto, cuando se miden tensiones, es esencial saber a qué potencial o con respecto a qué punto de referencia se hace la medición. El módulo MX403B se adapta perfectamente a las tareas de medición, análisis y ensayo. Mide tensiones de corriente continua en dispositivos de almacenamiento de energía y tensiones de corriente alterna monofásicas o trifásicas, de acuerdo con las categorías de medida CAT II y CAT III. Los sistemas trifásicos pueden tener 3 o 4 hilos, según haya o no neutro. El número de hilos determina los circuitos de medición que se emplean para determinar la potencia eléctrica.

Los sistemas de corriente trifásica suelen utilizar una configuración en estrella (también llamada "Y"). Los tres devanados (L1, L2, L3) están conectados a un punto común del motor. En el pasado, este "punto de estrella común" se conducía a una caja de bornes y se utilizaba para cambiar de estrella a delta al arrancar un motor.

Con la generalización de los convertidores electrónicos, la estrategia ha cambiado. Con tres fases, la potencia es la suma geométrica de los valores de potencia individuales; como la corriente se mide en cada fase por separado, es necesario multiplicarla por la tensión presente en cada fase. Sin embargo, no suele ser posible leer directamente la tensión de cada una de las fases, de modo que se utiliza uno de los siguientes métodos: 

  • Cálculo de las tensiones de estrella U1N, U2N y U3N a partir de las tensiones delta U12, U23, U31. Esta práctica es imprecisa pero se usa en la práctica.

  • Generación de un punto de referencia fuera del motor mediante una red R o RC (estrella virtual). Este método es más preciso y se adapta bien a las cargas equilibradas. Sin embargo, si suponemos que el motor está perfectamente equilibrado tanto en términos de diseño como de comportamiento, sería suficiente con un ÚNICO canal de potencia. Esto se analiza a continuación.

En el diseño de los motores eléctricos se presta una especial atención a la generación de cargas equilibradas, es decir, a que el neutro no lleve corriente. Si la estrella no tiene una salida (es decir, si tenemos un circuito de tres hilos sin neutro), se puede configurar una “estrella virtual externa”. Para ello se puede utilizar un adaptador G068-2 de HBM, que consta de tres redes RC. Este adaptador se puede insertar sin problemas en las tomas para conector banana del MX403B, pero limita el rango a 600 VCA.

Adquisición de corriente con QuantumX MX403B

Existen distintos principios para medir la corriente eléctrica. Cuando se miden pequeñas corrientes, los métodos del convertidor de flujo nulo, de shunt y del sensor de efecto Hall proporcionan medidas precisas y sincronizadas en fase. Por su parte, las sondas amperimétricas resultan muy prácticas en medidas rápidas de corrientes de circuitos monofásicos y trifásicos. Las sondas amperimétricas permiten obtener medidas eléctricamente aisladas muy variadas con corriente alterna (a menudo también con corriente continua) sin necesidad de desconectar la línea de corriente. Además, son baratas y bastan para analizar la potencia en aplicaciones sin requisitos de precisión muy exigentes. Existen sondas amperimétricas con distintos diseños para diferentes aplicaciones (inductivas, de efecto Hall).

El principio de medición inductiva produce un desplazamiento de fase en el transformador de corriente (skewing) entre la corriente real de la sonda y su tensión de salida. Antes de calcular la potencia es preciso compensar este desfase; para ello, se aplica un retardo proporcional a la tensión medida. Con algunas sondas amperimétricas, el error del ángulo de fase varía en función de la frecuencia y a lo largo del rango de medida. Por supuesto, todo ello repercute en el cálculo de la potencia. Dependiendo del rango de medida, este error puede ser de entre 3 y 10° en condiciones de referencia. Nota: En la mayoría de los casos se utiliza como referencia una tensión sinusoidal perfecta, 45...60 Hz, temperatura ambiente de 23° C y humedad relativa del 50%. Cualquier desviación con respecto a esta referencia afecta a la precisión de la medida de la corriente y, por tanto, también al cálculo de la potencia. A la vista de todo lo anterior, es sumamente importante seleccionar la sonda amperimétrica adecuada, motivo por el cual HBM las ofrece directamente.

Para efectuar correctamente el cálculo de potencia es necesario compensar el desfase. La corrección más sencilla consiste en aplicar un retardo proporcional a la tensión medida. Este proceso se describe con más detalle a continuación. Ahora que hemos hablado de estas dos magnitudes eléctricas, pasemos a examinar el software que se emplea para calcular la potencia eléctrica.

Software de adquisición de datos catman

El software de adquisición catman de HBM es idóneo para adquirir medidas durante los pasos siguientes del cálculo:

 

  • Parametrización de los canales (almacenamiento de los ajustes de canal para los sensores empleados como, por ejemplo, las sondas amperimétricas)
  • Compensación de fase (opcional) cuando se utilizan sondas amperimétricas
  • Cálculo de señales de potencia efectiva, aparente y reactiva, así como otros factores 
  • Visualización de los valores en bruto y los valores calculados en gráficas independientes
  • Almacenamiento de datos en el formato deseado
  • Análisis durante el desarrollo de la medición
  • Posprocesamiento y elaboración de informes

 

Además de la adquisición de medidas, el software catman también ofrece una librería matemática integrada. Las funciones matemáticas comprenden desde cálculos algebraicos sencillos hasta análisis estadísticos y espectrales. Y, por supuesto, cálculo de la potencia eléctrica y la eficiencia. El software también permite calcular el valor cuadrático medio (RMS) de las magnitudes de entrada.

Medición paso a paso, cálculos en línea y análisis con catman

catman dispone de una base de datos de sensores que ayuda a parametrizar los canales de medición. Si no encuentra una descripción correcta de la señal en la base de datos de sensores, siempre puede consultar la ficha de especificaciones pertinente. El uso de la hoja de datos del sensor facilita la parametrización de los canales individuales con posterioridad y permite reproducir el proceso en cualquier momento.

Análisis de señales con sincronización de fase

El sistema de adquisición de datos QuantumX adquiere señal en todos los canales de forma sincronizada. Es compatible con un gran número de tecnologías de sensores y transductores, y permite convertir en señales digitales magnitudes físicas tales como tensión, corriente, par, velocidad de giro, temperatura, aceleración, vibración, ruido y señales de bus para la comunicación de dispositivos de control.

En nuestro ejemplo, la corriente se mide mediante un shunt. Las derivaciones o shunts se utilizan a menudo para medir corrientes alternas y continuas. La estructura de un shunt es puramente resistiva, por lo que no produce retardo de fase.

¿Y si existe un retardo de fase entre la corriente y la tensión?

En cambio, las sondas amperimétricas sí producen un retardo de fase, debido a su núcleo de medición inductivo. Esto significa que la fase de la señal de salida del convertidor se retrasa con respecto a la fase de la corriente. Si no se conoce el retardo de fase del convertidor, es posible calcularlo fácilmente midiendo la corriente y la tensión en un consumidor resistivo (por ejemplo, una bombilla de filamento) y corregirlo con ayuda del software catman EASY. A continuación, se puede aplicar a la tensión medida el retardo correspondiente. Por ejemplo, es posible conectar sondas amperimétricas al QuantumX MX403B mediante un adaptador banana a BNC.

Naturalmente, la sonda amperimétrica también se puede conectar a través de otro amplificador de medida, por ejemplo un adaptador BNC a SubHD, si se utiliza el amplificador universal MX840A. Este amplificador puede registrar igualmente variables tales como par, velocidad de giro, temperatura, aceleración, vibración y señales de bus CAN.

A la derecha figura un ejemplo de la corrección de fase en catman: Canales de cálculo > Filtro > Función de corrección de fase

Cálculo de potencia en línea con catman

El cálculo de potencia tiene en cuenta únicamente las señales armónicas de baja frecuencia (< 100 Hz). El proceso no implica ningún algoritmo de integración complejo, sino que utiliza fórmulas estándar. El cálculo de potencia en catman Easy incorpora un proceso basado en intervalos. La precisión del cálculo de potencia depende por lo tanto de la frecuencia fundamental de la señal y del ancho seleccionado para el intervalo. La potencia calculada presenta una leve fluctuación residual, incluso en un sistema estático.

Ejemplo: Oscilación fundamental 50 Hz -> 20 ms por periodo -> intervalo 100 ms -> 5 periodos, de media.

El cálculo completo de todas las magnitudes en catman EASY incluye el valor cuadrático medio (RMS) y el valor medio (MEAN) en un intervalo de tiempo. Ninguno de estos valores se obtiene mediante un proceso de promediación directa con n valores, como hace el módulo QuantumX MX403B, por ejemplo. Para ello se requeriría una memoria intermedia (buffer) para n valores, lo que limitaría el intervalo de tiempo máximo. En su lugar, el proceso es una iteración en un solo paso que no requiere memoria intermedia. Estas son las fórmulas:

  • RMS (n) = raíz cuadrada((1-a)*valor medido(n)*valor medido(n) + a * RMS(n-1))
  • MEAN (n) = (1-a)*valor medido(n) + a * MEAN(n-1))
  • = exp(-1/(frecuencia de muestreo * intervalo temporal)).

El proceso es más rápido, prácticamente no requiere memoria intermedia y, por ello, permite aplicar intervalos temporales de cualquier duración. El resultado se acerca mucho a los valores calculados con la ayuda de un amplificador QuantumX MX410B o QuantumX MX403B. Los valores RMS y MEAN también se pueden filtrar para suavizar la respuesta. Los demás canales de cálculo se calculan del modo siguiente

 

  • POTENCIA REAL = MEAN(U * I)
  • POTENCIA APARENTE = RMS(U) * RMS(I)
  • POTENCIA REACTIVA = raíz cuadrada(POTENCIA APARENTE*POTENCIA APARENTE – POTENCIA REAL*POTENCIA REAL)
  • FACTOR DE POTENCIA = POTENCIA REAL/POTENCIA APARENTE
  • PHI = acos(FACTOR POTENCIA) * 57,29 para pasar de radianes a grados

 

Galería de capturas de pantalla

Proceso de parametrización del cálculo de potencia.

A continuación, se realiza una medición con las magnitudes que acaba de obtener. En el ejemplo, el objeto de la medición es una bombilla de filamento de 60 vatios. El gráfico se puede exportar de forma sencilla a un informe de medición en Microsoft Word con marcadores de texto (pestaña de Office).

Como comparación, otro gráfico muestra una medición de cargas inductivas. En este caso, el objeto de la medición es un soldador de 50 vatios.

Análisis de datos de medición grabados con catman

Posteriormente se lleva a cabo un análisis de señal en el dominio de frecuencia. Este tipo de análisis de señal se basa en la transformada rápida de Fourier (FFT). Esta operación facilita la transición de las señales temporales al dominio de frecuencia. Se puede utilizar el software de medición catmanEasy para visualizar y analizar la distribución de frecuencia de una o múltiples señales. En este caso, el número de valores medidos que se va a utilizar para calcular el espectro de amplitud es un parámetro obligatorio.

El análisis de frecuencia en el modo de posprocesamiento emplea la FFT para calcular un espectro (un espectro de amplitud, fase o potencia). En condiciones dinámicas es especialmente importante visualizar múltiples espectros a lo largo del tiempo. Para ello se puede utilizar un diagrama de cascada (waterfall) que muestre sucesivamente espectros de amplitud organizados en tres dimensiones. La vista se puede girar libremente en todas direcciones. Active “Generate Frequency Data Set” para preparar los datos del canal de frecuencia para la exportación.

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