Cálculo de la potencia eléctrica con QuantumX y catman

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

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 venían utilizando. 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, como la tensión y la corriente, además de las magnitudes físicas habituales. El módulo de medición de 4 canales QuantumX MX403B ha sido desarrollado específicamente para adquirir con precisión tensiones de hasta 1000 V. 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 desempeñan un papel importante en la elección del equipo de medición adecuado. En ese sentido, consulte las instrucciones de seguridad del manual de funcionamiento del módulo MX403B.

Amplificador QuantumX MX403B para la adquisición de señales eléctricas

Medición de tensión

El 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 intervalos de medición de 10, 100 y 1000 V así como adquirir tensiones elevadas o pequeñas tensiones diferenciales con potenciales altos con respecto al valor de una masa de referencia. Cada canal cuenta con filtros analógicos anti solapamiento, convertidores AD de 24 bits y filtros digitales. Los canales se pueden configurar 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 el sistema de adquisición de datos QuantumX. QuantumX permite adquirir todas las magnitudes mecánicas, eléctricas y térmicas de forma completamente síncrona. Asimismo, calcula las señales, lo que lo convierte en una solución completa y en una valiosa herramienta de investigación y desarrollo.

Adquisición de corriente

Los métodos tradicionales para la medición de corriente se basan en los principios del shunt o derivación (resistencia óhmica) y la sonda amperimétrica.

El método de derivación permite hacer mediciones precisas y con sincronización de fase de pequeñas corrientes. Por su parte, las sondas amperimétricas resultan especialmente adecuadas para hacer mediciones de corriente rápidas sin desconexión de la línea.

Existen sondas amperimétricas con distintos diseños para diferentes aplicaciones. El principio de medición inductiva da lugar a un desplazamiento de fase entre la corriente y la tensión de la señal medida por medio de una sonda amperimétrica. Este desplazamiento de fase debe compensarse para determinar la potencia. La forma más fácil de hacerlo consiste en introducir un retardo proporcional en la tensión medida. Este proceso se describe más adelante.

Ahora que hemos hablado de estas dos magnitudes eléctricas, pasemos a examinar el software.

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

El software catman de HBM (disponible en dos versiones: catman Easy y catman AP) resulta idóneo para las tareas siguientes:

  • 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 para potencia efectiva, aparente y reactiva, así como otros factores  
  • Visualización de los valores de partida y los valores calculados en pantallas independientes
  • Almacenamiento de datos en el formato deseado
  • Análisis durante la medición en curso
  • Análisis y elaboración de informes tras el proceso

Además de la adquisición de mediciones, el software catman también ofrece una librería matemática integrada. Las funciones matemáticas comprenden desde cálculos algebraicos sencillos hasta análisis estadísticos y espectrales, además del cálculo de la potencia eléctrica y la eficiencia.

El software también permite calcular el valor RMS de las magnitudes de partida.

Se puede utilizar la base de datos de sensores para configurar los parámetros de los canales de medición. Si no encuentra la descripción de la señal correcta en la base de datos de sensores, es posible crear la ficha de especificaciones pertinente. El uso de la ficha 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 con catman

En el sistema de adquisición de datos QuantumX la adquisición está sincronizada en todos los canales. QuantumX es compatible con un gran número de tecnologías de sensores y transductores para convertir en señales digitales magnitudes físicas como tensión, corriente, par, velocidad de giro, temperatura, aceleración, vibración, ruido, señales de bus para la comunicación de dispositivos de control, etc.

Adaptador de conector banana / conector BNC

Retardo de fase entre la corriente y la tensión

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.

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.  Después la tensión medida se puede retrasar proporcionalmente.

Por ejemplo, es posible conectar sondas amperimétricas al Quantum MX403B mediante un adaptador banana a conector BNC.

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

Ejemplo de corrección de fase: Canales de cálculo -> Filtro -> Función de corrección de fase:

En nuestro ejemplo, la corriente se mide mediante un shunt.

Cálculo de potencia en línea

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. Se utilizan 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.

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

La potencia calculada presentará una leve fluctuación residual, incluso en un sistema estático.
El cálculo completo de todas las magnitudes en catman EASY incluye el valor cuadrático medio (RMS) y el valor medio (MEAN) en una ventana temporal. Ninguno de estos valores se obtiene mediante un proceso de promediación directa con n valores, como en MX403B, por ejemplo. Eso 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))
siendo a = exp(-1/(frecuencia de muestreo * intervalo temporal)). La media se calcula de un modo similar:
MEAN (n) =  (1-a)*valor medido(n) + a * MEAN(n-1))

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 a bordo con una unidad MX410B o MX403B. Los valores RMS y MEAN también se pueden filtrar para alisar 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 POTENCIA = POTENCIA REAL/POTENCIA APARENTE 
PHI = acos((FACTOR POTENCIA) * 57,29 a partir de rad a °

El proceso de configuración de los parámetros de cálculo de potencia es el siguiente:

Ahora simplemente hay que llevar a cabo una medición con las magnitudes que se acaban 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:

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.

Análisis de datos de medición grabados

Ahora examinaremos con mayor atención el modo de análisis de los datos (prosprocesamiento). El uso del software de medición catmanEasy permite visualizar y analizar la distribución de la 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 el funcionamiento dinámico 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 obtener el canal de frecuencia disponible para la exportación. 

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