Artículo Académico / Academic Article
Recibido: 01-10-2018, Aprobado tras revisión: 16-01-2019
Forma sugerida de citación: Tipan, L.; Rumipamba, J. (2019). “Determinación del factor de potencia mediante el uso de SBC en
clientes residenciales”. Revista Técnica “energía”. No. 15, Issue II, Pp. 66-75.
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
© 2019 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Power factor determination through the use of SBC in residential customers
Determinación del factor de potencia mediante el uso de SBC en clientes
residenciales
L.F. Tipan
1
J.A. Rumipamba
1
1
Universidad Politécnica Salesiana, Quito, Ecuador
E-mail: ltipan@ups.edu.ec; jrumipamba@ups.edu.ec
Abstract
The delivery of a quality electric service is the main
objective of the energy distribution companies.
There are problems of affection in the distribution of
energy and one of them are the negative effects
caused by the harmonics present in the linear and
non-linear loads used by residential and industrial
customers sectors, directly affecting the power factor
negatively. In this work we measure the power factor
produced by typical loads used in residential areas
by means of an intelligent based on the use of SBC
(Single Board Computer), such as the Raspberry Pi
and the Arduino. In addition, the effects produced
by the power factor are evaluated to then determine
its influence on the voltage distortion in a
distribution system.
Index terms Power factor, armonics, attenuation,
load not linear, current distortion, voltage distortion,
smart home, Android, google online spreadsheet.
Resumen
El entregar un servicio eléctrico de calidad es el
principal objetivo de las empresas distribuidoras de
energía. Existen problemas de afección en la
distribución de energía y uno de ellos son los efectos
negativos causados por los armónicos presentes en
las cargas lineales y no lineales utilizadas por clientes
residenciales e industriales, afectándose
directamente en forma negativa el factor de
potencia. En este trabajo se mide el factor de
potencia producido por cargas típicas que se
encuentran en áreas residenciales por medio de un
medidor inteligente basado el uso de SBC (Single
Board Computer), como son la Raspberry Pi y el
Arduino. Además, se evalúan los efectos producidos
por este factor de potencia para luego determinar su
influencia en la distorsión de voltaje en un sistema de
distribución.
Palabras clave Factor de potencia. armónicos,
atenuación, carga no lineal, distorsión de corriente,
distorsión de voltaje, hogar inteligente, Android,
hoja de cálculo en línea de google.
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Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue II, Enero 2019
1. INTRODUCCIÓN
Cada vez es más frecuente el uso e incremento de
cargas no lineales en usuarios residenciales, lo que está
llevando al problema de la distorsión de la señal de
voltaje en los sistemas de distribución. En la actualidad
cargas no lineales como computadores televisores,
hornos micro ondas, cocinas de inducción , lámparas
fluorescentes, etc. son parte de nuestra vida cotidiana,
estos equipos introducen un elevado contenido
armónico en la red de distribución ya que muchos de
estos utilizan convertidores y rectificadores que
provocan distorsiones en la forma de onda de corriente
por la electrónica de cada circuito, es decir, debido a la
carga y descarga de capacitores, a la frecuencia de
activación en los elementos rectificadores, etc. Estas
cargas no lineales producen armónicos de corriente que
rápidamente se transmiten y propagan por la red
eléctrica afectando la calidad del servicio de energía
eléctrica, provocando daños en equipos sensibles,
calentamiento de cables, entre otros.
En las investigaciones recientes se ha popularizado
el uso de tarjetas embebidas de bajo costo como son; el
“Arduino” y la “Raspberry Pi”. Dichas tarjetas
electrónicas se han utilizado para controlar sistemas y
automatizar procesos que antes requerían inspección
humana todo el tiempo. Debido a este hecho, se ha
comparado muchas veces a una tarjeta embebida con
una computadora de placa simple, y de ahí nace el
termino SBC de sus siglas en inglés (Single Board
Computer). Trabajos como el de Faisal Ardhy [9]
exponen el potencial que tiene hoy en día el uso de una
tarjeta SBC, ya que el autor presenta el desarrollo de
una PCB que utiliza el Sistema de Visión por
Computador para realizar una inspección óptica sobre
un proceso automático.
Debido a que el objetivo de la presente investigación
es presentar un medidor inteligente capaz de determinar
el factor de potencia (FP) midiendo ángulo de desfase
entre la señal de voltaje y la señal de corriente se ha
revisado trabajos como los de P Arun Chandra [1],
Cesar Cheuque [2], Ching-Chuan Wei [3], Kryvyy
Rostyslav [4], Nikhil Agrawal [5], y será la
continuación de la investigación ya antes realizada por
Tipan y Rumipamba [6] donde se presentó a la tarjeta
electrónica Raspberry Pi como una opción viable y
económica para usarla como servidor web y medidor de
energía eléctrica.
El presente documento está estructurado de la
siguiente manera. En la sección 2 se presenta el diseño
del sistema medidor de factor de potencia propuesto. La
estimación del factor de potencia se presenta en la
sección 3. En la sección 4 se realizan pruebas con el
sistema propuesto y el análisis de los efectos producidos
por el factor de potencia. Por último, las conclusiones
obtenidas y trabajos futuros se presentan en la sección 5.
2. ARQUITECTURA DEL SISTEMA DE
MEDICIÓN
Al monitor de energía propuesto en una
investigación anterior [6], se le ha añadido la capacidad
de monitorear voltaje en tiempo real por medio del uso
de una tarjeta Arduino UNO, configurada de tal manera
que pueda recolectar los valores de voltaje y corriente
de equipos eléctricos. Las mediciones se realizan con la
ayuda de dos sensores: uno de efecto Hall para medir
corriente y el otro un acondicionador de voltaje ZMPT
específico para Arduino, los cuales se conectarán al
tablero de distribución eléctrico de la residencia.
La tarjeta Raspberry Pi toma los datos leídos por el
Arduino UNO y los representa de forma gráfica con las
librerías matemáticas de Python, además, almacena
dichos datos en una hoja de datos en la nube para
visualizarlos desde un dispositivo con conexión a
internet. El sistema también permite al usuario observar
las gráficas de voltaje y corriente en una aplicación de
Android en tiempo real. La metodología empleada es la
que se presenta en la Fig. 1, en la que se detalla de
forma gráfica los elementos del sistema propuesto.
Figura 1: Arquitectura y diseño electrónico del sistema medidor
del factor de potencia propuesto
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Tipan et al. / Determinación del factor de potencia mediante el uso de SBC en clientes residenciales
2.1. Diseño constructivo del medidor
Como se puede apreciar en la arquitectura del
sistema la propuesta de estimación del factor de
potencia se basa primero en determinar el ángulo de
desfasamiento entre el Voltaje y la Corriente medidos
en el tablero de distribución de carga de un domicilio
,para ello se necesita medir el voltaje y corriente por
lapsos de muestreo múltiplos de la frecuencia de la red
eléctrica, para que estos valores se los pueda enviar a
un sistema encargado de procesar esta información, los
cuales conlleven a determinar esta medida del ángulo de
desfase para poder determinar el valor de factor de
potencia.
Como punto de partida para el diseño de este sistema se
tomo como base el sistema propuesto en una
investigación anterior [6], al cual se le adiciono un
sensor de voltaje capaz de entregar en tiempo real todos
los datos de valor pico correspondiente a voltaje ya sea
fase neutro o fase – fase para valores comprendidos
entre 120 V y 220 V ,y además que su salida sea
compatible con los rangos de voltaje aceptados por una
tarjeta Arduino, el sensor encontrado en el mercado que
cumple con este propósito es el ZMPT101 cuyos rangos
de medida están entre -220V-120V-220V con una salida
de voltaje AC de 0-5 V,la señal de corriente se la
obtiene por medio de un sensor de efecto Hall para ser
más específicos el STC-013 con un rango de medida de
0 a 100A y salida en rangos de -3V a 3 V , para poder
esta señal utilizarla en la tarjeta Arduino se la tuvo que
acondicionar a valores de 0 a 5V
Para determinar la corriente RMS se ha utilizado la
ecuación (1) en su forma discreta, el valor de la
sumatoria se ha duplicado para compensar la
eliminación del semiciclo negativo, el cual se lo anulo
en el acondicionador de señal ya que la tarjeta Arduino
no acepta voltajes negativos, el tiempo que dura la toma
de muestra de corriente para el cálculo del RMS, debe
ser múltiplo del Periodo. En nuestro caso 500ms que
representan 30 ciclos de una señal de 60Hz.
(1)
Donde N es la cantidad de muestras en un periodo o
múltiplo de este.
Las señales de voltaje y corriente adquiridas por medio
de estos sensores son enviadas a una tarjeta Arduino en
la cual son ordenadas y procesadas por medio de
librerías matemáticas de forma tal que puedan ser
enviadas a un servidor en tiempo real, en este caso una
SBC (Single Board Computer) Raspberrypi 3B. Una vez
que las señales llegan al servidor aquí se calculan las
diferentes potencias y el factor de potencia por medio de
las ecuaciones descritas en la sección 4.3 con la ayuda
de Python, para luego, estos valores obtenidos ser
almacenadas en la nube para mostrarse por medio de
una hoja de cálculo (spreadsheet) de google.
Figura 2: Diseño constructivo del medidor propuesto.
3. ESTIMACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA
Y PARÁMETROS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Para acondicionar la señal de corriente se ha
rectificado la entrada y se trabajó con la parte positiva
asumiendo que la señal es simétrica para facilitar el
cálculo de los desfases y valores RMS [6]. La señal de
voltaje de una red monofásica de 120 Vrms se la escaló
mediante un acondicionador de señal en rangos de 0 a 5
voltios como valores pico.
Las señales de voltaje y corriente pueden ser
dibujadas en forma de ondas sinusoidales en tiempo real
utilizando sólo el Arduino UNO. Para representar dichas
ondas se realizó un tratamiento matemático a los datos
obtenidos por esta tarjeta electrónica y se graficaron en
el “Serial Plotter” como se muestra en la Fig. 3.
Figura 3: Señales de voltaje (color rojo) y corriente (color azul)
representados en el “Serial Plotter” de Arduino UNO
68
Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue II, Enero 2019
3.1. Lectura de voltaje y corriente detectando el
instante de cruce por cero
Mediante programación en Arduino se crearon
banderas que detectan el cruce por cero de la señal de
voltaje y corriente cada vez que inicia el medio ciclo
positivo. En la Fig. 4 se muestran las banderas que
detectan el cruce por cero del voltaje en forma de picos
positivos (en color azul) y las banderas que detectan el
cruce por cero de la corriente en forma de picos
negativos (en color rojo).
Con estas banderas se midió el dato de voltaje,
corriente y tiempo en el instante del cruce por cero de
las señales. Estos datos fueron enviados a la Raspberry
Pi para hacer un tratamiento matemático de las señales
utilizando Python.
Figura 4: Activación de banderas con Arduino al detectar el
cruce por cero del voltaje (color rojo) y la corriente (color azul)
Figura 5: Señales obtenidas con las 590 muestras tomadas con
Arduino y graficadas con Python
3.2. Cálculo del desfase entre Corriente y Voltaje
En base a los datos almacenados en la Raspberry Pi
y con la ayuda de las banderas utilizadas en los cruces
por cero, es factible determinar el ángulo de desfase
entre las señales.
Tabla 1: Muestreo para calcular el desfase por medio de Python
en la Raspberry Pi.
MUESTRA
Tiempo
(ms)
Cruce
por cero
Desfase
(ms)
Grados
1
0.79
NA
NA
NA
2
1.58
NA
NA
NA
3
2.37
NA
NA
NA
4
3.81
I
NA
NA
5
3.96
NA
NA
NA
6
4.75
NA
NA
NA
7
5.54
NA
NA
NA
8
6.33
NA
NA
NA
9
7.12
NA
NA
NA
10
7.91
V
4.10
88.54
11
8.70
NA
NA
NA
12
9.49
NA
NA
NA
13
10.28
NA
NA
NA
14
11.08
NA
NA
NA
15
11.87
NA
NA
NA
16
12.01
I
4.10
88.54
17
13.45
NA
NA
NA
18
14.24
NA
NA
NA
19
15.03
NA
NA
NA
20
15.82
NA
NA
NA
21
16.61
NA
NA
NA
22
18.05
V
NA
NA
23
18.20
NA
NA
NA
24
18.99
NA
NA
NA
25
19.78
NA
NA
NA
26
20.57
NA
NA
NA
27
21.36
NA
NA
NA
28
22.15
I
4.10
88.54
Se obtuvieron 590 muestras las mismas abarcan 28
ciclos de repetición, ver Fig. 5. No se consideró un
estándar de medición ya que no se cuentan con normas
técnicas concretas para la adquisición de datos en
cuanto a muestras utilizadas en un SBC para este caso
LA tarjeta Raspberry Pi y Arduino. Utilizando las
librerías matemáticas de Python se graficó las señales de
voltaje y corriente a una escala que permite apreciar
visualmente su comportamiento, como se muestra en la
ampliación de la parte inferior de la Fig. 5.
Con la gráfica a escala ampliada de la Fig. 5 se
evaluó las 28 muestras que se presentan en la Tabla 1.
Esta información permitió medir el tiempo de desfase de
4.10 milisegundos entre voltaje y corriente al restar los
tiempos correspondientes al cruce por cero del voltaje y
la corriente. Este tiempo de desfase proporciona un
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61
Escalamiento de Voltaje y Corriente
CH1 0.1V Voltaje CH2 50mV Corriente
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Tipan et al. / Determinación del factor de potencia mediante el uso de SBC en clientes residenciales
ángulo de desfase de 88.5 grados mediante el cálculo
con la ecuacion (1):
(2)
donde φ es el ángulo de desfase entre voltaje y corriente
calculado en grados, Td es el tiempo de desfase en
milisegundos, 360 representa un ciclo completo en
grados y 16.67 es el período que demora un ciclo en
milisegundos.
4. PRUEBAS CON EL SISTEMA PROPUESTO
A continuación, se ha hecho una comparación de
medidas de voltaje y corriente con la ayuda de un
Osciloscopio portátil.
4.1. Comparación de medida del voltaje y corriente
Para determinar que los datos obtenidos y mostrados
por el sistema propuesto son aceptables se los comparó
con los datos obtenidos por medio de un osciloscopio.
Al medir los mismos parámetros de voltaje (color
celeste) y corriente (color amarillo) de la misma carga,
con las respectivas atenuaciones de las puntas de prueba
para medir un valor de voltaje de red de 120 Vrms, se
observó la similitud de la gráfica de la Fig. 6 con la
gráfica de la Fig. 3. Con estas pruebas se corroboró que
los datos obtenidos con el sistema propuesto son
correctos.
Figura 6: Medidas de Voltaje y Corriente de una carga inductiva
de pruebas obtenidas con un osciloscopio DSO2012
4.2. Comparación de medida del factor de potencia
Con el osciloscopio se midió el voltaje y la corriente
para determinar el desfase existente entre las señales
medidas en la carga inductiva de prueba por medio de
las funciones que este instrumento posee. Y con esto,
en la Fig. 7 se observó un desfase 4.40 ms en el instante
de cruce por cero correspondiente a 95º grados que se lo
calcula mediante (1).
Figura 7: Medida del desfase entre voltaje y corriente de una
carga inductiva de prueba obtenida con un osciloscopio DSO2012
El tiempo de desfase de 4.40 ms obtenido con el
osciloscopio es cercano al tiempo que se obtuvo con la
información de la Tabla 1 con la Raspberry Pi, donde se
observó un tiempo de desfase de 4.10 milisegundos
correspondiente a un ángulo de 88.5 grados. La
diferencia entre los valores de tiempo de desfase se debe
a los tiempos de muestreo que posee cada instrumento
de medida, en este caso la tarjeta Arduino UNO tiene
una frecuencia de muestreo de 8.152 Khz y está
programada a 9600 baudios en la lectura de datos y el
cálculo de desfase lo hace de manera automática
mientras que en el osciloscopio lo hacemos de manera
manual
4.3. Análisis del factor de potencia de una residencia
Para estimar los parámetros eléctricos de consumo
de una residencia con el medidor propuesto se lo ha
conectado al tablero de distribución principal del
domicilio y se lo ha dejado conectado por un lapso de
10 horas aproximadamente. Una vez estabilizado el
funcionamiento del equipo se registraron, los valores
eficaces de corriente, tensión y potencias. Las cargas
conectadas a este tablero de distribución fueron las
siguientes: computador de escritorio con monitor (PC),
horno de microondas (HM), televisor led de 40 pulgadas
(TV), equipo de sonido (ES) y lámpara fluorescente
balasto electrónico (LFC).
Con las señales de voltaje, corriente y ángulo de
desfase obtenidas en la sección 3 se determinó el
diagrama fasorial para la correspondiente representación
vectorial de tensión y corriente como se muestra en la
Fig. 8.
Figura 8: Diagrama Fasorial de Voltaje y Corriente.
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Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue II, Enero 2019
El fasor V corresponde a una onda sinusoidal de
frecuencia angular ω y con un ángulo de desfase de 0°,
mientras que el fasor I es una onda sinusoidal de
frecuencia angular ω y con un ángulo de desfase -φ con
respecto al fasor V.
(3)
(4)
Utilizando las ecuaciones de voltaje (3) y corriente
(4) se obtuvo la potencia p(t) que es igual al producto
entre la tensión v(t) y la corriente i(t) como se lo puede
observar en (4).
(5)
Desarrollando matemáticamente como se muestra a
continuación se obtuvo la ecuación (6) a partir de la
expresión (5).
y mediante las siguientes identidades trigonométricas:
Se obtuvo la expresión (6) para la potencia
instantánea.
(6)
En la expresión (6) se puede observar que la
potencia instantánea es una señal sinusoidal de
frecuencia doble a la de la tensión aplicada, y que oscila
en torno a un valor promedio de (7).
(7)
donde P se denomina potencia media, potencia real o
potencia activa, y corresponde a la potencia que realiza
el trabajo.
La expresión (6) de la potencia instantánea p(t), se
puede reescribir como se muestra en (8) usando la
siguiente identidad trigonométrica:
(8)
donde Q se denomina potencia fluctuante, potencia
oculta o potencia reactiva como se muestra en (9).
(9)
La potencia instantánea se puede descomponer en
dos partes. Una onda sinusoidal de frecuencia doble que
oscila en torno a la potencia activa (7), y una segunda
componente de magnitud igual a la potencia reactiva (9)
que oscila en torno a cero. Esto significa que la potencia
reactiva tiene promedio cero, y por lo tanto no realiza
trabajo.
Los valores de la potencia (7) y (9) dependen del
valor del desfase φ entre las ondas de voltaje y
corriente. Es decir, si el desfase φ es igual a 0°, la
potencia activa (7) será igual a la potencia instantánea
(6). Sin embargo, si el desfase entre ellos es de -90°
entonces la potencia activa (7) será igual a cero. Por
otro lado, la potencia aparente se determinó con la
ecuación (10).
(10)
Para el cálculo del factor de potencia se ha utilizado
la ecuación (11), la cual muestra como resultado un
valor típico de una residencia que tenía conectadas las
cargas ya mencionadas al inicio de esta sección.
(11)
En la Tabla 2 se presenta una muestra de la
tabulación de los parámetros de potencias obtenidos en
un lapso de conexión de 10 horas aproximadamente,
enviados por la Raspberry Pi hacia la nube, por medio
de los cuales se obtuvo la gráfica de potencias como se
puede apreciar en la Fig. 9.
A continuación, se analizó el efecto que tiene el
factor de potencia encontrado. Primero se dedujo que el
mismo fue producido por el uso de cargas inductivas no
lineales que se mencionaron al inicio de esta sección.
De forma gráfica se puede apreciar en la Fig. 10 que
afecta a la señal de tensión provocando distorsiones en
la forma de onda, la misma que se dibujó utilizando el
medidor propuesto en este trabajo.
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Tipan et al. / Determinación del factor de potencia mediante el uso de SBC en clientes residenciales
Tabla 2: Potencias Activa, Reactiva y Aparente.
Date/Time.
P [W]
Q [VAR]
S [VA]
8/5/18 09:35
51.18
22.92
60.14
8/5/18 09:36
50.44
22.46
58.93
8/5/18 09:37
53.69
22.13
58.08
8/5/18 09:38
52.68
21.72
56.98
8/5/18 09:39
54.93
22.64
59.41
8/5/18 09:40
55.94
23.06
60.51
8/5/18 09:41
72.45
29.87
78.37
8/5/18 09:42
108.32
45.24
118.71
8/5/18 09:43
38.75
15.97
41.92
8/5/18 09:44
37.40
15.42
40.46
8/5/18 09:45
42.46
17.50
45.93
8/5/18 09:46
41.00
16.90
44.35
8/5/18 09:47
44.82
18.48
48.48
8/5/18 09:48
47.29
19.49
51.15
8/5/18 09:49
39.88
16.44
43.13
8/5/18 09:50
40.44
16.67
43.74
8/5/18 09:51
38.75
15.97
41.92
8/5/18 09:52
39.31
16.21
42.53
8/5/18 09:53
38.19
15.74
41.31
8/5/18 09:54
38.75
15.97
41.92
8/5/18 09:55
39.09
16.11
42.28
8/5/18 09:56
40.21
16.58
43.50
8/5/18 09:57
39.08
16.53
43.38
8/5/18 09:58
45.16
18.61
48.84
8/5/18 09:59
45.04
18.57
48.72
8/5/18 10:00
44.71
18.43
48.36
8/5/18 10:01
44.82
18.48
48.48
8/5/18 10:02
45.04
18.57
48.72
8/5/18 10:03
46.17
19.03
49.94
8/5/18 10:04
44.71
18.43
48.36
8/5/18 10:05
44.82
18.48
48.48
Figura 9: Muestra Diagrama de potencias. Potencia activa (color
azul), potencia reactiva (color rojo) y potencia aparente (color
verde).
Figura 10: Señal de voltaje distorsionada debido al factor de
potencia presente
Luego, con la ayuda de Simulink de MATLAB se
determinaron los armónicos presentes en la señal de
voltaje como se observa en la Fig. 9. Se puede apreciar
fluctuaciones y picos producidos por las cargas
presentes en el domicilio, que en definitiva afectaran la
red de distribución por la inyección de armónicos.
Figura 11: Armónicos obtenidos de la señal de voltaje medida
Para obtener la gráfica de la Fig. 11 se tomaron
muestras en el rango de los 500 Hz y un valor de
distorsión armónica (THD) del 1.52%. Al analizar dicha
gráfica, se pudo observar que la presencia de los
armónicos provoca las pequeñas distorsiones en la curva
de voltaje, las distorsiones provocadas en la corriente
por el uso de cargas no lineales no se las puede apreciar
ya que como se mencionó en la Sección 1 al hacer la
adquisición de esta señal solo se debe trabajar con la
parte positiva de ella por requerimientos de la tarjeta
Arduino sin que esto afecte a la medida del desfase
entre la señal de voltaje y corriente. Si se suman estas
distorsiones provocadas por un domicilio (distorsiones
que a simple vista parecen insignificantes) se obtendrá
una distorsión significativa que con el tiempo terminará
afectando la red de distribución si no se toman medidas
correctivas para el mejoramiento del factor de potencia.
Tales medidas podrían ejecutarse utilizando cargas
lineales o cargas no lineales eficientes con tecnología
que corrija automáticamente la deficiencia en el FP.
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Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue II, Enero 2019
5. ANALISIS Y COMPARACION DE LA
ESTIMACION DEL FACTOR DE POTENCIA
FRENTE A OTRO SISTEMA DE MEDICION
Para este análisis se realizó una comparación con un
equipo de medición inteligente AEOTEC conectado al
tablero eléctrico de centro de carga del hogar objeto de
estudio, mismo punto en el cual el sistema propuesto
también está conectado por un lapso de 10 horas, las
medidas enviadas por este equipo corresponden a
potencia activa , reactiva y energía, el factor de potencia
no lo representa como un numero o dato indicado, pero
para la comparación se ha utilizado la ecuación 11 para
poder obtener ese dato y así poder compararlo con este
sistema arrojando los resultados mostrados a
continuación en la Tabla N-3.
Tabla 3: Potencias Activa, Reactiva y Aparente
Date/Time.
FP
[SBC]
FP
[smart
meter]
Error %
Desviacion
absoluta
8/5/18 09:35
0.851
0.815
4.43%
0.03
8/5/18 09:36
0.856
0.832
2.93%
0.03
8/5/18 09:42
0.9125
0.903
1.04%
0.01
8/5/18 09:57
0.901
0.894
0.73%
0.01
8/5/18 10:13
0.918
0.906
1.35%
0.01
8/5/18 10:28
0.885
0.870
1.72%
0.02
8/5/18 10:43
0.979
0.953
2.76%
0.03
8/5/18 10:59
0.916
0.893
2.52%
0.03
8/5/18 11:19
0.941
0.926
1.67%
0.02
8/5/18 11:38
0.922
0.907
1.69%
0.02
8/5/18 12:58
0.9245
0.916
0.93%
0.01
8/5/18 15:04
0.901
0.895
0.64%
0.01
8/5/18 15:19
0.932
0.926
0.69%
0.01
8/5/18 15:37
0.924
0.912
1.28%
0.01
8/5/18 16:12
0.939
0.926
1.45%
0.01
8/5/18 16:29
0.9245
0.918
0.75%
0.01
8/5/18 16:57
0.937
0.920
1.90%
0.02
8/5/18 17:14
0.936
0.926
1.12%
0.01
8/5/18 17:32
0.937
0.931
0.65%
0.01
8/5/18 17:48
0.939
0.926
1.45%
0.01
8/5/18 19:16
0.9245
0.918
0.75%
0.01
8/5/18 19:54
0.9345
0.942
0.79%
0.01
8/5/18 20:31
0.9545
0.942
1.30%
0.01
Rango de Medida= 0.09
Promedio= 0.9218
Figura 12: Comparación del FP frente a al medidor
inteligente propuesto (Smart Meter)
Del análisis comparativo se determina que el sistema
propuesto para la estimación del factor de potencia
presenta ciertas deficiencias de error y seguimiento
frente a un medidor comercial principalmente en
regímenes de carga y descarga de ciertos equipos como
refrigeradores, en la figura 9 se presenta estos picos de
potencia activa en el momento de la carga típica de un
refrigerador, nuestro sistema tiende a seguir la curva
característica del factor de potencia (figura. 12)
calculado por un medidor inteligente pero no llega a su
valor real, los errores son superiores al 2% pero el
comportamiento esperado es bueno presentado una
respuesta aproximada, estas deficiencias pueden deberse
a que la obtención de la curvas de corriente por medio
del sensor efecto hall no son las adecuadas para cargas
de comportamiento no lineal, al medir el ángulo de
desfase entre voltaje y corriente podemos estimar el
factor de potencia para cargas de bajo contenido
armónico o cargas con aproximaciones lineales, se debe
hacer énfasis en mencionar que el acondicionamiento de
señal se lo hace para una tarjeta Arduino la cual no
acepta valores negativos por ende la adquisición y
muestro de la señal de corriente no muestra la distorsión
como tal pero si mantiene el desfase para poder estimar
el factor de potencia
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Es posible medir el factor de potencia residencial
con equipos de bajo costo si se determina el ángulo de
desfase existente entre el voltaje y la corriente que se
consume en dicho domicilio. Cabe recalcar que en el
presente trabajo para la obtención de corriente se utilizó
un sensor de efecto Hall y para medir el voltaje un
acondicionador de voltaje ZMPT, ambos controlados
por una tarjeta Arduino UNO.
Se utilizaron dos tarjetas electrónicas. La primera es
una tarjeta Arduino UNO y la segunda es una tarjeta
Raspberry Pi modelo B1. La primera tarjeta mencionada
se encarga de controlar los sensores de voltaje y
corriente y adquirir datos para enviarlos a la segunda
73
Tipan et al. / Determinación del factor de potencia mediante el uso de SBC en clientes residenciales
tarjeta que se encargará de mostrar resultados a través
de una pantalla conectada a la misma y a través de una
aplicación de Android. Además, al mismo tiempo la
segunda tarjeta se encarga de almacenar los datos en la
nube. Se utiliza Arduino UNO con la finalidad de crear
un sistema embebido descentralizado e independiente de
la Raspberry Pi para que esta última sólo actúe como
servidor y administrador de otros sistemas de medición
embebidos que pudieran ser creados.
En las señales de voltaje obtenidas si se puede
apreciar la distorsión en la forma de onda esto se debe a
la utilización de un sensor específico para trabajar con
una tarjeta Arduino. El sensor ZMPT101 ya posee el
acondicionamiento de señal adecuado para que pueda
trabajar en los rangos de voltajes establecidos y
requeridos por la tarjeta Arduino. En la señal de
corriente no se pudo apreciar de cierta manera las
distorsiones en su forma de onda, esto se debe a que la
utilización del sensor efecto Hall el STC-013-100A que
estamos usando genera señales de salida negativas y
positivas las cuales al ser acondicionadas para poder
utilizarlas en una tarjeta Arduino nos limitan a obtener
toda la característica en forma de la onda. Pero su
desfasamiento en comparación al voltaje permanece
intacto, un desarrollo a profundidad de este
acondicionamiento sin duda mejoraría nuestra propuesta
notablemente, pero los resultados obtenidos son
bastante aproximados comparándolos con un medidor
inteligente.
Este trabajo evaluó el efecto que causa el factor de
potencia en la señal de voltaje a partir de un medidor de
energía eléctrica inteligente que es la continuación de un
trabajo previo mencionado en [6]. Se realizó la
estimacion y análisis del factor de potencia y se observó
los efectos del mismo en la potencia activa y reactiva
provocadas por las cargas más representativas y de uso
cotidiano en una residencia de tipo promedio y que se
mencionaron en la sección 4.3.
De acuerdo al resultado obtenido con el análisis del
factor de potencia realizado en este trabajo, se concluyó
que el factor de potencia de 0.92 calculado es más bajo
que el requerido por la empresa distribuidora EEQ de la
zona (Empresa Eléctrica Quito). La EEQ menciona
dentro de sus normas de diseño un factor de potencia
idóneo de 0.95 de acuerdo a [8]. En base a este
resultado se considera que el domicilio estudiado
presenta un elevado consumo de energía reactiva
respecto a la activa, lo que produce una excesiva
circulación de corriente que con el paso del tiempo
podría provocar daños por efecto de sobrecargas o
recalentamientos. Por otro lado, al analizar el domicilio
de pruebas se determinó que el bajo factor de potencia
podría deberse a la presencia de equipos no eficientes y
a la utilización prolongada de lámparas LFC.
Con el presente trabajo se pretende ayudar a las
personas concientizándolas del consumo eléctrico en sus
domicilios para que hagan un adecuado uso de los
electrodomésticos de los mismos. En trabajos futuros se
pretende obtener un hogar inteligente y eficiente que
consuma sólo la energía eléctrica necesaria para reducir
el factor de potencia y con ello el costo de sus facturas
de consumo eléctrico. Además, de conseguir un hogar
inteligente autoajustable al consumo eléctrico se
pretende proporcionar a los usuarios el control del
mismo a través de una aplicación móvil de acceso
remoto.
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Luis Fernando Tipán. - Nació en
Quito en 1982. Recibió su título de
Ingeniera Electrónica en Control de
la Escuela Politécnica Nacional en
2008. Recibió su título de Maestría
en Eficiencia Energética en
Escuela Politécnica Nacional en
2015. su campo de investigación se
encuentra relacionado con la Electrónica de Control
basada en tarjetas inteligentes, domótica y, Electrónica
de los Sistemas de Potencia en energías alternativas.
José Alcides Rumipamba. -
Nació en Ambato en 1986.
Recibió su título de Ingeniera
Electrónica en Control y Redes
Industriales de la Escuela
Politécnica de Chimborazo en
2012. Luego, obtuvo su título de
Master Universitario en
Automática y Robótica en la Universidad Politécnica de
Madrid en 2016. Su campo de investigación se
encuentra relacionado con la Electrónica de Control
basada en tarjetas inteligentes en la domótica y Visión
Artificial aplicada a la Robótica para ayudar a personas
discapacitadas.
75