El aumento de empresas y el incesante crecimiento productivo de los diversos sectores económicos han acrecentado programas que contribuyen al consumo sostenible de la energía eléctrica, todo esto con el fin de promover una cultura de ahorro. El uso de herramientas normadas y calibradas es esencial, con ellas se puede realizar un monitoreo constante de los diversos parámetros eléctricos de la industria. El prototipo cuenta con una STM32F7 como sistema microcontrolado para el procesamiento digital de señales en tiempo real, asimismo, la elección de sensores de voltaje y corriente para la correcta funcionalidad del mismo. El prototipo puede rivalizar con medidores comerciales, puesto que su rango de error en pruebas es mínimo, siendo así que se tienen un error promedio que no supera el 10 %. Con los resultados obtenidos se concluye que el prototipo es aplicable, siendo este una opción viable y económica para una auditoría energética, limitado solamente por la cantidad de prototipos que se pueden crear para una posible solución de aplicación del mismo.

Palabras clave STM32F7, auditoría, energía, FLUKE, medidor, procesamiento

El incremento de los procesos productivos en las industrias en los últimos años ha requerido de manera imperativa de diversas fuentes de energía, siendo la energía eléctrica la que destaca entre todas ellas, con el creciente uso de esta energía viene también el uso racional de la misma, puesto que los recursos naturales para su obtención son cada vez menores. Por lo cual el consumidor final debe transformarse en un ente activo capaz de tomar decisiones que le permita racionar el consumo de energía de manera consciente como lo mencionan López y Arias 1. Según Poveda 2 solamente el 37 % de la energía primaria generada se convierte en energía útil, con lo cual es preciso tener en cuenta que la eficiencia energética principalmente pretende reducir y mantener el consumo de energía, reduciendo las pérdidas que se generan en toda la transformación del proceso, generando así, mejores hábitos de consumo y optimizando la tecnología para obtener mejores beneficios.

Ante este escenario O'Driscoll et al. 3 formula que es necesario adoptar medidas para concientizar sobre el uso racional de la energía eléctrica, además de las políticas de sensibilización, así como de sistemas que realicen informes de consumo que permitan el monitoreo continuo del consumo de energía y mediante un procesamiento de información, presentarla de manera simple y detallada.

En el 2014 ya se vislumbraba un futuro en el cual se use medidores inteligentes que implementen sensores de optimización de voltajes para mejorar el desempeño de la red eléctrica, todo esto con el fin de analizar y procesar datos para generar firmas de consumo 4, solo en Estados Unidos del mercado anual en redes inteligentes creció de USD. 42 millones en el 2014 a USD. 1 mil millones en el 2018, significando esto un ahorro en facturas de electricidad entre el 20 y 30 % según el tamaño del sistema 5, se espera que el mercado aumente a USD. 110.4 mil millones entre 2020 y 2026 6.

La innovación de diseños de medidores inteligentes está determinado específicamente por el mercado, en Estados Unidos, el enfoque de los medidores se basa en la detección de fallas y el aumento de la confiabilidad de la red, mientas que en Europa se encuentra enfocado mayormente en el cumplimiento de regulaciones y la administración del consumo del usuario, siendo que para el 2020 un muestreo respecto a la implementación de medidores inteligentes espera que se instalen al menos un 80 % de los clientes del mercado europeo 7.

Fabricantes de medidores industriales, ofrecen equipos con perfiles de carga que pueden ser programables, además de medición de tiempo de uso y en ciertos modelos, protocolos de comunicación ZigBee 8 que se encuentra interconectada a la red doméstica del usuario, todo esto con el fin de obtener información que puede ser usada para programar límites de consumo de energía 9[10].

Bajo este concepto han surgido varios equipos y prototipos de medición electrónicos, basados en microcontroladores que hacen uso de la tecnología conocida como Lectura Automática del Medidor (AMR, por sus siglas en inglés) 10, este método permite integrar sensores destinados a la medición de los parámetros energéticos, ya sea de manera local o inalámbrica, para el procesamiento digital de señales como lo detallan Corral et al. 11, todo esto con el objetivo de brindar información para la toma de decisiones.

El prototipo planteado se basa en el propuesto por Xian­Chun et al. 12 el cual, es un diseño de medidor inteligente de energía estándar trifásico, completamente modular para la medición de calidad de la energía eléctrica, con despliegue de información en una pantalla, el mismo que cuenta con fuente de alimentación independiente y un microcontrolador que procesa la información y la muestra en una pantalla.

Para cotejar y tener un paralelismo en la medición de datos, el prototipo es comparado con un medidor industrial FLUKE 1735 13, con el que se pretende calibrarlo para tener resultados con un error mínimo posible y poder utilizar el mismo como apoyo para una auditoría energética.

Una vez estructurado el prototipo y con el fin de encontrar posibles procesos donde exista un potencial ahorro energético, se realiza una auditoría energética, para así lograr una corrección de los procesos o la maquinaria que está realizando un gasto innecesario, lo que se traduce en un ahorro del costo en planillas de electricidad y mejoramiento en el funcionamiento técnico del sistema como lo explican Muñoz et al. 14. Las acciones correctivas aplicadas conllevan en reducción de gastos por reparación de averías y correctivos no planificados.

A fin de optimizar un proceso y tener una mejora en el consumo de energía se debe realizar previamente una auditoría, la cual debe estar enfocada en identificar los fallos que requieran ser corregidos y ejecutar con ellos programas de eficiencia energética para mejorar el consumo y reducir gastos.

El contexto de auditoría energética es muy amplio y ambiguo, puesto que puede ir desde una inspección rápida para detectar pequeños problemas, hasta una investigación más detallada, con el fin de lograr los niveles de eficiencia solicitados. La auditoría energética es un proceso secuencial (ver Fig. 1) y debe cumplir varios procedimientos antes de elaborar un informe de actividades correctivas detalladas 14.

Como solución posterior a una auditoría energética, están los balances de fase y reconfiguración de alimentadores, según Ruiz et al. 15, este realiza un enfoque para minimizar los costos operativos y de inversión, basándose en la curva de carga del sistema en estudio, todo esto mediante el planteamiento a corto y mediano plazo de la operación de los equipos, obteniendo del mismo disminuciones en pérdidas de hasta un 10 %.

El objetivo del presente artículo es diseñar e implementar un medidor de energía eléctrica trifásico como herramienta para una auditoría energética, el cual permitirá realizar correcciones en focos de potencial ahorro energético, mediante el análisis de datos históricos tomados por el equipo, dichas propuestas deben estar acompañadas del consumo actual, el consumo estimado al aplicarla, la inversión necesaria y rentabilidad de la mejora.

Figura 1: Procedimiento de una auditoría energética 14

Respecto al procesamiento de datos, se realizó mediante la tarjeta de control STM32f7 Discovery, la cual se muestra en la Fig. 2, esta tarjeta permite el desarrollo de aplicaciones debido a sus periféricos, su versatilidad y principalmente porque los procesadores de la serie STM32F7 proveen instrucciones para el procesamiento digital de señales en tiempo real. inferior 16 Entre las principales aplicaciones se tiene: soporte de audio, soporte de video, conexión múltiple de sensores, seguridad y conectividad de alta velocidad; así como de la disposición de conectores Arduino para ampliar su Hardware 17.

Para el diseño del acondicionamiento del voltaje, este incluye un divisor de tensión como se observa en la Fig. 3, sabiendo que el voltaje máximo utilizado para el acondicionamiento es de 3.3 voltios pico - pico, la caída de voltaje en la resistencia R DRS no deberá sobrepasar este valor. Para el cálculo de la caída de tensión, se utilizará la Ecuación 1 correspondiente a un divisor de tensión

Realizando los cálculos se obtiene el valor de R DRS de 1.07 kΩ se decide utilizar una resistencia estandarizada R DRS de 1 kΩ para el circuito.

El cálculo de la potencia se calcula mediante la Ecuación 3.

Con lo cual se obtiene que la disipación de la resistencia dada por R DR con un valor de 0.12 W y por R DRS es de 0.001 W. Se ha elegido resistencias de 1/4 de vatio al 1 % de tolerancia.

Para minimizar el ruido, se utilizará un amplificador operacional en modo diferencial con fuente externa de 1.65 V 18, el cual adecúa la salida de voltaje a los valores límites, que pueden ser leídos por el conversor AD, el circuito implementado se encuentra detallado en la Para el diseño del acondicionador de corriente, se debe calcular la resistencia de carga, la misma que es directamente proporcional a la corriente de línea, el principio de medición se puede observar en la

Donde R IR es el valor de la resistencia de carga para el transformador de corriente, V MAX es el voltaje máximo que soporta el conversor AD (el valor es 3.3 V), I Max es la corriente pico -pico máximo que se entrega el transformador de corriente (100 mA para el transformador SCT­013­00) 19.

Realizando el cálculo se obtiene un valor de R IR de 33 Ω , para el diseño se utilizará una resistencia estandarizada, menor al valor calculado para obtener un margen de seguridad, el valor de resistencia seleccionado es de 27 Ω .

Al igual que con el acondicionamiento de voltaje, el cálculo de la potencia se determina mediante la aplicación de la Ecuación 3, obteniendo un valor de potencia para R IR de 0.08 W, por esta razón se ha elegido resistencias de 1/4 de vatio al 1 % de tolerancia.

Como el sensor entrega valores positivos y negativos, se decide, al igual que con el acondicionamiento de voltaje, el uso de un amplificador operacional en modo diferencial, para adecuar los valores que entrega el sensor a los niveles de voltaje que trabaja el conversor AD del sistema micro procesado 18, el circuito implementado se observa en la Fig. 6. Seleccionados los sensores y calculados algunos parámetros de resistencias y fuentes de alimentación se puede acoplar todo en un solo módulo, en la Fig. 7, se observa el diagrama de bloques del prototipo, en donde se aprecia de manera general las conexiones y distribución que tienen los módulos que conforman este equipo. el voltaje instantáneo atrasado un cuarto de periodo, i k la corriente instantánea 20.

Potencia aparente:

Donde, S es la potencia aparente, v RMS el voltaje RMS, i RMS la corriente RMS 20.

El cálculo de armónicos se realiza mediante la Transformada Rápida de Fourier (FFT), para aplicar la misma, es necesario tener un número de muestras igual a una potencia de dos (2 n ). Por esta razón, para realizar la FFT se toma valores instantáneos de voltaje y corriente cada 3 muestras, que permite obtener 1024 valores de cada señal en 200 ms, con estos valores y con la ayuda de la FFT se realiza el cálculo de los armónicos de orden 0 al 9 de voltaje y corriente 20.

THD voltaje:

Donde, THD v es la distorsión armónica total de voltaje, v k es la magnitud del armónico k, v 1 es la magnitud del primer armónico de voltaje 20.

THD corriente:

Donde, THD i es la distorsión armónica total de corriente, i k es la magnitud del armónico k, i 1 es la magnitud del primer armónico de corriente 20.

Para comprobar la funcionalidad del prototipo, se realizaron pruebas comparando el equipo con un analizador industrial marca FLUKE, para lo cual se utilizaron cargas resistivas e inductivas conectadas a la red trifásica para adquirir diferentes niveles de corriente, además de otros parámetros necesarios.

Con el fin de minimizar errores en el prototipo con los datos obtenidos en las pruebas realizadas se obtuvieron constantes de calibración las cuales fueron agregadas a la programación del prototipo con el fin de minimizar los errores en la toma de datos. Una vez calibrado el prototipo, se compararon los datos con los obtenidos por el analizador industrial FLUKE, los cuales se pueden observar en las Tablas 1 y 2. Los valores de error obtenidos en la Tabla 1 y 2 son comparados con la norma EN 50160 21 de calidad de energía, en la cual se establece un máximo de ± 5 % para mediciones de voltaje. Los valores mostrados en la Tabla 3 fueron obtenidos mediante una iteración de datos, corrigiendo de esta manera el error que presenta el prototipo al momento de la medición de potencia activa y reactiva. Con los datos obtenidos por el prototipo y el analizador FLUKE, se obtiene una regresión lineal de las lecturas, de donde se adquiere constantes para la calibración, así como valores de offset que serán sumados al valor adquirido por el prototipo.

Realizadas las correcciones en la programación, se ha conectado el prototipo y el analizador FLUKE a la red trifásica para adquirir los valores de voltaje RMS de las fases A, B y C. Los valores fueron tomados simultáneamente en intervalos de tiempo de 10 minutos entre lecturas, los cuales se muestran en la Fig. 8. 20. Respecto a las corrientes, al igual que con las mediciones de voltaje, los valores de corriente fueron tomados en intervalos de tiempo de

El diseño y la implementación del prototipo de medición trifásico de energía es satisfactorio, permitiendo adquirir datos que se asemejan a los adquiridos por un medidor trifásico industrial, el error en las mediciones no supera el 10 % comparándolo con el medidor FLUKE comercial utilizado en auditorias y mediciones energéticas, se puede concluir que el prototipo es muy acertado en cuanto a la adquisición de datos, con lo cual se puede ratificar que las mediciones tomadas por el prototipo desarrollado, se encuentran dentro de los parámetros y se puede utilizar el mismo para una auditoría energética.

Considerando que el prototipo se ha desarrollado con elementos de bajo costo, para poder acceder a una acreditación normada para su uso comercial, el mismo debe ser calibrado y restructurado tanto en software y hardware para poder realizar una correcta adquisición de datos, todo esto para poder cumplir con los parámetros de la Norma IEC 61000­4­30 22 y norma EN 50160 21.

El uso de la transformada rápida de Fourier para el análisis de los datos obtenidos fue de utilidad en la implementación del software de procesamiento de datos, es importante tener en cuenta que, para emplear esta estrategia, se debe considerar el periodo de muestreo, el número de muestras y el periodo de agregación de los datos para el procesamiento.

Respecto a una posible mejora en el sistema, se propone el uso de una FPGA como sistema microprocesado, todo esto con el objetivo de tener la posibilidad de ejecutar rutinas en paralelo y poder realizar un aumento en la frecuencia de toma de datos, con esto se puede evitar el conflicto al momento de ejecutar las rutinas.