Cómo medir voltaje, corriente y potencia

Desde el punto de vista de la instrumentación, las medidas de corriente se realizan con acondicionamiento frontal o sensores como derivaciones, transformadores de corriente (TC), sensores de efecto Hall y bobinas Rogowski.  NI tiene una variedad de opciones de hardware tanto para medidas directas con un módulo como para conexión a sensores externos y equipos de acondicionamiento.  La Tabla 1 muestra los módulos compatibles con el chasis CompactRIO y el chasis CompactDAQ para medidas de corriente.  

Todos los módulos enumerados en la tabla 1 utilizan entradas muestreadas simultáneas con un ADC de 24 bits de 50 kS/s por canal.  Los módulos de medidas de corriente y voltaje de las tablas 1 y 2 respectivamente se sincronizan cuando se instalan juntos en un chasis CompactDAQ o CompactRIO. La sincronización de canales es necesaria para medidas más precisas de fase y potencia.

^{Tabla 1: NI tiene una variedad de módulos de la serie C para medidas de corriente.  Todos los módulos emiten formas de onda completas para su procesamiento con LabVIEW u otro software de medidas y análisis.}

^{Figura 1: El NI 9229, NI 9239, NI 9227 y NI 9238 tienen un conector de dos terminales (izquierda) para cada canal de medidas.  Los protectores están disponibles (derecha), y se recomiendan, para liberación la tensión y evitar conexiones del operador a circuitos activos.}

^{Figura 2: Los módulos NI 9246 y NI 9247 tienen TC integrados en el módulo, grandes clasificaciones de sobrecorriente y aceptan cables de hasta 10 AWG con terminales de anillo para medidas de corriente más alta.  Las medidas directas con estos módulos serán más precisas y con una respuesta de frecuencia más alta que con la mayoría de los TC/sensores externos.  Ambos módulos pueden soportar 500 ARMS por 1 segundo y 1250 ARMS por 1 ciclo.}

Las siguientes ilustraciones muestran cómo conectar físicamente los módulos a un circuito para medida de corriente.  Una regleta de enchufes conectada a un tomacorriente residencial se usa con fines de demostración, pero este concepto se escala desde electrodomésticos individuales en niveles de servicio residencial (120VAC/240VAC), hasta voltajes de servicios públicos.  NOTA:  Los niveles de transmisión y distribución de servicios siempre utilizarán sensores externos (TC/PT).

^{Figura 3: Para la conexión directa del módulo, el cable de carga (negro en los EE. UU.) se corta y se conecta a las terminales AI+ y AI- de un solo canal.  Se mide la corriente que pasa a través del módulo.  En la imagen de arriba con el empalme en el cable, el módulo medirá la corriente que fluye a todos los dispositivos conectados a la regleta de enchufes.}

^{Figura 4: Para la medida del módulo con un TC, el cable de carga (negro en los EE. UU.) se pasa a través de la abertura del TC, ya sea a través de un TC de núcleo dividido o cortando/reempalmando el cable.  Luego, los cables del TC se conectan a AI+ y AI- del módulo de medida.  El módulo medirá toda la corriente en la línea que se enruta a través de la abertura del TC.  La escala se realiza en software para convertir la salida de voltaje/Amp del sensor al amperaje de escala completa en el circuito.}

Transformadores de corriente (TC)

Los transformadores de corriente (TC) son sensores que se utilizan para reducir linealmente la corriente que pasa a través del sensor a un nivel más bajo compatible con la instrumentación de medidas.  El núcleo de un transformador de corriente tiene forma toroidal o anillada con una abertura en el centro.  El cable se envuelve alrededor del núcleo para formar el secundario y se cubre con una cubierta o carcasa de plástico.  El número de bobinados de cable alrededor del núcleo dicta la relación de reducción, o relación del TC, entre la corriente en la línea medida (primaria) y la salida de corriente conectada a la instrumentación (secundaria).  El cable de carga que se va a medir se pasa a través de la abertura en el centro del transformador de corriente.  Ejemplo: Un TC con una relación de 500:5 significa que una carga de 500 ARMS en la línea principal resultará en una salida de 5 ARMS en el secundario del TC.  El instrumento medirá 5 ARMS en las terminales y puede aplicar una entrada de factor de escala por parte del usuario para mostrar los 500 ARMS completos.  Los TC se especifican con un valor nominal, pero por lo general la precisión se indica en más del 100% del valor nominal.  Los TC pueden ser de núcleo dividido o núcleo sólido.  Los TC de núcleo dividido se abren con bisagras o tienen una sección extraíble para permitir que el instalador conecte el TC alrededor de un cable de carga sin desconectar físicamente el cable de carga que se va a medir.

Alerta de seguridad:  Aunque el TC puede conectarse físicamente alrededor de una línea instalada, la alimentación debe desconectarse de manera segura antes de la instalación de un TC.  Las conexiones secundarias abiertas con alimentación en el primario pueden generar potenciales de voltaje extremadamente peligrosos.

Las opciones para compra de TC incluyen rango nominal, diámetro de apertura, núcleo dividido/sólido, tipo de salida (voltaje/corriente) y rango de salida (0.333VRMS, ±10V, 1ARMS, 5ARMS, etc.).  Los proveedores de TC a menudo pueden personalizar un sensor para necesidades específicas, como el rango de entrada o salida.

^{Figura 5: Los TC de núcleo dividido suelen tener una bisagra o una sección extraíble para instalarlos alrededor de una línea sin desmontarlos físicamente, aunque la alimentación debe estar desconectada. (Imagen de cortesía de Magnelab)}

^{Figura 6: Los TC de núcleo sólido son más económicos, pero pueden requerir más mano de obra para instalarlos en circuitos que ya están operando.
(Imagen de cortesía de Magnelab)}

Ancho de banda de medidas del TC

El ancho de banda de 1kHz a 2kHz es suficiente para la mayoría de las aplicaciones de calidad de energía del circuito de AC. Para aplicaciones de mayor frecuencia, conecte directamente al NI 9246 o NI 9247 para un ancho de banda de hasta 24 kHz o seleccione los TC de mayor frecuencia que sean más costosos.  Todos los módulos enumerados en la tabla anterior tienen un ancho de banda de aproximadamente 24 kHz para señales conectadas directamente.  Los TC de alta frecuencia son más especializados y tienen especificaciones de ancho de banda en el rango de cientos de MHz.  Las velocidades de muestreo de los módulos de medida NI 9215, NI 9222 y NI 9223 varían de 100kS/s/canal a 1MS/s/canal a 16 bits de resolución para medidas de frecuencia más alta.

Para medidas de alta frecuencia más allá de las capacidades del NI 9223, NI recomienda un osciloscopio o digitalizador para PXI diseñado para sistemas de laboratorio, investigación y pruebas. 

Medida de corriente DC

Los TC no miden la corriente de DC ni el componente de compensación de DC de una señal de AC.  Para la mayoría de las aplicaciones de alimentación AC, esto no es necesario. Cuando se necesita medida de DC, el NI 9227 tiene derivaciones calibradas integradas y puede medir corriente DC de hasta 5 Amps.  Para medir más de 5 Amps de DC, se utiliza una derivación de medidas de corriente de alta potencia (ver a continuación) o un sensor de efecto Hall (ver a continuación) conectado al módulo de medidas apropiado.

Bobinas Rogowski

Las bobinas Rogowski, a veces denominadas "TC de cuerda", son otra opción de sensor para medir la corriente en una línea.  Las bobinas Rogowski son similares en el sentido de que envuelven el cable de carga, pero son flexibles, tienen una abertura mucho más grande que los TC estándares y el principio de medida es diferente.  Las bobinas Rogowski inducen un voltaje que es proporcional a la tasa de cambio de la corriente y, por lo tanto, requieren que el circuito integrador se convierta en corriente proporcional.  El integrador es una caja/componente separado que generalmente se monta en un panel o en un riel DIN, requiere una fuente de alimentación de DC y emite señales de bajo voltaje o corriente a la instrumentación.  El tamaño y la flexibilidad de las bobinas Rogowski las hacen ideales para colocarse alrededor de barras colectoras más grandes que se encuentran en edificios comerciales o fábricas, especialmente cuando ya están construidas y se agrega la medida de potencia como modificación, pero son más costosas que un TC de rango de entrada comparable.

^{Figura 7: Las bobinas Rogowski requieren alimentación externa, circuitos de integración (ubicados en la caja negra montable en la imagen de arriba) y son más costosas que los típicos TC de núcleo sólido/dividido, pero ofrecen una respuesta de fase rápida y son buenas para instalaciones de actualización y medidas de barras de bus grandes debido a su gran apertura flexible. (Imagen de cortesía de Magnelab)}

Sensores de efecto Hall

Los sensores de efecto Hall se basan en el "efecto Hall", llamado así por Edwin Hall, donde el flujo de corriente a través de un semiconductor colocado perpendicularmente a un campo magnético generará un potencial de voltaje a través del material semiconductor. Para efectos de la medida de corriente, los circuitos de efecto Hall se colocan perpendicularmente en el núcleo del campo magnético y emiten un voltaje que se escala a la carga actual en la línea medida.  Los TC de efecto Hall generalmente tienen una mejor respuesta de frecuencia y pueden medir la compensación de DC, pero son más costosos, requieren energía y pueden estar sujetos a variaciones de temperatura.

^{Figura 8: Los sensores de efecto Hall tienen un circuito de detección perpendicular al campo magnético y requieren alimentación.  Los sensores de efecto Hall no están sujetos a límites de saturación como un TC y pueden medir corrientes de DC, pero son más costosos.}

Resistores de derivación de corriente

Las derivaciones de medida de corriente, o resistores de derivación de corriente, son resistores colocados en el circuito con el propósito de medir la corriente que fluye a través de la derivación.  Estos son componentes eléctricos bastante comunes y existen para una variedad de aplicaciones.  El tamaño de una derivación se basará en el rango de corriente de medida, el rango de salida y la potencia que fluye a través del circuito.  Hay resistores de precisión más costosas disponibles para una mayor precisión.  Las derivaciones no envuelven el cable del circuito y se colocan en línea como un componente.  Esto elimina una barrera de aislamiento entre el circuito medido y el equipo de medida y puede hacer que la instalación sea más difícil que un TC o una bobina Rogowski.  Sin embargo, las derivaciones pueden medir corrientes de DC, tener una mejor respuesta de frecuencia y una mejor respuesta de fase.  El módulo NI 9238 para CompactRIO y CompactDAQ fue diseñado con un extremo frontal analógico de rango bajo (±0.5V) específicamente para resistores de derivación de corriente.  Además, el NI 9238 cuenta con 250 V de aislamiento entre canales.

Las siguientes compañías de terceros tienen transformadores de medidas de corriente y voltaje, sensores de efecto Hall y/o bobinas Rogowski en su catálogo.  Los distribuidores de componentes electrónicos como Digi-Key Electronics suelen vender resistores de derivación de corriente.

www.magnelab.com

Magnelab ofrece una variedad de productos de medidas de voltaje y corriente, incluyendo transformadores de corriente (TC), transformadores de potencial (PT), bobinas Rogowski, TC de alta frecuencia y más en una variedad de niveles de señal de salida.

www.verivolt.com

Verivolt tiene una variedad de sensores, conectores y productos de aislamiento diseñados para aplicaciones de medidas de potencia.  Además, varios sensores tienen una gran capacidad de ancho de banda y opciones de conectividad BNC para una conexión rápida a módulos de medidas BNC como NI 9223, NI 9222 y NI 9215.

^{Figura 9: Verivolt tiene una variedad de sensores con conectividad BNC que pueden conectarse directamente a cualquier módulo de NI con conectores BNC.  Los módulos de entrada analógica con conectividad BNC incluyen NI 9229, NI 9239, NI 9215, NI 9222 y NI 9223. (imágenes izquierda/centro cortesía de Verivolt)}

En el alcance de este documento, las medidas de voltaje se refieren a los sistemas de alimentación AC a niveles de voltaje industriales y de servicios públicos que van desde 120 VRMS para el servicio residencial regional hasta más de 750 kV para sistemas de voltaje extra alto (EHV) en un sistema de transmisión para una red eléctrica.  La instrumentación diseñada para aplicaciones de servicios públicos de alto voltaje incorpora requisitos como seguridad, terminales de cable de mayor calibre, mayor disipación térmica y pruebas específicas de certificación.  La mayoría de los instrumentos diseñados para medir la alimentación de AC tienen un rango de entrada de varios cientos de voltios.  Los voltajes más altos, por encima de 1,000 VAC, generalmente requieren un transformador de potencial (PT) externo para reducir el voltaje que se va a medir a un rango que sea compatible con la mayoría de la instrumentación.

Al igual que los módulos de medida actuales, todos los módulos enumerados en la tabla 2 utilizan entradas muestreadas simultáneas con un ADC de 24 bits de 50kS/s por canal.  El chasis CompactDAQ y CompactRIO sincronizará los módulos de medida de voltaje en la tabla a continuación con los módulos de medida de corriente enumerados en la tabla 1, que se necesita para medidas de potencia y fase más precisas.

^{Tabla 2: NI tiene una variedad de módulos de la serie C para todas las formas de medidas de voltaje.  Todos los módulos emiten datos de forma de onda completa para su procesamiento con LabVIEW u otro software de medidas y análisis.}

^{Figura 10: El NI 9242/44 tiene grandes terminales de entrada y alta protección contra sobrevoltaje para uso en aplicaciones de energía y servicios públicos de AC. (se muestra con la cubierta protectora instalada)}

El equipo de medidas de alta velocidad, como se describe en este documento, proporciona datos de forma de onda similares a la imagen a continuación.  En esta captura de datos de LabVIEW, la forma de onda verde es la forma de onda de voltaje de un tomacorriente de oficina de 120 VRMS, y la forma de onda roja es la medida de corriente correspondiente para una bombilla fluorescente compacta más antigua.  El módulo de medida de voltaje y el módulo de medida de corriente se sincronizan a través de señales compartidas en el chasis CompactDAQ o CompactRIO.  Esto es importante para algunas aplicaciones, ya que el cambio de fase entre las formas de onda de voltaje y corriente es un parámetro de la calidad de la energía que se monitorea y, sin un muestreo simultáneo, es difícil determinar si ese cambio proviene de la instrumentación o del circuito.

^{Figura 11: Diseñar un panel frontal de LabVIEW para mostrar datos de forma de onda y resultados de cálculos de potencia.}

En este punto del sistema de medidas, los datos de forma de onda de los módulos se utilizan para calcular cualquier parámetro de calidad de energía deseado.  Algunos de estos cálculos son bastante simples, mientras que otros son cálculos complejos agregados durante varios ciclos, segundos o minutos para determinar la calidad final.

LabVIEW tiene varias paletas de funciones diseñadas para procesamiento de señales y formas de onda y ofrece toolkits adicionales para procesamiento y cálculos de formas de onda de potencia.  El NI LabVIEW Electrical Power Toolkit proporciona funciones de análisis para todos los cálculos de potencia fundamentales que se discuten en este documento y está disponible para descargar en línea. Las siguientes funciones de análisis se incluyen con la versión completa de NI LabVIEW Electrical Power Toolkit y cumplen con el estándar IEC 61000-4-30:2008:

• Frecuencia de potencia
• Magnitud del alimentación de voltaje
• Parpadeo
• Caídas y subidas de alimentación de voltaje
• Interrupciones de voltaje
• Desequilibrio de alimentación de voltaje
• Armónicos de voltaje
• Voltaje de señales de la red en la alimentación de voltaje
• Cambios rápidos en voltajes (RVC)
• Medidas de parámetros bajo la derivación y sobre la derivación

Las siguientes funciones de análisis cumplen con el estándar EN 50160:2007:

• Medida de potencia
• Medida de energía
• Agregación (demanda)

Programar usando lenguajes basados en texto

El controlador NI-DAQmx para CompactDAQ tiene soporte de API para LabVIEW, C, C++, Measurement Studio y puede soportar guardar datos en formatos de archivo abiertos para usar en Excel u otros lenguajes de programación de software.  

Es importante tener en cuenta para los programadores basados en texto que los VIs de análisis de Electrical Power Toolkit solo están disponibles para el entorno de desarrollo de LabVIEW y no están disponibles para su uso con CVI, C, C++ o Measurement Studio.

Monitoreo permanente del motor de instalación

Los sistemas de monitoreo de activos se utilizan para evitar fallas en dispositivos críticos, como bombas grandes, ventiladores, correas, etc., al monitorear parámetros físicos y eléctricos para determinar de manera inteligente cuándo una máquina necesita mantenimiento.  La firma actual de un motor grande puede ayudar a detectar ineficiencias como desequilibrio o fallas mecánicas como barras rotas de rotor. La Tabla 3, a continuación, enumera los componentes del producto recomendados para una aplicación de monitoreo de motor.

^{Tabla 3. Componentes recomendados de un sistema de monitoreo de motor instalado permanentemente.}

Prueba de electrodomésticos y dispositivos eléctricos

Los sistemas de prueba basados en PC para electrodomésticos residenciales o comerciales aumentan la productividad de los equipos de trabajo de diseño y pruebas y mejoran la calidad del producto.  Una clasificación de las pruebas es para fines de I&D, como por ejemplo:

• HALT (prueba de vida útil altamente acelerada)
• V&V (validación y verificación)
• Pruebas de certificación o pre-certificación
• Análisis de causa raíz RMA (autorización de devolución de mercancía)

Además, los sistemas de prueba de electrodomésticos se pueden construir para pruebas de línea de fabricación automatizadas que garanticen que el dispositivo se enciende y los LEDs funcionan.  La Tabla 4, a continuación, enumera los componentes del producto recomendados para un sistema de pruebas de electrodomésticos o dispositivos eléctricos.

^{Tabla 4. Componentes recomendados de un electrodoméstico u otro sistema de pruebas de dispositivo eléctrico de sensores mixtos.}

Dispositivos electrónicos inteligentes (IEDs) para aplicaciones de servicios públicos

Las aplicaciones para el hardware de NI en la industria de servicios públicos cubren el uso en dispositivos de red para medidas, control y protección, tales como:

• IEDs
• RTU (unidades de terminal remota)
• DFR (registradores digitales de fallas)
• Controladores de reconectador, interruptores inteligentes y relés
• Unidades de medidas de fasores (PMU)
• Analizadores de calidad de energía y analizadores de armónicos
• Controladores de micro-redes y renovables (almacenamiento, aplicaciones de reducción fotovoltaico, controladores de micro-redes)

La Tabla 5, a continuación, enumera los componentes de productos recomendados para los sistemas inteligentes implementados en una red de servicios públicos en una casa de control de subestación, patio de equipos o en un gabinete de montaje en pedestal o poste del sistema de distribución.

^{Tabla 5. Componentes recomendados para dispositivos inteligentes de medidas y control implementados en una red eléctrica.}

La medida de mejor calidad para voltaje, corriente y potencia será utilizando módulos e instrumentación que ofrezcan medidas directas en el módulo, como con el NI 9227, NI 9246 o NI 9247.  Recuerde considerar todos los rangos operativos pertinentes (estado estable, irrupción/arranque, falla, etc.) del circuito al seleccionar el rango de entrada/salida del TC y el rango de entrada del módulo de la instrumentación.  A partir de este valor predeterminado, la siguiente tabla puede servir como una guía para otras opciones de sensores. (no es una respuesta definitiva, ya que muchos factores pueden influir en la selección) Consulte a los proveedores de sensores, como Magnelab y Verivolt, para obtener asistencia sobre la selección definitiva del sensor.

Comenzando con una conexión de módulo directa como opción predeterminada, utilice la siguiente tabla como guía.

^{Tabla 6. Guía para seleccionar una solución de medidas de corriente.}

CompactRIO y CompactDAQ son sistemas basados en chasis y diseñados para pruebas, medidas, control y monitoreo.  Con más de 100 módulos de medidas disponibles, usted puede diseñar una solución personalizada de medidas mixtas que cumpla con sus necesidades en un solo instrumento.  Para aplicaciones de potencia, puede agregar más medidas de circuitos agregando más módulos en el mismo chasis o combinar potencia con otras medidas como temperatura, presión y vibración para sistemas completos de pruebas de I&D o sistemas completos de monitoreo de activos.

Los chasis NI CompactDAQ están disponibles en opciones de 1, 4, 8 y 14 ranuras y usan conectividad USB, WiFi o ENET para comunicarse con una PC Windows. Los controladores CompactDAQ también están disponibles y básicamente tienen una PC integrada que elimina la necesidad de una PC externa.  Los controladores CompactDAQ están diseñados para operaciones móviles, robustas o remotas de pruebas y monitoreo (sin interfaz de usuario conectada). PARA: Los chasis NI CompactDAQ están disponibles en opciones de 1, 4, 8 y 14 ranuras y utilizan conectividad USB o Ethernet para comunicarse con una PC Windows.  

Aprenda más sobre CompactDAQ.

CompactRIO es un sistema de control y monitoreo programable con un procesador multinúcleo, sistema operativo en tiempo real, FPGA programable y compatibilidad con todos los módulos de la serie C de NI y de terceros.  CompactRIO permite a los expertos construir controladores de E/S integrados y sistemas de monitoreo para ayudarlos a resolver sus problemas.

Aprenda más sobre CompactRIO.

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