Este artículo se realiza en colaboración con Vasiliy Orkin, alumno de Sistemas Electrotécnicos y Automatizados del centro Salesiano San José de Salamanca, gracias al cual se ha dispuesto también del montaje eléctrico utilizado.
El Pzem-004T es una dispositivo en kit electrónico que permite realizar multitud de medidas en CA con una muy buena precisión. Se dispone de librerías para Arduino y Esp32 muy sencillas, que junto con los bloques de microlsb.es hace que sea muy rápido y fiable programar una lectura de magnitudes como Intensidad, Potencia útil, o factor de potencia, entre otras.
Se va a considerar el factor de potencia igual al coseno de phi de la instalación, despreciando posibles armónicos (que se dan al introducir condensadores), y otros aspectos que pueden hacer que varíen ligeramente los resultados.
Bloque para Esp32 #
Localización de los bloques en Sensores:
El primer bloque es el que obtiene medidas eléctricas:
Y el segundo se utiliza para resetear el contador de energía, que es la única magnitud acumulable de las anteriores, ya que energía es igual al producto de potencia por tiempo.
Cableado #
Actualmente, microlsb.es está preparado para conectar el PZEM a los pines 16 y 17 ya que se comunica por Modbus RTU internamente a través del segundo puerto serie del Esp32, que está en dichos pines. Por tanto, Tx a GPIO 16 y Rx a GPIO 17:
Además, la parte del circuito de medida se conecta de la siguiente forma, en un ejemplo en el que se mediría el consumo de cualquier elemento conectado a la regleta de la imagen:
Ejemplos #
Enviando una sola lectura #
Enviar un valor por puerto serie es muy sencillo, solo se necesitan dos bloques:
Resultados comparados:
Activación de salidas en función de una lectura de potencia #
Se realiza un programa mediante el cual, si el consumo leído es mayor de tres Watios, se activa la salida 15, y si no, se mantiene apagada. Además, que se muestre la lectura de potencia en el ordenador por el puerto serie.
La finalidad de este programa, puede ser, por ejemplo, tener un avisador luminoso de en qué momento un receptor está encendido o apagado. Es un caso muy simple pero fácilmente extrapolable a automatizaciones mucho mas interesantes, como el control de cargas en función del consumo instantáneo en una instalación.
Solución:
Varias lecturas simultáneas #
Se va a enviar la medida de intensidad y factor de potencia cada segundo por el puerto serie al ordenador. Para ello, es posible seleccionar el bloque para imprimir datos, por ejemplo cada segundo y el bloque para imprimir varios datos, junto con texto:
Mas información en: https://didactronica.microlsb.es/docs/datos-en-pantalla-de-pc-por-puerto-serie
Y el texto:
Solución:
Resultados obtenidos:
Medida energía y reseteo a cero #
El PZEM incluye una memoria no volátil en la que va almacenando la energía consumida desde su último reinicio. El bloque Reiniciar contador permite poner a cero el contador, que mide en kWh. En la siguiente imagen se muestra cómo reiniciarlo cada vez que se accione un pulsador en el GPIO 2:
Ejemplo de medida de energía, intensidad y factor de potencia y su monitorización por el puerto serie, junto con el posible reseteo de la energía medida mediante un pulsador en el GPIO 2:
Resultados obtenidos antes de resetear:
Resultado tras reseteo:
Cálculo de la potencia aparente y reactiva #
El bloque siguiente permite calcular otros parámetros si le incluimos los valores de tensión, intensidad y fdp.
Se puede encontrar en el apartado «Magnitudes» o directamente en «Sensores».
En el siguiente ejemplo se envía al puerto serie el cálculo de la potencia aparente y reactiva, introduciendo a mano la tensión y con las lecturas de intensidad y fdp de un PZEM:
Medida del factor de potencia y compensación de energía reactiva #
En el siguiente programa se va a medir la intensidad, la potencia útil y el factor de potencia. Esos datos se van a enviar a internet, por Wifi MQTT, al servidor io.adafruit.com. Para no saturar el servidor, se enviará cada magnitud en secuencia de 2,5 segundos, por tanto, cada lectura de potencia, por ejemplo, se publicará cada 7,5 segundos.
Además, se va a utilizar el bloque del apartado anterior para calcular la potencia aparente y reactiva, que se enviarán al ordenador por el puerto serie.
- Programa:
- Análisis de los resultados obtenidos:
Las medidas obtenidas de intensidad y factor de potencia, al monitorizar un tubo fluorescente, sin compensar y compensando la reactiva, son las siguientes:
Obsérvese como acercar el fdp a 1 hace que baje mucho la intensidad necesaria para mantener la potencia útil demandada por el dispositivo:
P = V*I*cos(fi)
En la gráfica anterior se aprecia perfectamente la ventaja principal de la compensación de reactiva.
Los resultados leídos por el puerto serie de potencia aparente (VA) y potencia reactiva (var):
Al añadir un condensador en paralelo a la instalación, las nuevas medidas son:
Los valores anteriores de potencias encajan perfectamente si se hace un análisis del triángulo de potencias antes y después de la compensación:
La comparación final de medidas realizadas, en contraste con los cálculos teóricos realizados, se muestra en la siguiente tabla, en la que se aprecia la precisión del PZEM:
Justificación teórica
Observa cómo al compensar la reactiva de la instalación, el factor de potencia (cos(φ)) pasa de 0,32 a 0,8. Esto hace que, para entregar la misma potencia útil (aproximadamente 27W en ambos casos), la intensidad demandada por el receptor en el caso compensado es muy inferior, casi la mitad:
0,15A < 0,32A.
Fi representa el desfase entre la onda de tensión e intensidad provocado por las cargas inductivas, en un sentido, y las capacitivas en el contrario.
Averigüemos los ángulos cuyos cosenos son 0,32 y 0,8. Esta función la realiza el arcocoseno.
Arccos(0,36) = 68,9 grados
Arccos(0,8) = 36,86 grados
Se puede comprobar que los resultados son correctos si realizamos el cálculo de la potencia útil y aparente en cada caso, siendo el caso sin compensar el que se indicará con subíndice 1 y el compensado con subíndice 2:
P = V 1 *I1*cos(φ1) = 236 * 0,32 * 0,36 = 27,18 W
P = V2 *I2*cos(φ2) = 236* 0,14* 0,8 = 26,4 W
S1 = V1 *I1= 236 * 0,32 = 75,52 VA
S2 = V2 *I2 = 236* 0,14 = 33,04 VA
Potencia reactiva:
La reactiva de la instalación pasa de la correspondiente a un ángulo de 68,9 grados a 36,86 grados. La reactancia en cada caso es:
Q1 = P*tan(φ1) = 27 * tan(68,9) = 70 var
Q1 = P*tan(φ2) = 27 * tan(36,86) = 20,3 var
Qc = Q1 – Q2 = P*(tan(φ1) – tan(φ2)) = 49,7 var
La capacidad del condensador necesario para realizar la compensación anterior, sería:
C = Qc / ((V^2)*2Pif) = 49,7 / ((236^2)*2Pif) =2,9 µF
En el panel trabajado se instalaron 3 condensadores en serie, de 9, 9 y 10 µF, lo que da una capacidad resultante de 3,1 µF. Las diferencias en los resultados obtenidos pueden ser debidas a errores de cálculo y , principalmente, a la distorsión armónica introducida en la onda de intensidad al conectar los condensadores a la instalación.
