Instrumentación de Verdadero Valor Eficaz. Osciloscopios.
Los osciloscopios son equipos que permiten visualizar la forma de onda de una señal, pudiendo medir los parámetros que la caracterizan.
Los osciloscopios tradicionalmente se han utilizado en laboratorios, manejados por ingenieros y adaptados a ellos. Eran equipos de banco, de grandes dimensiones, pesados y alimentados a red, sin embargo, a medida que se han ido añadiendo equipos con rectificadores y fuentes de alimentación a las instalaciones, ha sido necesario que el uso se haya tenido que extender a los técnicos de mantenimiento de plantas industriales, instaladores eléctricos, etc. De los requerimientos manifestados por estos nuevos usuarios fue necesario desarrollar osciloscopios de mano, preparados para aplicaciones en campo. Fue necesario diseñar equipos robustos, de un tamaño adecuado, fáciles de usar y alimentados a baterías. Entre los primeros equipos que aparecieron fueron a principios de los 90, los ScopeMeter PM 93, 95 y 97, desarrollados por Philips y Fluke que integraban en un equipo de mano un osciloscopio y un multímetro. Hoy en día existen en el mercado diferentes osciloscopios portátiles de distintos fabricantes y con prestaciones, robustez y facilidades de uso también diferentes.
Los osciloscopios portátiles actuales suelen tener dos canales, funciones de multímetro y de registrador, permitiendo medir corriente, tensión, resistencia, valores de pico, condensadores, factor de cresta y desfases.
Figura 8: Osciloscopio digital Fluke
Los osciloscopios portátiles facilitan la localización de averías en entornos eléctricos e industriales donde haya equipos electrónicos, al permitir visualizar la deformación de las señales, y medir valores de pico, factores de cresta y el verdadero valor eficaz de la señal. Permiten conocer de forma rápida si en un punto de medida hay ruidos, armónicos, cortes en la señal, sobretensiones, picos esporádicos, etc. Permiten conocer la forma de onda característica de consumo de corriente o de tensión de diferentes tipos de cargas, con lo que de forma rápida se puede conocer si el funcionamiento es correcto o no.
La figura 9 muestra una pantalla típica de un equipo de estas características que está midiendo una forma de onda de corriente a la entrada de un convertidor de frecuencia trifásico:
Figura 9.- Corriente de entrada en un convertidor de frecuencia PWM trifásico. Como se puede observar, la señal tiene dos picos por semiperiodo, lo que quiere decir que el convertidor está funcionando en trifásico. Si sólo tuviese un pico por semiperiodo entonces el convertidor de frecuencia estaría funcionando en monofásico, bien por avería, bien por decisión de programación.
Instrumentación de verdadero valor eficaz. Medidores de armónicos.
Permiten medir todos los parámetros relacionados con los armónicos como el orden del armónico, su frecuencia, el valor eficaz de cada armónico, y la distorsión total armónica.
Existen algunos que reúnen en un solo equipo un multímetro de verdadero valor eficaz (tensión, corriente, resistencia, capacidad, diodos y frecuencia), un osciloscopio (visualización de la forma de onda, dos canales, ancho de banda), y un medidor de armónicos (Medida de hasta el armónico de orden 51, THD, espectro armónico, potencia, cos φ, factor de potencia) y otras posibilidades relacionadas con la calidad de la red como fluctuaciones, transitorios, o también corrientes de arranque, temperatura, etc.
Figura 10: Analizador de armónicos Fluke
Como se observa en la figura 11 aparece el espectro armónico, el THD, la corriente, y en la parte derecha el orden del armónico, la frecuencia, la corriente de ese armónico, su THD particular y el desfase con respecto a la componente fundamental. En este caso la distorsión armónica es del 68%. Si este punto de medida correspondiese a los transformadores en la entrada de la instalación significaría que la proporción de armónicos requiere tomar medidas correctivas. En el ejemplo mostrado, los armónicos más perjudiciales son el 5 y el 7, por lo que habría que filtrarlos, a través de un compensador activo o a través de filtros pasivos o transformadores de decalaje.
Figura 11. Espectro armónico de una señal de corriente medida con un Analizador Eléctrico con osciloscopio automático incorporado.
La información que estos equipos deben ser capaces de presentar son múltiples. Hay que tener en cuenta que el precio es superior al de un multímetro. Por ello, y puesto que la adquisición de estos equipos supone una inversión importante para el instalador, o el técnico de mantenimiento, es deseable que estos equipos sean multifuncionales, y que integren en una sola herramienta funciones de medidor de armónicos, multímetro, osciloscopio y registrador y que, como equipo de mano, sea robusto, seguro y fácil de utilizar. Ya que, se trata de que el equipo sea una ayuda para el usuario y no un problema adicional al que ya tiene el de localizar, medir, cuantificar y solucionar el problema de los armónicos.
En la figura 12 se muestran algunas de las características que este tipo de instrumentos debe poseer.
Figura 12
Figura 13: Menú de selección de un medidor de armónicos, con otras funciones integradas.
Comparativa entre los distintos instrumentos de medida. Ejemplo de medida.
Consideremos el ejemplo de la figura 14 que representa una lámpara alimentada por una tensión y cuya intensidad luminosa es controlada por un regulador electrónico. En paralelo con la lámpara y el regulador hay un enchufe para realizar las medidas de tensión.
Ejemplo: Carga electrónica, medida realizada con un ScopeMeter Fluke 123
Figura 14.- Lámpara con un regulador de luz, alimentada por la tensión de red a 220V. En las gráficas podemos ver que la tensión (le red es de 224.6 V., el valor de pico 309 Vpico, y la forma de onda de corriente que atraviesa el regulador está distorsionada, con lo se puede deducir que tiene armónicos.
Se observa con un osciloscopio como la forma de onda de tensión que alimenta a la bombilla y al regulador es senoidal, en tanto que la de corriente que circula por la lámpara y el regulador está distorsionada. Utilizando distintas herramientas para realizar la medida de esta señal de corriente se obtiene la siguiente tabla 4:
Tabla 4.- Comparativa entre distintos equipos de medida
En este ejemplo se ha tomado como referencia el multímetro de verdadero valor eficaz, por ser, normalmente, el instrumento de mayor precisión para medida de tensión y corriente.
Recomendación final sobre el uso de instrumentación de medida:
Independientemente de la herramienta de medida que se utilice, ya sea un multímetro o una pinza amperimétrica basada en el valor medio o verdadero valor eficaz, un osciloscopio o un analizador de armónicos, es fundamental conocer cuales son las prestaciones y limitaciones del instrumento de medida. De este conocimiento se deriva una mejor realización del trabajo, por comprender hasta donde se puede llegar con el medidor o hasta donde se puede confiar en la lectura, dependiendo del lugar donde se esté realizando la medida.
También es importante que se utilicen instrumentos de medida y accesorios que cumplan con la normativa de seguridad vigente. En particular es recomendable que los multímetros, pinzas y accesorios cumplan con el máximo nivel de seguridad, esto es CAT III 600 o 1000 V según la norma EN 61010.
FUENTES:
La amenaza de los armónicos y sus soluciones (Ángel Alberto Pérez Miguel, Nicolás Bravo de Medina, Manuel Llorente Antón)
Catálogos FLUKE
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