7 Tecnología de medición en la gestión de la energía

7.2.1 Medición de la corriente

Los dispositivos que miden la corriente eléctrica se denominan dispositivos de medición de corriente o amperímetros. El símbolo de la corriente es I y la medición suele hacerse en amperios (A) (unidad del SI).

La figura 14 muestra una instalación sencilla en la que se quiere medir con un correntímetro la corriente eléctrica que circula por una resistencia R. La fuente de tensión se muestra aquí mediante su diagrama de sustitución con la tensión en vacío Uq y la resistencia interna Ri.

Medición de la corriente eléctrica I a través de la resistencia R

Ilustración 14: Medición de la corriente eléctrica I a través de la resistencia R
Basado en: Thomas Mühl, Einführung in die elektrische Messtechnik: Grundlagen, Messverfahren, Geräte, p. 89

El dispositivo de medición de corriente está conectado en serie. Como tiene una resistencia interna Ra, la carga de la fuente también varía. Por lo tanto, la corriente medida ya no se corresponde con la corriente real sin un dispositivo de medición. Por lo tanto, el instrumento de medición tiene una retroalimentación sistemática sobre la variable medida, que debe ser corregida para determinar la corriente real. En los dispositivos de medición de corriente de baja impedancia, es decir, Ra » Ri + R, la desviación de la medición debida a la realimentación puede, sin embargo, despreciarse.

7.2.2 Medición de tensión

La tensión eléctrica se mide con un dispositivo de medición de tensión o voltímetro. El símbolo de la tensión eléctrica es U y la unidad SI asociada es el voltio (V).

Para la medición de la tensión a través de una resistencia R, el dispositivo de medición se conecta en paralelo a la resistencia (Ilustración 15).

Spannungsmessung

Ilustración 15: Medición de la tensión
Basado en: Thomas Mühl, Einführung in die elektrische Messtechnik: Grundlagen, Messverfahren, Geräte, p. 91

También aquí, como en la medición de la corriente, se observa una retroalimentación por parte del dispositivo de medición. La tensión medida no se corresponde con la tensión real sin el aparato de medición.

Aquí se puede despreciar la desviación de la medición para Ra » R // Ri, por lo que las tensiones deben medirse con un aparato de medición con la mayor impedancia posible .

7.2.3 Resistencia transformadora de corriente (shunt)

Para la medición de grandes corrientes en particular, se utiliza un método en el que se integra una resistencia transformadora de corriente de baja impedancia en el circuito eléctrico. A continuación, un dispositivo de medición de tensión mide la tensión a través de la resistencia de detección de corriente definida con precisión y deduce la corriente a partir de ella. El shunt suele tener una resistencia inferior a 0,01 Ω .

7.2.4 Pinza de inyección de corriente

Una pinza de inyección de corriente permite medir las corrientes sin tener que desconectar el circuito eléctrico.

Una pinza de inyección de corriente alterna está formada por una bobina y un núcleo anular que se puede abrir. El conductor está rodeado por el núcleo anular, que induce una corriente secundaria en la bobina. A continuación, se mide la corriente secundaria y se puede deducir de ella la corriente primaria en el conductor.

Con una resistencia en el lado secundario, la corriente se puede convertir en una tensión proporcional y luego, por ejemplo, mostrarla en un osciloscopio o un multímetro.

Para medir la corriente continua, se puede utilizar una sonda Hall en el circuito de medición.

Las pinzas de medición de corriente actuales suelen ser dispositivos de medición múltiples que cuentan con diferentes sensores y posibilidades de medición (Ilustr. 16).

Estímulo para la medición de la tensión, el brillo y la tensión, las cápsulas y el ancho de banda en la zona HLK

Ilustración. 16: Pinza de inyección de corriente para medir la corriente alterna, la tensión continua y alterna, la capacitancia y la resistencia en el campo de la climatización
Fluke

7.2.5 Potencia eléctrica

Los instrumentos que miden e indican la potencia eléctrica se llaman medidores de potencia. La potencia se indica con el símbolo P y suele medirse en vatios (W) (unidad del SI).

En el circuito de corriente continua, la potencia puede determinarse fácilmente a través de la relación P = U² ÷ R y de las relaciones derivadas de la ley óhmica y P = I² – R.

La medición de la potencia en el circuito de corriente alterna debe abordarse de forma diferente, ya que la corriente y la tensión son entonces magnitudes alternas sinusoidales en función del tiempo. La potencia se convierte así en una cantidad dependiente del tiempo p(t) = u(t) – i(t), denominada potencia momentánea.

Si se promedia la potencia momentánea en el tiempo, se obtiene la potencia activa P. La potencia activa mantiene con los valores efectivos de corriente y tensión, I y U y el ángulo de desfase Φ la siguiente relación: P = U – I – cos (Φ).

La potencia reactiva Q no contribuye en promedio a un transporte de potencia al consumidor y resulta de Q = U – I – sin (Φ).

La potencia aparente S se calcula con los valores efectivos de corriente y tensión según la ecuación S = U – I berechnet , .

Cuanto mayor sea el desfase F (o cuanto menor sea el valor de cos (Φ)), mayor será la corriente I. Dado que las corrientes relativamente altas generan mayores pérdidas óhmicas en la red de distribución, la potencia reactiva es poco apreciada en la práctica.

La medición de la potencia reactiva puede, por ejemplo, determinarse con un dispositivo electrónico de medición que funcione sobre la base de un método de barrido. Los valores momentáneos de la corriente y la tensión i(t) y u(t) se miden en un tiempo determinado. Se determina el desfase entre la corriente y la tensión y se calcula la potencia reactiva.

La definición precisa de la cantidad medida también es importante en la medición de la potencia. Para el dimensionamiento de una red de distribución pueden interesar, por ejemplo, los valores máximos, mientras que para una medición de consumos son primordiales los valores medios.

7.2.6 Energía eléctrica (kWh)

La energía eléctrica suele indicarse en kilovatios hora (kWh). La energía representa la integración de la potencia durante un periodo de tiempo. En los dispositivos digitales, esto se hace multiplicando la diferencia de tiempo entre dos mediciones con la potencia observada durante ese periodo.

7.2.7 Potencia y energía (kWh)

Contadores enchufables

Los contadores de energía permiten medir fácilmente la potencia (W) y el consumo (kWh) de diversos dispositivos eléctricos. A menudo se puede mostrar la tensión de red (V) y el flujo de corriente (A). Normalmente, los aparatos se limitan a medir consumidores de 230 V, por lo que sólo pueden medir una fase.

El aparato de medición se conecta a la toma de corriente y, a continuación, el enchufe del aparato de consumo se conecta a la toma del aparato de medición. De este modo, se puede leer la información deseada en la pantalla. Estos contadores de energía contienen una compleja electrónica que funciona con bajas corrientes continuas. Por lo tanto, para el procesamiento de la tensión alterna de la red, estas señales de entrada analógicas deben recogerse a intervalos cortos. Los valores así obtenidos se procesan digitalmente (Ilustr. 17).

Mesa de control para la estomatología y la energía, con detector de datos y conector USB

Ilustr. 17: Dispositivo de medición conectado a la toma de corriente para la medición de potencia y energía, con almacenamiento de datos e interfaz USB
EMU Elektronik AG

Contadores de facturación

Un contador de electricidad sirve para medir la energía suministrada en kWh. Los contadores se colocan en cada unidad del edificio y son propiedad del proveedor de electricidad. La corriente es leída por los empleados de la empresa suministradora de energía o, en raras ocasiones, por los vecinos, y se utiliza como base para calcular el precio a pagar.

Existen dos contadores de electricidad fundamentalmente diferentes en cuanto a su funcionamiento, los contadores de electricidad electrónicos o digitales y los contadores de inducción mecánicos. En muchos edificios antiguos se siguen utilizando contadores electromecánicos de inducción (ilustración 18). En estos contadores, un disco de aluminio es puesto en rotación por un campo magnético giratorio. La velocidad de rotación del disco es proporcional a la potencia que se quiere medir, y el movimiento de rotación se transmite a un contador mecánico. El campo giratorio es creado por una bobina de corriente y otra de tensión, dispuestas a ambos lados del disco giratorio. La corriente eléctrica a medir fluye a través de la bobina de baja resistencia. La tensión se mide en la bobina, que tiene una resistencia muy alta y está conectada en paralelo. Los contadores electromecánicos se utilizan cada vez menos en favor de los contadores digitales.

Drehstromzähler

Ilustración 18: Contador trifásico
KMJ

Digitaler Stromzähler

Ilustración. 19: Contador digital de electricidad
GWF MessSysteme AG

Los contadores digitales de electricidad (Ilustración 19) determinan el consumo de energía con la ayuda de la medición electrónica. La visualización en el dispositivo también se realiza electrónicamente. Este tipo de medidor promete la máxima precisión gracias a la moderna tecnología de medición y a un amplio rango de medición. También tienen la ventaja de ofrecer interesantes funciones adicionales, como una tarifa de alimentación independiente o varias tarifas variables en el tiempo. Los datos pueden almacenarse, por ejemplo, para determinar la hora exacta de un pico de consumo. La lectura también puede hacerse a través de una interfaz de datos.

Hoy en día se habla cada vez más de contadores eléctricos inteligentes (Smart Meters, Ilustr. 20). Estos contadores son en realidad contadores electrónicos que tienen además una interfaz de comunicación así como, en la mayoría de los casos, un procesador interno con funciones adicionales o incluso «inteligencia». Estos contadores eléctricos con capacidad de comunicación permiten la lectura o el control a distancia. La comunicación puede ser bidireccional, lo que permite enviar tarifas dinámicas o información al cliente. Estos contadores también pueden transmitir órdenes de conmutación para, por ejemplo, rechazar cargas en periodos de máxima afluencia o conectar y desconectar consumidores. Hoy en día, el objetivo declarado del uso de contadores inteligentes suele ser hacer que los clientes sean más responsables de su consumo de electricidad. El cliente puede recibir información precisa sobre su consumo de energía. Por el contrario, la posibilidad de un seguimiento sostenible en tiempo real suscita controversias sobre la privacidad y plantea la cuestión de la protección de datos.

Medidor inteligente para el sector empresarial

Ilustración. 20: Contador inteligente para el sector artesanal
GWF MessSysteme AG

Contadores privados

Los contadores privados son contadores de electricidad que no se utilizan para la facturación. Por esta razón, tampoco están sujetos a un requisito de calibración y suelen ser más baratos que los contadores de facturación. Los contadores privados se utilizan para controlar y medir las distribuciones y salidas de corriente o para medir el consumo de electricidad de los consumidores individuales. El objetivo puede ser garantizar la seguridad del suministro durante el funcionamiento, prevenir fallos o determinar su causa, o medir el consumo de energía para la gestión de la misma.

En el mercado existen diversos productos, desde contadores de energía sencillos y económicos hasta aparatos de medición universales (Ilustración 21) y analizadores de redes con las más diversas funciones. Hoy en día, la mayoría de estos aparatos de medición son dispositivos electrónicos capaces de comunicarse. Pueden leer los datos de medición a través de los buses y recogerlos en las memorias de datos de medición. Pero también, para almacenar datos localmente en el dispositivo o para establecer valores de alarma, por ejemplo, en caso de una potencia demasiado alta o en función de otros parámetros de la red como la tensión, el flujo de imágenes, la tasa de distorsión o la tasa de ondas armónicas.

Aparato de medición universal para integración fija con microprocesador e interfaz de datos

Ilustración 21: Aparato de medición universal para integración fija con microprocesador e interfaz de datos
Janitza electronics GmbH

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