Diseño e Implementación de Un Sistema de Adquisición de Parametros de Un Motor de Inducción

®
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIUDAD MADERO

DIVISION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION
MAESTRIA EN INGENIERIA ELÉCTRICA
TESIS
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA

DE ADQUISICIÓN DE PARAMETROS DE UN
MOTOR DE INDUCCIÓN”
Que para obtener el grado de

Maestro en Ingeniería Eléctrica
Presenta:
Rey David Reyes Sosa
G08071310
Director de Tesis:
M.C. Rafael Castillo Gutiérrez
Altamira, Tamaulipas Junio 2018

Contenido
Página
Lista de Figuras ........................................................................................................... v
Lista de Tablas ............................................................................................................ ix
Agradecimientos ......................................................................................................... x
Dedicatorias ................................................................................................................ xi
Resumen ..................................................................................................................... xii
Abstract ....................................................................................................................... xiii
Capítulo 1: Introducción 1
1.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA ............................................................ 2

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................... 2
1.3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................. 3
1.4. OBJETIVOS ..................................................................................................... 4
1.5. HIPOTESIS ...................................................................................................... 4
1.6. ALCANCES ..................................................................................................... 5
1.7 LIMITACIONES .............................................................................................. 5
Capítulo 2: MATERIALES UTILIZADOS
2.1. ARDUINO MEGA 2560 .................................................................................. 8

2.1.1. Alimentación ..................................................................................... 9
2.1.2. Memoria ............................................................................................ 10
2.1.3 Entradas y Salidas ............................................................................. 10
2.1.4. Comunicaciones ................................................................................ 12
2.1.5. Programación .................................................................................... 12
2.1.6. Reinicio Automático por Software ................................................... 13
2.1.7. Protección Contra Sobrecorrientes en USB ...................................... 14
2.1.8. Características físicas y compatibilidad de shields ........................... 14
ii
Página
2.2. MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA .......................................................... 14
2.2.1. Motores de rotor de jaula de ardilla .................................................. 18
2.2.2. Conexión de los bobinados de un motor eléctrico trifásico .............. 19
2.2.3. Sistema de arranque directo de los motores trifásicos ...................... 20
2.3. POTENCIA EN SISTEMAS TRIFÁSICOS .................................................... 22
2.3.1. Conexión en estrella .......................................................................... 23
2.4. ANÁLISIS DE UN MOTOR TRIFÁSICO POR MEDIO DE SU PLACA
DE CARACTÉRISTICAS ............................................................................... 24
2.5. EFECTO HALL ............................................................................................... 27
2.5.1. Sensores de efecto Hall con salida lineal .......................................... 28
2.5.2. Sensor Hall de salida digital ............................................................. 30
2.5.3 Sensor Hall ACS712 ......................................................................... 31
2.6. SENSOR DE VOLTAJE ZMPT101B .............................................................. 35
2.7. SENSOR INFRARROJO DE TEMPERATURA ............................................ 36
2.7.1. Funcionamiento ................................................................................ 38
2.7.2. El bus i2C .......................................................................................... 40
2.7.2.1. Funcionamiento ................................................................................ 42
2.7.2.2. Ventajas y desventajas del protocolo i2C ......................................... 43
2.8. SERIE DE FOURIER EN FORMA COMPLEJA ........................................... 44
2.8.1. Desarrollo en serie de Fourier de f(t) en forma compleja ................. 46
2.8.2. Transformada Discreta de Fourier .................................................... 48
2.8.3. Uso de los coeficientes de Fourier para calcular el valor RMS de
una señal periódica ............................................................................ 49
2.8.3.1. Cálculo de valores RMS ................................................................... 50
2.8.3.2. Cálculo de los valores RMS de una señal periódica construida por
series de Fourier ................................................................................ 50
iii
Página
Capítulo 3: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN
3.1. CONSRTUCCIÓN DEL PROTOTIPO ........................................................... 54

3.2. PROGRAMACIÓN DEL ARDUINO ............................................................. 55
3.2.1. Medición de Temperatura ................................................................. 57
3.2.2. Funcionamiento del algoritmo basado en la T.D.F. .......................... 57
3.2.3. Transmisión de datos obtenidos a la plataforma MATLAB 2015® . 60
Capítulo 4: PRUEBAS Y RESULTADOS
4.1. PRUEBA CON MOTOR EN VACIO ............................................................. 63

4.2. PRUEBA CON MOTOR CON CARGA ......................................................... 68
4.3 PRUEBA DE ERROR DE CONEXIÓN ......................................................... 74
4.4 CONEXIÓN A MATLAB® 2015ª .................................................................. 79
Capítulo 5: CONCLUSIÓN Y TRABAJOS FUTUROS
5.1. CONCLUSIONES ............................................................................................ 89

5.2. RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS .............................. 90
Referencias 91
Apéndice A: Programa del prototipo 93
Apéndice B: Código de MATLAB 108
iv
Lista de Figuras
Página
Figura 2.1 Estructura de la Placa Arduino Mega 2560 ........................................ 9
Figura 2.2 Estructura de un motor asíncrono de inducción .................................. 15
Figura 2.3 Tipos de motores asíncronos basados en el devanado del estator ....... 17
Figura 2.4 Rotor de jaula de ardilla ...................................................................... 18
Figura 2.5 Estructura de un Motor con Rotor de Jaula de ardilla ......................... 18
Figura 2.6 Conexión estrella y delta respectivamente .......................................... 19
Figura 2.7 Conexión para el cambio de giro de un motor .................................... 20
Figura 2.8 a) Circuito de fuerza arranque directo. b) Curva Corriente/Velocidad
arranque directo. c) Curva Par/Velocidad arranque directo................. 22
Figura 2.9 Conexión en estrella de un sistema trifásico ....................................... 23
Figura 2.10 Ejemplo de placa de características de un Motor ................................ 24
Figura 2.11 Triangulo de potencias ........................................................................ 26
Figura 2.12 Diagrama del funcionamiento del efecto Hall .................................... 27
Figura 2.13 Estructura simplificada de un sensor Hall de salida lineal ................. 28
Figura 2.14 Características de transferencia de un sensor Hall lineal .................... 29
Figura 2.15 Estructura de un sensor de efecto Hall de salida digital ..................... 30
Figura 2.16 Placa con sensor ACS712 para Arduino ............................................. 32
Figura 2.17 Equivalencia del voltaje de salida del sensor ACS712........................ 34
Figura 2.18 Diagrama de conexión del sensor ACS712 a una carga ..................... 34
Figura 2.19 Sensor de Voltaje ZMPT101B ............................................................ 35
Figura 2.20 Diagrama de conexión del sensor de voltaje ....................................... 36
Figura 2.21 Sensor infrarrojo de temperatura MLX90614 ..................................... 37
Figura 2.22 Espectro de objetos negros .................................................................. 38
Figura 2.23 Composición del MLX90614 .............................................................. 39
v
Página
Figura 2.24 Gráfica de error de medición del MLX90614 ..................................... 40
Figura 2.25 Diagrama de conexión del protocolo I2C ........................................... 41
Figura 2.26 Funcionamiento del protocolo I2C ..................................................... 43
Figura 3.1 Diagrama de conexión del prototipo .................................................. 56
Figura 3.2 Diagrama de flujo de funcionamiento del prototipo ........................... 59
Figura 3.3 Modelo en Simulink para la comunicación entre Arduino y
MATLAB ............................................................................................
60
Figura 3.4 Bloque submódulo del programa en Simulink .................................... 61
Figura 4.1 Conexión del prototipo y el analizador de redes FLUKE para
pruebas con el motor............................................................................ 63
Figura 4.2 Resultados de las mediciones de voltaje y corriente tomados por el
analizador de redes FLUKE (en vacío) .............................................. 64
Prototipo (en vacío) ............................................................................ 64
Figura 4.4 Resultados de las mediciones de potencias y factor de potencia
tomados por el analizador de redes FLUKE (en vacío) ...................... 65
Figura 4.5 Resultados de las mediciones de potencia activa tomados por el
prototipo (en vacío) ............................................................................ 65
Figura 4.6 Resultados de las mediciones de potencia reactiva tomados por el
Figura 4.7 Resultados de las mediciones de potencia aparente tomados por el
Figura 4.8 Resultados de las mediciones de Factor de Potencia tomados por el
Figura 4.9 Resultados de las mediciones de ángulo de fase tomados por el
analizador de redes FLUKE (en vacío) ............................................... 67
vi
Página
analizador de redes FLUKE (con carga).............................................. 68
prototipo (con carga) .......................................................................... 68
tomados por el analizador de redes FLUKE (con carga) .................... 69
prototipo (con carga) ........................................................................... 69
Figura 4.17 Resultados de las mediciones del factor de potencia tomados por el
analizador de redes FLUKE (con carga) ............................................. 71
analizador de redes FLUKE (conexión errónea) ................................. 75
Figura 4.21 Resultados de las mediciones de voltajes y corriente tomados por el
prototipo (conexión errónea) ............................................................. 75
tomados por el analizador de redes FLUKE (conexión errónea) ........ 76
vii
Página
prototipo (conexión errónea) ............................................................... 76
Figura 4.25 Resultados de las mediciones de potencia aparente tomados por el
Figura 4.26 Resultados de las mediciones del factor de potencia tomados por el
analizador de redes FLUKE (conexión errónea) ................................. 78
Figura 4.29 Gráficas de voltaje por fase prueba 1 .................................................. 79
Figura 4.30 Gráficas de corriente por fase prueba 1 .............................................. 80
Figura 4.31 Gráficas de potencia activa por fase prueba 1 ..................................... 80
Figura 4.32 Gráficas de potencia reactiva por fase prueba 1 ................................. 81
Figura 4.33 Gráficas de potencia aparente por fase prueba 1 ................................. 81
Figura 4.34 Gráficas de Factor de potencia por fase prueba 1 ............................... 82
Figura 4.35 Gráfica de temperatura del rotor prueba 1 .......................................... 82
Figura 4.36 Gráficas de voltaje por fase prueba 2 .................................................. 83
Figura 4.37 Gráficas de corriente por fase prueba 2 .............................................. 84
Figura 4.38 Gráficas de potencia activa por fase prueba 2 ..................................... 84
Figura 4.39 Gráficas de potencia reactiva por fase prueba 2 ................................. 85
Figura 4.40 Gráficas de potencia aparente por fase prueba 2 ................................. 85
Figura 4.41 Gráficas de factor de potencia por fase prueba 2 ................................ 86
Figura 4.42 Gráfica de temperatura del rotor prueba 2 .......................................... 86
viii
Lista de Tablas
Página
Tabla 2.1 Aplicaciones de los sensores de efecto Hall ....................................... 31

Tabla 2.1 Tabla de valores de sensibilidad de los sensores ACS712 .................. 33
Tabla 2.2 Entradas para la comunicación I2C por arduino ................................. 44
Tabla 4.1 Error entre mediciones del analizador de redes y el prototipo
(en vacío) ............................................................................................. 72
Tabla 4.2 Error entre mediciones del analizador de redes y el prototipo
(con carga) ........................................................................................... 73
ix
AGRADECIMIENTOS
A la División de Estudios de Posgrado e Investigación (DEPI) del Instituto

Tecnológico de Ciudad Madero, por otorgarme la oportunidad de terminar mi Maestría.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) por su apoyo a través de

la beca otorgada con número 737859.
A todo el cuerpo académico de la Maestría en Ingeniería Eléctrica, por brindarme

apoyo en momentos difíciles.
Un agradecimiento especial al M.C. Joel Rodríguez Guillen por apreciada tutela y

asistencia en el tema sobre la Transformada Discreta de Fourier.
Mi sincero y sentido agradecimiento a mi asesor, el M.C. Rafael Castillo Gutiérrez,

por su apoyo para la realización de esta Tesis.
x
DEDICATORIA
A mi madre Rosa María Sosa Del Ángel que siempre me ha apoyado
incondicionalmente durante toda mi vida escolar y personal.
A mi padre Jorge Serapio Reyes González q.e.p.d. que siempre estuvo orgulloso de mí.
A mis hermanos Jorge Alberto Reyes Sosa y Sandy Lizeth Reyes Sosa por su compañía y
sus consejos en momentos difíciles.
A mis maestros: M.C. Aarón González R., el Dr. Rubén Salas C., la M. L. Gladis M.
Galiana B., al M.C Rafael Castillo G., el M.C. Hermenegildo Cisneros V., el M.C.
Eduardo Nacú Salas C., El Dr. Gasatón Hernández M., al M.C. José de Jesús Durón M.,
así como al Dr. Pedro M. García Vite, por sus enseñanzas y tutela que me brindaron
durante mi estancia en la maestría.
A mis amigos: Joel Rodríguez, Arturo Álvarez, Lizbeth Laurens, José Inés, Anselmo
Martínez, Edson Mares, Antonio Murillo, Eduardo Delgado, Cristian Abel, Eliel Wong,
Rosario Rivera, Alfredo Alejandre, Ricardo Turrbiates, Luis Ong y muchos más por su
amistad, consejos y buenos momentos que pasamos juntos.
xi
Diseño e Implementación de un Sistema de Adquisición de Parámetros de
un Motor De Inducción
Presenta: Ing. Rey David Reyes Sosa

Director de Tesis: Rafael Castillo Gutiérrez
Programa: Maestría en Ingeniería Eléctrica
Resumen
El siguiente trabajo propone el diseño y construcción de un sistema para adquirir los

parámetros de las fases de un motor de inducción (corriente, voltaje, potencia activa, potencia
reactiva, factor de potencia y ángulo de fase). Por medio de sensores de corriente de efecto
Hall y sensores de voltaje, se obtiene las corrientes y voltajes de cada fase de un motor de
inducción de cuatro polos rotor jaula de ardilla, de la marca LabVolt el cual tiene como
corriente nominal 1.5 A RMS y un voltaje nominal de 120 V RMS por fase. Utilizando un
algoritmo basado en la Transformada Discreta de Fourier programado en un Arduino Mega
2560, el cual es una plataforma de Hardware de desarrollo libre, se obtienen los valores RMS
de Voltaje, Corriente, Potencia Aparente, Potencia Activa y Potencia Reactiva por fase, así
como el Factor de Potencia y el Ángulo de fase. Un sensor de temperatura infrarrojo es
utilizado para medir la temperatura del rotor. Todos estos datos son desplegados en una
pantalla LCD para el correcto monitoreo de la condición operativa del motor al igual que
crea gráficas del comportamiento de éstas variables por medio de comunicación en serie con
MATLAB®.
xii
Design and Implementation of a Parameter Acquisition System for an
Induction Motor
Rey David Reyes Sosa
Abstract
The following paper proposes the design and construction of a system to acquire the
parameters of the phases of an induction motor (current, voltage, active power, reactive
power, power factor and phase angle). By means of Hall effect current sensors and voltage
sensors, currents and voltages for each phase are obtained for a LabVolt four-pole squirrel
cage induction motor, which has 1.5 A RMS nominal current and 120 V RMS nominal
voltage per phase. Using an algorithm based on the Discrete Fourier transform programmed
into an Arduino Mega 2560, which is a free development hardware platform, the RMS values
of Voltage, Current, Apparent Power, Active Power and Reactive Power per phase are
obtained as well as the Power Factor. An infrared temperature sensor is used to measure the
rotor temperature. All this data is displayed on an LCD screen for the correct monitoring of
the motor operating status as well as creating graphs of the behavior of these variables
through serial communication with MATLAB®.
xiii
Capítulo 1
INTRODUCCIÓN
En este capítulo se presenta una introducción sobre el trabajo propuesto, los

antecedentes, el planteamiento del problema, su justificación, así como los objetivos, la
hipótesis, sus alcances y sus limitaciones.
1
Introducción
1.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA.
En la industria de la generación de la energía eléctrica, existen dos clases diferentes

de generación de energía, estas son de corriente directa y de corriente alterna. El motor de
inducción cumple un papel importante ya que puede ser utilizado como generador de
corriente alterna.
El motor de inducción fue diseñado por Nikola Tesla, en 1882 con base en el
descubrimiento del campo magnético rotatorio, un principio fundamental en la física y uno
de los mayores descubrimientos en la historia. Este motor es utilizado en plantas de
generación de energía eléctrica, la cual se busca que satisfaga ciertos estándares de calidad.
Para esto se ha de mantener y asegurar la correcta operación del motor de inducción, lo cual
se puede alcanzar por medio del monitoreo de las condiciones operativas del motor, lo cual
involucra la medición de ciertos parámetros. [1]
La determinación de los parámetros del motor de inducción trifásico puede llevarse a

cabo mediante mediciones hechas a través de ciertas configuraciones de conexión de los
sensores [2]. La conexión de estos se realiza frecuentemente por medio de instrumentos para
acondicionar las señales de tal forma que las magnitudes a sensar estén dentro del rango de
medición del instrumento. Los cálculos requeridos para determinar los parámetros se pueden
realizar de forma manual o utilizando un sistema digital.[3]
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Durante los últimos años el motor de inducción ha sido la máquina rotativa que más
se ha empleado a nivel industrial, debido principalmente a su versatilidad. El desarrollo en la
electrónica de potencia y la disminución en los costos de los componentes han hecho que
dichos motores sean los más utilizados para cualquier condición de operación. Su sencillez,
confiabilidad y eficiencia los han hecho de estos los preferidos para cualquier trabajo.
2
Introducción
Es por esto que se requiere mantener un constante monitoreo de las condiciones de

operación de un motor de inducción trifásico así como obtener mediciones de la energía
eléctrica producida por éste, esto con el fin de establecer condiciones seguras de operación y
de esta manera evitar que se agraven las condiciones de falla de existir las mismas. [4]
Con respecto a la calidad de la energía existen estándares que regulan las

características del voltaje de generación las cuales deben satisfacerse con el fin de mantener
un servició de calidad. Para todo esto es necesario conocer el comportamiento de los
parámetros del motor de inducción trifásico lo cual se logra mediante un análisis constante
de estos. [5]
1.3. JUSTIFICACIÓN.
Dado la importancia del motor de inducción en las redes industriales por las pérdidas
que conlleva tener parada una planta, es de vital importancia tenerlo monitoreado para evitar
su daño total previniéndolo con mantenimientos preventivos.
Se pretende diseñar un prototipo portátil de adquisición de datos del motor trifásico

de inducción, más específicamente la adquisición de datos de cada una de las fases (Voltaje,
Corriente, Ángulo de desfasamiento, Potencia activa, Potencia reactiva, Potencia aparente y
Factor de potencia), así como la temperatura del devanado de este, por medio de un sistema
Arduino Mega 2560 y sensores de voltaje, corriente y temperatura.
Al ser este un sistema portátil se puede utilizar directamente en el área de

maquinaria sin necesidad de acudir al cuarto de control para obtener los datos necesarios
sobre un motor de inducción.
3
Introducción
1.4. OBJETIVOS.
1.4.1. Objetivo general.
 Diseñar e implementar un prototipo de un circuito portátil basado en el

microprocesador ArduinoMega2560 para medir los parámetros de cada fase de un
motor de inducción al igual que su temperatura interna y desplegarlos en un LCD.
1.4.2. Objetivos específicos.
 Aprender a Programar el ArduinoMega2560.

 Llevar a cabo prácticas con el ArduinoMega2560.
 Diseñar y construir el circuito para la medición y monitoreo de las fases y
temperatura del motor de inducción de Lab-Volt 8221.
 Obtener mediciones del motor de inducción y desplegarlas en un LCD.
1.5. HIPÓTESIS.
Es posible prevenir el daño o pérdida total de un motor de inducción trifásico

mediante un sistema efectivo de monitoreo de variables.
El monitoreo de variables puede realizarse de tal forma que se obtengan los datos de
cada una de las fases y la temperatura interna de un motor de inducción.
Es posible monitorear las variables por medio de un sistema de procesamiento digital.
El procesamiento digital se puede llevar a cabo por medio de un sistema Arduino

Mega2560.
4
Introducción
El monitoreo de las variables es posible mediante la implementación de sensores de

voltaje, corriente y temperatura.
Es posible obtener por medio de programación interna la potencia activa, reactiva,

aparente y factor potencia de cada fase a partir de las mediciones obtenidas en las fases del
motor. [6]
Es posible desplegar los parámetros medidos y calculados en una pantalla LCD.
1.6. ALCANCES.
Al ser este un dispositivo portátil se podrá utilizar en motores de inducción en

cualquier momento para un rápido análisis de sus fases y así poder monitorear el
comportamiento de las mismas.
El dispositivo portátil puede modificarse para ser una herramienta útil y eficaz para
la industria.
El diseño puede ser modificado con componentes más robustos para su

implementación en diferentes tipos de motores de inducción.
1.7. LIMITACIONES.
Este proyecto solo se encargará de arrancar, parar y obtener las mediciones de las
fases y temperatura del devanado del motor de inducción de Lab-Volt 8221 con un voltaje
de línea de 120 V y una Corriente de línea de 1.5 A máximos.
5
Introducción
Se limitará a medir por instrumentación voltaje, corriente y temperatura del

devanado del motor, y se obtendrá por programación la Potencia Activa, Reactiva y
Aparente así como su factor de potencia.
6
Capítulo 2
MATERIALES UTILIZADOS
En este capítulo se describen los materiales utilizados en la creación del prototipo
así como la teoría en la que se basa el programa que se utiliza.
7
Materiales Utilizados
2.1. ARDUINO MEGA 2560. [6]
Arduino Mega 2560 está basado en el microcontrolador Atmega2560. Se dispone de

54 entradas/salidas digitales, 14 de las cuales se pueden utilizar como salidas PWM
(modulación de ancho de pulso). Además dispone de 16 entradas analógicas, 4 UARTs
(puertas series), un oscilador de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación,
un conector ICSP (In Circuit Serial Programming) y un pulsador para el reset. Para empezar
a utilizar la placa sólo es necesario conectarla al ordenador a través de un cable USB, o
alimentarla con un adaptador de corriente AC/DC. También puede alimentarse mediante una
batería si se es requerido.
Debido a su gran poder es utilizada para grandes proyectos, entre los más importantes
se encuentran los de DOMOTICA e IMPRESORAS 3D. El Arduino MEGA2560 es
compatible con la mayoría de los shield o tarjetas de aplicación/ampliación disponibles para
las tarjetas Arduino UNO original. Las características principales son:
 Microprocesador ATmega2560
 Voltaje de alimentación (recomendado) 7-12V
 Integra regulación y estabilización de +5Vcc
 54 líneas de Entradas/Salidas Digitales (14 de ellas se pueden utilizar como salidas
PWM)
 16 Entradas Analógicas
 Máxima corriente continua para las entradas: 40 mA
 Salida de alimentación a 3.3V con 50 mA
 Memoria de programa de 256Kb (el bootloader ocupa 8Kb)
 Memoria SRAM de 8Kb para datos y variables del programa
 Memoria EEPROM para datos y variables no volátiles
 Velocidad del reloj de trabajo de 16MHz
 Reducidas dimensiones de 100 x 50 mm
8
Figura 2.1 Estructura de la Placa Arduino Mega 2560.
2.1.1. Alimentación.
El Arduino Mega se puede alimentar vía conexión USB o con una fuente de
alimentación externa. El origen de la alimentación se selecciona automáticamente. Las
fuentes de alimentación externas pueden ser tanto un transformador o una batería. El
transformador se puede conectar usando un conector macho de 2.1mm con centro positivo
en el conector hembra de la placa. Los cables de la batería pueden conectarse a los pines Gnd
y Vin en los conectores de alimentación (POWER) La placa puede trabajar con una
alimentación externa de entre 6 a 20 voltios. Si el voltaje suministrado es inferior a 7V, el
pin de 5V puede proporcionar menos de 5 voltios y la placa puede volverse inestable; si se
usan más de 12V los reguladores de voltaje se pueden sobrecalentar y dañar la placa. El rango
recomendado es de 7 a 12 voltios. Los pines de alimentación son los siguientes:
9
 VIN. La entrada de voltaje a la placa Arduino cuando se está usando una fuente
externa de alimentación (en opuesto a los 5 voltios de la conexión USB). Se puede
proporcionar voltaje a través de este pin, o, si se está alimentando a través de la
conexión de 2.1mm, acceder a ella a través de este pin.
 5V. La fuente de voltaje estabilizado usado para alimentar el microcontrolador y otros
componentes de la placa. Esta puede provenir de VIN a través de un regulador
integrado a la placa, o proporcionada directamente por el USB u otra fuente
estabilizada de 5V.
 3V3. Una fuente de voltaje de 3.3 voltios generada por un regulador integrado a la
placa. Su corriente máxima soportada es de 50mA.
 GND. Pines de toma de tierra.
2.1.2. Memoria.
El ATmega2560 cuenta con 256KB de memoria flash para almacenar código, 8KB
son usados para el arranque del sistema o bootloader. El ATmega2560 tiene 8 KB de
memoria SRAM y 4KB de EEPROM, se puede acceder a esta para leer o escribir con
la librería EEPROM.
2.1.3. Entradas y Salidas.
Cada uno de los 54 pines digitales en el Mega pueden ser utilizados como entradas o
como salidas usando las funciones pinMode(), digitalWrite(), y digitalRead(). Las E/S
operan a 5 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir una corriente máxima de 40mA y
tiene una resistencia interna de pull-up (desconectada por default) de 20-50kOhms. Además,
algunos de estos pines tienen funciones especializadas:
10
 Serie: 0 (RX) y 1 (TX), Serie 1: 19 (RX) y 18 (TX); Serie 2: 17 (RX) y 16 (TX);

Serie 3: 15 (RX) y 14 (TX).Usados para recibir (RX) y transmitir (TX) datos a través
de un puerto serie TTL. Los pines Serie: 0 (RX) y 1 (TX) están conectados a los pines
correspondientes del chip FTDI USB-to-TTL.
 Interrupciones Externas: 2 (interrupción 0), 3 (interrupción 1), 18 (interrupción
5), 19 (interrupción 4), 20 (interrupción 3), y 21 (interrupción 2). Estos pines
pueden ser configurados para lanzar una interrupción en un valor LOW(0V), en
flancos de subida o bajada (cambio de LOW(0V) a HIGH(5V) o viceversa), o en
cambios de valor. Con la función attachInterrupt().
 PWM: de 0 a 13. Proporcionan una salida PWM (Pulse Wave Modulation,
modulación de onda por pulsos) de 8 bits de resolución (valores de 0 a 255) por medio
de la función analogWrite().
 SPI: 50 (SS), 51 (MOSI), 52 (MISO), 53 (SCK). Estos pines proporcionan
comunicación SPI (Serial Peripheral Interface), usando la librería SPI.
 LED: 13. Un LED integrado en la placa conectado al pin digital 13, cuando este pin
tiene un valor HIGH(5V) el LED enciende y cuando este tiene un valor LOW(0V)
este se apaga.
|El Mega tiene 16 entradas analógicas, y cada una de ellas proporciona una resolución
de 10bits (1024 valores). Tiene preestablecido un rango de medición de 0V a 5V, aunque es
posible cambiar el límite superior de este rango usando el pin AREF y la
función analogReference().
 I2C: 20 (SDA) y 21 (SCL). Soporte para el protocolo de comunicaciones I2C (TWI),

utilizado principalmente para la comunicación entre diferentes partes de un circuito,
por ejemplo, entre un controlador y circuitos periféricos integrados, usando la librería
Wire.
 AREF. Voltaje de referencia para las entradas analógicas dado
por analogReference().
11
 Reset. Se suministra un valor LOW (0V) para reiniciar el microcontrolador.

Típicamente usado para añadir un botón de reset a los shields que no dejan acceso a
este botón en la placa.
2.1.4. Comunicaciones.
EL Arduino Mega facilita en varios aspectos la comunicación con la PC, otro Arduino
u otros microcontroladores. El ATmega2560 provee cuatro puertos de comunicación vía
serie UART TTL (5V). Un ATmega16U2 integrado en la placa canaliza esta comunicación
serie a través del puerto USB y los drivers (incluidos en el software de Arduino), estos
proporcionan un puerto serie virtual en el ordenador. El software incluye un monitor de
puerto serie que permite enviar y recibir información textual de la placa Arduino. Los LEDS
RX y TX de la placa parpadearán cuando se detecte comunicación transmitida a través de la
conexión USB (no parpadearán si se usa la comunicación serie a través de los pines 0 y 1).
La librería SoftwareSerial permite comunicación serie por cualquier par de pines digitales
del Mega. El ATmega2560 también soporta la comunicación I2C (TWI) y SPI. El software
de Arduino incluye una librería Wire para simplificar el uso el bus I2C.
2.1.5. Programación.
El Arduino Mega se puede programar con el software Arduino. El ATmega2560 en

el Arduino Mega viene precargado con un gestor de arranque (bootloader) que permite cargar
nuevos códigos sin necesidad de un programador por hardware externo. Se comunica
utilizando el protocolo STK500 original. También puede evitarse el gestor de arranque y
programar directamente el microcontrolador a través del puerto ICSP (In Circuit Serial
Programming) el cual es la habilidad de algunos dispositivos lógicos programables,
microcontroladores y otros circuitos electrónicos, de ser programados mientras están
instalados en un sistema completo, en lugar de requerir que el chip sea programado antes de
ser instalado dentro del sistema.
12
2.1.6. Reinicio Automático por Software.
En vez de necesitar reiniciar presionando físicamente el botón de reset antes de cargar,

el Arduino Mega está diseñado de manera que es posible reiniciarlo por software desde el
ordenador donde esté conectado. Una de las líneas de control de flujo (DTR)
del ATmega16U2 está conectada a la línea de reinicio del ATmega2560 a través de un
condensador de 100 nanofaradios. Cuando la línea se pone en LOW(0V), la línea de reinicio
también se pone en LOW el tiempo suficiente para reiniciar el chip. El software de Arduino
utiliza esta característica para permitir cargar los programas con tan solo presionar un botón
del entorno. Dado que el gestor de arranque tiene un lapso de tiempo para ello, la activación
del DTR y la carga del programa están coordinados perfectamente.
Esta configuración tiene otras implicaciones. Cuando el Mega se conecta a un

ordenador que utiliza Mac OS X o Linux, esto reinicia la placa cada vez que se realiza una
conexión desde el software (via USB). Aproximadamente al medio segundo posterior, el
gestor de arranque se está ejecutando. A pesar de estar programado para ignorar datos mal
formateados, intercepta los primeros bytes que se envían a la placa justo después de que se
abra la conexión. Si un programa ejecutándose en la placa recibe algún tipo de configuración
inicial u otro tipo de información al inicio del programa, debe asegurarse de que el software
con el cual se comunica se espera un segundo después de abrir la conexión antes de enviar
los datos.
El Mega contiene una pista que puede ser cortada para deshabilitar el auto-reset. Las
terminaciones a cada lado pueden ser soldadas entre ellas para rehabilitarlo. Están etiquetadas
con “RESET-EN”. También se puede deshabilitar el auto-reset conectando una resistencia
de 110 ohms desde el pin 5V al pin de reset.
13
2.1.7. Protección Contra Sobrecorrientes en USB.
El Arduino Mega tiene un multifusible reinicializable que protege la conexión USB

de la PC de cortocircuitos y sobretensiones. Aparte de que la mayoría de ordenadores
proporcionan su propia protección interna, el fusible proporciona una capa extra de
protección. Si más de 500mA son detectados en el puerto USB, el fusible automáticamente
corta la conexión hasta que el cortocircuito o la sobretensión desaparecen.
2.1.8. Características físicas y compatibilidad de Shields.
La longitud y amplitud máxima de la placa Mega 2560 son de 100 y 50 milímetros

respectivamente, con el conector USB y la conexión de alimentación sobresaliendo de estas
dimensiones. Tres agujeros para fijación con tornillos permiten colocar la placa en superficies
y cajas. El Mega es compatible con la mayoría de los shield o tarjetas de
aplicación/ampliación disponibles para las tarjetas Arduino UNO original.
2.2. MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA. [7]
EL motor asíncrono consta de dos partes indispensables. El estator que es la parte fija
del motor constituido por una carcasa en la que se fija una corona de chapas de acero al silicio
provistas de unas ranuras. Los bobinados de sección apropiada están dispuestos en dichas
ranuras formando las bobinas que se dispondrán en tantos circuitos como fases tenga la red
a la que se conectará la máquina.
El rotor es la parte móvil del motor. Está situado en el interior del estator y consiste
en un núcleo de chapas de acero al silicio apiladas que forman un cilindro, en el interior del
cual se dispone un bobinado eléctrico. Los más utilizados son el rotor de jaula de ardilla y el
rotor bobinado.
14
Figura 2.2 Estructura de un motor asíncrono de inducción.
A este tipo de motores se le conoce como motores de inducción debido a que su

funcionamiento se basa en la interacción de campos magnéticos producidos por corrientes
eléctricas. Las corrientes que circulan por el rotor son producidas por el fenómeno de
inducción electromagnética, conocido comúnmente como ley de Faraday, que establece que
si una espira es atravesada por un campo magnético variable en el tiempo se establece entre
sus extremos una diferencia de potencial dado por la ecuación (3.1):
=− (2.1)
Donde:
e= Diferencia de potencial en la espira en Voltios
Φ= Flujo que corta a la espira en Weber
t= Tiempo en segundos
El signo negativo de la ecuación es una expresión de la ley de Lenz. Esta establece

que la polaridad del voltaje inducido es tal que si sus extremos se pusieran en corto circuito,
produciría una corriente que causaría un flujo para oponerse al cambio de flujo original.
15
Puesto que el voltaje inducido se opone al cambio que lo causa, se incluye el signo
menos en la ecuación. Si se distribuye espacialmente alrededor del estator de un motor los
bobinados de un sistema de tensiones trifásicas desfasadas 120° se genera un campo
magnético giratorio. La velocidad de giro de este campo magnético, denominada velocidad
de sincronismo, se da por la ecuación (2.2):
∗
= (2.2)
Donde:
= Velocidad de giro del campo magnético en r.p.m.
= Frecuencia de la corriente eléctrica de alimentación de la máquina.
= Número de pares de polos magnéticos establecidos en el bobinado del estator.
En los motores eléctricos, la velocidad de giro del rotor es ligeramente inferior a

la velocidad de giro del campo magnético del estator, debido a la fricción del rotor entre los
cojinetes, rozamiento con el aire y la carga acoplada al eje del rotor, y es por tal motivo que
se les conoce como motores asíncronos.
Se puede clasificar al motor asíncrono según el número de devanados en el estator:
 Monofásicos: tienen un sólo devanado en el estator. Se utilizan tanto en el hogar como

en la industria (bombas, ventiladores, lavadoras, electrodomésticos en general,
pequeñas máquinas-herramientas, etc.). [8]
 Bifásicos: tienen dos devanados en el estator los cuales están desfasados /(2 ),
siendo el número de pares de polos de la máquina, en el espacio. Suelen ser
utilizados en aplicaciones de control de posición. [8]
16
 Trifásicos: tienen tres devanados en el estator que se desfasan 2 · /(3 ), siendo el

número de pares de polos de la máquina, en el espacio. Se suelen utilizar en
aplicaciones industriales tales como: máquinas-herramientas (tornos, fresadoras,
cepilladoras, etc.), grúas, bombas, compresores, ventiladores, etc. [8]
a) Devanado Monofásico
b) Devanado Bifásico
c) Devanado Trifásico
Figura 2.3 Tipos de motores asíncronos basados en el devanado del estator.
17
2.2.1. Motores de rotor de jaula de ardilla. [7]
El motor de rotor de jaula de ardilla, conocido como rotor en cortocircuito, es el más

sencillo y más utilizado actualmente. El núcleo del rotor está construido de chapas
estampadas de acero al silicio, en el interior de las cuales se disponen unas barras
generalmente de aluminio moldeado a presión. Dichas barras van conectadas a unos anillos
conductores denominados anillos extremos. El bobinado de esta manera asemeja la forma de
una jaula de ardilla.
Figura 2.4 Rotor de Jaula de ardilla.
Figura 2.5 Estructura de un Motor con Rotor de Jaula de ardilla.
18
Las ranuras del rotor suelen construirse oblicuas respecto al eje para evitar puntos
muertos en la inducción electromagnética. Uno de los inconvenientes de este tipo de motor
es que en el arranque absorbe una corriente muy intensa (de 4 a 7 veces la nominal asignada),
y lo hace con un bajo factor de potencia y su par suele ser bajo. Otro inconveniente de estos
motores era que su velocidad no era regulable, pero actualmente con los variadores de
velocidad electrónicos se puede conseguir un control perfecto de la práctica totalidad de
parámetros del motor, entre los que destacan el par, la corriente absorbida y la velocidad de
giro y la baja resistencia del rotor hace que tengan excelentes características para marchas a
velocidades constantes.
2.2.2. Conexión de los bobinados de un motor eléctrico trifásico. [7]
El estator de un motor trifásico suele bobinarse con tres devanados distintos que
corresponden a cada una de las fases con las que se les habrá de conectar en la red eléctrica.
Según la forma de conectar las bobinas se pueden obtener dos conexiones: Delta y Estrella.
Figura 2.6 Conexión estrella y delta respectivamente.
19
Un motor conectado en estrella soporta el máximo voltaje que indica la placa de

características del motor, mientras que en delta el voltaje que soporta es la más baja indicada
por dicha placa. En el caso de las corrientes absorbidas ocurre justo lo contrario,
correspondiéndole a la corriente más alta a la conexión delta. Si se desea cambiar el sentido
de giro de un motor, basta simplemente con intercambiar dos de las fases de alimentación
como se muestra en la figura 2.7.
Figura 2.7 Conexión para el cambio de giro de un motor.
2.2.3. Sistema de arranque directo de los motores trifásicos. [10]
La forma más simple de arrancar un motor de jaula de ardilla es conectar el motor

directamente a la red como se muestra en la figura (2.8). En el momento de la puesta bajo
voltaje, el motor actúa como un transformador cuyo secundario, constituido por la jaula de
poca resistencia del rotor, está en cortocircuito. La corriente primaria y la secundaria son
prácticamente proporcionales.
Se obtiene un pico de corriente importante en la red: = 5 a 8 veces

Su par de arranque medio es: = 0.5 a 1.5 veces
20
El arranque directo tiene una serie de ventajas:

 Sencillez del equipo
 Par de arranque elevado
 Rápido arranque
 Bajo costo
A pesar de las ventajas que proporciona este tipo de arranque, sólo se puede utilizar
en los casos siguientes:
 La potencia del motor es débil respecto a la de la red, para poder limitar las perturbaciones
que provoca la corriente solicitada.
 El motor no requiere un aumento progresivo de velocidad y dispone de un dispositivo
mecánico que impide el arranque brusco.
 El par de arranque tiene que ser elevado.
Por otro lado, será indispensable recurrir a algún procedimiento que disminuya la
corriente solicitada o el par de arranque, siempre que:
 La caída de voltaje provocada por la corriente que solicita perturbe el buen

funcionamiento de algún otro aparato conectado a la misma red.
 La máquina accionada no pueda soportar sacudidas mecánicas.
 La seguridad y/o comodidad de los usuarios se vea comprometida.
En estos casos, el método más utilizado consiste en arrancar el motor bajo un voltaje
reducido. La variación del voltaje de alimentación posee las siguientes consecuencias:
 La corriente de arranque varía proporcionalmente al voltaje de alimentación.

 El par de arranque varía proporcionalmente al cuadrado del voltaje de alimentación.
21
Figura 2.8. a) Circuito de fuerza arranque directo.

b) Curva Corriente/Velocidad arranque directo.
c) Curva Par/Velocidad arranque directo.
2.3. POTENCIA EN SISTEMAS TRIFÁSICO. [9]
Debido a que el motor de inducción representa un sistema trifásico equilibrado

podremos obtener sus potencias por medio de las fórmulas (2.3), (2.4) y (2.5). Ya que un
sistema trifásico se puede considerar como 3 circuitos monofásicos, por lo que la potencia
total instantánea transferida a un circuito trifásico será igual a la suma de las potencias
instantáneas transferidas a cada uno de los tres sistemas monofásicos por lo tanto la potencia
activa será:
= = + + = 3∗
Donde: (2.3)
= Voltaje eficaz de las fases del motor.
= Corriente eficaz de las fases del motor.
= Ángulo de desfase ( − ).
= Factor de potencia de la carga.
22
Por otro lado la potencia reactiva se calcula así:
= = + + =3∗
(2.4)
Y la potencia aparente será:
= + + + + + = + +
(2.5)
Una vez obtenidos la potencia activa (P) y la potencia aparente (S), se puede obtener
el factor de potencia el cual se calcula de la siguiente manera:
. .=
(2.6)
2.3.1. Conexión en estrella.
El voltaje y la corriente de
fase en función de las líneas se
obtienen de la siguiente manera:
= √3 → =
√3
(2.7)
=
(2.8)
Figura 2.9. Conexión en estrella de un sistema trifásico.
23
Entonces la potencia Activa, Reactiva y Aparente en función de las líneas resulta ser:
= 3∗ =3 = √3
√3
(2.9)
=3∗ =3 = √3
√3
(2.10)
= 3∗ =3 = √3
√3
(2.11)
2.4. ANÁLISIS DE UN MOTOR TRIFÁSICO POR MEDIO DE SU PLACA DE

CARACTERÍSTICAS. [7]
La figura (2.10) representa un ejemplo de una placa de características que

corresponde a un motor trifásico. Enseguida se analizará con detalle los distintos datos y su
significado.
Figura 2.10 Ejemplo de placa de características de un Motor.
24
1. Se trata de un motor trifásico de corriente alterna a 50 Hz.
2. Su potencia nominal o asignada en el eje del motor es de 15 KW.
3. Los bobinados se pueden conectar en estrella hasta un voltaje máximo de 380 V,

circulando una corriente por cada línea de alimentación de 29 A.
4. En conexión delta el voltaje compuesto entre las fases de alimentación podrá ser un
máximo de 220 V, circulando por cada una de las líneas de alimentación una corriente
de 50 A.
5. Indica el grado de protección de la carcasa del motor contra agentes externos,

basándose en la clasificación establecida por la IEC (Comisión Electrotécnica
Internacional), para este caso:
IP54: Carcasa protegida a prueba de polvo y proyecciones de agua
6. Cl F indica la clase del motor refiriéndose a la máxima temperatura a la que puede

operar y al tipo de aislamiento, en este caso “clase F”, que indica que puede funcionar
hasta una temperatura máxima de 155ºC.
Por otro lado, “ = 0,9” se refiere al factor de potencia, lo que permite hacer
algunos cálculos básicos:
Se obtendrán los mismos datos operando con los datos de conexión estrella o delta.
a) Potencia activa que es absorbida de la red: El voltaje (entre fases) de la línea de

alimentación es 380 V, por tanto está conectado en estrella como se indica en la
placa, entonces se obtiene:
= √3 ∗ ∗ ∗ = 1.732 ∗ 380 ∗ 29 ∗ 0.9 = 17178
25
b) Potencia reactiva de tipo inductivo que es absorbida:
= 0.9 → = 25° 50 30.96 → = 0.436

= √3 ∗ ∗ ∗ = 1.732 ∗ 380 ∗ 29 ∗ 0.436 = 8322
c) Considerando el triángulo de potencias, se puede averiguar la potencia aparente

que es demandada:
Figura 2.11 Triangulo de potencias.
= + = = =
= (17178) + (8322) ó = = 19087

.
d) Una vez teniendo la potencia activa y la potencia aparente se puede obtener el

factor de potencia de la siguiente forma:
17178
. .= = = 0.9
19087
e) El rendimiento, en porcentaje, del motor se obtiene de la siguiente forma:
15000
= ∗ 100 = ∗ 100 = 0.87 ∗ 100 = 87%
17178
7. Velocidad del motor de inducción a plena carga 2910 r.p.m.
26
2.5. EFECTO HALL. [11]
El efecto Hall, descubierto por Edwin C. Hall en 1879, consiste en la producción

de una caída de voltaje a través de un conductor o semiconductor con corriente, bajo la
influencia de un campo magnético externo. Para esto es necesario que la dirección del campo
magnético sea perpendicular a la dirección de flujo de la corriente.
Figura 2.12. Diagrama del funcionamiento del efecto Hall.
El campo magnético transversal ejerce una fuerza desviadora (Fuerza de Lorentz)

sobre el conductor o semiconductor. Esta fuerza causa la desviación de los portadores de
carga que se mueven a través del material. Como resultado, aparece una diferencia de
potencial Vxy (denominada voltaje de Hall) entre los extremos del conductor. Este voltaje es
proporcional a la intensidad del campo magnético aplicado y su polaridad depende del signo
de los portadores de carga.
El efecto Hall se presenta en conductores y en semiconductores. Las diferencias de

potencial producidas en tiras metálicas son muy pequeñas, siendo a menudo enmascaradas
por el ruido. Por esto, los dispositivos comerciales usan materiales semiconductores
especiales, donde el efecto Hall es más notable.
En estos casos, el elemento básico es generalmente una tira de arseniuro de galio

(GaAs) o de indio (InAs) la cual, cuando se polariza mediante una corriente constante y se
sumerge en un campo magnético transversal a su superficie, genera un voltaje proporcional
a la intensidad del campo. Este voltaje es reforzado por un amplificador operacional
incorporado en el dispositivo y se procesa para proporcionar una señal de salida útil.
27
Dependiendo el tipo de salida, los sensores Hall se dividen en dos grupos:
• Sensores Hall de salida lineal
• Sensores Hall de salida digital (interruptores Hall)
2.5.1. Sensores de efecto Hall con salida lineal. [11]
En la figura (2.15) se puede ver la estructura simplificada de un sensor Hall de salida

lineal. Debido a que la tensión Hall es muy pequeña (aproximadamente 30uV/G), es
necesaria una etapa de amplificación, esto se hace a través de un amplificador diferencial.
Posee además una compensación en temperatura y un regulador de voltaje. La salida posee
un transistor en emisor abierto para realizar la interfaz con cualquier dispositivo.
Figura 2.13 Estructura simplificada de un sensor Hall de salida lineal.
Según la polaridad del campo magnético que se le aplique al sensor, la tensión de

salida será positiva o negativa, Pero el amplificador diferencial incorpora una tensión de
polarización, de modo que con un campo magnético nulo se tiene en la salida una tensión
28
positiva. Esta tensión es la que se conoce como null offset o quiescent output voltaje. En la
figura (2.15) se muestra la característica de transferencia de un sensor Hall lineal.
Se puede ver en dicha gráfica el null offset, la sensibilidad (en mV/G) y el alcance
(span). Estos dispositivos generalmente poseen una salida en emisor abierto, permitiendo
conectarlos fácilmente con casi cualquier circuito.
Figura 2.14 Características de transferencia de un sensor Hall lineal.
Otras características importantes de los sensores Hall lineales son:

 Sensibilidad (mV/G). Es la pendiente de la característica de transferencia. En la
mayoría de los sensores Hall lineales la sensibilidad y el offset son proporcionales a
la tensión de alimentación. Se dice que son sensores ratiométricos.
 Alcance (span). Define el margen de salida del sensor
29
2.5.2. Sensor Hall de salida digital.[11]
La estructura de este tipo de sensor es la misma que la del lineal pero se debe agregar
un comparador Smitt trigger como se muestra en la figura (2.15).
Sin campo magnético aplicado al dispositivo, el transistor de salida permanece

cortado (OFF). Al aplicar un campo magnético, perpendicular a la superficie del dispositivo,
que está por encima de un valor umbral, el transistor de salida pasa a saturación (ON). Si se
reduce ahora el campo magnético, el transistor conmutará para un valor menor que el umbral
de conducción. Como se puede observar este dispositivo presenta cierta histéresis que
previene disparos erróneos.
Figura 2.15 Estructura de un sensor de efecto Hall de salida digital.
Estos dispositivos generalmente poseen una salida en emisor abierto, permitiendo

conectarlos fácilmente con casi cualquier circuito. Es común utilizar circuitos con
comparadores o amplificadores operacionales. En la tabla 2.1 se muestran algunas
aplicaciones más comunes de cada tipo de sensor.
30
Tabla 2.1 Aplicaciones de los sensores de efecto Hall

Aplicaciones Industriales
Sensor Hall digital Sensor Hall lineal
 Motor DC sin escobillas
 Medición de corriente
 Ventiladores
 Medición de posición
 Medición de velocidad
 Medición de distancia
 Interruptor sin contacto
 Medición de presión
 Medición de nivel de líquidos
 Medición de fuerza
 Medición de flujo de líquidos
 Medición de campo magnético
 Interruptor de presión
 Medición de par
 Interruptor de rotación
2.5.3. Sensor Hall ACS712.[12]
El ACS712 provee una solución precisa y económica para el sensado de corrientes

alternas y directas industrialmente, comercialmente y en sistemas de comunicación. Sus
aplicaciones típicas incluyen control de motores, detección y manejo de cargas, modo
interruptor para fuentes de alimentación y protección contra sobrecorrientes de falla. Este
dispositivo no está destinado para aplicaciones automotrices.
Consta de un circuito de efecto Hall lineal preciso, bajo offset, con una pista de cobre
conductor ubicado cerca de la superficie del chip. La corriente que atraviesa esta pista de
conducción genera un campo magnético que es detectado por el IC integrado Hall y
convertida en una tensión proporcional. La exactitud de los dispositivos se optimiza a través
de la proximidad de la señal magnética al transductor Hall. Una tensión precisa, proporcional
es proporcionada por el bajo offset, chopper-estabilizado IC BiCMOS Hall, que está
programado para la exactitud después del encapsulado.
Este sensor es un pequeña placa, que soporta un sensor de corriente de Allegro,

el ACS715 20A está basado en el efecto Hall lineal, que ofrece una baja resistencia (~ 1,2
mΩ) al paso de la corriente con un aislamiento eléctrico de hasta 2,1 kV RMS, según indica
el fabricante.
31
Esta versión acepta una entrada de corriente continua de hasta 20 A y una salida de
tensión analógica proporcional (66 mV/A) que mide 500 mV. Cuando la corriente de entrada
es cero. El error de salida típico es de ± 1,5%. Opera desde 4,5 V a 5,5 V y está pensado para
su uso en sistemas de 5 V.
Este dispositivo es muy sencillo, como se aprecia en la figura 2.19, dispone de tres
pines, Vcc, GND y Salida en un extremo y en el otro, dispone de un conector con dos
contactos para conectar la carga a la cual se le va a medir la corriente.
Figura 2.16. Placa con sensor ACS712 para Arduino.
El espesor de la pista de cobre permite la supervivencia del dispositivo en hasta 5 ×

condiciones de sobre corriente. Los terminales de la pista conductora están eléctricamente
aislados de los cables de los sensores (pines 5 a 8). Esto permite que el sensor de corriente
ACS712 ser utilizado en aplicaciones que requieren aislamiento eléctrico sin el uso de
aisladores ópticos u otras técnicas de aislamiento costosas.
El esquema práctico de conexionado es sencillo y fácil de entender. Se trata de

conectar el sensor en serie con la carga que a la cual le se quiere conocer la corriente de
consumo.
Tensión de salida en reposo (Viout (Q)). La salida del sensor cuando la corriente
primaria es cero. Para una tensión de alimentación unipolar, sigue siendo nominalmente VCC
/ 2. Por lo tanto, cuando no hay corriente la tensión de salida es VCC / 2 = 5 V / 2 = 2.5V.
32
La variación en Viout (Q) se puede atribuir a la resolución de la compensación de

tensión de reposo IC Allegro lineal y la deriva térmica. Cuando no hay corriente de paso por
el sensor, leerá “cero”, pero esto no va a dar cero en las lecturas. Los puertos analógicos en
Arduino utilizan un conversor A/D con una resolución de 10 bits que va de 0 a 1023, donde
el 0 = 0 V y el 1023 = 5 V, como el sensor es bidireccional, cuando el sensor no detecta
corriente el voltaje será de 2,5 V = (VCC / 2) y la lectura de Arduino será algo cercano a 512.
Por lo tanto, si la corriente positiva va a aumentar la lectura y viceversa. En la tabla 2.2 se
muestran las características de los diferentes modelos de sensor ACS712.
Tabla 2.2 Tabla de valores de sensibilidad de los sensores ACS712

Número de Parte Empacado Rango Optimizado, Sensibilidad
(° ) ( ) ( / )
ACS712ELCTR- Tape and reel,
-40 a 85 ±5 185
05B-T 3000 pieces/reel
-40 a 85 ±20 100
-40 a 85 ±30 66
Para comprener mejor el funcionamiento del sensor, supongamos que este sensor
mide corrientes entre -20 A y +20 A. Ya que la salida del sensor según la hoja de datos
siempre entrega entre 0 y 5 voltios, cuyo valor de 0A se corresponde con los 2.5V en la salida,
y por cada amperio la tensión varía 100 mA.
Este sensor puede medir tanto CD como CA, si vemos una sinusoide, el valor mínimo
corresponde con los -20 A, de modo que los 2.5V de salida corresponden justo a 0 A y los
+20 A con los 5 V, como se ve en la figura (2.17).
33
+20 A <=> 5 V
0 A <=> 2.5 V
-20 A <=> -5 V
Figura 2.17. Equivalencia del voltaje de salida del sensor ACS712.
La forma de conectar este dispositivo se muestra en la figura (2.18)
Motor (carga) ACS712 Arduino

VCC +5 V
IP+
VOUT ADC
IP- GND GND
120 V
Figura 2.18 Diagrama de conexión del sensor ACS712 a una carga.
34
2.6. SENSOR DE VOLTAJE ZMPT101B. [13]
El sensor ZMPT101B es un módulo utilizado para medir la tensión de fase de

corriente alterna. Está diseñado con un transformador de voltaje, por lo que solo se puede
utilizar para leer el voltaje alterno. Éste se muestra en la figura (2.19).
Figura 2.19 Sensor de Voltaje ZMPT101B.
Este es un módulo transformador de voltaje, tiene una salida monofásica activa.

Contiene un circuito con amplificador operacional para compensar el offset de la salida
análoga. Puede medir voltaje de baja tensión adecuado para voltaje como 220 V, tiene un
potenciómetro en la placa de 0 a 10 kΩ para ajustar la amplitud de la señal de salida. Es un
módulo ideal para aplicaciones de monitoreo y protección de equipos de CA, muy común en
aplicaciones de domótica y retroalimentación para sistema de control de voltaje CA.
Puedes usar cualquier microcontrolador con entrada analógica para leer el voltaje
instantáneo y así hacer cálculos de energía, necesitas calibrar la salida con un voltímetro para
un resultado más preciso.
35
El sensor es alimentado por 5 V de CD, tiene una salida analógica proporcional a la

señal de entrada, tiene un offset en la señal de salida la cual es equivalente a 2.5 V cuando
está conectado a 0 V. El transformador tiene corriente nominal de entrada y salida de 2 mA,
una relación de vueltas de 1000:1000 y una diferencia de fase ≤ 20° (50Ω), 1% de linearidad
y aislamiento eléctrico de hasta 3000 V. En la figura (2.18) se muestra como se conecta el
sensor de voltaje.
Figura 2.20 Diagrama de conexión del sensor de voltaje.
2.7. SENSOR INFRARROJO DE TEMPERATURA MLX90614. [14]
El MLX90614 es un sensor de temperatura infrarrojo sin de contacto, fabricado por

la empresa Melexis. Es posible conectar estos sensores con un autómata o procesador como
Arduino para medir la temperatura de un objeto a distancia. Existen distintos modelos del
MLX90614 cada uno con un sufijo de tres letras. Los diferentes sensores difieren en el voltaje
de operación, el número de sensores infrarrojos, y la posición del filtro.
36
La comunicación se realiza a través de SMBus, un subconjunto de bus I2C, por lo

que resulta sencilla su lectura, y es posible conectar más de un sensor de forma
simultáneamente. Frecuentemente se encuentran termómetros MLX90614 integrados en
módulos como el GY-906 que incorporan la electrónica necesaria para conectarlo de forma
sencilla a un Arduino.
En la mayoría de los módulos, esto incluye un regulador de voltaje que permite

alimentar directamente a 5V Este tipo de termómetros infrarrojos tienen un gran número de
aplicaciones, incluyendo sistemas de control de temperatura en instalaciones térmicas en
edificios, control industrial de temperatura, detección de movimiento, y aplicaciones de
salud. El modelo MLX90614ESF-BAA de Melexis mide temperaturas de entre -70 a +380
ºC sin contacto. El elemento sensor es un chip de silicio con una fina membrana
micromecanizada sensible a la radiación infrarroja de un objeto distante. Una etapa de
adaptación de medida de la señal amplifica y digitaliza la señal procedente de la membrana
y calcula la temperatura del objeto usando la calibración configurada en fábrica.
La temperatura de salida digital es linealizada y compensada completamente contra

las variaciones de la temperatura ambiente. Incorpora amplificadores avanzados de bajo
ruido, un convertidor A/D de 17 bits y un potente procesador digital de señales en su chip de
acondicionamiento de señal, lo que permite un amplio rango de temperaturas de trabajoque
van de - 40 ºC a 125 ºC y un rango de temperaturas del objeto a medir que va de -70 ºC a 380
ºC, a la vez que mantiene una resolución de la temperatura de 0,02 ºC. Dispone de una salida
SMBus (compatible con I2C) y puede ser configurado para una salida PWM de 10bits.
Figura 2.21 Sensor infrarrojo de temperatura MLX90614.

37
A diferencia de la mayoría de los sensores de temperatura, este sensor mide la luz

infrarroja que rebota en los objetos remotos para que pueda detectar la temperatura sin tener
que tocarlos físicamente. Simplemente se debe apuntar el sensor hacia lo que se desea medir
y detectará la temperatura absorbiendo las ondas IR emitidas. Como no tiene que tocar el
objeto que está midiendo, puede detectar un rango de temperaturas más amplio que la
mayoría de los sensores. Toma la medida en un campo de visión de 90 grados, por lo que
puede ser útil para determinar la temperatura promedio de un área.
2.7.1. Funcionamiento. [14]
Según la ley de Stefan-Boltzmann, todo objeto por encima del cero absoluto (ºK)
emite radiación cuyo espectro es proporcional a su temperatura. El MLX90614 recoge esta
radiación y su salida es una señal eléctrica proporcional a la temperatura de todos los objetos
en su campo de visión.
Figura 2.22 Espectro de objetos negros.
38
Internamente el MLX90614 está constituido con un chip de silicio con una fina
membrana micromecanizada sensible a la radiación infrarroja, junto con la electrónica
necesaria para amplificar y digitalizar la señal y calcular la temperatura. El conjunto incluye
un amplificador de bajo ruido, un conversor ADC de 17 bits, un DSP (procesador digital de
señal) y compensación de la temperatura ambiente.
81101
OPA ADC DSP PWM
t°
STATE MACHINE
Voltage
Regulator
90302
Figura 2.23 Composición del MLX90614.
El MLX90614 dispone de dos modos de salida. La estándar es SMBus, un conjunto

del I2C, con una resolución de 0.02ºC. También puede emplear una salida PWM de 10 bits
para mediciones continuas, aunque con menor resolución 0.14ºC. Es importante tener en
cuenta la lectura del sensor solo es estable cuando el sensor se encuentra en equilibrio térmico
con el ambiente. También puede afectarle la suciedad en la ventana del sensor.
También es importante entender que el MLX90614 es sensible a todos los objetos

ubicados en su campo de visión. El ángulo de visión depende del modelo, y varía desde 5º a
80ºC, el área de medición a 0.5 tiene un diámetro de 0.83 metros. Es decir, los modelos de
menos ángulo son apropiados para medidas puntuales en frente del sensor. Los sensores de
ángulo amplio están diseñados para detectar incrementos de temperatura en una gran zona,
por ejemplo, para detección de fallas en maquinaria. La conexión es sencilla, simplemente
se alimenta el módulo desde el Arduino mediante GND y 5V y se conecta el pin SDA y SCL
de Arduino con los pines correspondientes del sensor.
39
Figura 2.24 Gráfica de error de medición del MLX90614.
2.7.2. El bus i2C. [15]
El estándar I2C (Inter-Integrated Circuit) fue desarrollado por Philips en 1982 para la
comunicación interna de dispositivos electrónicos en sus artículos. Posteriormente fue
adoptado progresivamente por otros fabricantes hasta convertirse en un estándar del
mercado.
40
También es denominado TWI (Two Wired Interface) únicamente por motivos de

licencia. No obstante, la patente caducó en 2006, por lo que actualmente no hay restricción
sobre el uso del término I2C. Requiere únicamente dos cables para su funcionamiento, uno
para la señal de reloj (CLK) y otro para el envío de datos (SDA), lo cual es una ventaja frente
al bus SPI. Por contra, su funcionamiento es un poco más complejo, así como la electrónica
necesaria para implementarla.
Figura 2.25 Diagrama de conexión del protocolo I2C.
En el bus Cada dispositivo dispone de una dirección, que se emplea para acceder a
los dispositivos de forma individual. Esta dirección puede ser fijada por hardware (en cuyo
caso, frecuentemente, se pueden modificar los últimos 3 bits mediante jumpers o
interruptores) o totalmente por software. Cada dispositivo conectado al bus debe tener una
dirección única. Si se tiene varios dispositivos similares tendremos que cambiar la dirección
o, en caso de no ser posible, implementar un bus secundario.
Tiene una arquitectura de tipo maestro-esclavo, en el cual el dispositivo maestro

inicia la comunicación con los esclavos, y puede mandar o recibir datos de los esclavos. Por
el contrario los esclavos no pueden iniciar la comunicación ni hablar entre si directamente.
Es posible disponer de más de un maestro, pero solo uno puede ser maestro cada vez. El
cambio de maestro supone una alta complejidad, por lo que no es algo frecuente.
41
El bus I2C es síncrono. El maestro proporciona una señal de reloj que mantiene
sincronizados a todos los dispositivos del bus. De esta forma, se elimina la necesidad de que
cada dispositivo tenga su propio reloj, de tener que acordar una velocidad de transmisión y
mecanismos para mantener la transmisión sincronizada (como en UART). El protocolo I2C
prevé resistencias de Pull-UP de las líneas a Vcc. En Arduino frecuentemente no se instalan
estas resistencias, ya que la librería Wire activa las resistencias internas de Pull-UP. Sin
embargo las resistencias internas tienen un valor de entre 20-30kOhmnios, por lo que son
unas resistencias de Pull-UP muy blandas.
Usar resistencias blandas implica que los flancos de subida de la señal serán menos
rápidas, lo que implica que se podrán usar velocidades menores y distancias de comunicación
inferiores. Si se quieren emplear velocidades o distancias de transmisión superiores, se
deberá colocar físicamente resistencias de Pull-UP de entre 1K a 4.7K.
2.7.2.1. Funcionamiento.
Para poder realizar la comunicación con solo un cable de datos, el bus I2C emplea
una trama (el formato de los datos enviados) amplia. La comunicación consta de:
 7 bits a la dirección del dispositivo esclavo con el que se quiere comunicar.

 Un bit restante que indica si se quiere enviar o recibir información.
 Un bit de validación
 Uno o más bytes son los datos enviados o recibidos del esclavo.
 Un bit de validación
42
Figura 2.26 Funcionamiento del protocolo I2C.
Con estos 7 bits de dirección es posible acceder a 112 dispositivos en un mismo

bus (16 direcciones de las 128 direcciones posibles están reservadas para usos especiales).
Este incremento de los datos enviados (18bits por cada 8bits de datos) supone que, en
general, la velocidad del bus I2C es reducida. La velocidad estándar de transmisión es de
100Mhz, con un modo de alta velocidad de 400Mhz.
El estándar I2C define otros modos de funcionamiento, como un envío de dirección

de 8,10 y 12bits, o velocidades de transmisión de 1Mbit/s, 3.4Mbit/s y 5Mbit/s. No suelen
ser empleados en Arduino.
2.7.2.2. Ventajas y desventajas del protocolo i2C
VENTAJAS
 Requiere pocos cables
 Dispone de mecanismos para verificar que la señal hay llegado
43
DESVENTAJAS
 Su velocidad es media-baja
 No es full duplex
 No hay verificación de que el contenido del mensaje es correcto
Arduino dispone de soporte I2C por hardware vinculado físicamente a ciertos pines.
También es posible emplear cualquier otro grupo de pines como bus I2C a través de sofware,
pero en ese caso la velocidad será mucho menor Los pines a los que está asociado varían de
un modelo a otro. La siguiente tabla 2.3 muestra la disposición en alguno de los principales
modelos.
Tabla 2.3 Entradas para la comunicación I2C por arduino.

Modelo SDA SCL
Uno A4 A5
Nano A4 A5
Mini Pro A4 A5
Mega 20 21
2.8. SERIE DE FOURIER EN FORMA COMPLEJA. [16]
Sea una función periódica con periodo , la cual puede desarrollarse en serie de
Fourier en la forma
( )= + ( cos + sen )
2
(2.12)
Con
2
= ( )
2
= ( ) cos
44
2
= ( ) sen
Donde =
Y , y con = 1, 2, … son constantes.
Se sabe que,
= cos + sen
= cos − sen
1
cos = +
2
1 1
se = − =− −
2 2
Caso particular:
=
1
cos = +
2
(2.13)
Y
1
se =− −
2
(2.14)
Se reemplaza (2.13) y (2.14) en (2.12), se tiene
1 1
( )= + + − −
2 2 2
1 1
( )= + ( − ) + ( + )
2 2 2
45
Se hace = ; = ( + ); = ( − )=
( )= + +
( )=
(2.15)
2.8.1. Desarrollo en serie de Fourier de ( ) en forma compleja.[16]
1 1 2 2
= ( − )= = ( ) cos − ( ) sen
2 2
1 1
= ( )(cos − sen ) = ( )
= ( )
(2.16)
A los coeficientes y se les llama coeficientes de Euler-Fourier.
( )=
( )=
∈ℤ
46
“Desarrollo en serie de Fourier de ( ) en forma compleja”

Con
= ( )
( )= + +
∠ ∠ ∠ ∠
=| | =| | ; = =| | =| |
( )= | | ∠ ∠
+ +| |
( ) ( )
= + | | +
= + | |2 cos( + )
Donde =∠
( )= +2 | | cos( + )
Con =∠
( )= + | | ( + )
1
= ( )
Con | | = | − |; =∠
47
1
= ( ) = | | cos
La amplitud de las componentes armónicas y de frecuencia fundamental es del doble

de las calculadas a partir de | |. La magnitud y signo de la componente “de corriente directa”
es el correcto.
2.8.2. Transformada Discreta de Fourier. [17]
Considere una señal discreta ( ) con muestras de la forma
, , , …, , …,
Donde es un número complejo
= + .
Suponga, que la serie fuera del rango [0, − 1] es periódica extendida con periodo
, es decir que = para todo . La transformada Discreta de Fourier de esta serie
denotada por ( ), también tendrá muestras. La transformada (directa) de Fourier se
define como:
2
( )= ( ) , para = 0, 1, 2, … , −1
(2.17)
Aplicando la fórmula de Euler:
2 2 2
( )= ( )(cos − sen ) , para = 0, 1, 2, … , −1
(2.18)
48
Aunque la función es una serie compleja, las señales muestreadas reales pueden ser
representadas mediante hacer la parte imaginaria igual a 0. En general, la transformada en el
dominio de la frecuencia será una función compleja, es decir, con magnitud y fase.
= | ( )| = +
(2.19)
Para obtener la fase se usa la siguiente ecuación:
= tan *
(2.20)
La magnitud de la primera muestra (0) es el doble del valor promedio absoluto de

la señal x( ) también conocida como la “componente de corriente directa”. La Transformada
Discreta de Fourier de una serie de muestras reales, resulta en una secuencia simétrica en
torno a la frecuencia de Nyquist.
La frecuencia máxima posible se le llama frecuencia de Nyquist. Esta es la

componente de frecuencia máxima que debería estar presente en la serie ( ) a la cual se le
aplica la transformada con el fin de obtener resultados correctos (sin contaminación).
2.8.3. Uso de los coeficientes de Fourier para calcular el valor RMS de una señal
periódica. [18]
Para calcular los valores RMS de una señal periódica, siempre se seleccionan varios
métodos como la integración, la regla de Simpson y la regla trapezoidal. Existe evidencia
académica que demuestra que los valores RMS de una señal periódica también pueden ser
obtenidos mediante el uso de los Coeficientes de Fourier.
49
2.8.3.1. Cálculo de valores RMS.
Aunque hay varios métodos para calcular los valores RMS, como ya se había
mencionado antes, el método estándar utilizado es la técnica de Cálculo de integración la
cual establece que:
1
= ( )
(2.21)
Donde:
es el valor RMS de ( ) entre el intervalo de dominio de a +
es el periodo de ( ).
2.8.3.2. Cálculos de los valores RMS de una señal periódica construida por series de
Fourier.
Una señal periódica con periodo de = 2 puede expandirse en términos de la serie

de Fourier como se muestra en la ecuación (2.1):
( )= + ( cos + sen )
(2.22)
=( + cos + cos 2 + ⋯ + cos )+( sen + sen 2 + ⋯ + sen )
Por lo tanto ( ) puede expandirse de la siguiente manera:
( ) = [( ) +( cos ) + ( cos 2 ) + ⋯ + ( cos ) +( sen ) + ( sen 2 )

+⋯+ ( sen ) + 2( cos + ⋯ + cos sen
+⋯+ sen(N − 1t) sen Nt)]
50
Después, se define una integral entre el periodo (0 a 2 ) de ( ).
( ) = [( ) +( cos ) + ( cos 2 ) + ⋯ + ( cos ) +( sen )
+( sen 2 ) + ⋯ + ( sen ) + 2( cos + ⋯ + cos sen

+⋯+ sen(N − 1t) sen Nt)]
(2.23)
Al usar propiedades ortogonales de funciones sinusoidales, el resultado de la

integración entre sus propios periodos será igual a cero o a . Del razonamiento anterior
algunos términos de la ecuación (2.25) serán eliminados, pero todos los coeficientes de
Fourier elevados al cuadrado seguirán en la ecuación (2.26).
∫ ( ) =2 ( ) + ( ) + ( ) + ⋯+ ( ) + ⋯+ ( ) + ( ) + ⋯+ ( )
(2.24)
Si es necesario saber el valor RMS de la función periódica ( ) todos los coeficientes

de Fourier deben añadirse al cálculo como se muestra en la ecuación (2.27).
( ) ( ) ⋯ ( ) ⋯ ( ) ( ) ⋯ ( )
= ∫ ( ) = ( ) +
(2.25)
51
Esto indica que el valor RMS de una señal periódica no depende de las frecuencias
armónicas. A continuación se muestra un ejemplo de cómo obtener el valor RMS de una
señal de voltaje ( ) con contenido armónico cuya ecuación es la siguiente:
( ) = 7.50 − 5.00 cos(2 ) + 0.500 sen(100 ) + 3.00 sen(50 ) + 2.50 cos(174 )
La cual se resolverá de la siguiente manera
(5.00) + (0.500) + (3.00) + (2.50)

= (7.50) + ≈ 8.75
2
Como se pudo observar calcular el valor RMS de una señal periódica usando los
coeficientes de Fourier es más conveniente que usar el método de Cálculo de integración si es
que los coeficientes de Fourier se conocen. Además las diferentes frecuencias de los
componentes armónicos de la señal no afectan el valor RMS. Esto quiere decir que los valores
RMS de las señales periódicas no dependen de las frecuencias de las señales armónicas sino
que dependen de su amplitud a las cuales se le llaman componentes de Fourier.
52
Capítulo 3
DISEÑO E
IMPLEMENTACIÓN
En este capítulo se muestra como se construye el prototipo y como utilizando un
algoritmo basado en Transformada Discreta de Fourier se obtienen los parámetros de un
motor de inducción de jaula de ardilla de la marca LabVolt en conexión estrella en arranque
sencillo.
53
Diseño e Implementación
3.1. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO.
El Prototipo consta de 3 tipos de sensores, sensor de Corriente de efecto Hall,

sensor de Voltaje de CA y un sensor infrarrojo de Temperatura conectados como se muestra
en la figura 3.1.
Como este sistema se encarga de sensar las tres fases del motor de inducción, cuenta
con un sensor de Voltaje y de Corriente por fase, ésta conexión es necesaria para poder
obtener correctamente los parámetros de cada fase, ya que cada una de éstas tiene sus propias
características. Cada sensor está conectado a una entrada analógica de la placa Arduino la
cual se encarga convertir la información de la señal de salida que los sensores transmiten a
este, por medio de una conversión de resolución para que se puedan interpretar. Por otra
parte el sensor de temperatura se conecta a las entradas SCL y SDA que se encargan de la
comunicación I2C la cual se vio en el capítulo anterior.
Se utiliza una pantalla LCD con una dimensión de 4x20 para mostrar los resultados
de las mediciones de los parámetros en 6 diferentes pantallas, en la primera pantalla se
muestra el Voltaje y la Corriente RMS de cada fase, en la segunda pantalla se muestra el
Factor de potencia por fase, en la tercera se visualiza el ángulo de desfasamiento entre la
onda de voltaje y la de corriente por fase, la cuarta muestra la Potencia Aparente RMS, la
quinta y la sexta pantalla muestran la Potencia Activa y Reactiva RMS respectivamente. Del
mismo modo es desplegada la medición de la temperatura del rotor en cada pantalla para
tener un monitoreo constante de este parámetro.
Para poder navegar entre pantallas se utilizan dos PB conectados en los pines digitales
18 y 19, los cuales corresponden a interrupciones por hardware que tiene la placa arduino,
cada uno con un circuito anti rebote para evitar saltos innecesarios entre pantallas y tener una
navegación más eficiente.
54
Figura 3.1 Diagrama de conexión del prototipo.
55
3.2. PROGRAMACIÓN DEL ARDUINO.
Para programar el Arduino se utilizó la plataforma Arduino IDE la cual es un

software libre, de fácil instalación, amigable con el usuario, fácil de entender y gratuito, para
crear programas o “Sketches”. Los sketches constan de 3 partes principales, una parte en
donde se hacen comentarios se declaraba variables globales o se incluyen las librerías,
incluso pueden crearse funciones (comúnmente van al final de los sketches). La siguiente
parte del sketch es el “setup”, el cual solo se corre una vez cuando se inicia la placa arduino
y donde, como su nombre lo dice, se declara un set up ósea se declaran pines como entradas
o salidas digitales, se inicializa la comunicación en serie o por otros protocolos, se declaran
interrupciones, etc. y se declara con la función void setup(). La última parte del sketch es la
parte que se estará corriendo en un loop, aquí es donde se desarrolla la mayor parte del sketch,
es donde se programan las actividades que realizará el Arduino y como procesará la
información que se le aportará. Ésta parte está denominada por la instrucción void loop().
Los pasos que se siguieron para la realización del sketch fueron los siguientes:
1. Se incluyen las librerías necesarias para utilizar los dispositivos con los que se
comunicará la placa de Arduino y declaran las variables globales que se utilizarán en
el programa.
2. En la sección de void setup() se inicializa la comunicación serial, la comunicación
con el sensor de temperatura MLX90614, se especifica las dimensiones de la LCD y
se definen las interrupciones que se utilizarán.
3. En el bucle del programa se procede a llamar a una función para obtener los valores
RMS de la corriente y voltaje a neutro por fase del motor e imprimirlos en una LCD.
También se obtiene el dato de temperatura del sensor MLX90614.
4. Se crea una función basada en la transformada discreta de Fourier para obtener las
componentes de frecuencia de Voltajes y Corrientes por fase, además de utilizar
cálculos basados en estas dos variables para obtener la potencia activa, la potencia
reactiva, la potencia aparente, el factor de potencia y el ángulo de fase.
5. Por último se crean dos interrupciones para la trancisión de una pantalla a otra.
56
3.2.1. Medición de Temperatura.
La comunicación con el sensor de temperatura se lleva a cabo mediante el protocolo

I2C el cual permite utilizar diferentes sistemas esclavos conectados en un solo bus de
comunicación. Dado que el resultado de la medición es provisto de forma digital, el ruido del
ambiente no afecta el valor de la medición.
La comunicación con el sensor se logra mediante la librería ‘i2cmaster.h’ (Peter

Fleury, 2005) la cual es de uso libre, se utiliza una dirección única para comunicarse con el
Arduino la cual es accedida por medio de una instrucción en la librería ‘i2cmaster.h’ y así
adquirir el dato de la medición del sensor.
Debido a que este dispositivo arroja los resultados en grados Kelvin, es necesario
hacer una conversión digital (Grados Celsius = ‘°K – 273.15’).
3.2.2. Funcionamiento del algoritmo basado en la T.D.F.
La función sigue el algoritmo descrito por la T.D.F., el prototipo obtiene muestras de

las corrientes y voltajes instantáneas de las fases del motor con un cierto periodo de muestreo
uniforme. Se utiliza un ciclo “for” para poder hacer los cálculos necesarios individualmente
para la parte real y la parte imaginaria de las sumatorias indicadas en (2.19).
Utilizando una estructura de control de flujo (ciclo while) se hace un muestreo

uniforme de la señal de Voltaje y Corriente el cual consta de 40 muestras por ciclo con una
ventana de tiempo de 416.66 micro segundos entre muestras.
Para asegurar que las muestras se tomen de manera uniforme se utiliza una estructura
condicional ‘if()’ la cual permite que se tomen muestras solo si ha transcurrido el tiempo
como se muestra en la siguiente sección del código.
if (micros() - microsAnt >= Ts)
57
{…}
Donde ‘micros()’ es una función que devuelve el tiempo que ha transcurrido desde
que se inició el sistema, ‘microsAnt’ es una variable que almacena el tiempo en que se tomó
la última muestra y Ts es el periodo de muestreo en unidades de .
Una vez que se haya completado el muestreo de las señales, se procede a calcular las
componentes de frecuencia en magnitud y fase utilizando la ecuación (2.19), pero solo la
fundamental, la 3ª, 5ª y 7ª armónica ya que éstas son las que se encuentras más habitualmente
en la red eléctrica industrial y también debido a que la velocidad de procesamiento del
Arduino se ve comprometida con más cálculos matemáticos.[19]
El siguiente paso es calcular los valores RMS de el Voltaje y la Corriente utilizando

la fórmula (2.25), las potencias activa y reactiva se obtuvo multiplicando las magnitudes de
Corriente y Voltaje y a su vez multiplicarlas por el coseno y seno de las fases entre éstas
respectivamente. Una vez obtenida la potencia Activa y pasiva se procede a calcular la
potencia aparten y el factor de potencia. En la figura (3.2) se muestra de forma general el
funcionamiento del programa con un diagrama de flujo.
58
Figura 3.2 Diagrama de flujo de funcionamiento del prototipo.

59
3.2.3. Transmisión de datos obtenidos a la plataforma MATLAB® 2015ª.
Debido a que es necesario tener un historial para una mejor apreciación del
comportamiento de los parámetros de las fases del motor de inducción, se utilizó la
herramienta Simulink de la plataforma MATLAB® 2015a y la habilidad de la placa Arduino
Mega 2560 para comunicarse de forma serial con el ordenador al que está conectado, para
crear graficas sobre el comportamiento de estos. Para lograr esto se creó un programa en
Simulink como se muestra en la fig (3.3) con el bloque Query Instrument el cual permite
crear una comunicación serial entre MATLAB® 2015a y la placa Arduino. Este bloque se
puede configurar con el puerto que se usará, la velocidad de transmisión, la cantidad de datos
que se mandarán y su tipo (flotante o entero) y el formato de los datos.
Figura 3.3 Modelo en Simulink para la comunicación entre Arduino y MATLAB.
60
Se utiliza un bloque de ‘transpuesta’ y un ‘demux’ para separar los datos en diferentes

vías de comunicación las cuales van dirigidas a bloques y a un ‘scope’ para monitorear el
comportamiento de los parámetros. Además se utiliza un bloque ‘to file’ para almacenar los
dates en una extensión “.mat” y displays para poder monitorear los valores RMS de las
variables como se muestra en la fig. (3.4). Por ultimo para poder obtener los datos y poderlos
graficar en MATLAB® 2015a se hace uso de un pequeño programa el cual extrae los datos
“.mat” y crea una gráfica con ellos.
Figura 3.4 Bloque submódulo del programa en Simulink.
61
Capítulo 4
PRUEBAS Y RESULTADOS
En éste capítulo se muestran las pruebas y los resultados que se le hicieron al prototipo
utilizando el motor de inducción y un dinamómetro como carga y se analizan los resultados.
62
Pruebas y resultados
4.1. PRUBA CON MOTOR EN VACIO.
Al hacer pruebas con el prototipo se hizo una conexión en estrella de arranque sencillo
al motor de inducción, los sensores de efecto hall se conectaron en serie con la línea del
motor, los sensores de voltaje se conectaron en paralelo a la fuente de CA.
Al encender el motor se pudo observar que se registraban los picos de corriente que
el motor tiene al encenderse de forma sencilla a voltaje pleno. Se utilizó un analizador de
redes FLUKE para medir las corrientes de fase, se procedió a comparar con los valores que
el prototipo arrojaba y se comprobó que los valores obtenidos por el prototipo y el analizador
de redes eran parecidos como se muestra a continuación.
Figura 4.1 Conexión del prototipo y el analizador de redes FLUKE para pruebas con el motor.
63
Figura 4.2 Resultados de las mediciones de voltaje y corriente tomados por el analizador de redes
FLUKE (en vacío).
Figura 4.3 Resultados de las mediciones de voltaje y corriente tomados por el Prototipo (en vacío).
64
Figura 4.4 Resultados de las mediciones de potencias y factor de potencia tomados por el
analizador de redes FLUKE (en vacío).
Figura 4.5 Resultados de las mediciones de potencia activa tomados por el prototipo (en vacío).
65
Figura 4.6 Resultados de las mediciones de potencia reactiva tomados por el prototipo (en vacío).
Figura 4.7 Resultados de las mediciones de potencia aparente tomados por el prototipo (en vacío).
Figura 4.8 Resultados de las mediciones de Factor de Potencia tomados por el prototipo (en
vacío).
66
Figura 4.9 Resultados de las mediciones de ángulo de fase tomados por el analizador de redes
FLUKE (en vacío).
Figura 4.10 Resultados de las mediciones de ángulo de fase tomados por el prototipo (en vacío).
67
4.2. PRUBA CON MOTOR CON CARGA.
Esta prueba es como la anterior, con la diferencia de tener conectado un dinamómetro

con el cual se llevó al motor de inducción a sus valores nominales por línea y como en la
prueba anterior se procedió a tomar las mediciones de los parámetros con el analizador de
redes y el prototipo. A continuación se muestran los resultados de ésta prueba.
FLUKE (con carga).
Figura 4.12 Resultados de las mediciones de voltaje y corriente tomados por el prototipo (con
carga).
68
analizador de redes FLUKE (con carga).
Figura 4.14 Resultados de las mediciones de potencia activa tomados por el prototipo (con carga).
69
Figura 4.15 Resultados de las mediciones de potencia reactiva tomados por el prototipo (con
carga).
Figura 4.16 Resultados de las mediciones de potencia activa tomados por el prototipo (con carga).
Figura 4.17 Resultados de las mediciones del factor de potencia tomados por el prototipo (con
carga).
70
FLUKE (con carga).
Figura 4.19 Resultados de las mediciones de ángulo de fase tomados por el prototipo (con carga).
71
Como se puede observar en ambas pruebas la medición de los Voltajes tiene de 3%
a 5% de error (utilizando la fórmula %= ∗ 100 ) [20] entre los resultados del
prototipo y el analizador de redes lo cual está dentro de los estándares de la norma IEC 600-
44-1 lo cual se puede apreciar en las tablas 4.1 y 4.2. [21] Otro aspecto que se puede saber
de estas pruebas es que en efecto la potencia reactiva del motor es negativa y su factor de
potencia está en atraso ya que su ángulo de fase es negativo.
Tabla 4.1 Error entre mediciones del analizador de redes y el prototipo (en vacío).
Variable Fluke Prototipo Error
120.5 V 124.66 V 3.45%
Voltaje 122.2 V 126.25 V 3.31%
122.1 V 125.89 V 3.10%
0.7 A 0.7 A 0%
Corriente 0.8 A 0.8 A 0%
0.7 A 0.7 A 0%
0.04 kW 37.00 W N/A
Potencia Activa 0.04 kW 42.84 W N/A
0.04 kW 44.17 W N/A
-0.07 kVAr -75.10 VAr N/A
Potencia Reactiva -0.09 kVAr -85.33 VAr N/A
-0.08 kVAr -74.77 VAr N/A
0.08 kVA 85.27 VA N/A
Potencia Aparente 0.10 kVA 96.10 VA N/A
0.09 kVA 87.86 VA N/A
0.44 LAG 0.45 LAG 2.37%
Factor de potencia 0.42 LAG 0.46 LAG 9.52%
0.48 LAG 0.50 LAG 4.17%
-64° -63.10° -1.40%
Ángulo de fase -65° -63.77° -1.89%
-61° -58.86° -3.50%
72
Tabla 4.2 Error entre mediciones del analizador de redes y el prototipo (con carga).
Variable Fluke Prototipo Error (%)
121.7 V 126.43 V 3.74%
Voltaje 123.4 V 127.05 V 2.95%
123.6 V 128.33 V 3.82%
1.4 A 1.4 A 0%
Corriente 1.5 A 1.5 A 0%
1.5 A 1.4 A 6.66%
0.14 kW 146.26 W N/A
Potencia Activa 0.16 kW 158.62 W N/A
0.15 kW 155.01 W N/A
-0.09 kVAr -89.02 VAr N/A
Potencia Reactiva -0.10 kVAr -95.93 VAr N/A
-0.10 kVAr -86.18 VAr N/A
0.17 kVA 171.86 VA N/A
Potencia Aparente 0.19 kVA 185.35 VA N/A
0.15 kVA 177.60 VA N/A
0.85 LAG 0.86 LAG 1.17%
Factor de potencia 0.84 LAG 0.86 LAG 2.38%
0.86 LAG 0.87 LAG 1.16%
-32° -31.92° -0.25%
Ángulo de fase -33° -31.49° -4.57%
-31° -28.12° -9.29%
En las tablas se puede apreciar como algunas mediciones tienen errores de más del
5% esto se debe en parte a que los sensores de Voltaje no están calibrados de un modo
correcto y a que el prototipo, como ya se mencionó antes solo obtiene los datos de la onda
fundamental, la 3ª, 5ª y 7ª armónica por lo cual los resultados no son tan cercanos a los del
analizador de redes. [
73
Otro factor que influye en el error de medición es que el analizador de redes estaba
en una escala de kilos en cuanto a las potencias y el prototipo está en unidades por lo que el
error de medición no se especifica en éstos parámetros, además también influyen los tiempos
de procesamiento del Arduino y el número de muestras que se toman por ventana de tiempo
debido a esto entre más muestras se obtenían más lento se volvía el prototipo lo que significa
que sería más difícil poder obtener los datos de cambios rápidos en la red del motor..
También se puede apreciar que la temperatura aumentó 10°C en el tiempo que se

realizó la prueba con el motor con carga debido al esfuerzo que realizaba el motor para mover
la carga por lo cual se puede dar a conocer que el sensor funciona correctamente y se puede
tener monitoreado no solo el rotor sino también otras partes del motor.
4.3. PRUEBA DE ERROR DE CONEXIÓN.
Ya que se comprobó que las mediciones son eficientes se procedió a hacer una prueba
“de error de conexión” para corroborar que las fases son analizadas por separado. Lo que se
hizo fue conectar el sensor de voltaje de la fase A en la fase B y viceversa, lo mismo con el
analizador de redes, y los sensores de efecto Hall no fueron reubicados.
Debido a que las fases cambiaron de posición los ángulos de fase también cambiaron
de valor y orientación mostrando medidas erráticas en cuanto a la potencia activa, reactiva y
aparente, así como su factor de potencia.
Los resultados de esta prueba de conexión se muestran en las figuras siguientes. Al

igual que la prueba anterior está prueba se realizó con el motor en sus parámetros nominales
para poder apreciar mejor el comportamiento de este.
74
FLUKE (conexión errónea).
Figura 4.21 Resultados de las mediciones de voltajes y corriente tomados por el prototipo
(conexión errónea).
75
analizador de redes FLUKE (conexión errónea).
Figura 4.23 Resultados de las mediciones de potencia activa tomados por el prototipo (conexión
errónea).
76
Figura 4.24 Resultados de las mediciones de potencia reactiva tomados por el prototipo (conexión
errónea).
Figura 4.25 Resultados de las mediciones de potencia aparente tomados por el prototipo (conexión
errónea).
Figura 4.26 Resultados de las mediciones del factor de potencia tomados por el prototipo
(conexión errónea).
77
FLUKE (conexión errónea).
Figura 4.28 Resultados de las mediciones de ángulo de fase tomados por el prototipo (conexión
errónea).
78
Con los resultados obtenidos se llega a la conclusión de que el prototipo si obtiene

los parámetros de las fases independientemente y reacciona de la misma manera que el
analizador de redes.
4.4. CONEXIÓN A MATLAB® 2015a.
Como el Arduino se alimenta y comunica al ordenador vía USB es posible crear una
comunicación con MATLAB® y como se mencionó en el capítulo anterior es recomendable
crear historiales para registrar el comportamiento de la máquina y así tener un buen
monitoreo de ésta.
En ésta primera prueba se enciende el motor a voltaje pleno repetidas veces para
observar el comportamiento de la corriente y por lo tanto de las potencias por línea del motor.
Del mismo modo se varió la carga del motor hasta llevarlo a sus valores nominales por línea
y regresándolo a un estado sin carga. A continuación se muestran los resultados de las
pruebas que s ele hicieron al prototipo y las gráficas resultantes.
Figura 4.29 Gráficas de voltaje por fase prueba 1.
79
Figura 4.30 Gráficas de corriente por fase prueba 1.
Figura 4.31 Gráficas de potencia activa por fase prueba 1.
80
Figura 4.32 Gráficas de potencia reactiva por fase prueba 1.
Figura 4.33 Gráficas de potencia aparente por fase prueba 1.
81
Figura 4.34 Gráficas de Factor de potencia por fase prueba 1.
Figura 4.35 Gráfica de temperatura del rotor prueba 1.
82
Cómo se pudo observar el prototipo es capaz de registrar los picos de corriente que
ocurren en el motor al encenderlo directamente a voltaje pleno. En la figura (4.28) se pude
observar que el voltaje en las líneas se mantiene igual hasta que el motor es desenergizado.
La figura (4.29) muestra el comportamiento de la corriente de línea conforme se enciende y
apaga el motor, así como también con la conexión y desconexión de carga, en las figuras
(4.30), (4.31), (4.32), se puede apreciar el cómo las potencias actúan directamente a los
cambios en la operación del motor tal como se esperaría en un motor de inducción. Nótese
que en la figura (4.33) el factor de potencia también cambia de acuerdo a los cambios en el
motor, también se puede ver que el factor de potencia se comporta de forma errática cuando
el motor es apagado, esto es debido a que cuando el motor está apagado los sensores leen
solo la señal de ruido que existe en la señal de salida y por eso se crea esa distorsión. Y por
último en la figura (4.34) manifiesta el cambio de temperatura que existe en el rotor.
La segunda prueba con la transmisión de datos a MATLAB® consiste en mantener

encendido el motor de inducción con una carga conectada y a continuación variar la carga
para mantener los parámetros del motor en constante cambio. El comportamiento del motor
puede observarse a continuación.
Figura 4.36 Gráficas de voltaje por fase prueba 2.
83
Figura 4.37 Gráficas de corriente por fase prueba 2.
Figura 4.38 Gráficas de potencia activa por fase prueba 2.
84
Figura 4.39 Gráficas de potencia reactiva por fase prueba 2.
Figura 4.40 Gráficas de potencia aparente por fase prueba 2.
85
Figura 4.41 Gráficas de factor de potencia por fase prueba 2.
Figura 4.42 Gráfica de temperatura del rotor prueba 2.
86
En la figura (4.35) se puede apreciar que el voltaje entre fases no cambia en lo

absoluto al variarle la carga ya que este está directamente relacionado con la fuente de
alimentación. En la figura (4.36) se muestra el comportamiento de las Corrientes del motor
por línea y en las figuras (4.37), (4.38), (4.39), se pueden observar las potencias, nótese como
las variaciones en éstas están relacionadas directamente con el comportamiento de la
corriente. La figura (4.40) muestra el factor de potencia de las líneas aquí se puede apreciar
de manera evidente que los cambios también corresponden al incremento y decremento en la
carga. Por último en la figura (4.41) se visualiza el cambio de la temperatura en el rotor y
como éste va a aumentando conforme pasa el tiempo y se le agrega más carga al motor.
Gracias a estos resultados se puede decir que el prototipo puede registrar cambios
relativamente rápidos y erráticos en el comportamiento de las líneas del motor y crearse un
historial de estos eventos para tener un registro donde se puedan observar fallas cambios
bruscos en la carga e incluso desconexiones o un desbalance en las cargas del motor y hasta
cortos circuitos.
87
Capítulo 5
CONCLUSIÓN Y TRABAJOS
FUTUROS
En éste apartado se realiza la conclusión sobre el proyecto planteado en la presente
tesis, así como recomendaciones para mejorar el prototipo para un mejor desempeño en
trabajos futuros.
88
Conclusión y trabajos futuros
5.1. CONCLUSIONES.
La adquisición de los parámetros del motor mediante el uso de una placa Arduino y
sensores de Voltaje y Corriente fue posible gracias al uso de la Transformada Discreta de
Fourier que permite, sin el uso de hardware extra, obtener los fasores de ondas sinusoidales,
los valores RMS de Voltaje, Corriente, Potencia Activa, Potencia Reactiva y Potencia
Aparente y el valor del Factor de Potencia que hay en cada una de las líneas del motor. La
temperatura interna del motor fue posible obtenerse gracias al sensor no invasivo infrarrojo
de temperatura y a la librería ‘i2cmaster.h’ creada por Peter Fleury, 2005. El monitoreo de
las variables fue posible por el proceso digital del Arduino Mega 2560 y el uso de una pantalla
LCD donde se despliegan los resultados de los cálculos de la T.D.F.
Debido al tamaño reducido de los sensores utilizados para este proyecto fue posible
hacer de este un prototipo portátil que puede llevarse al área donde se le necesite. Aunque se
obtuvieron los parámetros deseados para el monitoreo del motor de inducción estos presentan
un porcentaje de error superando a veces el 5% lo cual ya es considerable lo cual es debido
al despliegue de las variables en la LCD que en ocasiones suele variar considerablemente o
por pequeñas fallas de conexión y a que el sensor de voltaje no está del todo bien calibrado
y solo se obtienen los valores RMS de la onda fundamental, la 3ª, 5ª y 7ª armónica como se
mencionó en el capítulo anterior. A pesar de estos percances el prototipo tiene una velocidad
de transmisión y procesamiento considerablemente rápido.
La comunicación con MATLAB® por medio del puerto serial permitió una mejor
apreciación grafica del comportamiento del motor ante los cambios en sus variables, más
específicamente, cuando se le agrega una carga o se enciende a voltaje pleno y gracias a ésta
cualidad del prototipo se pudieron crear historiales gráficos y una tabla de valores de cada
variable de las pruebas que se le realicen o las posibles fallas que pueda tener un motor de
inducción.
89
Conclusión y trabajos futuros
5.2. RECOMENDACIONES.
Se recomienda investigar una mejor forma para calibrar el sensor de Voltaje

zmpt101b para un sensado más preciso.
Si se desea hacer un sensado no invasivo se pueden utilizar sensores de corriente de

CA no invasivo del modelo SCT-013 el cual se puede utilizar con la placa Arduino. [22]
Para aumentar la velocidad de procesamiento del prototipo y poder tomar más

muestras por fase y de forma simultánea, se recomienda utilizar un microprocesador con un
sensor de Corriente y Voltaje por fase los cuales realicen un muestreo simultaneo y envíen
sus resultados vía protocolo i2C hacia un maestro el cual podrá disponer de estos datos para
procesarlos más rápido.
Investigar cómo crear un gestor gráfico que utilice los parámetros medidos para
visualizar de forma más analítica el comportamiento de las fases del motor de inducción
creando un diagrama fasorial y graficas donde se visualicen los parámetros.
Puede ser agregado un módulo Bluetooth hc-06 o de Wifi ESP8266 para crear
servidores que proporcionen la información sobre los parámetros del motor vía inalámbrica
a celulares o incluso otros equipos de cómputo según se necesite. [23] [24]
90
Referencias
[1] “Tesla Memorial Society of New York Website” http://bit.ly/25NvqdL
[2] Medición de potencia en sistemas eléctricos http://bit.ly/1WGVHsH
[3] EQUIPOS DE MEDICION. http://bit.ly/1PMB8bV
[4] W. Leonhard, “Control of Electrical Drives”, power systems series, 3a Edición,

Springer, Nueva York, 2001.
[5] Daniel Alberto Saucedo Martínez, et. al, “Factores que afectan la calidad de la
energía y su solución”
[6] https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560.
[7] MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA. Sistemas Automáticos de Producción

Alimentaria, Andrés De Vandelvira Departamento De Sap ©J. Garrigós Noviembre
2011.
[8] Motores Asíncronos Trifásicos, http://www-
app.etsit.upm.es/departamentos/teat/asignaturas/lab-
ingel/motor%20asincrono%20trifasico.pdf.
[9] http://www.trifasica.net/pdf/TEMA_9._POTENCIA_EN_SISTEMAS_TRIFASIC
OS.pdf
[10] Arranque de los motores de inducción, Departamento de Ingeniería Eléctrica –

E.T.S.I.I. http://www.die.eis.uva.es/~daniel/docencia/te/TEIQPractica9-2008.pdf
[11] Universidad Nacional de San Luis Facultad de Ciencias Físico Matemáticas y

Naturales Ingeniería Electrónica con orientación en Sistemas Digitales Técnico
Universitario en Microprocesadores Profesorado en Tecnología ElectrónicaSensores
de efecto Hall http://www0.unsl.edu.ar/~interfases/labs/lab09.pdf
[12] Allegro MicroSystems, LLC, ACS712-Datasheet 2006-2017
91
Referencias
[13] https://www.plexishop.it/pdf/ZMPT101B%20-%20Datasheet.jpg
[14] www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Temperature/MLX90614_rev001.pdf
[15] https://www.luisllamas.es/arduino-i2c/
[16] La Serie de Fourier en Forma Compleja, M. I. Joel Rodríguez Guillén

, Instituto Tecnológico de Ciudad Madero, Diciembre 2016.
[17] La Transformada Discreta de Fourier, M. I. Joel Rodríguez Guillén

, Instituto Tecnológico de Ciudad Madero, Diciembre 2016.
[18] Proof of Using Fourier Coefficients for Root Mean Square Calculations on Periodic
Signals, Sompop Poomjan, et al, Department of Physics, Faculty of Science King
Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Chalongkrung Rd. Ladkrabang,
Bangkok Thailand 10520
[19] Los Armónicos y la Calidad de la Energía Eléctrica,

http://www.rtrenergia.es/downloads/armonicos_2012.pdf
[20] Procedimiento para la verificación de medidores de energía eléctrica estáticos

clases 1 y 2 y electromecánico clase 2,
http://www.inacal.gob.pe/inacal/files/metrologia/%20HCMEE/PV-001-
INACAL.pdf
[21] Criterios de Selección de Transformadores de Corriente (TC’s) En aplicaciones de

Protección y Medición, Subgerencia de Protecciones Departamento de Ingeniería
de Protecciones, Julio de 2008.
[22] http://www.mcielectronics.cl/website_MCI/static/documents/Datasheet_SCT013.p
df
[23] https://www.olimex.com/Products/Components/RF/BLUETOOTH-SERIAL-HC-
06/resources/hc06.pdf
[24] ESP8266EX Datasheet,Version 4.3 Espressif Systems IOT Team

http://bbs.espressif.com/ Copyright © 2015
92
Apéndice A
Programa del prototipo
#include <i2cmaster.h>
#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(12, 11, 10, 9, 8, 7);
const unsigned long tiempoMuestreo = 16667UL; // muestras sobre 100ms, es un

numero exacto de ciclos para fuentes de 60Hz igual a 6 ciclos
const unsigned long numMuestras = 40UL; // escoge el número de muestras para
dividir exactamente el tiempo de muestreo, pero lo suficientemente bajo para mantener en
contacto el ADC
const unsigned long intervalosMuestra = tiempoMuestreo/numMuestras; // el intervalo de
muestreo igual a 400, tiene que ser más largo que el tiempo de conversión
int pantalla = 1; //variable para el cambio de pantallas
int dev = 0x5A<<1;

int data_low = 0;
int data_high = 0;
int pec = 0;
float pi = 3.141592654;
float Vrms[3]; //Vector donde se guardarán los valores de voltaje RMS
float V1=0;
float V2=0;
float V3=0;
float Irms[3]; //Vector donde se guardarán los valores de corriente RMS
93
Apéndice A
float I1=0;
float I2=0;
float I3=0;
float Spower[3]; //Vector donde se guardarán los valores de potencia aparente RMS
float SP_1=0;
float SP_2=0;
float SP_3=0;
float Apower[3]; //Vector donde se guardarán los valores de potencia activa RMS
float AP_1=0;
float AP_2=0;
float AP_3=0;
float Rpower[3]; //Vector donde se guardarán los valores de potencia reactiva RMS
float RP_1=0;
float RP_2=0;
float RP_3=0;
float Theta[3]; //Vector donde se guardarán los fasores
float fase1=0;
float fase2=0;
float fase3=0;
float PowerF[3]; //Vector donde se guardarán los valores de factor de potencia
float PF_1=0;
float PF_2=0;
float PF_3=0;
int Cfp[3];
int red_1=0;
int red_2=0;
int red_3=0;
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
i2c_init(); //Inicia el bus I2C
94
Apéndice A
PORTC = (1 << PORTC4) | (1 << PORTC5); //activa la resistencia Pullup del arduino
Serial.begin(250000); //inicia la comunicación serial
lcd.begin(20,4); //establece el tamaño de la pantalla LCD
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(18),Pmas,FALLING); //interrupción para el cambio de
pantallas
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(19),Pmin,FALLING); //interrupción para el cambio de
pantallas
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//// Sensado de Temperatura ////
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
i2c_start_wait(dev+I2C_WRITE); //lee la dirección del sensor
i2c_write(0x07);
//lectura
i2c_rep_start(dev+I2C_READ);
data_low = i2c_readAck(); //Lee 1 byte y lo manda a ack
data_high = i2c_readAck(); //Lee 1 byte y lo manda a ack
pec = i2c_readNak();
i2c_stop();
//Esto convierte los byte altos y bajos juntos y procesa la temperatura, MSB es un bit de error y
es ignorado para la temp.
double tempFactor = 0.02; // 0.02 grados por LSB (resolución de medición del MLX90614)
double tempData = 0x0000; // Datos en Cero
int frac; // datos pasado el punto decimal
//Esto enmascara el bit de error del byte alto, luego lo mueve 8 bits a la izquierda y añade el byte
bajo
95
Apéndice A
tempData = (double)(((data_high & 0x007F) << 8) + data_low);

tempData = (tempData * tempFactor)-0.01;
float celcius = tempData - 273.15; //Hace la conversión de grados Kelvin a Celsius
VrmsFundamental(0); //instrucción para llamar la función de coeficientes de furier para obtener

los parametros
//se procede a llenar las variables con los valores medidos de los parametros.
V1=Vrms[0];
I1=Irms[0];
fase1=Theta[0];
PF_1=PowerF[0];
SP_1=Spower[0];
AP_1=Apower[0];
RP_1=Rpower[0];
red_1=Cfp[0];
V2=Vrms[1];
I2=Irms[1];
fase2=Theta[1];
PF_2=PowerF[1];
SP_2=Spower[1];
AP_2=Apower[1];
RP_2=Rpower[1];
red_2=Cfp[1];
V3=Vrms[2];
I3=Irms[2];
fase3=Theta[2];
PF_3=PowerF[2];
SP_3=Spower[2];
96
Apéndice A
AP_3=Apower[2];
RP_3=Rpower[2];
red_3=Cfp[2];
Serial.print(V1);
Serial.print(",");
Serial.print(V2);
Serial.print(",");
Serial.print(V3);
Serial.print(",");
Serial.print(I1);
Serial.print(",");
Serial.print(I2);
Serial.print(",");
Serial.print(I3);
Serial.print(",");
Serial.print(PF_1);
Serial.print(",");
Serial.print(PF_2);
Serial.print(",");
Serial.print(PF_3);
Serial.print(",");
Serial.print(SP_1);
Serial.print(",");
Serial.print(SP_2);
Serial.print(",");
Serial.print(SP_3);
Serial.print(",");
97
Apéndice A
Serial.print(AP_1);
Serial.print(",");
Serial.print(AP_2);
Serial.print(",");
Serial.print(AP_3);
Serial.print(",");
Serial.print(RP_1);
Serial.print(",");
Serial.print(RP_2);
Serial.print(",");
Serial.print(RP_3);
Serial.print(",");
Serial.println(celcius);
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//// Impresion de pantallas ////
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
switch (pantalla) {
case 1:
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("Temperatura:");
lcd.print(celcius);
lcd.print("C");
lcd.print("V1:");
lcd.print(V1);
lcd.print("V");
98
Apéndice A
lcd.print("I1:");
lcd.print(I1,1);
lcd.print("A");
lcd.print("V2:");
lcd.print(V2);
lcd.print("V");
lcd.print("I2:");
lcd.print(I2,1);
lcd.print("A");
lcd.print("V3:");
lcd.print(V3);
lcd.print("V");
lcd.print("I3:");
lcd.print(I3,1);
lcd.print("A");
break;
case 2:
lcd.clear();
lcd.print(celcius);
lcd.print("C");
lcd.print("FP1:");
99
Apéndice A
lcd.print(PF_1);
switch(red_1){
case 1:
lcd.print("LAG");
break;
case 2:
lcd.print("LEAD");
break;
}
lcd.print("FP2:");
lcd.print(PF_2);
switch(red_2){
case 1:
lcd.print("LAG");
break;
case 2:
lcd.print("LEAD");
}
lcd.print("FP3:");
lcd.print(PF_3);
switch(red_3){
case 1:
100
Apéndice A
lcd.print("LAG");
break;
case 2:
lcd.print("LEAD");
break;
}
break;
case 3:
lcd.clear();
lcd.print(celcius);
lcd.print("C");
lcd.print("Ang:");
lcd.print(fase1);
lcd.print("deg");
lcd.print("Ang:");
lcd.print(fase2);
lcd.print("deg");
lcd.print("Ang:");
lcd.print(fase3);
lcd.print("deg");
101
Apéndice A
break;
case 4:
lcd.clear();
lcd.print(celcius);
lcd.print("C");
lcd.print("S1:");
lcd.print(SP_1);
lcd.print("VA");
lcd.print("S2:");
lcd.print(SP_2);
lcd.print("VA");
lcd.print("S3:");
lcd.print(SP_3);
lcd.print("VA");
break;
case 5:
lcd.clear();
lcd.print(celcius);
lcd.print("C");
102
Apéndice A
lcd.print("PA1:");
lcd.print(AP_1);
lcd.print("W");
lcd.print("PA2:");
lcd.print(AP_2);
lcd.print("W");
lcd.print("PA3:");
lcd.print(AP_3);
lcd.print("W");
break;
case 6:
lcd.clear();
lcd.print(celcius);
lcd.print("C");
lcd.print("Q1:");
lcd.print(RP_1);
lcd.print("VAr");
lcd.print("Q2:");
lcd.print(RP_2);
103
Apéndice A
lcd.print("VAr");
lcd.print("Q3:");
lcd.print(RP_3);
lcd.print("VAr");
break;
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//// Toma de muestras ////
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
float VrmsFundamental(int PIN) // funcion que obtiene los parametros del motor por medio de
coeficientes de fourier
{
for(int c=0;c<3;++c)
{
unsigned int contador = 0;
unsigned long microsAnt = micros() - intervalosMuestra ;
//int j=0;
int k = 4;
float XREAL[k];
float XIMAG[k];
float YREAL[k];
float YIMAG[k];
double ARGX[k];
104
Apéndice A
double ARGY[k];
double f[k];
float CX[k];
float CY[k];
float xi[numMuestras]; // Vector donde se guardarán las muestras tomadas por el sensor
de voltaje
float yi[numMuestras]; // Vector donde se guardarán las muestras tomadas por el sensor
de corriente
while (contador < numMuestras)

{
if (micros() - microsAnt >= intervalosMuestra)
{
xi[contador]= analogRead(2*c);
yi[contador]= analogRead((2*c)+1);
++contador;
microsAnt += intervalosMuestra;
}
}
for (int j=0;j<k;++j){
XREAL[j]=0;
XIMAG[j]=0;
YREAL[j]=0;
YIMAG[j]=0;
for(int i=0;i<numMuestras;++i)
{
XREAL[j] += ((float)xi[i])*cos((2*pi*(float)(2*j+1)*i)/numMuestras);
XIMAG[j] += ((float)xi[i])*sin((2*pi*(float)(2*j+1)*i)/numMuestras);
YREAL[j] += ((float)yi[i])*cos((2*pi*(float)(2*j+1)*i)/numMuestras);
YIMAG[j] += ((float)yi[i])*sin((2*pi*(float)(2*j+1)*i)/numMuestras);
105
Apéndice A
}
}
for(int j=0;j<k;++j){
XREAL[j] = 2*(XREAL[j]/(float)numMuestras);
XIMAG[j] = 2*(XIMAG[j]/(float)numMuestras);
YREAL[j] = 2*(YREAL[j]/(float)numMuestras);
YIMAG[j] = 2*(YIMAG[j]/(float)numMuestras);
CX[j] = sqrt((float)(XREAL[j]*XREAL[j])+(XIMAG[j]*XIMAG[j]))* ((5*201.0869565)/
1023.0); //201.0869565
CY[j] = sqrt((float)(YREAL[j]*YREAL[j])+(YIMAG[j]*YIMAG[j]))* ((5/0.100)/ 1023.0);
//Vrms[j] = CX[j]/(float)sqrt(2) ;
//Irms[j] = CY[j]/(float)sqrt(2) ;
if (-XIMAG[j]>0){
ARGX[j] = (atan2(-XIMAG[j],XREAL[j])*(180/pi))-20; //-26.02
}
else{
ARGX[j] = (atan2(-XIMAG[j],XREAL[j])*(180/pi))+360-20;
}
if (-YIMAG[j]>0){
ARGY[j] = (atan2(-YIMAG[j],YREAL[j])*(180/pi)); //16.2
}
else{
ARGY[j] = (atan2(-YIMAG[j],YREAL[j])*(180/pi))+360;
}
f[j] = ARGY[j]-ARGX[j];
}
Vrms[c]=sqrt(((float)(CX[0]*CX[0])+(CX[1]*CX[1])+(CX[2]*CX[2])+(CX[3]*CX[3]))/2);
Irms[c]=sqrt(((float)(CY[0]*CY[0])+(CY[1]*CY[1])+(CY[2]*CY[2])+(CY[3]*CY[3]))/2);
Apower[c]=((float)(CX[0]*CY[0])*cos(f[0]*pi/180)/2)+((float)(CX[1]*CY[1])*cos(f[1]*pi/180)
/2)+((float)(CX[2]*CY[2])*cos(f[2]*pi/180)/2)+((float)(CX[3]*CY[3])*cos(f[3]*pi/180)/2);
106
Apéndice A
Rpower[c]=((float)(CX[0]*CY[0])*sin(f[0]*pi/180)/2)+((float)(CX[1]*CY[1])*sin(f[1]*pi/180)/
2)+((float)(CX[2]*CY[2])*sin(f[2]*pi/180)/2)+((float)(CX[3]*CY[3])*sin(f[3]*pi/180)/2);
Spower[c]=sqrt((float)(Apower[c]*Apower[c])+(Rpower[c]*Rpower[c]));
PowerF[c]=(Apower[c]/Spower[c]);
Theta[c]=acos((float)PowerF[c])*180/pi;
if(Rpower[c]>0){
Cfp[c]=2;
}
else{
Cfp[c]=1;
}
Theta[c]=Theta[c]*pow(-1,Cfp[c]);
}
return 0;
}
void Pmas(){
pantalla++;
if (pantalla>6){
pantalla=1;
}
}
void Pmin(){
pantalla--;
if (pantalla<1){
pantalla=6;
}
}
107
Apéndice B
Código de MATLAB
clc
clear all
close all
load V1.mat
load V2.mat
load V3.mat
load I1.mat
load I2.mat
load I3.mat
load PF1.mat
load PF2.mat
load PF3.mat
load S1.mat
load S2.mat
load S3.mat
load P1.mat
load P2.mat
load P3.mat
load Q1.mat
load Q2.mat
load Q3.mat
load temperatura.mat
figure(1)
title ('Voltajes RMS por línea')
subplot (3,1,1)
plot (V1(1,:),V1(2,:))
108
Apéndice B
xlabel('tiempo discreto')
ylabel('Voltaje 1')
axis ([0,V1(1,length(V1(1,:))),0,150])
grid on
subplot (3,1,2)
plot (V2(1,:),V2(2,:))
ylabel('Voltaje 2')
axis ([0,V2(1,length(V2(1,:))),0,150])
grid on
subplot (3,1,3)
plot (V3(1,:),V3(2,:))
ylabel('Voltaje 3')
axis ([0,V3(1,length(V3(1,:))),0,150])
grid on
figure(2)
title ('Corientes RMS por línea')
subplot (3,1,1)
plot (I1(1,:),I1(2,:))
ylabel('Corriente 1')
axis ([0,I1(1,length(I1(1,:))),0,6])
grid on
subplot (3,1,2)
plot (I2(1,:),I2(2,:))
axis ([0,I2(1,length(I2(1,:))),0,6])
grid on
subplot (3,1,3)
plot (I3(1,:),I3(2,:))
109
Apéndice B
axis ([0,I3(1,length(I3(1,:))),0,6])
grid on
figure(3)
title ('Factor de potencia por línea')
subplot (3,1,1)
plot (PF1(1,:),PF1(2,:))
ylabel('F.P. 1')
axis ([0,PF1(1,length(PF1(1,:))),0,1])
grid on
subplot (3,1,2)
plot (PF2(1,:),PF2(2,:))
ylabel('F.P. 2')
axis ([0,PF2(1,length(PF2(1,:))),0,1])
grid on
subplot (3,1,3)
plot (PF3(1,:),PF3(2,:))
ylabel('F.P. 3')
axis ([0,PF3(1,length(PF3(1,:))),0,1])
grid on
figure(4)
title ('Potencia Aparente RMS por línea')
subplot (3,1,1)
plot (S1(1,:),S1(2,:))
ylabel('Potencia Aparente 1')
axis ([0,S1(1,length(S1(1,:))),0,200])
grid on
subplot (3,1,2)
110
Apéndice B
plot (S2(1,:),S2(2,:))
axis ([0,S2(1,length(S2(1,:))),0,200])
grid on
subplot (3,1,3)
plot (S3(1,:),S3(2,:))
axis ([0,S3(1,length(S3(1,:))),0,200])
grid on
figure(5)
title ('Potencia Activa RMS')
subplot (3,1,1)
plot (P1(1,:),P1(2,:))
ylabel('Potencia Activa 1')
axis ([0,P1(1,length(P1(1,:))),0,200])
grid on
subplot (3,1,2)
plot (P2(1,:),P2(2,:))
axis ([0,P2(1,length(P2(1,:))),0,200])
grid on
subplot (3,1,3)
plot (P3(1,:),P3(2,:))
axis ([0,P3(1,length(P3(1,:))),0,200])
grid on
111
Apéndice B
figure(6)
title ('Potencia Reactiva RMS')
subplot (3,1,1)
plot (Q1(1,:),Q1(2,:))
ylabel('Potencia Reactiva 1')
axis ([0,Q1(1,length(Q1(1,:))),-200,0])
grid on
subplot (3,1,2)
plot (Q2(1,:),Q2(2,:))
axis ([0,Q2(1,length(Q2(1,:))),-200,0])
grid on
subplot (3,1,3)
plot (Q3(1,:),Q3(2,:))
axis ([0,Q3(1,length(Q3(1,:))),-200,0])
grid on
figure (7)
plot (temperatura(1,:),temperatura(2,:))
ylabel('Temp. °C')
axis ([0,temperatura(1,length(temperatura(1,:))),0,100])
grid on
112

Diseño e Implementación de Un Sistema de Adquisición de Parametros de Un Motor de Inducción

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®

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Capítulo 2: MATERIALES UTILIZADOS

2.1. ARDUINO MEGA 2560 .................................................................................. 8

3.1. CONSRTUCCIÓN DEL PROTOTIPO ........................................................... 54

Capítulo 4: PRUEBAS Y RESULTADOS

4.1. PRUEBA CON MOTOR EN VACIO ............................................................. 63

Capítulo 5: CONCLUSIÓN Y TRABAJOS FUTUROS

5.1. CONCLUSIONES ............................................................................................ 89

Tabla 2.1 Aplicaciones de los sensores de efecto Hall ....................................... 31

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Figura 2.1 Estructura de la Placa Arduino Mega 2560.

2.1.3. Entradas y Salidas.

 Serie: 0 (RX) y 1 (TX), Serie 1: 19 (RX) y 18 (TX); Serie 2: 17 (RX) y 16 (TX);

 I2C: 20 (SDA) y 21 (SCL). Soporte para el protocolo de comunicaciones I2C (TWI),

 Reset. Se suministra un valor LOW (0V) para reiniciar el microcontrolador.

El Arduino Mega se puede programar con el software Arduino. El ATmega2560 en

2.1.6. Reinicio Automático por Software.

En vez de necesitar reiniciar presionando físicamente el botón de reset antes de cargar,

Esta configuración tiene otras implicaciones. Cuando el Mega se conecta a un

2.1.7. Protección Contra Sobrecorrientes en USB.

El Arduino Mega tiene un multifusible reinicializable que protege la conexión USB

2.1.8. Características físicas y compatibilidad de Shields.

La longitud y amplitud máxima de la placa Mega 2560 son de 100 y 50 milímetros