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DESIGN AN SMART ENERGY METER AND THEIR POSIBILITIES IN CUBA
Conference Paper · November 2016
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3 authors:
Josnier Ramos Guardarrama
Hernández-Areu Orestes
Universidad Tecnológica de la Habana, José Antonio Echeverría
Universidad Tecnológica de la Habana, José Antonio Echeverría
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Raimundo Freire
Universidade Federal de Campina Grande (UFCG)
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Passive circuits View project
Modelación de pararrayos de óxido de zinc ante transitorios rápidos View project
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SEE PROFILE
DISEÑO DE UN MEDIDOR DE ENERGÍA INTELIGENTE Y SUS
POSIBILIDADES EN CUBA
Josnier Ramos Guardarrama1, Orestes Hernández Areu2, Raimundo Carlos Silvério Freire3
1,2
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (CUJAE), calle 114 entre Ciclovia y Rotonda, La
Habana, Cuba, 3Universidade Federal de Campina Grande, Rua Aprigio Veloso, 882 – Barrio Universitário,
Brasil.
1
e-mail: josnier@electrica.cujae.edu.cu
RESUMEN
En la actualidad se han desarrollado nuevos dispositivos de medición de energía eléctrica con el uso de las
nuevas tecnologías de electrónica, la computación y las comunicaciones. Esto en parte se debe al aumento de
los requerimientos tecnológicos, económicos y sociales de la sociedad moderna. El interés por las energías
renovables, las nuevas formas de gestión energética, el mayor volumen de datos para una mejor comprensión
del sistema eléctrico de potencia y la toma de decisiones técnicas forman parte de la tendencia a usar
medidores de energía inteligentes. En Cuba, sus redes eléctricas podrían beneficiarse de un sistema de
medición de energía inteligente con capacidades de comunicación inalámbrica. Un diseño propio, ajustado a
las necesidades del país, tendría ventajas significativas en el funcionamiento de la red eléctrica y aportaría las
mediciones necesarias para estudios posteriores que de otra forma son costosos y de difícil obtención. El
diseño reportado en este trabajo muestra un sistema capaz de llevar no solo un registro de la energía consumida
como balance neto, sino un registro de las principales magnitudes eléctricas como: tensión, corriente, factor de
potencia, energía activa, reactiva y aparente.
PALABRAS CLAVES: Diseño, comunicación inalámbrica, medidor de energía inteligente.
DESIGN AN SMART ENERGY METER AND THEIR POSIBILITIES IN CUBA
ABSTRACT
Today they have been developing new measuring devices electricity with the use of new technologies in
electronics, computing and communications. This is partly due to increased technological, economic and social
requirements of modern society. Interest in renewable energy, new forms of energy management, the increased
volume of data for a better understanding of the power system and decision-making skills are part of the trend
to use smart energy meters. In Cuba, their electrical networks could benefit from a measuring system with
intelligent power wireless communication capabilities. An own design, tailored to the needs of the country,
would have significant advantages in the operation of the grid and bring the measurements necessary for
further studies that otherwise are expensive and difficult to obtain. The work reported in this design shows a
system capable of carrying not only a record of the energy consumed as a net balance, but a record of the main
electrical quantities such as voltage, current, power factor, active power, reactive and apparent.
KEY WORDS: Design, smart meter, wireless communication.
1
1. INTRODUCCIÓN
Las redes eléctricas son el medio por el cual la sociedad moderna mantiene y continúa avanzando en su
desarrollo técnico, económico y social. Sin estas, ocurriría una degradación dramática de la vida diaria de las
personas [1]. Para garantizar una transmisión de la energía eléctrica hacia los consumidores, con eficiencia,
calidad e integrando los desarrollos en las tecnologías de la información y la comunicación se ha modernizado
dichas redes. Esta modernización se ha consumado en la evolución llamada redes inteligentes, que buscan: un
nuevo concepto de sistemas eléctricos con una avanzada configuración, auto administrada, con eficiencia,
confiabilidad y seguridad mayores [2]. Esto tiene en cuenta la incorporación de forma suave y sostenida de las
formas de generación renovables, con control automático y modernas tecnologías de las comunicaciones.
La infraestructura que soporta las redes inteligentes está basada en la utilización de los medidores inteligentes
de energía, los cuales habilitan el monitoreo en tiempo real, la administración y la evaluación de la red eléctrica.
Los medidores inteligentes son un avanzado dispositivo para determinar el consumo de energía de los clientes
con la capacidad de comunicación bidireccional, que además cuentan con ventajas de adquisición de otras
magnitudes útiles para la administración de la red en tiempo real. En general, son capaces de proveer la
información necesaria para la compañía eléctrica y al operador del sistema, para un mejor monitoreo y
facturación [3]. Los datos obtenidos por los medidores inteligentes son una combinación de un identificador
único, la fecha y hora como referencia, los valores del consumo eléctrico y otras magnitudes. También se
pueden realizar diagnósticos de la red de distribución. Existen la posibilidad y los medios para que la
información obtenida por los medidores de energía inteligente, sea procesada en el sistema de gestión central y
mediante la comunicación bidireccional, se actué sobre los equipos eléctricos pertenecientes al cliente para
reducir su facturación mensual. Esto se logra de forma automática por medio de la comunicación entre los
equipos y el medidor de energía inteligente.
El consumidor puede apreciar desde su punto de vista ciertas ventajas de los medidores inteligentes. Desde la
estimación de la factura, administración de su consumo diario, alertas e integración con sus dispositivos.
Pueden ser capaces de observar el precio de la electricidad y su consumo en tiempo real, lo que brinda una
posibilidad de toma de decisión para obtener un mejor aprovechamiento de la energía. Esta reducción de la
demanda, que por lo general se puede obtener por el aumento del precio de la electricidad en el horario de
mayor consumo, también favorece a los que producen la electricidad, por medio de evitar el funcionamiento de
las plantas menos eficientes con que cuentan.
En la figura 1 se muestran las dos arquitecturas de los medidores de energía tradicional y el inteligente. Un
aspecto importante a analizar en la comparación es la comunicación y el nivel de automatización presentes. La
arquitectura de los medidores de energía inteligente generalmente soportan las funciones de comunicación
bidireccional, adquisición, registro y almacenamiento de datos. Además pueden llevar a cabo la desconexión
de la alimentación del cliente de forma remota, la programación de tareas, incorporación de medidas de
seguridad, visualización de informaciones y el estado de la facturación.
Los clientes pueden disfrutar del beneficio de conocer en todo momento el consumo eléctrico, una facturación
más rápida y conocimiento de la misma durante todo el mes y la ayuda que se recibe por la información dada
por el medidor de energía para disminuir el consumo durante el horario de máxima demanda. Existe la
posibilidad de prepago de la energía, bonificaciones y si se cuenta con algún medio de generación propia
renovable; afectar la facturación mediante la venta de la energía sobrante entregada a la red.
2
Figura 1: Arquitecturas de los sistemas de medición de energía eléctrica [3].
La primera red compuesta por medidores de energía inteligente tiene sus orígenes en Italia [4]. Muchas son las
definiciones dadas por diferentes autores. Esto se debe a que cada uno expresa la definición desde sus puntos
de vista [5]. Algunos investigadores la refieren desde generación distribuida y almacenamiento de energía de
forma inteligente y que incluye energía solar, del viento, micro turbinas, aire comprimido y otros elementos.
Desde el usuario, este la puede definir como un control de carga y respuesta a la demanda. La más general y
completa definición puede ser “una inteligente o red inteligente integrada con tecnologías de monitoreo,
métodos de control y comunicaciones dentro de la actual red eléctrica”. Esta clasificación cuenta con siete
características. Estas son: participación de los clientes de forma activa, opciones de acomodar todas las fuentes
de energía disponibles y de almacenamiento; nuevos servicios, productos y mercados; energía de alta calidad
para una economía basada en las comunicaciones, las computadoras y los sistemas digitales; operaciones
eficientes y optimas de nuevos y existentes activos; anticiparse y responder ante perturbaciones del sistema por
medio de una auto reparación y la operación resistente ante ataques y desastres naturales.
Para cumplir las expectativas anteriores se debe de poseer obligatoriamente de un sistema de medición a gran
escala ubicado en la red de distribución de energía. Este sistema es fundamentalmente compuesto por los
medidores de energía inteligente.
Existe una gran cantidad de investigadores de varios países que están trabajando el tema de las redes
inteligentes. Tenemos a Australia, Austria, Brasil, Canadá, China, Estados Unidos, Finlandia, India, Inglaterra,
Irán e Italia [6]–[18]. Lo anterior es solo una pequeña muestra del interés que existe actualmente en la temática.
2. DISEÑO DEL MEDIDOR INTELIGENTE DE ENERGÍA
Existen varias arquitecturas de medidores de energía reportadas en la literatura [3]. Uno de los principales
elementos a tener en cuenta en el diseño son los dispositivos electrónicos que aportan el procesamiento y
control de todo el equipo. Este dispositivo en general puede ser un microcontrolador, una FPGA o un circuito
3
integrado diseñado específicamente para esta tarea. Los circuitos integrados específicos no nos brindan mucha
flexibilidad y posibilidades de incorporar nuevas funciones solo dependiendo del mismo. Las FPGA nos
garantizan un alto paralelismo de realización en las tareas, una excelente velocidad de procesamiento y
flexibilidad; pero a un costo mucho mayor. Esta situación nos sugiere que una opción viable para un desarrollo
de un medidor de energía propio requiere del uso de microcontroladores en función de los recursos utilizados.
Existen una gran gama de fabricantes y tipos de microcontroladores. Un diseño con pocos recursos puede ser
desarrollado mediante un microcontrolador de 8 bit. Un aumento del requerimiento puede ser resuelto en
muchos casos por medio del aumento del número de bit y sus prestaciones. Igualmente se puede trabajar con
microcontroladores generales o de propósito específico como los utilizados en el procesamiento digital de
señales (DSP). Una de las necesidades de este tipo de equipo, es que se requiere de realizar simultáneamente
varías tareas: mostrar información por una pantalla, realizar los cálculos matemáticos, comunicación y
ejecución de comandos externos. Al aumentar la cantidad de cálculos se disminuye la cantidad de tareas que se
pueden realizar manteniendo el tiempo real de la aplicación. Esto se debe a que existe una cantidad de
operaciones finitas en el mismo intervalo de tiempo que puede realizar cualquier dispositivo electrónico.
Existen al menos, tres posibles soluciones al problema. Estas son la de aumentar las prestaciones del
microcontrolador o cambiar a uno con potencialidades específicas, dividir las tareas entre dos o más
microcontroladores, y por último, usar electrónica adicional para realizar tareas antes o después que el
microcontrolador acceda a los datos. Usar un microcontrolador más potente, si bien mantiene el diseño del
hardware lo más mínimo posible, los costos por el tiempo de desarrollo y el precio del microcontrolador
aumentan. Usar dos microcontroladores puede mantener el precio y el nivel de complejidad relativamente bajo,
pero aun es necesario programar dos unidades. Sin embargo, utilizar un circuito integrado específico para
medidores de energía y un microcontrolador de 8 bits, puede ser la solución más adecuada entre precio, tiempo
de desarrollo, complejidad y prestaciones.
En la Fig. 2 se muestra el esquema general desarrollado del medidor de energía inteligente usando un
microcontrolador del fabricante Microchip y un circuito integrado de propósito específico. Además hay
presente un teclado matricial para la selección de la información a mostrar en el LCD, un módulo de
comunicación inalámbrica XBee, un reloj de tiempo real con batería incluida para los periodos de tiempo en
los cuales la energía del sistema eléctrico este desconectada. El ADE7753 es el circuito integrado de propósito
específico para la medición de energía. Transductores de potencial y de corriente referidos respectivamente
como Tv y Tc. Para la desconexión remota se cuenta con un relé y el circuito de control acoplado al
microcontrolador.
Microcontrolador
El microcontrolador PIC 18F4550 es de 8 bit y fue creado para realizar tareas de alto desempeño, con memoria
interna Flash incluida y la operación con un oscilador de hasta 48 MHz. Cuenta además con un puerto USB
versión 2.0, capacidad para tres interrupciones externas, cuatro temporizadores, un puerto serie USART, un
puerto SPI, hasta 13 canales de conversión analógico/digital de 10 bit y una alimentación de 5 Volts. El
encapsulado utilizado por el fabricante para este dispositivo es de 44 terminales. Posee otras funcionalidades
[19].
Este microcontrolador tiene la capacidad de ser programado conectado al circuito electrónico al que está
destinado a operar, disminuyendo los tiempos de desarrollo por el desmonte regular del mismo para
reprogramación y pruebas. Otra posibilidad es que es relativamente fácil y económico realizar las
actualizaciones del programa luego de tener una gran cantidad de equipos activos. Nuevas prestaciones pueden
ser introducidas sin necesidad de construir nuevos equipos y realizar su reemplazo.
4
Figura 2: Diagrama en bloques simplificado del medidor de energía inteligente desarrollado.
La mayoría de los componentes electrónicos están disponibles en el Kit de desarrollo McLab3, el cual fue
utilizado para montar el diseño y realizar las respectivas pruebas de comprobación.
Procesamiento digital de señales
El procesamiento digital de las señales es realizado por el circuito integrado ADE7753 del fabricante de
componentes electrónicos Analog Device. Está declarado como un circuito de medición multifunción
monofásico con la posibilidad de usar una interfase interna para la conexión de transductores de corriente que
requieran de un integrador para sus señales. Está diseñado para mantener una alta precisión durante largos
períodos de tiempo (un medidor de energía debe trabajar todo el tiempo), incorpora una etapa de filtraje digital
y un conversor A/D que entrega las muestras con una resolución de 24 bit [20].
Este circuito integrado libera de la mayor carga del procesamiento digital al microcontrolador por medio de
evitar que se realicen operaciones de filtrado, integración, conversión, cálculos y demás operaciones
relacionadas con la energía eléctrica. Es relativamente fácil de utilizar y cuenta con una interfase SPI para una
conexión rápida y eficiente con otros dispositivos. Se disminuye la cantidad de componentes electrónicos por
el uso del amplificador de ganancia programable (PGA) interno. Cambios en la ganancia de los transductores o
del campo de medición, pueden ser fácilmente corregidos de forma digital. Se evitan los errores por tolerancia
de los componentes y desajustes en el tiempo.
Las magnitudes que son capturadas con el ADE7753 son: tensión, corriente, factor de potencia, período de la
señal de tensión, energía activa, reactiva y aparente. También existe la posibilidad de hallar los valores de
potencias activas, reactivas y aparentes. Existen dos registros en el dispositivo para la obtención de las
muestras de las formas de onda de tensión y corriente eléctrica. Los diseñadores incorporaron un registro
5
interno para diagnóstico y estado de alarmas. El error de la energía activa se mantiene menor del 0.1 % en todo
el rango dinámico de medición de 1000:1. Se calibra digitalmente para compensar errores de fase, potencia y
de ajuste de cero en la entrada. La alimentación es de 5 Volts con un consumo típico de 25 mW.
Módulo de comunicaciones inalámbricas
Los requerimientos de una red de comunicaciones para medidores de energía son bastante específicos. Es
requisito que se pueda conectar una gran cantidad de nodos, una adecuada velocidad de transferencia de datos
y un consumo lo más bajo posible. Todo lo anterior a un costo de inversión y operación viable
económicamente. Existen trabajos previos que realizan comparaciones entre los principales candidatos para
formar las redes de los sistemas de medidores de energía [21]–[23]. En la Tabla 1 se analizan los posibles
candidatos para conformar la red inalámbrica.
Tabla 1: Comparación entre distintas tecnologías de comunicación inalámbrica.
Nombre
Estándar
ZigBee
802.15.4
Aplicación
Monitoreo y
control
Wi-Fi
802.11a,b,c
Web,
correo,
video, etc.
Bluetooth
802.15.1
Reemplazo
de los cables
Recursos
50 a 60 Kbyte >1 Mbyte
>250 Kbyte
del sistema
Duración
de la batería 100 a 1000
1a5
1a7
(días)
Tamaño de
65 536
32
7
la red
Ancho de
banda
20 a 250
11 000
720
(Kb/s)
Rango
máximo de
100+
100
10
transmisión
Confiabilidad,
Éxito de la
Velocidad y
Costo y
energía y
métrica
flexibilidad conveniencia
costo
Existen en el mercado otras alternativas, como GPRS (transmisión de datos mediante telefonía móvil), pero
involucran a un tercero para que brinde el servicio con el consiguiente incremento del costo. La tecnología
escogida fue la ZigBee, por medio de los módulos XBee Pro S2. Cabe destacar que estos módulos pueden
alcanzar un rango de transmisión/recepción de 1.5 km de distancia manteniendo los niveles de energía
aceptables. Cuentan con la capacidad de auto diagnóstico y reparación de forma transparente, muy útil en caso
de ataques o desastres naturales, por citar un ejemplo.
Las especificaciones técnicas del módulo XBee Pro S2 son: el alcance depende de la antena utilizada (hasta
1500 metros), potencia de transmisión de 10mW, hasta 35000 bps de tasa de transferencia, interfase serie de
1200 bps hasta 1Mbyte y una sensibilidad de recepción de -102 dBm. La banda de operación es la ISM 2.4
GHz. La alimentación de estos dispositivos es de 3.3 V.
6
La conexión con los otros elementos se realiza por medio de un puerto serie (una línea para transmisión y otra
para recepción), que facilita la programación y la transferencia de datos. La configuración del módulo se puede
realizar ante de su conexión con el medidor de energía, la cual es almacenada y mantenida durante ciclos de
reinicio o apagados. Para identificar un módulo de otro, se puede usar una dirección de 64 bit única que poseen
desde el proceso de fabricación.
Reloj de tiempo real
Una de las cuestiones más importantes es la sincronización de las mediciones de todos los medidores de
energía. Desfasajes en la medición producen errores en los análisis posteriores del funcionamiento de la red
eléctrica. No solo hay que garantizar la precisión en la medición, sino también, la calidad de la sincronización.
De lo anterior dependen los respectivos balances de potencia neta en los nodos de la red.
El circuito integrado utilizado es el DS1305, el cual está clasificado como un reloj de tiempo real con alarmas
y comunicación serie [24]. El reloj/calendario provee de horas, minutos, segundos, día, mes y año. El reloj
puede operar como 24 o 12 horas. Cuanta con su propio oscilador y una batería para mantener su operación
ininterrumpida. Las alarmas generan una interrupción que puede ser utilizable por el microcontrolador. La
comunicación se realiza con tres líneas por SPI. La precisión depende del cristal oscilador y de la
correspondencia entre el circuito del oscilador y la carga capacitiva para la cual fue ajustada.
Transductores
Existen en la literatura reportada varias posibilidades a utilizar como transductores [25]–[29]. Para la medición
de la tensión eléctrica puede ser usado un divisor resistivo, pero para garantizar aislamiento eléctrico y una
mayor protección se recomienda usar un transformador de potencial. El transformador seleccionado tiene una
relación de 240/12 V, que permite utilizar el medidor de energía tanto para redes de 120 o 240 V.
Para la medición de la corriente eléctrica se usan transductores de efecto Hall. Si bien se puede usar una
resistencia derivadora como existe en otros medidores, para minimizar las pérdidas y mejorar la eficiencia se
determinó utilizar la alternativa basada en transductores de efecto Hall. No se puede descartar el posible uso de
bobinas de Rogowski y los transformadores de corriente.
Elementos restantes del hardware
Los relés utilizados para controlar la energización del cliente son marca “finder”, con contactos de corriente
alterna de 240V/10A. La tensión de alimentación de la bobina es de 12 Vdc. Se cuenta con un acoplamiento
entre el relé y el microcontrolador basado en transistores para manejar la corriente de la bobina.
El LCD usado es de dos líneas con 16 columnas visibles. La comunicación es paralela a 8 líneas de
entrada/salida. Multiplexado con el LCD, se encuentra el teclado matricial. Esta conexión ahorra líneas de los
puertos del microcontrolador.
3. SOFTWARE DEL MICROCONTROLADOR
El software del microcontrolador fue desarrollado usando el lenguaje de programación C. Se crearon varias
bibliotecas a la medida para administrar los recursos presentes en esta aplicación. El módulo de comunicación
y el circuito integrado ADE7753 cuentan con sus propias bibliotecas.
7
La biblioteca del ADE7753 brinda el acceso a todos los registros internos del circuito integrado. Existen
registros de 24, 16 y 8 bit; los cuales son accedidos por medio del protocolo de comunicación SPI. Las
funciones creadas son capaces de leer y escribir datos, siempre y cuando el registro lo permita.
El módulo XBee cuenta con su propio protocolo para transmitir los datos al sistema de gestión de los
medidores de energía. Es necesario contar en el protocolo con la capacidad de enviar los datos adquiridos,
recibir la actualización de la fecha/hora, reconfiguraciones y acceso para conocer el estado de los registros del
ADE7753. Para lograr esto se creó un protocolo simple que realice estas tareas y la posibilidad de incorporar
nuevas en un futuro.
Algoritmo general del microcontrolador
El algoritmo general del microcontrolador se muestra en la Fig. 3. El programa realiza en las primeras etapas
de ejecución un autodiagnóstico, que involucra el funcionamiento del hardware; fundamentalmente el
ADE7753 y el módulo de comunicaciones. En el caso de presentarse un error, se muestra el error por el LCD y
se detiene la ejecución del programa.
Figura 3: Algoritmo del programa del microcontrolador.
Otra de las funciones es la actualización del calendario antes de comenzar a procesar mediciones. Se pide por
la red una fecha/hora actualizada, que se fija en el reloj de tiempo real. Para garantizar un periodo de
adquisición, procesado y almacenamiento fijo, se implementa una función ejecutada por medio de una
interrupción de un temporizador. La mayor prioridad en las tareas la tiene la interrupción anterior.
En caso de recibir un comando desde el sistema de gestión de los medidores de energía inteligente, se realiza la
tarea asignada a este: enviar los registros de la última captura, actualizar fecha/hora, desconectar o conectar la
alimentación, actualizar el registro del estado de la tarifa para el mes en curso, etc.
8
4. RESULTADOS EXPERIMENTALES
En la Fig. 4. se muestra el medidor inteligente de energía desarrollado. El sistema cuenta con teclado matricial
de 4x4 teclas, LCD, reloj de tiempo real, relés para conexión/desconexión de la energía del cliente y los demás
elementos ya analizados anteriormente.
Figura 4: Medidor inteligente de energía monofásico con comunicación inalámbrica.
Los resultados experimentales validaron el funcionamiento del programa y sus bibliotecas creadas. Lo anterior
se llevó a cabo por medio de una carga simulada a través de un generador de señal. Para mejorar el
funcionamiento del protocolo SPI, es necesario que en el próximo diseño se incorpore en el mismo circuito
impreso todos los componentes electrónicos relacionados con dicho protocolo. Esto también brinda una mayor
robustez al sistema. Los relés que funcionan como un interruptor de la energía suministrada al cliente fueron
probados usando un medidor de continuidad.
5. CONCLUSIONES
El medidor de energía inteligente brinda nuevos servicios y datos que los tradicionales. Un aspecto importante
es la capacidad de transmisión bidireccional de datos y de órdenes al medidor de energía. Las mediciones
obtenidas pueden ser utilizadas para realizar estudios más profundos de la red eléctrica a un nivel más
complejo. Hay que valorar las posibilidades de brindar nuevos servicios a los consumidores soportados por
estos nuevos equipos de medición, lo cual puede dinamizar las políticas relacionadas con la energía.
RECONOCIMIENTOS
Los autores desean agradecer a las personas e instituciones que brindaron su apoyo a la investigación de los
medidores de energía inteligente.
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Disponible en: http://www.digikey.com/product-search/es/industrial-controls-meters/monitor-current-voltagetransducer/2950096. [Accedido: 03-ago-2016].
SOBRE LOS AUTORES
Josnier Ramos Guardarrama
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría. Profesor a tiempo completo. Ingeniero y
Master en Ingeniería Eléctrica.
Orestes Hernández Areu
Ingeniero eléctrico, investigador titular y Doctor en Ciencia. En la actualidad es el director del
Centro de Investigaciones y Pruebas Electroenergéticos (CIPEL), Instituto Superior Politécnico
José Antonio Echeverría, Cujae. La Habana, Cuba
Raimundo Carlos Silvério Freire
Ingeniero eléctrico graduado en la Universidad Federal del Maranhao, Brasil. Es Doctor en
electrónica, automatización y mediciones. Actualmente es el jefe del laboratorio LIMC en la
Universidad Federal de Campina Grande, Brasil.
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