Jak změřit účiník střídavého proudu pomocí Arduina: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Ahoj všichni! Toto je můj třetí pokyn, doufám, že vás bude informovat:-) Toto bude návod, jak provést základní měření účiníku pomocí Arduina. Než začneme, je třeba mít na paměti několik věcí:

1. To bude fungovat POUZE s LINEÁRNÍM zatížením (např. Indukční motory, transformátory, solenoidy)
2. To nebude fungovat s NON-LINEAR (např. CFL žárovky, spínané napájecí zdroje, LED diody)
3. Jsem elektrotechnik a velmi kompetentní při práci se síťovým potenciálem (tj. 230 V)

Varování! Pokud nejste vyškoleni nebo nevíte, jak správně pracovat se síťovým napětím, navrhuji, abyste s touto částí instrukce nepokračovali a ukážu vám bezpečný způsob, jak prokázat, že obvod funguje.

Toto je hardwarové řešení problému měření PF v lineárních zatíženích. To lze také provést čistě prostřednictvím kódu, včetně schopnosti měřit nelineární zatížení, které se budu snažit pokrýt v jiném instrukovatelném.

Ve prospěch všech začátečníků, kteří to čtou, je účiník poměr skutečného výkonu ke zdánlivému výkonu a lze jej vypočítat vyhledáním kosinu fázového úhlu mezi napájecím napětím a proudem (viz přiložený obrázek od Googlu). To je významné u střídavých aplikací, protože „zdánlivý výkon“(voltampéry) lze snadno vypočítat pomocí napětí vynásobeného proudem. Chcete -li však získat skutečný výkon nebo „skutečný výkon“(Watty), musí být zdánlivý výkon vynásoben účiníkem, aby bylo možné skutečné měření výkonu ve wattech. To platí pouze pro zátěže, které mají významnou indukční nebo aktivní součást (například motor). Čistě odporové zátěže, jako jsou elektrické ohřívače nebo žárovky, mají účiník 1,0 (jednota), a proto je skutečný výkon a zdánlivý výkon stejný.

Krok 1: Návrh obvodu

Účiník lze vypočítat pomocí osciloskopu měřením časového rozdílu mezi napěťovým a proudovým signálem. Ty lze měřit v libovolném bodě vlny, pokud jsou odebírány vzorky na stejném místě. V tomto případě bylo logické měřit mezi nulovými body křížení (body ve vlně, kde napětí překračovalo osu X).

Následující obvod jsem navrhl v Multisimu. Za předpokladu, že proud a napětí na zátěži jsou čisté sinusové průběhy, lze měřit účiník. Každý průběh je přiveden do detektoru křížení nuly (někdy známý jako převodník sinusových na čtvercových vln), což je jednoduše 741 operační zesilovač v komparačním režimu, kde je srovnávací napětí 0V. Když je sinusová vlna v negativním cyklu, generuje se záporný stejnosměrný impuls a když je sinusová vlna kladný, generuje se kladný stejnosměrný puls. Dvě čtvercové vlny jsou poté porovnány pomocí exkluzivní logické brány OR (XOR), která bude vydávat kladný vysoký stejnosměrný impuls pouze v případě, že se čtvercové vlny nepřekrývají, a 0 V, když se překrývají. Výstupem brány XOR je tedy časový rozdíl (delta t) mezi oběma vlnami od bodu, který protnou nulový bod. Tento rozdílový signál pak může být načasován mikrokontrolérem a převeden na účiník pomocí následujícího výpočtu (ujistěte se, že vaše vědecká kalkulačka je ve stupních, nikoli v radiánech):

cos (phi) = f * dt * 360

Kde:

cos (phi) - účiník

f - Frekvence měřeného napájení

dt - delta t nebo časový rozdíl mezi vlnami

360 - konstanta sloužící k odpovědi ve stupních

Na obrázcích uvidíte tři simulované stopy osciloskopu pro obvod. Dva vstupní signály představují proud a napětí k zátěži. Druhému signálu jsem dal fázový rozdíl 18 stupňů, abych tuto teorii předvedl. To dává PF přibližně 0,95.

Krok 2: Prototypování a testování

Pro svou prototypovou konstrukci jsem návrh obvodu umístil na nepájivou desku. Z datového listu UA741CN a datového listu CD4070CN oba integrované obvody vybíjí napájení 12-15 Vss, takže jsem napájel pomocí dvou baterií, abych vytvořil duální napájecí zdroj +12V, 0V, -12V Volt.

Simulace zátěže

Zatížení můžete simulovat pomocí dvoukanálového generátoru signálu nebo generátoru funkcí. Použil jsem tento levný a veselý čínský box k výrobě dvou 50 Hz sinusových vln vzdálených od sebe 18 stupňů a přiváděl signály do obvodu. Výsledné průběhy můžete vidět na osciloskopu. Na výše uvedených obrázcích vidíte dvě překrývající se čtvercové vlny (výstup z každého operačního zesilovače) a další tři obrázky znázorňují výstup brány XOR. Všimněte si, jak se šířka výstupního impulsu zkracuje s klesajícím fázovým úhlem. Příklady výše ukazují 90, 40, 0 stupňů.

Krok 3: Arduino kód

Jak bylo uvedeno výše, výstup z měřicího obvodu je časový rozdíl mezi dvěma vstupními signály (tj. Proudovým a napěťovým signálem). Arduino kód používá „pulseIn“k měření délky výstupního impulsu z měřicího obvodu v nano sekundách a používá jej ve výše uvedeném vzorci PF.

Kód začíná definováním konstant, hlavně aby byl kód organizovanější a čitelnější. A co je nejdůležitější, kód C (arduino kód) pracuje v radiánech, nikoli ve stupních, takže pro pozdější výpočet úhlu a PF je zapotřebí převod z radiánů na stupně. Jeden radián je cca. 57,29577951 stupňů. Uloženo je také číslo 360 a multiplikační faktor 1x10^-6 pro převod nano sekund na obyčejné sekundy. Frekvence je také definována na začátku, pokud používáte něco jiného než 50 Hz, ujistěte se, že je to aktualizováno na začátku kódu.

Uvnitř „prázdné smyčky ()“jsem řekl Arduinu, aby vypočítal úhel na základě výše uvedeného vzorce PF. Při mé první iteraci tohoto kódu by kód vrátil správný úhel a účiník, ale mezi každým správným výsledkem byla v sériové konzole vrácena také nějaká chybná nízká hodnota. Všiml jsem si, že to bylo buď každé druhé čtení, nebo každé čtyři měření. Umístil jsem příkaz „if“do smyčky „for“, abych uložil maximální hodnotu každých čtyř po sobě jdoucích čtení. Toho se dosáhne porovnáním výpočtu s „úhlem_max“, který je zpočátku nulový, a pokud je větší, uloží novou hodnotu do „úhlu_max“. To se opakuje pro měření PF. Pokud to provedete ve smyčce "pro", znamená to, že se vždy vrátí správný úhel a pf, ale pokud se změří naměřený úhel (vyšší nebo nižší), když se "pro" konce "úhel_max" resetuje na nulu pro další test, když " void loop () “se opakuje. Na webu Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration) je velmi dobrý příklad toho, jak to funguje. Druhý vzorec „pokud“jednoduše zabrání vrácení jakékoli hodnoty vyšší než 360 v případě, že je měřené chybné maximum měřeno, když je testované zařízení vypnuto.

Krok 4: Test na kyseliny

Nezkoušejte následující, pokud nevíte, jak bezpečně pracovat se síťovým napětím AC. Pokud máte pochybnosti o své bezpečnosti, zkuste simulovat vstupní signály pomocí dvoukanálového generátoru průběhů.

Na žádost následovníka jsem na Fritzingu vytvořil rozložení, abych měl lepší představu o obvodu a obvodu vzorkování/snímání (připojil jsem soubor.fzz a diagram.png). Motor v horní části představuje stolní ventilátor, který jsem použil, a indukční cívka představuje proudový transformátor, který jsem omotal kolem živého vodiče. Napájel jsem integrované obvody 741 pomocí dvou baterií 12 V uspořádaných tak, aby poskytovaly +12 V DC, 0 V DC (uzemnění) a -12 V DC. CD4070 lze také napájet přímo z napájecí lišty Arduino 5V.

Aby se prokázalo, že koncept funguje ve skutečnosti, byl obvod postaven na pájecím prkénku. Z obrázků vidíte uspořádání obvodů. K otestování konceptu jsem jako indukční zátěž použil stolní ventilátor. Mezi síťovým napájením 230 V a zátěží je moje snímací zařízení. Mám krokový transformátor, který transformuje 230 V přímo na 5 V, aby bylo možné vzorkovat průběh napětí. Neinvazivní proudový transformátor upnutý kolem živého vodiče byl použit ke vzorkování průběhu proudu (vpravo od hliníkově potaženého rezistoru). Všimněte si, že nemusíte nutně znát amplitudu proudu nebo napětí, ale pouze průběh operačního zesilovače k identifikaci přechodu nuly. Výše uvedené obrázky ukazují skutečné průběhy proudu a napětí z ventilátoru a sériové konzoly arduino, která hlásí PF 0,41 a úhel 65 stupňů.

Tento funkční princip lze začlenit do podomácku vyrobeného monitoru energie, aby bylo možné provádět skutečná měření výkonu. Pokud máte kompetentní, můžete zkusit sledovat různé induktivní a odporové zátěže a určit jejich účiník. A je to tady! velmi jednoduchá metoda měření účiníku.