Kako mjeriti faktor izmjenične struje pomoću Arduina: 4 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:09

Zdravo svima! Ovo je moje treće uputstvo, nadam se da će vam biti informativno:-) Ovo će biti uputstvo o tome kako napraviti osnovno mjerenje faktora snage pomoću Arduina. Prije nego započnemo, potrebno je imati na umu nekoliko stvari:

1. Ovo će raditi SAMO s LINEARNIM opterećenjima (npr. Induktivni motori, transformatori, solenoidi)
2. Ovo NEĆE raditi s NINEJERNIM (npr. CFL žarulje, napajanje sa prekidačem, LED diode)
3. Ja sam inženjer elektrotehnike i vrlo kompetentan u radu s mrežnim potencijalom (tj. 230V)

Upozorenje! Ako niste obučeni ili ne znate pravilno raditi s mrežnim naponom, predlažem da ne nastavite s tim dijelom instrukcije, a ja ću vam pokazati siguran način dokazivanja rada kola.

Ovo je hardversko rješenje problema mjerenja PF u linearnim opterećenjima. To se također može učiniti isključivo pomoću koda uključujući mogućnost mjerenja nelinearnih opterećenja, što ću nastojati pokriti u drugom uputstvu.

Za dobrobit svih početnika koji ovo čitaju, faktor snage je omjer stvarne snage i prividne snage i može se izračunati pronalaženjem kosinusa faznog kuta između napona napajanja i struje (pogledajte priloženu sliku s Google -a). To je značajno u primjenama naizmjenične struje jer se "prividna snaga" (volt-amperi) može lako izračunati pomoću napona pomnoženog sa strujom. Međutim, da biste dobili stvarnu snagu ili "pravu snagu" (vati), prividnu snagu morate pomnožiti s faktorom snage da biste napravili pravo mjerenje snage u vatima. Ovo se odnosi samo na opterećenja koja imaju značajnu induktivnu ili sposobnu komponentu (poput motora). Čisto otporna opterećenja, poput električnih grijača ili žarulja sa žarnom niti, imaju faktor snage 1,0 (jedinicu), pa su stoga istinska i prividna snaga iste.

Korak 1: Dizajn kola

Faktor snage može se izračunati osciloskopom mjerenjem vremenske razlike između napona i strujnog signala. Oni se mogu mjeriti u bilo kojoj točki vala sve dok se uzorkuju na istom mjestu. U ovom slučaju bilo je logično mjerenje između nultih prijelaznih točaka (točaka u valu u kojima je napon prešao os X).

Dizajnirao sam sljedeće kolo u Multisimu. Pod pretpostavkom da su struja i napon opterećenja čisti sinusoidni valni oblici, faktor snage se može mjeriti. Svaki valni oblik se dovodi u detektor prelaska nule (ponekad poznat i kao sinusno-kvadratni pretvarač valova) koji je jednostavno 741 op-amp u usporednom načinu rada gdje je napon za usporedbu 0V. Kada je sinusni val u negativnom ciklusu generira se negativan istosmjerni impuls, a kada je sinusni val pozitivan, generira se pozitivan istosmjerni impuls. Dva kvadratna vala se zatim uspoređuju pomoću ekskluzivnih OR (XOR) logičkih vrata, koja će izlaziti pozitivan visoki istosmjerni impuls samo kada se kvadratni valovi ne preklapaju, i 0V kada se preklapaju. Izlaz XOR kapije je stoga vremenska razlika (delta t) između dva vala od točke u kojoj prelaze nultu točku. Ovaj signal razlike tada se može mjeriti pomoću mikrokontrolera i pretvoriti u faktor snage pomoću sljedećeg izračuna (provjerite je li vaš znanstveni kalkulator u stupnjevima, a ne u radijanima):

cos (phi) = f * dt * 360

Gdje:

cos (phi) - faktor snage

f - Učestalost izmjerenog napajanja

dt - delta t ili vremenska razlika između valova

360 - konstanta koja se koristi za davanje odgovora u stepenima

Na slikama ćete vidjeti tri simulirana osciloskopska traga za krug. Dva ulazna signala predstavljaju struju i napon opterećenja. Dao sam drugom signalu faznu razliku od 18 stepeni, kako bih pokazao teoriju. To daje PF od približno 0,95.

Korak 2: Prototipiranje i testiranje

Za svoju prototipnu konstrukciju stavio sam dizajn kola na ploču za lemljenje. Iz podatkovnog lista UA741CN i podatkovnog lista CD4070CN oba IC -a imaju napajanje od 12-15 Vdc pa sam napajao pomoću dvije baterije za izradu dvostruke šine +12V, 0V, -12V Volt.

Simulacija opterećenja

Opterećenje možete simulirati pomoću dvokanalnog generatora signala ili generatora funkcija. Koristio sam ovu jeftinu i veselu kinesku kutiju za proizvodnju dva sinusna vala od 50 Hz udaljena 18 stepeni i napajao signale u krug. Rezultirajuće valne oblike možete vidjeti na osciloskopu. Na gornjim slikama možete vidjeti dva preklapajuća kvadratna vala (izlaz iz svakog op-amp-a), a ostale tri slike ilustriraju izlaz XOR kapije. Primijetite kako širina izlaznog impulsa postaje sve kraća sa smanjenjem faznog kuta. Gore navedeni primjeri prikazuju 90, 40, 0 stepeni.

Korak 3: Arduino kod

Kao što je gore spomenuto, izlaz iz mjernog kruga je vremenska razlika između dva ulazna signala (tj. Strujnog i naponskog signala). Arduino kôd koristi "pulseIn" za mjerenje dužine izlaznog impulsa iz mjernog kruga u nano sekundama i koristi ga u gore navedenoj PF formuli.

Kod počinje definiranjem konstanti, uglavnom kako bi kôd bio organiziraniji i čitljiviji. Što je najvažnije, C kod (arduino kod) radi u radijanima, a ne u stepenima, pa je konverzija iz radijana u stepene potrebna za kasnije izračunavanje kutova i PF -ova. Jedan radijan je cca. 57.29577951 stepeni. Broj 360 je također pohranjen i faktor množenja 1x10^-6 za pretvaranje nano sekundi u obične sekunde. Učestalost je također definirana na početku, ako koristite bilo što osim 50Hz, provjerite je li ažurirano na početku koda.

Unutar "void loop ()" rekao sam Arduinu da izračuna ugao na osnovu ranije spomenute PF formule. Na mojoj prvoj iteraciji ovog koda, kod bi vratio ispravni kut i faktor snage, međutim između svakog ispravnog rezultata neka pogrešno niska vrijednost se također vraća u serijskoj konzoli. Primijetio sam da je to bilo svako drugo očitavanje ili svaka četiri mjerenja. Stavio sam "if" naredbu unutar "for" petlje za spremanje maksimalne vrijednosti svaka četiri uzastopna očitanja. To čini usporedbom izračunavanja s "angle_max" koji je u početku nula, a ako je veći pohranjuje novu vrijednost unutar "angle_max". Ovo se ponavlja za merenje PF. Ako to učinite u "for" petlji, to znači da se uvijek vraćaju točan kut i pf, ali ako se izmjereni kut promijeni (veći ili manji), kada se "za" završi "angle_max" resetira na nulu za sljedeći test, kada " void loop () "se ponavlja. Postoji jako dobar primjer kako to funkcionira na web stranici Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). Druga formula "ako" jednostavno sprječava vraćanje bilo koje vrijednosti veće od 360 u slučaju pogrešno visokog mjerenja kada je uređaj koji se testira isključen.

Korak 4: Test kiseline

Ne pokušavajte sljedeće ako ne znate kako sigurno raditi s mrežnim naponom naizmjenične struje. Ako sumnjate u svoju sigurnost, pokušajte simulirati ulazne signale dvokanalnim generatorom valnog oblika.

Na zahtjev sljedbenika, napravio sam izgled matične ploče na Fritzingu kako bih bolje razumio krug i krug uzorkovanja/sensinga (priložio sam.fzz datoteku i-p.webp

Kako bi se dokazalo da koncept funkcionira u stvarnosti, sklop je izgrađen na lemljenoj ploči bez ploče. Sa slika možete vidjeti raspored kola. Koristio sam stolni ventilator kao svoje induktivno opterećenje za testiranje koncepta. Između mrežnog napajanja 230V i opterećenja nalazi se moja senzorska oprema. Imam stepenasti transformator koji pretvara 230V direktno u 5V kako bi se omogućio uzorak valnog oblika napona. Neinvazivni strujni transformator stegnut oko vodiča pod naponom korišten je za uzorkovanje trenutnog valnog oblika (desno od otpornika obloženog aluminijumom). Imajte na umu da ne morate nužno znati amplitudu struje ili napona, već samo valni oblik op-pojačala za identifikaciju prelaska nule. Gornje slike prikazuju stvarne strujne i naponske valne oblike ventilatora i arduino serijsku konzolu koja izvještava o PF od 0,41 i kutu od 65 stupnjeva.

Ovaj princip rada može se ugraditi u domaći monitor energije kako bi se izvršila istinska mjerenja snage. Ako ste nadležni, možete pokušati nadzirati različita induktivna i otpornička opterećenja i odrediti njihov faktor snage. I evo ga! vrlo jednostavna metoda mjerenja faktora snage.