Kako mjeriti faktor izmjenične struje pomoću Arduina: 4 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Pozdrav 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 počnemo, 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 NINEINEARNIM (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 ispravno raditi s mrežnim naponom, predlažem da ne nastavite s tim dijelom instrukcija, a ja ću vam pokazati sigurnu metodu dokazivanja rada kruga.

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 prave snage i prividne snage, a može se izračunati pronalaženjem kosinusa faznog kuta između napona napajanja i struje (pogledajte priloženu sliku s Googlea). To je značajno u primjenama izmjenične struje jer se "prividna snaga" (volt-amperi) može lako izračunati pomoću napona pomnoženog sa strujom. Međutim, da bi se dobila stvarna snaga ili "True Power" (Watts) prividna snaga mora se pomnožiti s faktorom snage kako bi se izvršilo pravo mjerenje snage u Wattima. To 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 kruga

Faktor snage može se izračunati osciloskopom mjerenjem vremenske razlike između naponskog 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 križnih točaka (točaka u valu gdje je napon prešao os X).

Sljedeći krug sam dizajnirao u Multisimu. Pod pretpostavkom da su struja i napon opterećenja čisti sinusoidni valni oblici, može se mjeriti faktor snage. Svaki valni oblik dovodi se u detektor prelaska nule (ponekad poznat i kao sinusno-kvadratni pretvarač valova) koji je jednostavno 741 op-amp u usporednom načinu rada gdje je usporedni napon 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 zatim se uspoređuju pomoću ekskluzivnih logičkih vrata OR (XOR), koji će izlaziti pozitivni visoki istosmjerni impuls samo kad se kvadratni valovi ne preklapaju, i 0V kada se preklapaju. Izlaz XOR vrata je stoga vremenska razlika (delta t) između dva vala od točke u kojoj prelaze nultu točku. Ovaj signal razlike tada se može mjeriti mikrokontrolerom 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 stupnjevima

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 stupnjeva, kako bih pokazao teoriju. To daje PF od približno 0,95.

Korak 2: Prototipiranje i testiranje

Za svoju prototipnu konstrukciju stavio sam dizajn sklopa 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 stupnjeva i unosio 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 vrata. Uočite kako širina izlaznog impulsa postaje sve kraća sa smanjenjem faznog kuta. Gore navedeni primjeri prikazuju 90, 40, 0 stupnjeva.

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 duljine izlaznog impulsa iz mjernog kruga u nano sekundama i koristi ga u gore spomenutoj formuli PF.

Kôd počinje definiranjem konstanti, uglavnom kako bi kôd bio organiziraniji i čitljiviji. Ono što je najvažnije, C kod (arduino kod) radi u radijanima, a ne u stupnjevima, pa je konverzija iz radijana u stupnjeve potrebna za kasnije izračunavanje kutova i PF -ova. Jedan radijan je cca. 57.29577951 stupnjeva. 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 kut na temelju ranije spomenute PF formule. Na mojoj prvoj iteraciji ovog koda, kod bi vratio točan kut i faktor snage, međutim između svakog ispravnog rezultata neka pogrešno niska vrijednost također će se vratiti u serijsku konzolu. Primijetio sam da je to bilo svako drugo očitanje ili svaka četiri mjerenja. Stavio sam "if" izraz unutar petlje "for" za spremanje maksimalne vrijednosti svaka četiri uzastopna očitanja. To čini usporedbom izračuna s "angle_max" koji je u početku nula, a ako je veći pohranjuje novu vrijednost unutar "angle_max". To se ponavlja za mjerenje PF. Čineći to u petlji "for", 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 () "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 vrijednosti veće od 360 u slučaju pogrešno visoke izmjere pri isključenom uređaju koji se testira.

Korak 4: Test kiseline

Ne pokušavajte sljedeće ako ne znate raditi sigurno 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 matične ploče. Sa slika možete vidjeti raspored kola. Koristio sam stolni ventilator kao svoj induktivni teret za testiranje koncepta. Između mrežnog napajanja 230V i opterećenja nalazi se moja senzorska oprema. Imam stepenasti transformator koji pretvara 230 V izravno u 5 V kako bi se omogućilo uzorkovanje valnog oblika napona. Neinvazivni strujni transformator stegnut oko vodiča pod naponom korišten je za uzorkovanje trenutnog valnog oblika (desno od otpornika obloženog aluminijom). Imajte na umu da ne morate nužno znati amplitudu struje ili napona, samo valni oblik op-pojačala za identifikaciju prijelaza nule. Gornje slike prikazuju stvarne valne oblike struje i napona iz ventilatora i arduino serijsku konzolu koja prikazuje PF od 0,41 i kut od 65 stupnjeva.

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