Maiņstrāvas jaudas faktora mērīšana, izmantojot Arduino: 4 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:58

Sveiki visiem! Šis ir mans trešais pamācības veids, ceru, ka jums tas būs informatīvs:-) Tas būs pamācības, kā veikt pamata jaudas koeficienta mērījumus, izmantojot Arduino. Pirms sākam, jāņem vērā dažas lietas:

1. Tas darbosies TIKAI ar LINEAR slodzēm (piemēram, induktīvie motori, transformatori, solenoīdi)
2. Tas nedarbosies ar NELINEĀRĀM (piemēram, CFL spuldzes, barošanas avoti slēdžu režīmā, gaismas diodes)
3. Esmu elektroinženieris un ļoti kompetents darbā ar tīkla potenciālu (t.i., 230V)

Brīdinājums! Ja neesat apmācīts vai nezināt, kā pareizi strādāt ar tīkla spriegumu, iesaku neturpināt šo norādījumu daļu, un es parādīšu drošu shēmas darbības pierādīšanas metodi.

Tas ir aparatūras risinājums PF mērīšanas problēmai lineārās slodzēs. To var izdarīt arī tikai ar kodu, ieskaitot iespēju mērīt nelineāras slodzes, kuras es centīšos aptvert citā pamācībā.

Iesācējiem, kas lasa šo informāciju, jaudas koeficients ir patiesās jaudas un šķietamās jaudas attiecība, un to var aprēķināt, atrodot fāzes leņķa kosinusu starp barošanas spriegumu un strāvu (skat. Pievienoto Google attēlu). Tas ir svarīgi maiņstrāvas lietojumos, jo "šķietamo jaudu" (volti-ampēri) var viegli aprēķināt, izmantojot spriegumu, kas reizināts ar strāvu. Tomēr, lai iegūtu reālo jaudu vai "patieso jaudu" (vatus), redzamā jauda jāreizina ar jaudas koeficientu, lai veiktu patiesu jaudas mērījumu vatos. Tas attiecas tikai uz slodzēm, kurām ir ievērojama induktīvā vai kapacitatīvā sastāvdaļa (piemēram, motors). Tīrām pretestības slodzēm, piemēram, elektriskajiem sildītājiem vai kvēlspuldzēm, jaudas koeficients ir 1,0 (vienotība), un tāpēc patiesā jauda un šķietamā jauda ir vienādas.

1. darbība: shēmas dizains

Jaudas koeficientu var aprēķināt, izmantojot osciloskopu, mērot laika starpību starp sprieguma un strāvas signālu. Tos var izmērīt jebkurā viļņa punktā, ja vien tie tiek ņemti vienā vietā. Šajā gadījumā bija loģiski mērīt starp nulles šķērsošanas punktiem (viļņa punkti, kur spriegums šķērsoja X asi).

Es izstrādāju šādu shēmu Multisim. Pieņemot, ka strāva un spriegums slodzei ir tīras sinusoidālas viļņu formas, var izmērīt jaudas koeficientu. Katra viļņu forma tiek ievadīta nulles šķērsošanas detektorā (dažreiz pazīstams kā sinusa-kvadrāta viļņu pārveidotājs), kas ir vienkārši 741 op-amp salīdzināšanas režīmā, kur salīdzināšanas spriegums ir 0 V. Kad sinusoidālais vilnis ir negatīvā ciklā, tiek ģenerēts negatīvs līdzstrāvas impulss, un, kad sinusoidālais vilnis ir pozitīvs, tiek ģenerēts pozitīvs līdzstrāvas impulss. Pēc tam abus kvadrātveida viļņus salīdzina, izmantojot ekskluzīvus OR (XOR) loģiskos vārtus, kas izvadīs pozitīvu augstu līdzstrāvas impulsu tikai tad, ja kvadrātveida viļņi nepārklājas, un 0 V, kad tie pārklājas. Tāpēc XOR vārtu izeja ir laika starpība (delta t) starp diviem viļņiem no punkta, kurā tie šķērso nulles punktu. Šo atšķirības signālu pēc tam var kontrolēt mikrokontrolleris un pārveidot par jaudas koeficientu, izmantojot šādu aprēķinu (pārliecinieties, vai zinātniskais kalkulators ir grādos, nevis radiānos):

cos (phi) = f * dt * 360

Kur:

cos (phi) - jaudas koeficients

f - izmērītā padeves biežums

dt - delta t jeb laika starpība starp viļņiem

360 - konstante, ko izmanto, lai sniegtu atbildi grādos

Attēlos redzēsit trīs simulētas ķēdes osciloskopa pēdas. Abi ievades signāli attēlo strāvu un slodzes spriegumu. Otrajam signālam esmu devis fāzes starpību 18 grādos, lai demostrētu teoriju. Tādējādi PF ir aptuveni 0,95.

2. darbība: prototipēšana un testēšana

Lai izveidotu savu prototipu, es ievietoju shēmas dizainu uz lodēšanas plātnes. No UA741CN datu lapas un CD4070CN datu lapas abas IC darbojas ar 12-15 V līdzstrāvas padevi, tāpēc es darbināju, izmantojot divas baterijas, lai izveidotu dubultā sliedi +12V, 0V, -12V voltu barošanas avotu.

Slodzes simulācija

Jūs varat simulēt slodzi, izmantojot divkanālu signālu ģeneratoru vai funkciju ģeneratoru. Es izmantoju šo lēto un jautro ķīniešu kasti, lai radītu divus 50 Hz sinusa viļņus, kas atrodas 18 grādu attālumā viens no otra, un ievadīju signālus ķēdē. Iegūtās viļņu formas var redzēt osciloskopā. Iepriekš redzamajos attēlos varat redzēt divus kvadrātveida viļņus, kas pārklājas (izeja no katra op-amp), un pārējie trīs attēli ilustrē XOR vārtu izvadi. Ievērojiet, kā izejas impulsa platums kļūst īsāks, samazinoties fāzes leņķim. Iepriekš minētie piemēri parāda 90, 40, 0 grādus.

3. darbība: Arduino kods

Kā minēts iepriekš, mērījumu ķēdes izeja ir laika starpība starp abiem ieejas signāliem (ti, strāvas un sprieguma signālu). Arduino kods izmanto "pulseIn", lai izmērītu izejas impulsa garumu no mērīšanas ķēdes nano sekundēs, un izmanto to iepriekšminētajā PF formulā.

Kods sākas, nosakot konstantes, galvenokārt, lai padarītu kodu organizētāku un lasāmāku. Vissvarīgākais ir tas, ka C kods (arduino kods) darbojas radiānos, nevis grādos, tāpēc, lai vēlāk aprēķinātu leņķi un PF, ir nepieciešama konversija no radiāniem uz grādiem. Viens radiāns ir apm. 57,29577951 grādi. Tiek saglabāts arī skaitlis 360 un reizināšanas koeficients 1x10^-6, lai nano sekundes pārvērstu vienkāršās sekundēs. Frekvence ir definēta arī sākumā, ja izmantojat kaut ko citu, nevis 50 Hz, pārliecinieties, vai tas tiek atjaunināts koda sākumā.

"Void loop ()" iekšpusē es esmu teicis Arduino aprēķināt leņķi, pamatojoties uz iepriekš minēto PF formulu. Pirmajā šī koda atkārtojumā kods atgriezīs pareizo leņķi un jaudas koeficientu, tomēr starp katru pareizo rezultātu sērijas konsolē tiks atgriezta arī kļūdaini zema vērtība. Es pamanīju, ka tas bija vai nu katrs otrais rādījums, vai ik pēc četriem mērījumiem. Es ievietoju "ja" paziņojumu cilnē "par", lai saglabātu maksimālo vērtību ik pēc četriem secīgiem lasījumiem. Tas tiek darīts, salīdzinot aprēķinu ar "leņķa_max", kas sākotnēji ir nulle, un, ja tas ir lielāks, saglabā jauno vērtību "leņķa_max". To atkārto PF mērīšanai. To darot cilnē "par", tas nozīmē, ka vienmēr tiek atgriezts pareizais leņķis un pf, bet, ja izmērītais leņķis mainās (lielāks vai mazāks), tad, kad "galiem" leņķis_max "tiek atiestatīts uz nulli nākamajam testam, kad" void loop () "atkārtojas. Arduino vietnē ir ļoti labs piemērs tam, kā tas darbojas (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). Otrā “ja” formula vienkārši neļauj atgriezt vērtību, kas augstāka par 360, ja tiek mērīts kļūdains augstums, kad testējamā ierīce ir izslēgta.

4. solis: skābes tests

Nemēģiniet rīkoties šādi, ja vien nezināt, kā droši strādāt ar maiņstrāvas tīkla spriegumu. Ja šaubāties par savu drošību, mēģiniet simulēt ieejas signālus ar divkanālu viļņu ģeneratoru.

Pēc sekotāja pieprasījuma esmu izveidojis maizes dēļa izkārtojumu vietnē Fritzing, lai sniegtu labāku priekšstatu par ķēdi un paraugu ņemšanas/uztveršanas ķēdi (esmu pievienojis.fzz failu un-p.webp

Lai pierādītu, ka koncepcija darbojas patiesībā, ķēde tika uzbūvēta uz mazākas lodēšanas plāksnes. No attēliem var redzēt ķēdes izkārtojumu. Es izmantoju galda ventilatoru kā savu induktīvo slodzi, lai pārbaudītu koncepciju. Starp 230 V tīkla padevi un slodzi ir mans sensoru aprīkojums. Man ir atkāpšanās transformators, kas pārveido 230V tieši uz 5V, lai varētu ņemt sprieguma viļņu formas paraugus. Strāvas viļņu formas paraugam (pa labi no alumīnija pārklājuma rezistora) tika izmantots neinvazīvs strāvas transformators, kas saspiests ap strāvas vadītāju. Ņemiet vērā, ka jums nav obligāti jāzina strāvas vai sprieguma amplitūda, tikai op-amp viļņa forma, lai identificētu nulles šķērsojumu. Iepriekš redzamajos attēlos ir redzamas faktiskās strāvas un sprieguma viļņu formas no ventilatora un arduino sērijas konsole, kas ziņo par PF 0,41 un leņķi 65 grādi.

Šo darba principu var iekļaut mājās gatavotā enerģijas monitorā, lai veiktu patiesus jaudas mērījumus. Ja esat kompetents, varat mēģināt uzraudzīt dažādas induktīvās un pretestības slodzes un noteikt to jaudas koeficientu. Un tur tas ir! ļoti vienkārša jaudas koeficienta mērīšanas metode.