Μέτρηση συχνότητας τροφοδοσίας χρησιμοποιώντας το Arduino: 7 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Στις 3 Απριλίου, ο πρωθυπουργός της Ινδίας, Σρι. Ο Ναρέντρα Μόντι είχε απευθύνει έκκληση στους Ινδιάνους να σβήσουν τα φώτα τους και να ανάψουν μια λάμπα (Ντίγια) στις 21:00 το βράδυ στις 5 Απριλίου για να σηματοδοτήσει τον αγώνα της Ινδίας ενάντια στον κορονοϊό. Αμέσως μετά την ανακοίνωση, επικράτησε μεγάλο χάος στα μέσα κοινωνικής δικτύωσης λέγοντας ότι αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα πλήρη διακοπή λειτουργίας λόγω βλάβης του ηλεκτρικού δικτύου.

Εγώ, ως φοιτητής ηλεκτρικής μηχανικής, ήθελα να δω την επίδραση μιας ξαφνικής μείωσης φορτίου στο ηλεκτρικό δίκτυο. Μία από τις παραμέτρους που επηρεάζεται είναι η συχνότητα. Έτσι, αποφάσισα να φτιάξω μια συσκευή για τη μέτρηση της συχνότητας της τάσης από μια πρίζα στο σπίτι μου. Λάβετε υπόψη ότι για αυτό το μικρό πείραμα η ακρίβεια της μετρημένης τιμής δεν είναι σημαντική καθώς ήθελα απλώς να παρατηρήσω τις αλλαγές στη συχνότητα.

Σε αυτό το Instructable, θα εξηγήσω γρήγορα πώς μπορεί να αποτύχει ένα πλέγμα και στη συνέχεια θα σας δείξω πώς μέτρησα τη συχνότητα.

Βήμα 1: Γιατί ανησυχείτε;

Ένα ηλεκτρικό δίκτυο μπορεί να αποτύχει λόγω πολλών παραγόντων, ένας από τους οποίους είναι η ξαφνική μείωση του φορτίου. Θα προσπαθήσω να το εξηγήσω με τον απλούστερο δυνατό τρόπο, έτσι ώστε ένα άτομο χωρίς ηλεκτρικό υπόβαθρο να μπορεί να το καταλάβει.

Τι είναι η συχνότητα; Είναι ο αριθμός των επαναλήψεων ενός κύματος AC σε ένα δευτερόλεπτο. Η συχνότητα στην Ινδία είναι 50Hz που σημαίνει ότι ένα κύμα AC επαναλαμβάνεται 50 φορές σε ένα δευτερόλεπτο.

Σε οποιονδήποτε σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, υπάρχει ένας στρόβιλος που είναι μια περιστροφική μηχανική συσκευή που εξάγει ενέργεια από τη ροή ρευστού (ατμός, νερό, αέριο κλπ) και τη μετατρέπει σε χρήσιμη εργασία (μηχανική ενέργεια). Αυτός ο στρόβιλος συνδέεται (συνδέεται) με μια γεννήτρια. Στη συνέχεια, μια γεννήτρια μετατρέπει αυτή τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια που λαμβάνουμε στο σπίτι μας.

Ας εξετάσουμε μια μονάδα παραγωγής ατμού για αυτήν την εξήγηση. Εδώ, ατμός υψηλής πίεσης χρησιμοποιείται για να περιστρέψει έναν στρόβιλο ο οποίος με τη σειρά του περιστρέφει τη γεννήτρια και παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Δεν θα συζητήσω πώς λειτουργεί μια γεννήτρια, αλλά θυμηθείτε ότι η συχνότητα της παραγόμενης τάσης σχετίζεται άμεσα με την ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται η γεννήτρια. Εάν η ταχύτητα αυξηθεί, η συχνότητα αυξάνεται και το αντίστροφο. Ας υποθέσουμε ότι η γεννήτρια δεν είναι συνδεδεμένη σε κανένα φορτίο. Η γεννήτρια επιταχύνεται αυξάνοντας την είσοδο ατμού στον στρόβιλο έως ότου η συχνότητα γίνει 50Hz. Η γεννήτρια είναι τώρα έτοιμη για παροχή ενέργειας. Μόλις η γεννήτρια συνδεθεί με το φορτίο (ή το δίκτυο), το ρεύμα αρχίζει να ρέει μέσω της περιέλιξής του και η ταχύτητά του μειώνεται και έτσι η συχνότητα. Αλλά σύμφωνα με τα πρότυπα κανονισμών, η συχνότητα θα πρέπει να είναι εντός μιας συγκεκριμένης ζώνης. Στην Ινδία είναι +/- 3%, δηλαδή 48,5Hz έως 51,5Hz. Τώρα, για να αντισταθμίσετε τη μειωμένη συχνότητα λόγω μείωσης της ταχύτητας, η είσοδος ατμού αυξάνεται έως ότου η συχνότητα γίνει ξανά 50Hz. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται. Το φορτίο αυξάνεται, η ταχύτητα μειώνεται, η συχνότητα μειώνεται, η είσοδος ατμού αυξάνεται και η γεννήτρια ρυθμίζεται. Όλα αυτά γίνονται αυτόματα χρησιμοποιώντας μια συσκευή που ονομάζεται Governor. Παρακολουθεί την ταχύτητα (ή τη συχνότητα) της γεννήτριας και ρυθμίζει ανάλογα την είσοδο ατμού. Δεδομένου ότι το μεγαλύτερο μέρος του τμήματος είναι μηχανικό, χρειάζονται λίγα δευτερόλεπτα (δηλαδή υψηλή σταθερά χρόνου) για να εφαρμοστούν οι αλλαγές.

Τώρα, ας θεωρήσουμε ότι ολόκληρο το φορτίο στη γεννήτρια αφαιρείται ξαφνικά. Η γεννήτρια επιταχύνει πάνω από την κανονική της ταχύτητα αφού προηγουμένως είχαμε αυξήσει την είσοδο ατμού για να αντισταθμίσει το αυξημένο φορτίο. Πριν ο ρυθμιστής μπορεί να αντιληφθεί και να αλλάξει την είσοδο ατμού, η γεννήτρια επιταχύνει τόσο γρήγορα που η συχνότητα ξεπερνά το ανώτατο όριο της. Δεδομένου ότι αυτό δεν επιτρέπεται σύμφωνα με τα κανονιστικά πρότυπα, η γεννήτρια σκοντάφτει (ή αποσυνδέεται) από το δίκτυο λόγω υπερβολικής συχνότητας.

Στην Ινδία, έχουμε ένα έθνος - ένα πλέγμα που σημαίνει ότι όλες οι γεννήτριες στην Ινδία είναι συνδεδεμένες σε ένα μόνο δίκτυο. Αυτό βοηθά στην αποστολή ενέργειας σε οποιοδήποτε μέρος της χώρας. Υπάρχει όμως ένα μειονέκτημα. Ένα τεράστιο σφάλμα σε οποιοδήποτε μέρος της χώρας μπορεί να εξαπλωθεί γρήγορα σε άλλα μέρη, με αποτέλεσμα την πτώση ολόκληρου του δικτύου. Έτσι, μια ολόκληρη χώρα μένει χωρίς δύναμη!

Βήμα 2: Το σχέδιο

Το σχέδιο είναι να μετρηθεί η συχνότητα της τάσης σε συγκεκριμένα διαστήματα.

Ένας μετασχηματιστής με κεντρικό άκρο χρησιμοποιείται για να κατεβάσει 230V AC σε 15V AC.

Η μονάδα RTC παρέχει τον πραγματικό χρόνο.

Και τα δύο δεδομένα (Χρόνος και Συχνότητα) αποθηκεύονται στη συνέχεια στην κάρτα Micro SD σε δύο ξεχωριστά αρχεία. Αφού τελειώσει η δοκιμή, τα δεδομένα μπορούν να εισαχθούν σε ένα φύλλο Excel για να δημιουργήσουν το γράφημα.

Μια οθόνη LCD θα χρησιμοποιηθεί για την εμφάνιση της συχνότητας.

Προσοχή! Θα αντιμετωπίσετε θανατηφόρα τάση AC Mains. Προχωρήστε μόνο αν γνωρίζετε τι κάνετε. Ο ηλεκτρισμός δεν δίνει δεύτερη ευκαιρία

Βήμα 3: Πράγματα που θα χρειαστείτε

1x Arduino Nano

Οθόνη LCD 1x 16x2

1x μονάδα ρολογιού πραγματικού χρόνου DS3231

1x μονάδα κάρτας Micro SD

1x Κεντρικός Μετασχηματιστής (15V-0-15V)

2x 10k Resistor

Αντίσταση 1x 1k

Αντίσταση 1x 39k

1x 2N2222A NPN τρανζίστορ

Δίοδος 1x 1N4007

Βήμα 4: Μαζεύοντας τα πράγματα μαζί

Το σχήμα για την κατασκευή επισυνάπτεται εδώ. Θα το χτίσω σε ένα breadboard, αλλά μπορείτε να το κάνετε πιο μόνιμο χρησιμοποιώντας μια σανίδα ή να φτιάξετε ένα προσαρμοσμένο PCB.

Επιλέγοντας τη σωστή τιμή του 'R3' για τον μετασχηματιστή σας:

Τα R3 και R4 σχηματίζουν ένα διαχωριστή τάσης και οι τιμές επιλέγονται έτσι ώστε η κορυφή της τάσης AC να μην υπερβαίνει τα 5V. Έτσι, εάν σκοπεύετε να χρησιμοποιήσετε έναν άλλο μετασχηματιστή με διαφορετικές ονομασίες, τότε πρέπει να αλλάξετε και το R3. Θυμηθείτε ότι οι ονομαστικές τάσεις που δίνονται σε έναν μετασχηματιστή είναι σε RMS. Στην περίπτωσή μου, είναι 15-0-15.

Χρησιμοποιήστε ένα πολύμετρο για να το επαληθεύσετε. Η μετρούμενη τάση θα είναι κυρίως μεγαλύτερη από 15V. Στην περίπτωσή μου, ήταν γύρω στα 17,5V. Η μέγιστη τιμή θα είναι 17,5 x sqrt (2) = 24,74V. Αυτή η τάση είναι πολύ υψηλότερη από τη μέγιστη τάση πύλης-εκπομπής (6V) του τρανζίστορ 2N2222A. Μπορούμε να υπολογίσουμε την τιμή του R3 χρησιμοποιώντας τον τύπο του διαιρέτη τάσης που φαίνεται στην παραπάνω εικόνα.

Συνδέσεις για μονάδα κάρτας SD:

Η ενότητα χρησιμοποιεί SPI για επικοινωνία.

• MISO έως D12
• MOSI έως D11
• SCK έως D13
• CS/SS έως D10 (Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιαδήποτε καρφίτσα για την επιλογή τσιπ)

Βεβαιωθείτε ότι η κάρτα SD έχει πρώτα μορφοποιηθεί ως FAT.

Συνδέσεις για μονάδα RTC

Αυτή η ενότητα χρησιμοποιεί I2C για επικοινωνία.

• SDA έως Α4
• SCL έως Α5

Συνδέσεις για οθόνη LCD

• RST έως D9
• EN έως D8
• D4 έως D7
• D5 έως D6
• D6 έως D5
• D7 έως D4
• R/W σε GND

Βήμα 5: Timeρα για κωδικοποίηση

Ο κωδικός έχει επισυναφθεί εδώ. Κατεβάστε και ανοίξτε το χρησιμοποιώντας το Arduino IDE. Πριν από τη μεταφόρτωση, βεβαιωθείτε ότι έχετε εγκαταστήσει τη βιβλιοθήκη DS3231. Βρήκα μερικές χρήσιμες πληροφορίες σε αυτόν τον ιστότοπο.

Ρύθμιση RTC:

1. Τοποθετήστε μια μπαταρία νομίσματος τύπου 2032.
2. Ανοίξτε το DS3231_Serial_Easy από τα παραδείγματα όπως φαίνεται.
3. Αποσυνδέστε τις 3 γραμμές και εισαγάγετε την ώρα και την ημερομηνία όπως φαίνεται στην εικόνα.
4. Ανεβάστε το σκίτσο στο Arduino και ανοίξτε τη σειριακή οθόνη. Ορίστε τον ρυθμό baud σε 115200. Θα πρέπει να μπορείτε να βλέπετε τον χρόνο που συνεχίζει να ανανεώνεται κάθε 1 δευτερόλεπτο.
5. Τώρα, αποσυνδέστε το Arduino και συνδέστε το ξανά μετά από μερικά δευτερόλεπτα. Κοιτάξτε τη σειριακή οθόνη. Θα πρέπει να εμφανίζεται σε πραγματικό χρόνο.

Εγινε! Το RTC έχει συσταθεί. Αυτό το βήμα πρέπει να γίνει μόνο μία φορά για να ορίσετε την ημερομηνία και την ώρα.

Βήμα 6: Επεξεργασία των δεδομένων

Μόλις ολοκληρωθεί η δοκιμή, αφαιρέστε την κάρτα micro SD από τη μονάδα και συνδέστε την στον υπολογιστή σας χρησιμοποιώντας μια συσκευή ανάγνωσης καρτών. Θα υπάρχουν δύο αρχεία κειμένου που ονομάζονται FREQ.txt και TIME.txt.

Αντιγράψτε το περιεχόμενο από αυτά τα αρχεία και επικολλήστε το σε ένα φύλλο excel σε δύο ξεχωριστές στήλες (Time and Freq).

Κάντε κλικ στην επιλογή Εισαγωγή> Διάγραμμα. Το Excel θα πρέπει να ελέγχει αυτόματα τα δεδομένα στο φύλλο και να σχεδιάζει το γράφημα.

Αυξήστε την ανάλυση του κάθετου άξονα έτσι ώστε οι διακυμάνσεις να είναι σαφώς ορατές. Στα Υπολογιστικά φύλλα Google, Προσαρμογή> Κάθετος άξονας> Ελάχ. = 49,5 και Μέγ. = 50,5

Βήμα 7: Αποτελέσματα

Μπορούμε σαφώς να δούμε μια μικρή αύξηση στη συχνότητα καθώς τα φορτία διακόπτονται γύρω στις 9:00 μ.μ. (21:00) και μια μείωση στη συχνότητα γύρω στις 21:10 μ.μ. Καμία ζημιά στο δίκτυο, καθώς η συχνότητα είναι αρκετά εντός της ζώνης ανοχής (+/- 3%), δηλαδή 48,5Hz έως 51,5Hz.

Ένα tweet από τον Υπουργό Επικρατείας στην Κυβέρνηση της Ινδίας, κ. RK Singh επιβεβαιώνει ότι τα αποτελέσματα που πήρα ήταν αρκετά ακριβή.

Σας ευχαριστώ που μείνετε στο τέλος. Ελπίζω να σας άρεσε πολύ αυτό το έργο και να μάθατε κάτι νέο σήμερα. Ενημερώστε με αν φτιάξετε ένα για τον εαυτό σας. Εγγραφείτε στο κανάλι μου στο YouTube για περισσότερα τέτοια έργα.