Πώς να μετρήσετε το συντελεστή ισχύος AC χρησιμοποιώντας το Arduino: 4 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

Γεια σε όλους! Αυτό είναι το τρίτο διδακτικό μου, ελπίζω να το βρείτε ενημερωτικό:-) Αυτό θα είναι ένα διδακτικό πώς να κάνετε μια βασική μέτρηση συντελεστή ισχύος χρησιμοποιώντας ένα Arduino. Πριν ξεκινήσουμε, πρέπει να λάβετε υπόψη μερικά πράγματα:

1. Αυτό θα λειτουργήσει ΜΟΝΟ με γραμμικά φορτία (π.χ. επαγωγικούς κινητήρες, μετασχηματιστές, σωληνοειδή)
2. Αυτό ΔΕΝ θα λειτουργήσει με ΜΗ-ΓΡΑΜΜΙΚΗ (π.χ. Λάμπες CFL, τροφοδοτικά λειτουργίας διακόπτη, LED)
3. Είμαι ηλεκτρολόγος μηχανικός και πολύ ικανός όταν εργάζομαι με δυναμικό δικτύου (δηλαδή 230V)

Προειδοποίηση! Εάν δεν είστε εκπαιδευμένοι ή δεν ξέρετε πώς να εργάζεστε σωστά με την τάση δικτύου, σας προτείνω να μην προχωρήσετε σε αυτό το μέρος του οδηγού και θα σας δείξω μια ασφαλή μέθοδο για να αποδείξετε ότι λειτουργεί το κύκλωμα.

Αυτή είναι μια λύση υλικού για το πρόβλημα της μέτρησης του PF σε γραμμικά φορτία. Αυτό μπορεί επίσης να γίνει καθαρά μέσω κώδικα, συμπεριλαμβανομένης της δυνατότητας μέτρησης μη γραμμικών φορτίων, τα οποία θα στοχεύσω να καλύψω σε ένα άλλο εκπαιδευτικό.

Προς όφελος των αρχάριων που διαβάζουν αυτό, ο συντελεστής ισχύος είναι ο λόγος της πραγματικής ισχύος προς τη φαινομενική ισχύ και μπορεί να υπολογιστεί με την εύρεση του συνημίτονου της γωνίας φάσης μεταξύ της τάσης τροφοδοσίας και του ρεύματος (βλέπε συνημμένη εικόνα από την Google). Αυτό είναι σημαντικό σε εφαρμογές εναλλασσόμενου ρεύματος, καθώς η "φαινομενική ισχύς" (Volt-Amperes) μπορεί εύκολα να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας Τάση πολλαπλασιασμένη με Ρεύμα. Ωστόσο, για να αποκτήσετε την πραγματική ισχύ ή "True Power" (Watt), η φαινομενική ισχύς πρέπει να πολλαπλασιαστεί με τον συντελεστή ισχύος για να πραγματοποιήσετε μια πραγματική μέτρηση της ισχύος σε Watt. Αυτό ισχύει μόνο για φορτία που έχουν σημαντικό επαγωγικό ή ενεργοποιητικό στοιχείο (όπως κινητήρα). Καθαρά αντιστασιακά φορτία όπως ηλεκτρικοί θερμαντήρες ή λαμπτήρες πυρακτώσεως έχουν συντελεστή ισχύος 1,0 (μονάδα) και επομένως η True Power και η φαινομενική ισχύς είναι οι ίδιες.

Βήμα 1: Σχεδιασμός κυκλωμάτων

Ο συντελεστής ισχύος μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας έναν παλμογράφο, μετρώντας τη διαφορά ώρας μεταξύ του σήματος τάσης και ρεύματος. Αυτά μπορούν να μετρηθούν σε οποιοδήποτε σημείο του κύματος αρκεί να ληφθούν δείγματα στο ίδιο σημείο. Σε αυτή την περίπτωση ήταν λογικό να μετρηθεί μεταξύ μηδενικών σημείων διέλευσης (σημεία στο κύμα όπου η τάση διέσχιζε τον άξονα Χ).

Σχεδίασα το παρακάτω κύκλωμα στο Multisim. Αν υποθέσουμε ότι το ρεύμα και η τάση στο φορτίο είναι καθαρές ημιτονοειδείς κυματομορφές, ο συντελεστής ισχύος μπορεί να μετρηθεί. Κάθε κυματομορφή τροφοδοτείται σε έναν ανιχνευτή μηδενικής διασταύρωσης (μερικές φορές γνωστό ως μετατροπέα ημιτόνου σε τετραγωνικό κύμα), ο οποίος είναι απλώς ένας 741 op-amp σε λειτουργία σύγκρισης όπου η τάση σύγκρισης είναι 0V. Όταν το ημιτονοειδές κύμα βρίσκεται στον αρνητικό κύκλο, δημιουργείται ένας αρνητικός παλμός DC και όταν το ημιτονοειδές κύμα είναι θετικός, δημιουργείται ένας θετικός παλμός DC. Τα δύο τετραγωνικά κύματα συγκρίνονται στη συνέχεια χρησιμοποιώντας μια αποκλειστική λογική πύλη OR (XOR), η οποία θα παράγει έναν θετικό υψηλό παλμό DC μόνο όταν τα τετραγωνικά κύματα δεν επικαλύπτονται και 0V όταν επικαλύπτονται. Η έξοδος της πύλης XOR είναι επομένως διαφορά ώρας (δέλτα t) μεταξύ των δύο κυμάτων από το σημείο που διασχίζουν το σημείο μηδέν. Αυτό το σήμα διαφοράς μπορεί στη συνέχεια να χρονομετρηθεί από έναν μικροελεγκτή και να μετατραπεί σε συντελεστή ισχύος χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο υπολογισμό (βεβαιωθείτε ότι ο επιστημονικός υπολογιστής σας είναι σε μοίρες και όχι ακτίνια):

cos (phi) = f * dt * 360

Οπου:

cos (phi) - ο συντελεστής ισχύος

στ - Η συχνότητα της μετρούμενης παροχής

dt - δέλτα t ή χρονική διαφορά μεταξύ των κυμάτων

360 - μια σταθερά που χρησιμοποιείται για να δώσει απάντηση σε μοίρες

Στις εικόνες θα δείτε τρία προσομοιωμένα ίχνη παλμογράφου για το κύκλωμα. Τα δύο σήματα εισόδου αντιπροσωπεύουν το ρεύμα και την τάση στο φορτίο. Έδωσα στο δεύτερο σήμα μια διαφορά φάσης 18 Deg, για να καταδείξει τη θεωρία. Αυτό δίνει ένα PF περίπου 0,95.

Βήμα 2: Πρωτότυπο & Δοκιμή

Για την κατασκευή του πρωτοτύπου μου, έβαλα το σχέδιο κυκλώματος σε μια σανίδα χωρίς κόλλα. Από το φύλλο δεδομένων UA741CN και το φύλλο δεδομένων CD4070CN, και τα δύο IC τρέχουν από παροχή 12-15 Vdc, οπότε τροφοδοτήθηκα χρησιμοποιώντας δύο μπαταρίες για να κάνω διπλή τροφοδοσία +12V, 0V, -12V Volt.

Προσομοίωση φορτίου

Μπορείτε να προσομοιώσετε ένα φορτίο χρησιμοποιώντας μια γεννήτρια σήματος δύο καναλιών ή γεννήτρια λειτουργιών. Χρησιμοποίησα αυτό το φθηνό και χαρούμενο κινέζικο κουτί για να παράγω δύο ημιτονοειδή κύματα 50 Hz μεταξύ τους 18 βαθμούς και να τροφοδοτήσω τα σήματα στο κύκλωμα. Μπορείτε να δείτε τις προκύπτουσες κυματομορφές σε έναν παλμογράφο. Στις παραπάνω εικόνες μπορείτε να δείτε τα δύο επικαλυπτόμενα τετράγωνα κύματα (έξοδος από κάθε op-amp) και οι άλλες τρεις εικόνες απεικονίζουν την έξοδο της πύλης XOR. Παρατηρήστε πώς το πλάτος του παλμού εξόδου μικραίνει με τη μείωση της γωνίας φάσης. Τα παραπάνω παραδείγματα δείχνουν 90, 40, 0 Μοίρες.

Βήμα 3: Κωδικός Arduino

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η έξοδος από το κύκλωμα μέτρησης είναι η χρονική διαφορά μεταξύ των δύο σημάτων εισόδου (δηλαδή του σήματος ρεύματος και τάσης). Ο κώδικας arduino χρησιμοποιεί "pulseIn" για τη μέτρηση του μήκους του παλμού εξόδου από το κύκλωμα μέτρησης σε νανο δευτερόλεπτα και τον χρησιμοποιεί στον τύπο PF που αναφέρθηκε παραπάνω.

Ο κώδικας ξεκινά με τον καθορισμό σταθερών, κυρίως για να γίνει ο κώδικας πιο οργανωμένος και ευανάγνωστος. Το πιο σημαντικό, ο κώδικας C (κωδικός arduino) λειτουργεί σε ακτίνια και όχι σε μοίρες, οπότε απαιτείται μετατροπή από ακτίνια σε μοίρες για τον υπολογισμό των γωνιών και των PF αργότερα. Το ένα ακτίνιο είναι περίπου. 57.29577951 μοίρες. Ο αριθμός 360 αποθηκεύεται επίσης και ο συντελεστής πολλαπλασιασμού 1x10^-6 για τη μετατροπή των νανο δευτερολέπτων σε απλά δευτερόλεπτα. Η συχνότητα ορίζεται επίσης στην αρχή, εάν χρησιμοποιείτε οτιδήποτε άλλο εκτός από 50Hz, βεβαιωθείτε ότι αυτό ενημερώνεται στην αρχή του κώδικα.

Μέσα στο "void loop ()" είπα στο Arduino να υπολογίσει τη γωνία με βάση τον τύπο PF που αναφέρθηκε προηγουμένως. Κατά την πρώτη μου επανάληψη αυτού του κώδικα, ο κώδικας θα επέστρεφε τη σωστή γωνία και συντελεστή ισχύος, ωστόσο μεταξύ κάθε σωστού αποτελέσματος θα επιστρέφεται κάποια λανθασμένη χαμηλή τιμή επίσης στη σειριακή κονσόλα. Παρατήρησα ότι αυτό ήταν είτε κάθε άλλη ανάγνωση είτε κάθε τέσσερις μετρήσεις. Τοποθέτησα μια δήλωση "εάν" μέσα σε έναν βρόχο "for" για να αποθηκεύσω τη μέγιστη τιμή κάθε τέσσερις συνεχόμενες αναγνώσεις. Το κάνει αυτό συγκρίνοντας τον υπολογισμό με το "angle_max" που είναι αρχικά μηδενικό, και αν είναι μεγαλύτερο αποθηκεύει τη νέα τιμή στο "angle_max". Αυτό επαναλαμβάνεται για τη μέτρηση PF. Κάνοντας αυτό σε έναν βρόχο "for" σημαίνει ότι η σωστή γωνία και το pf επιστρέφονται πάντα, αλλά αν η μετρούμενη γωνία αλλάζει (υψηλότερη ή χαμηλότερη), όταν το "για" τελειώνει "η γωνία_μαξ" μηδενίζεται για την επόμενη δοκιμή, όταν " void loop () "επαναλαμβάνεται. Υπάρχει ένα πολύ καλό παράδειγμα για το πώς λειτουργεί αυτό στον ιστότοπο Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). Ο δεύτερος τύπος "αν" απλώς εμποδίζει την επιστροφή οποιασδήποτε τιμής υψηλότερης από 360 σε περίπτωση λανθασμένης μέτρησης όταν η συσκευή υπό δοκιμή είναι απενεργοποιημένη.

Βήμα 4: Η δοκιμή οξέος

Μην επιχειρήσετε τα παρακάτω, εκτός εάν γνωρίζετε πώς να εργάζεστε με ασφάλεια με τάση AC. Εάν έχετε αμφιβολίες ως προς την ασφάλειά σας, δοκιμάστε να προσομοιώσετε τα σήματα εισόδου με μια γεννήτρια κυματομορφής δύο καναλιών.

Κατόπιν αιτήματος ενός οπαδού, έκανα μια διάταξη σανίδων στο Fritzing για να δώσω μια καλύτερη ιδέα για το κύκλωμα και το κύκλωμα δειγματοληψίας/ανίχνευσης (έχω επισυνάψει το αρχείο.fzz και ένα διάγραμμα.png). Ο κινητήρας στο επάνω μέρος αντιπροσωπεύει τον ανεμιστήρα γραφείου που χρησιμοποίησα και το επαγωγικό πηνίο αντιπροσωπεύει τον μετασχηματιστή ρεύματος που τυλίγω γύρω από τον αγωγό Live. Τροφοδοτούσα τα 741 IC χρησιμοποιώντας δύο μπαταρίες 12V που ήταν διευθετημένες για να δίνουν +12 VDC, 0 VDC (γείωση) και -12 VDC. Το CD4070 μπορεί επίσης να τροφοδοτηθεί απευθείας από τη ράγα 5V του Arduino.

Για να αποδειχθεί ότι η ιδέα λειτουργεί στην πραγματικότητα, το κύκλωμα χτίστηκε σε ένα συγκολλητικό λιγότερο σανίδι. Από τις εικόνες μπορείτε να δείτε τη διάταξη του κυκλώματος. Έχω χρησιμοποιήσει έναν ανεμιστήρα γραφείου ως επαγωγικό φορτίο μου για να δοκιμάσω την ιδέα. Μεταξύ της τροφοδοσίας 230V και του φορτίου βρίσκεται ο εξοπλισμός ανίχνευσης. Έχω έναν μετασχηματιστή βαθμίδας που μετατρέπει 230V απευθείας σε 5V για να επιτρέψει τη δειγματοληψία της κυματομορφής τάσης. Ένας μη επεμβατικός μετασχηματιστής ρεύματος σφιγμένος γύρω από τον αγωγό χρησιμοποιήθηκε για τη δειγματοληψία της τρέχουσας κυματομορφής (δεξιά της αντίστασης με επένδυση αλουμινίου). Σημειώστε ότι δεν χρειάζεται απαραίτητα να γνωρίζετε το πλάτος του ρεύματος ή της τάσης, απλώς η κυματομορφή για το op-amp για να προσδιορίσει τη μηδενική διέλευση. Οι παραπάνω εικόνες δείχνουν τις πραγματικές κυματομορφές ρεύματος και τάσης από τον ανεμιστήρα και την σειριακή κονσόλα arduino, η οποία αναφέρει PF 0,41 και γωνία 65 Deg.

Αυτή η αρχή λειτουργίας μπορεί να ενσωματωθεί σε μια σπιτική οθόνη ενέργειας για να κάνει πραγματικές μετρήσεις ισχύος. Εάν είστε ικανοί, μπορείτε να δοκιμάσετε την παρακολούθηση διαφορετικών επαγωγικών και αντιστατικών φορτίων και να προσδιορίσετε τον συντελεστή ισχύος τους. Και εκεί είναι! μια πολύ απλή μέθοδος μέτρησης του συντελεστή ισχύος.