Maiņstrāvas mērīšana, izmantojot strāvas transformatoru un arduino

Strāvas transformators ir tāda veida instrumentālais transformators, kas īpaši paredzēts maiņstrāvas pārveidošanai tā sekundārajā tinumā, un saražotās strāvas daudzums ir tieši proporcionāls strāvai primārajā tinumā. Šāda veida strāvas transformators ir paredzēts neredzami izmērīt strāvu no augstsprieguma apakšsistēmas vai vietās, kur caur sistēmu plūst liels strāvas daudzums. Strāvas transformatora uzdevums ir pārveidot lielu strāvas daudzumu mazākā strāvas daudzumā, ko var viegli izmērīt ar mikrokontrolleru vai analogo skaitītāju. Iepriekš mēs izskaidrojām strāvas mērīšanu, izmantojot strāvas transformatoru, dažāda veida strāvas uztveršanas tehnikas rakstā.

Šeit mēs detalizēti apgūsim šo pašreizējo uztveršanas tehniku ​​un izveidosim strāvas transformatoru, lai mērītu maiņstrāvu ar Arduino palīdzību. Mēs arī iemācīsimies noteikt nezināma strāvas transformatora pagriezienu attiecību .

Pašreizējais transformators

Kā jau iepriekš minēju, strāvas transformators ir transformators, kas paredzēts strāvas mērīšanai. Iepriekš redzamie divi transformatori, kas man pašlaik ir, tiek saukti par loga tipa strāvas transformatoriem vai parasti pazīstami kā kodola līdzsvara transformatori r.

Kā darbojas pašreizējais transformators?

Strāvas transformatora pamatprincips ir tāds pats kā sprieguma transformatoram, līdzīgi sprieguma transformatoram strāvas transformators sastāv arī no primārā tinuma un sekundārā tinuma. Kad mainīgā elektriskā strāva iet caur transformatora primāro tinumu, rodas mainīga magnētiskā plūsma, kas šajā sekundē inducē maiņstrāvu sekundārajā tinumā, jūs varat teikt, ka tā gandrīz tāda pati kā sprieguma transformatoram, ja domājat, ka šeit ir atšķirība.

Parasti strāvas transformators vienmēr īsslēgumu stāvoklī ar palīdzību no sloga pretestība, arī pašreizējā plūst uz sekundāro tinumu ir atkarīgs tikai no primāro strāvu, kas plūst caur diriģents.

Pašreizējā transformatora konstrukcija

Lai labāk izprastu, esmu nojaucis vienu no saviem strāvas transformatoriem, ko varat redzēt iepriekš redzamajā attēlā.

Attēlā var redzēt, ka ap toroidāla serdeņa materiālu ir savīts ļoti plāns vads, un no transformatora iziet vadu komplekts. Galvenais tinums ir tikai viens vads, kas ir sērijveidā savienots ar kravu un pārvadā lielāko strāvu, kas plūst caur kravu.

Strāvas transformatora attiecība

Ievietojot vadu strāvas transformatora loga iekšpusē, mēs varam izveidot vienu cilpu, un pagriezienu attiecība kļūst 1: N.

Tāpat kā jebkuram citam transformatoram, strāvas transformatoram jāatbilst amp-turn ratio vienādojumam, kas parādīts zemāk.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Kur, TR = Trans koeficients

Np = primāro pagriezienu skaits

Ns = sekundāro pagriezienu skaits

Ip = strāva primārajā tinumā

Is = strāva sekundārajā tinumā

Lai atrastu sekundāro strāvu, pārkārtojiet vienādojumu uz

Ir = Ip x (Np / NS)

Kā redzams iepriekš redzamajā attēlā, transformatora primārais tinums sastāv no viena tinuma, un transformatora sekundārais tinums sastāv no tūkstošiem tinumu, ja pieņemam, ka caur primāro tinumu plūst 100A strāva, sekundārā strāva būs 5A. Tātad attiecība starp primāro un sekundāro kļūst 100A pret 5A vai 20: 1. Tātad, var teikt, ka primārā strāva ir 20 reizes lielāka nekā sekundārā strāva.

Piezīme! Lūdzu, ņemiet vērā, ka pašreizējā attiecība nav tāda pati kā pagriezienu attiecība.

Tagad visu pamatteoriju nevar novērst, mēs varam atkal pievērsties pašreizējā transformatora pagriezienu attiecības aprēķināšanai.

Pašreizējā transformatora kļūda

Katrā ķēdē ir dažas kļūdas. Strāvas transformatori neatšķiras; strāvas transformatorā pastāv dažādas kļūdas. Daži no tiem ir aprakstīti turpmāk

Attiecības kļūda pašreizējā transformatorā

Strāvas transformatora primārā strāva nav precīzi vienāda ar sekundāro strāvu, kas reizināta ar pagriezienu attiecību. Daļu no strāvas patērē transformatora kodols, lai to nokļūtu ierosmes stāvoklī.

Fāzes leņķa kļūda pašreizējā transformatorā

Ideālai CT primārā un sekundārā strāvas vektors ir nulle. Bet faktiskajā strāvas transformatorā vienmēr būs atšķirība, jo primārajam ir jāpiegādā ierosmes strāva kodolam, un būs neliela fāžu starpība.

Kā samazināt kļūdu pašreizējā transformatorā?

Lai sasniegtu labāku veiktspēju, vienmēr ir jāsamazina kļūdas sistēmā. Tātad, veicot zemāk norādītās darbības, to var sasniegt

1. Izmantojot serdi ar augstu caurlaidību ar zemu histerēzes magnētisko materiālu.
2. Slodzes rezistora vērtībai jābūt ļoti tuvai aprēķinātajai vērtībai.
3. Sekundārā iekšējo pretestību var pazemināt.

Atpakaļ Strāvas transformatora pagriezienu attiecības aprēķināšana

Testa iestatīšana ir parādīta iepriekš redzamajā attēlā, kuru esmu izmantojis, lai noskaidrotu pagriezienu attiecību.

Kā jau minēju iepriekš, man piederošajam strāvas transformatoram (DT) nav nekādu specifikāciju vai detaļu numuru tikai tāpēc, ka tos izglābu no salauztā sadzīves elektriskā skaitītāja. Tātad, šajā brīdī mums jāzina pagriezienu attiecība, lai pareizi iestatītu pretestības pretestības vērtību, pretējā gadījumā sistēmā tiks ieviesti visdažādākie jautājumi, par kuriem es vairāk runāšu vēlāk rakstā.

Izmantojot omu likumu, pagriezienu attiecību var viegli noskaidrot, bet pirms tam man jāmēra lielais 10W, 1K rezistors, kas darbojas kā slodze ķēdē, un man arī jāiegūst patvaļīgs slogojuma rezistors lai noskaidrotu pagriezienu attiecību.

Slodzes rezistors

Slodzes rezistors

Visu komponentu vērtību kopsavilkums testa laikā

Ieejas spriegums Vin = 31,78 V

Izturība pret slodzi RL = 1,0313 KΩ

Slodzes pretestība RB = 678,4 Ω

Izejas sprieguma svārstības = 8,249 mV vai 0,008249 V

Strāva, kas plūst caur slodzes rezistoru, ir

I = Vin / RL I = 31,78 / 1,0313 = 0,03080A vai 30,80 mA

Tātad tagad mēs zinām ieejas strāvu, kas ir 0,03080A vai 30,80 mA

Noskaidrosim izejas strāvu

I = Vout / RB I = 0,008249 / 678,4 = 0,00001215949A vai 12,1594 uA

Tagad, lai aprēķinātu pagriezienu attiecību, mums primārā strāva ir jāsadala ar sekundāro strāvu.

Pagriezienu attiecība n = primārā strāva / sekundārā strāva n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2533,1972

Tātad pašreizējais transformators sastāv no 2500 pagriezieniem (noapaļotā vērtība)

Piezīme! Lūdzu, ņemiet vērā, ka kļūdas galvenokārt ir saistītas ar manu pastāvīgi mainīgo ieejas spriegumu un multimetra pielaidi.

Piemērota sloga rezistora izmēra aprēķināšana

Šeit izmantotais CT ir pašreizējais izvades tips. Tātad, lai izmērītu strāvu, tas jāpārvērš sprieguma tipā. Šis raksts vietnē openenergymonitor sniedz lielisku ideju par to, kā mēs to varam izdarīt, tāpēc es sekošu rakstam

Slodzes rezistors (omi) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * max primārā strāva)

Kur, AREF = ADS1115 moduļa analogais atsauces spriegums, kas iestatīts uz 4,096 V.

CT TURNS = sekundāro pagriezienu skaits, ko mēs iepriekš esam aprēķinājuši.

Maksimālā primārā strāva = maksimālā primārā strāva, kas tiks izvadīta caur CT.

Piezīme! Katra CT maksimālais strāvas vērtējums pārsniedz šo vērtējumu novedīs pie kodola piesātinājuma un galu galā ar linearitātes kļūdām, kas novedīs pie mērījumu kļūdas

Piezīme! Mājsaimniecības enerģijas skaitītāja maksimālais pašreizējais vērtējums ir 30A, tāpēc es izmantoju šo vērtību.

Slodzes rezistors (omi) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6Ω nav izplatīta vērtība, tāpēc es izmantošu trīs rezistorus virknē, lai iegūtu 120Ω pretestības vērtību. Pēc rezistoru pievienošanas CT es veicu dažus testus, lai aprēķinātu maksimālo izejas spriegumu no CT.

Pēc testa tiek novērots, ka, ja 1mA strāva tiek padota caur strāvas transformatora primāro, izeja bija 0,0488mV RMS. Ar to mēs varam aprēķināt, vai caur CT tiek izvadīta 30A strāva, izejas spriegums būs 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Tagad, ar veiktajiem aprēķiniem, man ir komplekts ADC iegūt uz 1x peļņu, kas ir +/- 4.096V, kas dod mums 0.125mV pilna mēroga izšķirtspēju. Ar to mēs varēsim aprēķināt minimālo strāvu, ko var izmērīt, izmantojot šo iestatījumu. Tas izrādījās 3mA, jo ADC izšķirtspēja bija iestatīta uz 0.125mV.

Nepieciešamās sastāvdaļas

Uzrakstiet visu komponentu bez tabulas

Sl. Nē	Daļas	Tips	Daudzums
1	CT	Loga tips	1
2	Arduino Nano	Vispārējs	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	16 bitu ADC	1
5	LMC7660	IC	1
6	120Ω, 1%	Rezistors	1
7	10uF	Kondensators	2
8	33uF	Kondensators	1
9	Maizes dēlis	Vispārējs	1
10	Džemperu vadi	Vispārējs	10

Ķēdes shēma

Zemāk esošajā shēmā parādīts pievienošanas ceļvedis strāvas mērīšanai, izmantojot strāvas transformatoru

Šādi ķēde izskatīsies uz maizes dēļa.

Strāvas mērīšanas ķēžu konstrukcija

Iepriekšējā apmācībā es jums parādīju, kā ar AD736 IC palīdzību precīzi izmērīt patieso RMS spriegumu un kā konfigurēt pārslēgtā kondensatora sprieguma pārveidotāja ķēdi, kas no ieejas pozitīvā sprieguma rada negatīvu spriegumu. Šajā apmācībā mēs izmantojam gan IC no šīm apmācībām.

Šim demonstrējumam ķēde tiek konstruēta uz maizes dēļa bez lodēšanas ar shēmas palīdzību; labākai precizitātei līdzstrāvas spriegumu mēra ar 16 bitu ADC palīdzību. Un, tā kā es demonstrēju ķēdi uz maizes dēļa, lai mazinātu parazītu daudzumu, esmu izmantojis pēc iespējas vairāk džemperu kabeļu.

Arduino kods strāvas mērīšanai

Šeit Arduino tiek izmantots, lai parādītu izmērītās vērtības seriālā monitora logā. Bet, nedaudz pārveidojot kodu, vērtības var ļoti ērti parādīt 16x2 LCD ekrānā. Uzziniet 16x2 LCD saskarni ar Arduino šeit.

Pilnīgu pašreizējā transformatora kodu var atrast šīs sadaļas beigās. Šeit ir izskaidrotas svarīgas programmas daļas.

Vispirms mēs iekļaujam visus nepieciešamos bibliotēku failus. Wire bibliotēku izmanto, lai sazinātos starp Arduino un moduli ADS1115, un Adafruit_ADS1015 bibliotēka mums palīdz lasīt datus un rakstīt modulī instrukcijas.

# iekļaut # iekļaut

Pēc tam definējiet MULTIPLICATION_FACTOR, kas tiek izmantots, lai aprēķinātu pašreizējo vērtību no ADC vērtības.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * faktors faktiskās pašreizējās vērtības aprēķināšanai * / Adafruit_ADS1115 reklāmas; / * Izmantojiet to 16 bitu versijai ADS1115 * /

16 bitu ADC izspiež 16 bitu garus veselus skaitļus, tāpēc tiek izmantots mainīgais int16_t . Tiek izmantoti trīs citi mainīgie: viens, lai saglabātu ADC RAW vērtību, viens, lai parādītu faktisko spriegumu ADC tapā, un visbeidzot, lai parādītu šo sprieguma vērtību līdz pašreizējai vērtībai.

int16_t adc1_raw_value; / * mainīgais, lai uzglabātu neapstrādātu ADC vērtību * / float Meas__Voltae; / * mainīgais, lai saglabātu izmērīto spriegumu * / pludiņa strāva; / * mainīgais, lai saglabātu aprēķināto strāvu * /

Sāciet koda iestatīšanas sadaļu, iespējojot sērijveida izvadi ar 9600 baudu. Pēc tam izdrukājiet iestatītā ADC pieaugumu; tas ir tāpēc, ka spriegums, kas pārsniedz noteikto vērtību, noteikti var sabojāt ierīci.

Tagad iestatiet ADC pieaugumu ar ads.setGain (GAIN_ONE); metodi, kas 1 bitu izšķirtspēju iestata uz 0,125 mV

Pēc tam tiek saukta ADC sākuma metode, kas visu nosaka aparatūras moduļa un statistikas pārveidošanā.

void setup (void) {Sērijas.sākt (9600); Serial.println ("Vienpusēju rādījumu iegūšana no AIN0..3"); // daži atkļūdošanas informācija Serial.println ("ADC diapazons: +/- 4,096V (1 bits = 2mV / ADS1015, 0,125mV / ADS1115)"); // ADC ieejas diapazonu (vai pastiprinājumu) var mainīt, izmantojot šādas // funkcijas, taču esiet piesardzīgs, lai nekad nepārsniegtu VDD + 0,3 V max vai nepārsniegtu augšējo un apakšējo robežu, ja pielāgojat ievades diapazonu! // Šo vērtību nepareiza iestatīšana var iznīcināt jūsu ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x pieaugums +/- 6.144V 1 bits = 3mV 0.1875mV (noklusējums) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x pieaugums +/- 4.096V 1 bits = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x pieaugums +/- 2.048V 1 bits = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x pieaugums +/- 1.024V 1 bits = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x pieaugums +/- 0.512V 1 bits = 0.25mV 0.015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x pieaugums +/- 0.256V 1 bits = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); }

Jo cilpas sadaļā, es izlasīju izejvielas ADC vērtību, un uzglabāt to uz iepriekš minēto mainīgo vēlākai izmantošanai. Pēc tam pārveidojiet neapstrādāto ADC vērtību mērīšanas sprieguma vērtībām un aprēķiniet pašreizējo vērtību un parādiet to sērijas monitora logā.

void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); izmērīta_voltae = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ADC vērtība:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Izmērītais spriegums:"); Serial.println (izmērītā_voltaja); Serial.println ("V"); Serial.print ("Aprēķinātā strāva:"); Sērijas.druka (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); kavēšanās (500); }

Piezīme! Ja jums nav bibliotēkas modulim ADS1115, bibliotēka jāiekļauj Arduino IDE, bibliotēku varat atrast šajā GitHub repozitorijā.

Pilnīgs Arduino kods ir norādīts zemāk:

# iekļaut #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * faktors, lai aprēķinātu faktisko pašreizējo vērtību * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * maksimālā vērtība, ko ADC rada * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 reklāmas; / * Izmantojiet to 16 bitu versijai ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * mainīgais, lai uzglabātu neapstrādātu ADC vērtību * / float Meas__Voltae; / * mainīgais, lai uzglabātu izmērītos volti * / pludiņa strāvu; / * mainīgais, lai saglabātu aprēķināto pašreizējo * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Vienpusēju rādījumu iegūšana no AIN0..3"); // daži atkļūdošanas informācija Serial.println ("ADC diapazons: +/- 4,096V (1 bits = 2mV / ADS1015, 0,125mV / ADS1115)"); // ADC ieejas diapazonu (vai pastiprinājumu) var mainīt, izmantojot šādas // funkcijas, taču esiet uzmanīgs, lai nekad nepārsniegtu VDD + 0,3 V,vai lai // pārsniegtu augšējo un apakšējo robežu, ja pielāgojat ievades diapazonu! // Šo vērtību nepareiza iestatīšana var iznīcināt jūsu ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x pieaugums +/- 6.144V 1 bits = 3mV 0.1875mV (noklusējums) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x pieaugums +/- 4.096V 1 bits = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x pieaugums +/- 2.048V 1 bits = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x pieaugums +/- 1.024V 1 bits = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x pieaugums +/- 0.512V 1 bits = 0.25mV 0.015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x pieaugums +/- 0.256V 1 bits = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); } void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); izmērīta_voltae = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ADC vērtība:"); Seriāls.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Izmērītais spriegums:"); Sērijas.druka (izmērīta_voltaja); sērijas.println ("V"); Serial.print ("Aprēķinātā strāva:"); Sērijas.druka (pašreizējā, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); kavēšanās (500); }

Ķēdes pārbaude

Instrumenti, ko izmanto ķēdes pārbaudei

1. 2 60W kvēlspuldze
2. Meco 450B + TRMS multimetrs

Lai pārbaudītu ķēdi, tika izmantota iepriekšminētā iestatīšana. Strāva plūst no CT uz multimetru, pēc tam tā atgriežas uz galvenā elektropārvades līniju.

Ja jums rodas jautājums, ko FTDI dēlis dara šajā iestatījumā, ļaujiet man jums pateikt, ka borta USB uz sērijas pārveidotājs nedarbojās, tāpēc man bija jāizmanto FTDI pārveidotājs kā USB uz sērijas pārveidotāju.

Turpmākie uzlabojumi

Dažas mA kļūdas, kuras redzējāt videoklipā (norādītas zemāk), ir tikai tāpēc, ka es esmu izveidojis ķēdi paneļa dēļā, tāpēc bija daudz problēmu.

Es ceru, ka jums patika šis raksts un uzzinājāt no tā kaut ko jaunu. Ja jums ir kādas šaubas, varat jautāt zemāk esošajos komentāros vai arī izmantot mūsu forumus detalizētai diskusijai.