Váltakozó áram mérése áramváltó és arduino segítségével

Az áramváltó egy olyan műszeres transzformátor, amelyet kifejezetten a váltakozó áram átalakítására terveztek a szekunder tekercsében, és az előállított áram mennyisége egyenesen arányos a primer tekercs áramával. Az ilyen típusú transzformátorokat úgy tervezték, hogy láthatatlanul mérje a nagyfeszültségű alrendszer áramát, vagy ahol nagy mennyiségű áram folyik át a rendszeren. Az áramváltó feladata, hogy a nagy árammennyiséget alacsonyabb árammá alakítsa át, amelyet mikrovezérlővel vagy analóg mérővel könnyen meg lehet mérni. Korábban ismertettük az áramváltást az áramváltó segítségével az áramérzékelési technikák különféle típusaiban.

Itt részletesen megtanuljuk ezt az áramérzékelési technikát, és egy áramváltót vezetünk fel az AC áram mérésére egy Arduino segítségével. Megtanuljuk meghatározni egy ismeretlen áramváltó fordulatszámát is .

Áramváltó

Mint már korábban említettem, az áramváltó az áram mérésére szolgáló transzformátor. A fenti két transzformátort, amely jelenleg rendelkezik, ablak típusú áramváltónak vagy közismert nevű mag-egyensúlyi transzformátornak nevezzük.

Hogyan működik a jelenlegi transzformátor?

Az áramváltó alapelve megegyezik a feszültségváltóval, a feszültségváltóhoz hasonlóan az áramváltó is egy primer tekercsből és egy szekunder tekercsből áll. Amikor váltakozó elektromos áram halad át a transzformátor primer tekercsén, váltakozó mágneses fluxus keletkezik, amely ekkor váltakozó áramot indukál a szekunder tekercsben, mondhatni majdnem ugyanaz, mint egy feszültségváltó, ha azt gondolja, hogy itt van a különbség.

Általában egy áramváltó mindig rövidzárlati állapotban van egy teherellenállás segítségével, továbbá a szekunder tekercsen áramló áram csak a vezetőn átfolyó primer áramtól függ.

A jelenlegi transzformátor építése

A jobb megértés érdekében lebontottam az egyik áramváltómat, amelyet a fenti képen láthat.

A képen látható, hogy a toroid mag anyaga körül nagyon vékony huzal van tekercselve, és a transzformátorból egy sor vezeték jön ki. Az elsődleges tekercs csak egyetlen vezeték, amely sorosan kapcsolódik a teherhez, és a terhelésen átáramló tömegáramot viszi.

A transzformátor aktuális aránya

Ha egy vezetéket helyezünk az áramváltó ablakába, egyetlen hurkot alkothatunk, és a fordulási arány 1: N lesz.

Mint minden más transzformátorhoz, az áramváltónak is meg kell felelnie az alábbiakban bemutatott amp-turn ratio egyenletnek.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Hol, TR = Trans arány

Np = az elsődleges fordulatok száma

Ns = a másodlagos fordulatok száma

Ip = áram az elsődleges tekercsben

Is = áram a másodlagos tekercsben

A szekunder áram megtalálásához rendezze át az egyenletet a következőre:

Is = Ip x (Np / NS)

Amint a fenti képen látható, a transzformátor elsődleges tekercselése egy tekercsből áll, a transzformátor szekunder tekercselése pedig több ezer tekercsből áll, ha feltételezzük, hogy a primer tekercsen 100A áram folyik, a szekunder áram. Tehát az elsődleges és a másodlagos közötti arány 100A és 5A vagy 20: 1 lesz. Tehát elmondható, hogy az elsődleges áram 20-szor nagyobb, mint a szekunder áramé.

Jegyzet! Felhívjuk figyelmét, hogy az aktuális arány nem ugyanaz, mint a fordulási arány.

Az összes alapvető elmélet elfordulhat, visszafordíthatjuk a hangsúlyt a kézben lévő áramváltó fordulatszámának kiszámítására.

Áramváltó hiba

Minden áramkörben vannak hibák. Az áramváltók nem különböznek egymástól; különféle hibák vannak egy áramváltóban. Néhányat az alábbiakban ismertetünk

Arány hiba az áramváltóban

Az áramváltó primer árama nem éppen egyenlő a másodlagos árammal szorozva a fordulatok arányával. Az áram egy részét a transzformátor magja emészti fel, hogy gerjesztési állapotba kerüljön.

Fázisszög hiba az áramváltóban

Ideális CT esetén az elsődleges és a szekunder áramvektor nulla. De egy tényleges áramváltóban mindig lesz különbség, mert az elsődlegesnek a gerjesztő áramot kell ellátnia a mag felé, és kis fáziskülönbség lesz.

Hogyan csökkenthető a jelenlegi transzformátor hibája?

A jobb teljesítmény elérése érdekében mindig csökkenteni kell a rendszer hibáit. Tehát az alábbi lépésekkel ezt el lehet érni

Magas áteresztőképességű mag felhasználása alacsony hiszterézisű mágneses anyaggal.
A teherellenállás értékének nagyon közel kell lennie a számított értékhez.
A szekunder belső impedanciája csökkenthető.

Vissza Az áramváltó fordulatszámának kiszámítása

A tesztbeállítás a fenti képen látható, amelyet a fordulatok arányának kiszámításához használtam.

Mint már korábban említettem, a tulajdonomban lévő Áramváltó (CT) nem rendelkezik specifikációval vagy alkatrészszámmal, csak azért, mert egy meghibásodott háztartási elektromos mérőből megmentettem őket. Tehát ezen a ponton tudnunk kell a fordulási arányt, hogy megfelelően beállítsuk a terhelt ellenállás értékét, különben mindenféle kérdés bevezetésre kerül a rendszerben, amelyekről a későbbiekben a cikkben később beszélek.

Az ohmos törvény segítségével a fordulatszám könnyen kitalálható, de előtte meg kell mérnem a nagy 10W, 1K ellenállást, amely terhelésként működik az áramkörben, és egy tetszőleges terhelési ellenállást is meg kell szereznem hogy kiderítse a fordulási arányt.

A terhelési ellenállás

A teherellenállás

Az összes komponensérték összefoglalása a teszt ideje alatt

Bemeneti feszültség Vin = 31,78 V

Terhelési ellenállás RL = 1,0313 KΩ

Terhelési ellenállás RB = 678,4 Ω

Kimeneti feszültség Vout = 8,249 mV vagy 0,008249 V

A terhelési ellenálláson átfolyó áram

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

Tehát most már tudjuk a bemeneti áramot, amely 0,03080A vagy 30,80 mA

Megtudjuk a kimeneti áramot

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

A fordulatok arányának kiszámításához el kell osztanunk az elsődleges áramot a másodlagos árammal.

Fordulási arány n = primer áram / szekunder áram n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2533,1972

Tehát az áramváltó 2500 fordulatból áll (kerekítési érték)

Jegyzet! Felhívjuk figyelmét, hogy a hibák többnyire a folyamatosan változó bemeneti feszültségemnek és a multiméter toleranciámnak köszönhetők.

Megfelelő teherellenállás méret kiszámítása

Az itt használt CT egy aktuális kimeneti típus. Az áram méréséhez tehát feszültségtípusra kell átalakítani. Ez a cikk az openenergymonitor webhelyen remek ötletet ad arról, hogyan tehetjük meg, ezért követni fogom a cikket

Terhelési ellenállás (ohm) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * max primer áram)

Hol, AREF = Az ADS1115 modul analóg referenciafeszültsége, amely 4,096 V-ra van állítva.

CT TURNS = A korábban kiszámított másodlagos fordulatok száma.

Maximális primer áram = maximális primer áram, amely a CT-n keresztül áramlik.

Jegyzet! Minden CT maximális áramértéke meghaladja ezt a besorolást magtelítettséghez és végső soron linearitási hibákhoz vezet, amelyek mérési hibához vezetnek

Jegyzet! A háztartási energiamérő maximális áramértéke 30A, ezért erre az értékre törekszem.

Terhelési ellenállás (ohm) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

A 120,6Ω nem általános érték, ezért fogok három ellenállást használni sorosan, hogy 120Ω-os ellenállási értéket kapjak. Miután csatlakoztattam az ellenállásokat a CT-hez, elvégeztem néhány tesztet a CT maximális kimeneti feszültségének kiszámításához.

A teszt után megfigyelhető, hogy ha az áramváltó primerjén keresztül 1mA áramot táplálunk, a kimenet 0,0488mV RMS volt. Ezzel kiszámíthatjuk, hogy a CT-n 30A áram áramlik-e, a kimeneti feszültség 30000 * 0,0488 = 1,465V lesz.

Most, hogy az elvégzett számítások tűztem ADC nyereség az 1x erősítés, ami +/- 4.096V, ami számunkra 0.125mV teljes körű felbontás. Ezzel képesek leszünk kiszámolni a minimális áramot, amely ezzel a beállítással mérhető. Ez 3mA-nak bizonyult, mivel az ADC felbontását 0,125mV-ra állították.

Szükséges alkatrészek

Írja meg az összes összetevőt táblázat nélkül

Sl. Nem	Alkatrészek	típus	Mennyiség
1	CT	Ablak típusa	1
2	Arduino Nano	Generikus	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	16 bites ADC	1
5.	LMC7660	IC	1
6.	120Ω, 1%	Ellenállás	1
7	10uF	Kondenzátor	2
8.	33uF	Kondenzátor	1
9.	Kenyérlemez	Generikus	1
10.	Jumper huzalok	Generikus	10.

Kördiagramm

Az alábbi vázlat mutatja az összekapcsolási útmutatót az áramváltó segítségével történő áramméréshez

Az áramkör így fog kinézni a kenyérlapon.

Árammérő áramkör felépítése

Egy korábbi oktatóanyagban bemutattam, hogyan lehet pontosan mérni a valódi effektív feszültséget az AD736 IC segítségével, és hogyan lehet konfigurálni egy kapcsolt kondenzátor feszültség-átalakító áramkört, amely negatív feszültséget generál egy bemeneti pozitív feszültségből. Ebben az oktatóanyagban mind az IC-k ezekből az oktatóanyagokból.

Ehhez a bemutatáshoz az áramkört forrasztatlan kenyérlemezre építik fel, a vázlat segítségével; továbbá az egyenfeszültséget egy 16 bites ADC segítségével mérik a jobb pontosság érdekében. És mivel az áramkört kenyérlapon demonstrálom a parazita csökkentése érdekében, a lehető legtöbb jumper kábelt használtam.

Arduino kód az áramméréshez

Az Arduino itt szokta megjeleníteni a mért értékeket a soros monitor ablakban. De a kód kis módosításával nagyon egyszerűen megjelenítheti az értékeket a 16x2 LCD-n. Itt ismerheti meg a 16x2 LCD és az Arduino interfészeit.

Az áramváltó teljes kódja ennek a szakasznak a végén található. Itt ismertetjük a program fontos részeit.

Először az összes szükséges könyvtárfájlt belefoglaljuk. A Wire könyvtárat az Arduino és az ADS1115 modul közötti kommunikációra használják, az Adafruit_ADS1015 könyvtár pedig segítséget nyújt számunkra az adatok olvasásához és az utasítások írásához a modulhoz.

#include #include

Ezután adja meg a MULTIPLICATION_FACTOR értéket, amely az ADC értékből az aktuális érték kiszámítására szolgál.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * tényező a tényleges aktuális érték kiszámításához * / Adafruit_ADS1115 hirdetések; / * Használja ezt az ADS1115 16 bites verzióhoz * /

A 16 bites ADC 16 bites hosszú egész számokat köp, így az int16_t változót kell használni. Három másik változót használnak, egyet az ADC RAW értékének tárolására, egyet az aktuális feszültség megjelenítésére az ADC tűben, végül ezt a feszültség érték aktuális értékre történő kijelzésére.

int16_t adc1_raw_value; / * változó a nyers ADC-érték tárolásához * / float mõõd_voltae; / * változó a mért feszültség tárolásához * / úszóáram; / * változó a számított áram tárolásához * /

Kezdje a kód beállítási szakaszát a soros kimenet 9600 baudos engedélyezésével. Ezután nyomtassa ki a beállított ADC erősítését; a meghatározott értéknél nagyobb feszültség ugyanis minden bizonnyal károsíthatja az eszközt.

Most állítsa be az ADC erősítést az ads.setGain (GAIN_ONE) segítségével; az a módszer, amely az 1 bites felbontást 0,125 mV- ra állítja

Ezt követően meghívják az ADC Start metódust, amely mindent beállít a hardver modulban és a statisztika átalakításában.

void setup (void) {Soros.kezdés (9600); Serial.println ("Egyvégű leolvasások megszerzése az AIN0..3-ból"); // néhány hibakeresési információ Serial.println ("ADC tartomány: +/- 4,096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0,125mV / ADS1115)"); // Az ADC bemeneti tartománya (vagy erősítése) a következő // függvényekkel módosítható, de vigyázzon arra, hogy soha ne lépje túl a VDD + 0,3 V max értéket, vagy ha a bemeneti tartomány beállításával meghaladja a felső és az alsó határértéket! // Ezen értékek helytelen beállítása tönkreteheti az ADC-t! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x erősítés +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (alapértelmezett) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x erősítés +/- 4,096V 1 bit = 2mV 0,125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x erősítés +/- 2,048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x erősítés +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x erősítés +/- 0.512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x erősítés +/- 0.256V 1 bit = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); }

A ciklus szakaszban elolvastam a nyers ADC értéket, és tároltam a korábban említett változóba későbbi felhasználás céljából. Ezután konvertálja a nyers ADC-értéket feszültségértékekké a méréshez, és számítsa ki az aktuális értéket, és jelenítse meg a soros monitor ablakban.

void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); mért_voltae = adc1_raw_value * (4,096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ADC-érték:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Mért feszültség:"); Serial.println (mért_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Számított áram:"); Soros nyomtatás (val, 5); Soros.println ("A"); Soros.println (""); késés (500); }

Jegyzet! Ha nem rendelkezik az ADS1115 modul könyvtárával, akkor be kell foglalnia a könyvtárat az Arduino IDE-be, a könyvtárat ebben a GitHub-tárban találja meg.

A teljes Arduino kód az alábbiakban található:

#include #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * tényező a tényleges aktuális érték kiszámításához * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * az ADC által termelt maximális érték * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 hirdetések; / * Használja ezt az ADS1115 16 bites verzióhoz * / int16_t adc1_raw_value; / * változó a nyers ADC-érték tárolásához * / float mõõd_voltae; / * változó a mért feszültség tárolásához * / úszóáram; / * változó a számított áram tárolásához * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Egyvégű leolvasások megszerzése az AIN0..3-ból"); // néhány hibakeresési információ Serial.println ("ADC tartomány: +/- 4,096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0,125mV / ADS1115)"); // Az ADC bemeneti tartománya (vagy erősítése) a következő // függvényekkel módosítható, de vigyázzon, hogy soha ne lépje túl a VDD + 0,3 V max értéket,vagy hogy // túllépje a felső és az alsó határt, ha módosítja a bemeneti tartományt! // Ezen értékek helytelen beállítása tönkreteheti az ADC-t! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x erősítés +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (alapértelmezett) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x erősítés +/- 4,096V 1 bit = 2mV 0,125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x erősítés +/- 2,048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x erősítés +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x erősítés +/- 0.512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x erősítés +/- 0.256V 1 bit = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); } void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); mért_voltae = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ADC-érték:"); Sorozatszám.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Mért feszültség:"); Soros nyomtatás (mért_voltae); Soros nyomtatás (V); Serial.print ("Számított áram:"); Soros nyomtatás (aktuális, 5); Serial.println ("A"); Soros.println (""); késés (500); }

Az áramkör tesztelése

Az áramkör teszteléséhez használt eszközök

2 db 60 W-os izzólámpa
Meco 450B + TRMS multiméter

Az áramkör teszteléséhez a fenti beállítást használtuk. Az áram a CT-től a multiméterig áramlik, majd visszamegy a fő áramvezetékébe.

Ha kíváncsi arra, hogy mit csinál egy FTDI kártya ebben a beállításban, hadd mondjam el, hogy a fedélzeti USB-soros átalakító nem működött, ezért FTDI-átalakítót kellett használnom USB-soros átalakítóként.

További fejlesztések

Az a néhány mA hiba, amelyet a videóban láttál (az alábbiakban látható), csak azért van, mert az áramkört kenyérlemezben készítettem, ezért sok földi probléma merült fel.

Remélem tetszett ez a cikk, és valami újat tanultál belőle. Ha kétségei vannak, kérje az alábbi megjegyzéseket, vagy használhatja fórumunkat a részletes megbeszéléshez.