Kako izmeriti faktor napajanja z Arduinom: 4 koraki

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:08

Zdravo vsi! To je moj tretji pouk, upam, da se vam bo zdel informativen:-) To bo pouk, kako narediti osnovno merjenje faktorja moči z uporabo Arduina. Preden začnemo, je treba upoštevati nekaj stvari:

1. To bo delovalo SAMO pri LINEARNIH obremenitvah (npr. Induktivni motorji, transformatorji, solenoidi)
2. To ne bo delovalo z NINEJERNIMI (npr. Žarnice CFL, napajalniki za preklopni način, LED)
3. Sem inženir elektrotehnike in zelo kompetenten pri delu z omrežnim potencialom (npr. 230 V)

Opozorilo! Če niste usposobljeni ali ne veste, kako pravilno delati z omrežno napetostjo, predlagam, da ne nadaljujete s tem delom navodil in pokazal vam bom varen način dokazovanja delovanja vezja.

To je strojna rešitev problema merjenja PF pri linearnih obremenitvah. To je mogoče storiti tudi izključno s kodo, vključno z možnostjo merjenja nelinearnih obremenitev, kar bom nameraval obravnavati v drugem navodilu.

Za vse začetnike, ki to berejo, je faktor moči razmerje med resnično močjo in navidezno močjo in ga je mogoče izračunati tako, da poiščemo kosinus faznega kota med napajalno napetostjo in tokom (glej priloženo Googlovo sliko). To je pomembno v aplikacijah za izmenični tok, saj je mogoče "navidezno moč" (volt-ampere) enostavno izračunati z uporabo napetosti, pomnožene s tokom. Da pa dobite resnično moč ali "resnično moč" (vate), morate navidezno moč pomnožiti s faktorjem moči, da naredite resnično merjenje moči v vatih. To velja samo za obremenitve, ki imajo pomembno induktivno ali zmogljivo komponento (na primer motor). Čisto uporovne obremenitve, kot so električni grelniki ali žarnice z žarilno nitko, imajo faktor moči 1,0 (enota), zato sta resnična moč in navidezna moč enaki.

Korak: Oblikovanje vezja

Faktor moči je mogoče izračunati z osciloskopom z merjenjem časovne razlike med napetostnim in tokovnim signalom. Te je mogoče izmeriti na kateri koli točki vala, dokler so vzorčeni na istem mestu. V tem primeru je bilo logično meriti med točkami ničelnega prehoda (točke v valu, kjer je napetost prečkala os X).

Naslednje vezje sem oblikoval v Multisimu. Ob predpostavki, da sta tok in napetost obremenitve čiste sinusne oblike, je mogoče izmeriti faktor moči. Vsaka valovna oblika se napaja v detektor ničelnega prehoda (včasih znan tudi kot sinusno-kvadratni pretvornik valov), ki je preprosto 741 op-amp v primerjalnem načinu, kjer je primerjalna napetost 0V. Ko je sinusni val v negativnem ciklu, se ustvari negativen enosmerni impulz, in ko je sinusni val pozitiven, se ustvari pozitiven enosmerni impulz. Dva kvadratna vala se nato primerjata z uporabo ekskluzivnih logičnih vrat OR (XOR), ki bodo oddajala pozitiven impulz visokega enosmernega toka le, če se kvadratni valovi ne prekrivajo, in 0 V, ko se prekrivajo. Izhod vrat XOR je torej časovna razlika (delta t) med dvema valoma od točke, kjer prečkata ničelno točko. Ta signal razlike lahko nato mikrokontroler krmili in pretvori v faktor moči z naslednjim izračunom (poskrbite, da bo vaš znanstveni kalkulator v stopinjah in ne v radianih):

cos (phi) = f * dt * 360

Kje:

cos (phi) - faktor moči

f - frekvenca izmerjenega napajanja

dt - delta t ali časovna razlika med valoma

360 - konstanta za odgovor v stopinjah

Na slikah boste videli tri simulirane sledi osciloskopa za vezje. Dva vhodna signala predstavljata tok in napetost do bremena. Drugemu signalu sem dal fazno razliko 18 stopinj za potrditev teorije. To daje PF približno 0,95.

Korak: Prototipiranje in testiranje

Za izdelavo prototipa sem zasnovo vezja postavil na lemljeno ploščo. Iz podatkovnega lista UA741CN in podatkovnega lista CD4070CN se obe IC napajata z napajanjem 12-15 Vdc, zato sem napajal z dvema baterijama, da sem naredil dvojno vodilo +12V, 0V, -12V Volt.

Simulacija obremenitve

Obremenitev lahko simulirate z uporabo dvokanalnega generatorja signalov ali funkcijskega generatorja. To poceni in veselo kitajsko škatlo sem uporabil za izdelavo dveh sinusnih valov 50 Hz na razdalji 18 stopinj narazen in signale napajal v vezje. Nastale valovne oblike lahko vidite na osciloskopu. Na zgornjih slikah lahko vidite dva prekrivajoča se kvadratna vala (izhod iz vsakega op-amp-a), ostale tri slike pa ponazarjajo izhod vrat XOR. Opazite, kako se širina izhodnega impulza skrajša z zmanjšanjem faznega kota. Zgornji primeri prikazujejo 90, 40, 0 stopinj.

3. korak: Arduino koda

Kot je navedeno zgoraj, je izhod iz merilnega vezja časovna razlika med dvema vhodnima signaloma (tj. Tokovni in napetostni signal). Koda arduino uporablja "pulseIn" za merjenje dolžine izhodnega impulza iz merilnega vezja v nanosekundah in ga uporablja v zgoraj omenjeni formuli PF.

Koda se začne z določanjem konstant, predvsem zato, da je koda bolj organizirana in berljiva. Najpomembneje je, da koda C (koda arduino) deluje v radianih in ne v stopinjah, zato je za izračun kotov in PF pozneje potrebna pretvorba iz radianov v stopinje. En radian je pribl. 57,29577951 stopinj. Shranjeno je tudi število 360 in faktor množenja 1x10^-6 za pretvorbo nano sekund v navadne sekunde. Pogostost je določena tudi na začetku, če uporabljate karkoli drugega kot 50Hz, se prepričajte, da je to posodobljeno na začetku kode.

Znotraj "void loop ()" sem rekel Arduinu, naj izračuna kot na podlagi prej omenjene formule PF. Pri moji prvi ponovitvi te kode bi koda vrnila pravilen kot in faktor moči, vendar se med vsakim pravilnim rezultatom vrne tudi nekaj napačno nizke vrednosti v serijski konzoli. Opazil sem, da je to bilo vsako drugo branje ali vsake štiri meritve. Stavek "if" sem dal v zanko "for", da shrani največjo vrednost vsakih štirih zaporednih odčitkov. To naredi tako, da izračun primerja z "angle_max", ki je sprva nič, in če je večji, novo vrednost shrani v "angle_max". To se ponovi za merjenje PF. Če to storite v zanki "za", to pomeni, da se vedno vrneta pravilen kot in pf, če pa se izmerjeni kot spremeni (višji ali nižji), ko se "za" konča "angle_max" ponastavi na nič za naslednji preskus, ko " void loop () "se ponovi. Na spletnem mestu Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration) je zelo dober primer, kako to deluje. Druga formula "če" preprosto preprečuje vrnitev vrednosti, višje od 360, v primeru, da se pri izmerjeni preskusni napravi napačno zviša visoka vrednost.

4. korak: Test kisline

Ne poskušajte naslednjega, razen če veste, kako varno delati z omrežno napetostjo. Če dvomite o svoji varnosti, poskusite simulirati vhodne signale z dvokanalnim generatorjem valovnih oblik.

Na zahtevo privrženca sem naredil postavitev načrta na Fritzingu, da bi bolje razumel vezje in vezje vzorčenja/zaznavanja (priložil sem datoteko.fzz in diagram.png). Motor na vrhu predstavlja namizni ventilator, ki sem ga uporabil, indukcijska tuljava pa predstavlja tokovni transformator, ki sem ga ovil okoli vodnika pod napetostjo. Napajal sem 741 IC z dvema 12V baterijama, razporejenimi tako, da dajejo +12 VDC, 0 VDC (ozemljitev) in -12 VDC. CD4070 lahko napajate tudi neposredno iz Arduinove 5 -voltne tirnice.

Da bi dokazali, da koncept deluje v resnici, je bilo vezje zgrajeno na spajkalni plošči. Na slikah lahko vidite razporeditev vezja. Za preizkušanje koncepta sem kot induktivno obremenitev uporabil namizni ventilator. Med napajalnim omrežjem 230V in obremenitvijo je moja senzorska oprema. Imam transformator z nizko stopnjo, ki pretvori 230 V neposredno v 5 V, da omogoči vzorčenje napetostne valovne oblike. Za vzorčenje trenutne valovne oblike (desno od aluminijastega upora) je bil uporabljen neinvazivni tokovni transformator, pritrjen okoli vodnika pod napetostjo. Upoštevajte, da vam ni nujno, da poznate amplitudo toka ali napetosti, samo valovno obliko op-amp-a za identifikacijo ničelnega prehoda. Zgornje slike prikazujejo dejanske trenutne in napetostne valovne oblike ventilatorja in serijsko konzolo arduino, ki poroča o PF 0,41 in kotu 65 stopinj.

Ta delujoči glavnik je mogoče vgraditi v domači monitor energije za natančne meritve moči. Če ste usposobljeni, lahko poskusite spremljati različne induktivne in uporovne obremenitve ter določiti njihov faktor moči. In tukaj je! zelo preprosta metoda merjenja faktorja moči.