Kuinka mitata AC -tehokerroin Arduinolla: 4 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Hei kaikki! Tämä on kolmas ohjeeni, toivottavasti pidät sitä informatiivisena:-) Tämä on ohjeellinen siitä, miten perusvoimakertoimen mittaus tehdään Arduinolla. Ennen kuin aloitamme, on pidettävä mielessä muutama asia:

1. Tämä toimii VAIN LINEAR -kuormilla (esim. Induktiiviset moottorit, muuntajat, solenoidit)
2. Tämä EI toimi ei-lineaaristen (esim. CFL-lamput, virtalähteet, LED-valot) kanssa
3. Olen sähköinsinööri ja erittäin pätevä työskennellessäni verkkovirralla (eli 230 V)

Varoitus! Jos et ole koulutettu tai et tiedä miten työskennellä oikein verkkojännitteellä, suosittelen, ettet jatka sitä ohjeiden osaa, ja näytän sinulle turvallisen tavan todistaa piirin toimivuus.

Tämä on laitteistoratkaisu PF: n mittaamiseen lineaarisissa kuormituksissa. Tämä voidaan tehdä myös pelkästään koodin avulla, mukaan lukien kyky mitata epälineaarisia kuormia, joita aion käsitellä toisessa ohjeessa.

Kaikille tätä lukeville aloittelijoille hyötykerroin on todellisen tehon suhde näennäistehoon, ja se voidaan laskea etsimällä syöttöjännitteen ja virran välisen vaihekulman kosini (katso oheinen kuva Googlelta). Tämä on merkittävä AC-sovelluksissa, koska "näennäinen teho" (voltti-ampeeri) voidaan helposti laskea käyttämällä jännitettä kerrottuna virralla. Todellisen tehon tai "todellisen tehon" (Watts) saamiseksi näennäisteho on kuitenkin kerrottava tehokertoimella todellisen tehon mittaamiseksi watteina. Tämä koskee vain kuormia, joissa on merkittävä induktiivinen tai kapasitiivinen komponentti (kuten moottori). Puhtaasti resistiivisten kuormien, kuten sähkölämmittimien tai hehkulamppujen, tehokerroin on 1,0 (yhtenäisyys), joten todellinen teho ja näennäinen teho ovat samat.

Vaihe 1: Piirin suunnittelu

Tehokerroin voidaan laskea oskilloskoopilla mittaamalla jännite- ja virtasignaalin aikaero. Ne voidaan mitata mistä tahansa aallon kohdasta, kunhan niistä otetaan näytteitä samasta paikasta. Tässä tapauksessa oli loogista mitata nollan ylityspisteiden välillä (aallon kohdat, joissa jännite ylitti X-akselin).

Suunnittelin seuraavan piirin Multisimissa. Olettaen, että kuorman virta ja jännite ovat puhtaita sinimuotoisia aaltomuotoja, tehokerroin voidaan mitata. Jokainen aaltomuoto syötetään nollanylitysilmaisimeen (tunnetaan joskus nimellä sini-neliöaaltomuunnin), joka on yksinkertaisesti 741 op-amp vertailutilassa, jossa vertailujännite on 0 V. Kun siniaalto on negatiivisessa syklissä, syntyy negatiivinen DC -pulssi ja kun siniaalto on positiivinen, positiivinen DC -pulssi. Kahta neliöaaltoa verrataan sitten käyttämällä yksinomaista OR (XOR) -logiikkaporttia, joka lähettää positiivisen korkean tasavirran pulssin vain, kun neliöaallot eivät ole päällekkäisiä, ja 0 V, kun ne limittyvät. XOR -portin lähtö on siten aikaero (delta t) kahden aallon välillä siitä pisteestä, jonka ne ylittävät nollapisteen. Mikro -ohjain voi ajastaa tämän erosignaalin ja muuntaa tehokertoimeksi seuraavan laskelman avulla (varmista, että tieteellinen laskin on asteina eikä radiaaneina):

cos (phi) = f * dt * 360

Missä:

cos (phi) - tehokerroin

f - Mitatun syötön taajuus

dt - delta t tai aaltojen välinen aikaero

360 - vakio, jota käytetään vastauksen antamiseen asteina

Kuvissa näet kolme piirin simuloitua oskilloskoopin jälkeä. Kaksi tulosignaalia edustavat kuorman virtaa ja jännitettä. Olen antanut toiselle signaalille 18 Deg: n vaihe -eron teorian hajoamiseksi. Tämä antaa PF: n noin 0,95.

Vaihe 2: Prototyyppien teko ja testaus

Prototyyppiä varten laitan piirisuunnittelun juottamattomalle leipälevylle. UA741CN -tietolomakkeesta ja CD4070CN -tietolomakkeesta molemmat IC: t kuluttavat 12-15 Vdc: n virtalähteen, joten virtalähteenä käytin kahta paristoa, jolloin saatiin kaksoisjännite +12V, 0V, -12V voltin virtalähde.

Kuormituksen simulointi

Voit simuloida kuormaa käyttämällä kaksikanavaista signaaligeneraattoria tai toimintogeneraattoria. Käytin tätä halpaa ja iloista kiinalaista laatikkoa tuottamaan kaksi 50 Hz: n siniaaltoa 18 asteen päässä toisistaan ja syötin signaalit piiriin. Voit nähdä tuloksena olevat aaltomuodot oskilloskoopilla. Yllä olevissa kuvissa näet kaksi päällekkäistä neliöaaltoa (lähtö jokaisesta op-vahvistimesta), ja muut kolme kuvaa havainnollistavat XOR-portin lähtöä. Huomaa, kuinka lähtöpulssin leveys pienenee vaihekulman pienentyessä. Yllä olevat esimerkit osoittavat 90, 40, 0 astetta.

Vaihe 3: Arduino -koodi

Kuten edellä mainittiin, mittauspiirin lähtö on kahden tulosignaalin (eli virran ja jännitesignaalin) aikaero. Arduino -koodi käyttää "pulseIn" mitatakseen mittauspiirin lähtöpulssin pituuden nanosekunteina ja käyttää sitä edellä mainitussa PF -kaavassa.

Koodi alkaa määrittelemällä vakioita, pääasiassa koodin organisoimisen ja luettavuuden parantamiseksi. Mikä tärkeintä, C -koodi (arduino -koodi) toimii radiaaneina, ei asteina, joten muunnos radiaaneista asteiksi tarvitaan kulman ja PF: n laskemiseksi myöhemmin. Yksi radiaani on n. 57,29577951 astetta. Myös luku 360 tallennetaan ja kertolasku 1x10^-6 nano-sekuntien muuntamiseksi tavallisiksi sekunteiksi. Taajuus määritetään myös alussa, jos käytät jotain muuta kuin 50 Hz, varmista, että se päivitetään koodin alussa.

"Void loop ()": n sisällä olen sanonut Arduinolle laskemaan kulman aiemmin mainitun PF -kaavan perusteella. Ensimmäisellä tämän koodin iteroinnilla koodi palauttaisi oikean kulman ja tehokertoimen, mutta jokaisen oikean tuloksen välillä sarjakonsolissa palautetaan myös virheellinen pieni arvo. Huomasin, että tämä oli joko joka toinen lukema tai joka neljäs mittaus. Laitoin "jos" -lausekkeen "for" -silmukan sisälle tallentaaksesi jokaisen neljän peräkkäisen lukeman maksimiarvon. Se tekee tämän vertaamalla laskutoimitusta arvoon "kulma_max", joka on alun perin nolla, ja jos se on suurempi, se tallentaa uuden arvon "kulman_max" -arvoon. Tämä toistetaan PF -mittauksessa. Tekemällä tämän "for" -silmukassa se tarkoittaa, että oikea kulma ja pf palautetaan aina, mutta jos mitattu kulma muuttuu (suurempi tai pienempi), kun "varten" päättyy "kulma_max" nollautuu seuraavan testin aikana, kun " void loop () "toistaa. Tästä on erittäin hyvä esimerkki Arduinon verkkosivustolla (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). Toinen "jos" -kaava yksinkertaisesti estää yli 360: n arvon palauttamisen, jos mitataan virheellinen korkeus, kun testattava laite sammutetaan.

Vaihe 4: Happotesti

Älä yritä seuraavia toimia, ellet tiedä kuinka työskennellä turvallisesti verkkovirralla. Jos olet epävarma turvallisuudestasi, yritä simuloida tulosignaaleja kaksikanavaisella aaltomuodon generaattorilla.

Seuraajan pyynnöstä olen tehnyt Fritzing -leipälevyasettelun antaakseni paremman käsityksen piiristä ja näytteenotto-/tunnistuspiiristä (olen liittänyt.fzz -tiedoston ja-p.webp

Todistaakseen, että konsepti toimii todellisuudessa, piiri rakennettiin juotos vähemmän leipälevylle. Kuvista näet piirijärjestelyn. Olen käyttänyt pöytätuuletinta induktiivisena kuormituksena konseptin testaamiseen. Anturilaitteeni on 230 V: n verkkovirran ja kuorman välillä. Minulla on askel alas muuntaja, joka muuttaa 230 V: n suoraan 5 V: ksi, jotta jänniteaaltomuoto voidaan ottaa näytteitä. Ei-invasiivista virtamuuntajaa, joka on kiinnitetty jännitteisen johtimen ympärille, käytettiin näytteen ottamiseen nykyisestä aaltomuodosta (alumiinipäällysteisen vastuksen oikealla puolella). Huomaa, että sinun ei välttämättä tarvitse tietää virran tai jännitteen amplitudia, vain op-vahvistimen aaltomuoto tunnistaaksesi nollan. Yllä olevat kuvat näyttävät tuulettimen todelliset virta- ja jänniteaaltomuodot sekä arduino -sarjakonsolin, jonka PF on 0,41 ja kulma 65 astetta.

Tämä toimintaperiaate voidaan sisällyttää kotitekoiseen energiamonitoriin todellisten tehomittausten tekemiseksi. Jos osaat, voit yrittää seurata erilaisia induktiivisia ja resistiivisiä kuormia ja määrittää niiden tehokerroimen. Ja siinä se on! hyvin yksinkertainen tapa mitata tehokerroin.