Meranie striedavého prúdu pomocou prúdového transformátora a arduina

Prúdový transformátor je typ prístrojového transformátora špeciálne navrhnutého na transformáciu striedavého prúdu v jeho sekundárnom vinutí a množstvo produkovaného prúdu je priamo úmerné prúdu v primárnom vinutí. Tento typ prúdového transformátora je navrhnutý na neviditeľné meranie prúdu zo subsystému vysokého napätia alebo z miesta, kde sústavou preteká vysoké množstvo prúdu. Úlohou transformátora prúdu je prevádzať vysoké množstvo prúdu na menšie množstvo prúdu, ktoré je možné ľahko merať mikrokontrolérom alebo analógovým meračom. Predtým sme vysvetlili meranie prúdu pomocou prúdového transformátora v článku rôznych typov snímacích metód prúdu.

Tu sa podrobne naučíme túto techniku ​​snímania prúdu a zapojíme prúdový transformátor na meranie striedavého prúdu pomocou Arduina. Naučíme sa tiež určiť pomer otáčok neznámeho prúdového transformátora.

Prúdový transformátor

Ako som už spomenul, transformátor prúdu je transformátor určený na meranie prúdu. Vyššie uvedené dva transformátory, ktoré momentálne mám, sa nazývajú prúdový transformátor typu okna alebo sú bežne známe ako transformátory s vyvážením jadier.

Ako funguje súčasný transformátor?

Základný princíp prúdového transformátora je rovnaký ako napäťový transformátor, rovnako ako napäťový transformátor, aj prúdový transformátor pozostáva z primárneho vinutia a sekundárneho vinutia. Keď striedavý elektrický prúd prechádza primárnym vinutím transformátora, vytvára sa striedavý magnetický tok, ktorý v tomto bode indukuje striedavý prúd v sekundárnom vinutí, môžete povedať, že je takmer rovnaký ako transformátor napätia, ak si myslíte, že tu existuje rozdiel.

Všeobecne je prúdový transformátor vždy v skratovom stave pomocou záťažového rezistora. Tiež prúd prúdiaci sekundárnym vinutím závisí iba od primárneho prúdu pretekajúceho vodičom.

Konštrukcia transformátora prúdu

Aby som vám lepšie porozumel, strhol som jeden z mojich prúdových transformátorov, ktoré vidíte na obrázku vyššie.

Na obrázku je vidieť, že okolo materiálu toroidného jadra je navinutý veľmi tenký drôt a z transformátora vychádza sada drôtov. Primárne vinutie je iba jeden drôt, ktorý je zapojený do série so záťažou a prenáša hromadný prúd pretekajúci záťažou.

Pomer prúdového transformátora

Umiestnením drôtu dovnútra okna prúdového transformátora môžeme vytvoriť jednu slučku a pomer závitov sa stane 1: N.

Rovnako ako akékoľvek iné transformátory, aj prúdový transformátor musí vyhovovať rovnici zosilňovacieho a otočného pomeru, ktorá je uvedená nižšie.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Kde, TR = pomer trans

Np = počet primárnych otočení

Ns = počet sekundárnych závitov

Ip = prúd v primárnom vinutí

Is = prúd v sekundárnom vinutí

Ak chcete nájsť sekundárny prúd, usporiadajte rovnicu na

Is = Ip x (Np / NS)

Ako môžete vidieť na vyššie uvedenom obrázku, primárne vinutie transformátora pozostáva z jedného vinutia a sekundárne vinutie transformátora pozostáva z tisícov vinutí, ak predpokladáme, že primárnym vinutím preteká prúd 100 A, sekundárny prúd bude 5 A. Takže pomer medzi primárnym a sekundárnym sa stáva 100A až 5A alebo 20: 1. Dá sa teda povedať, že primárny prúd je 20-krát vyšší ako prúd sekundárny.

Poznámka! Upozorňujeme, že súčasný pomer nie je rovnaký ako pomer otáčok.

Teraz celú základnú teóriu z cesty, môžeme obrátiť naše zameranie späť na výpočet pomeru závitov súčasného transformátora v ruke.

Chyba transformátora prúdu

Každý obvod má nejaké chyby. Prúdové transformátory sa nelíšia; v prúdovom transformátore existujú rôzne chyby. Niektoré z nich sú opísané nižšie

Chyba pomeru v prúdovom transformátore

Primárny prúd prúdového transformátora sa nerovná presne sekundárnemu prúdu vynásobenému pomerom závitov. Časť prúdu je spotrebovaná jadrom transformátora, aby sa dostal do budiaceho stavu.

Chyba fázového uhla v prúdovom transformátore

Pre ideálne CT je primárny a sekundárny prúdový vektor nulový. Ale v skutočnom prúdovom transformátore bude vždy rozdiel, pretože primár musí dodávať budiaci prúd do jadra a bude tu malý fázový rozdiel.

Ako znížiť chybu v prúdovom transformátore?

Na dosiahnutie lepšieho výkonu je vždy potrebné znížiť chyby v systéme. Pomocou nasledujúcich krokov to teda možno dosiahnuť

1. Použitie jadra s vysokou permeabilitou s nízkou hysteréziou magnetického materiálu.
2. Hodnota záťažového rezistora musí byť veľmi blízko vypočítanej hodnoty.
3. Vnútorná impedancia sekundárneho zosilňovača môže byť znížená.

Späť na výpočet pomeru otáčok prúdového transformátora

Testovacie nastavenie bolo ukázané na obrázku vyššie, ktorý som použil na zistenie pomeru otáčok.

Ako som už spomínal, prúdový transformátor (CT), ktorý vlastním, nemá žiadnu špecifikáciu ani číslo dielu len preto, že som ich zachránil z pokazeného elektromera v domácnosti. Takže v tomto okamihu musíme poznať pomer otáčok, aby sme správne nastavili hodnotu Burdenovho odporu, inak budú v systéme zavedené najrôznejšie problémy, o ktorých si poviem viac v ďalšom článku.

Pomocou Ohmovho zákona možno ľahko zistiť pomer otáčok, ale predtým musím zmerať veľký 10W, 1K rezistor, ktorý v obvode funguje ako záťaž, a tiež potrebujem získať svojvoľný odpor záťaže. zistiť pomer otáčok.

Zaťažovací odpor

Zaťažovací odpor

Súhrn všetkých hodnôt komponentov počas testovania

Vstupné napätie Vin = 31,78 V

Zaťažovací odpor RL = 1,0313 KΩ

Odolnosť voči zaťaženiu RB = 678,4 Ω

Výstupné napätie Vout = 8,249 mV alebo 0,008249 V

Prúd pretekajúci záťažovým rezistorom je

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

Takže teraz poznáme vstupný prúd, ktorý je 0,03080A alebo 30,80 mA

Poďme zistiť výstupný prúd

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

Teraz, aby sme vypočítali pomer otáčok, musíme rozdeliť primárny prúd na sekundárny.

Pomer otáčok n = primárny prúd / sekundárny prúd n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533,1972

Takže prúdový transformátor pozostáva z 2 500 závitov (zaokrúhlená hodnota)

Poznámka! Upozorňujeme, že chyby sú väčšinou spôsobené mojim neustále sa meniacim vstupným napätím a toleranciou multimetra.

Výpočet vhodnej veľkosti odporu záťaže

Tu použitý CT je typ prúdového výstupu. Na meranie prúdu je teda potrebné ho previesť na napäťový typ. Tento článok na webovej stránke openenergymonitor poskytuje skvelú predstavu o tom, ako to môžeme urobiť, takže sa budem riadiť týmto článkom

Zaťažovací odpor (ohmy) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * max. Primárny prúd)

Kde, AREF = Analógové referenčné napätie modulu ADS1115, ktoré je nastavené na 4,096 V.

CT TURNS = počet sekundárnych závitov, ktoré sme predtým vypočítali.

Max Primary Current = maximálny primárny prúd, ktorý bude pretekať cez CT.

Poznámka! Každé CT má maximálnu hodnotu prúdu presahujúcu túto hodnotu, čo povedie k saturácii jadra a nakoniec k chybám linearity, ktoré povedú k chybe merania

Poznámka! Maximálny prúdový elektromer pre domácnosť je 30A, idem teda na túto hodnotu.

Zaťažovací odpor (ohmy) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6 Ω nie je bežná hodnota, preto použijem tri odpory v sérii na získanie hodnoty odporu 120 Ω. Po pripojení rezistorov k CT som urobil niekoľko testov na výpočet maximálneho výstupného napätia z CT.

Po teste sa zistilo, že ak je prúd 1 mA napájaný cez primár prúdového transformátora, výstup bol 0,0488 mV RMS. S tým môžeme vypočítať, ak prúdom 30 A pretečie prúd cez CT, výstupné napätie bude 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Teraz, s vykonanými výpočtami, som nastavil zisk ADC na 1x zisk, čo je +/- 4,096 V, čo nám dáva rozlíšenie 0,125 mV v plnom rozsahu. S tým budeme schopní vypočítať minimálny prúd, ktorý je možné merať pomocou tohto nastavenia. Čo sa ukázalo byť 3mA b ecause rozlíšenie ADC bola nastavená na 0.125mV.

Súčasti sú povinné

Napíšte všetky komponenty bez tabuľky

Č	Diely	Typ	Množstvo
1	CT	Typ okna	1
2	Arduino Nano	Generické	1
3	736 AD	IC	1
4	ADS1115	16-bitový ADC	1
5	LMC7660	IC	1
6	120 Ω, 1%	Rezistor	1
7	10uF	Kondenzátor	2
8	33uF	Kondenzátor	1
9	Nepál	Generické	1
10	Prepojovacie drôty	Generické	10

Schéma zapojenia

Nasledujúca schéma zobrazuje sprievodcu pripojením pre meranie prúdu pomocou prúdového transformátora

Takto bude obvod vyzerať na doske.

Konštrukcia meracieho obvodu prúdu

V predchádzajúcom návode som vám ukázal, ako presne merať napätie True RMS pomocou IC AD736 a ako nakonfigurovať obvod prevodníka napätia spínaného kondenzátora, ktorý generuje záporné napätie zo vstupného kladného napätia, v tomto výučbe používame oba IC z týchto návodov.

Pre túto ukážku je obvod skonštruovaný na nepájivej doske typu Breadboard pomocou schémy; pre lepšiu presnosť sa tiež meria jednosmerné napätie pomocou 16bitového ADC. A keď predvádzam obvod na nepájivej doske, aby som obmedzil parazity, použil som čo najviac štartovacích káblov.

Arduino kód na meranie prúdu

Tu sa Arduino zvykne zobrazovať namerané hodnoty v okne sériového monitora. Ale s malou úpravou v kóde je možné veľmi ľahko zobraziť hodnoty na 16x2 LCD. Naučte sa tu prepojenie 16x2 LCD s Arduino.

Celý kód prúdového transformátora nájdete na konci tejto časti. Tu sú vysvetlené dôležité časti programu.

Začneme zahrnutím všetkých požadovaných súborov knižníc. Knižnica Wire sa používa na komunikáciu medzi Arduino a modulom ADS1115 a knižnica Adafruit_ADS1015 nám pomáha čítať údaje a zapisovať pokyny do modulu.

#include #include

Ďalej definujte MULTIPLICATION_FACTOR, ktorý sa používa na výpočet aktuálnej hodnoty z hodnoty ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * faktor na výpočet skutočnej aktuálnej hodnoty * / reklamy Adafruit_ADS1115; / * Použiť pre 16-bitovú verziu ADS1115 * /

16-bitový ADC chrlí 16-bitové celé čísla, takže sa použije premenná int16_t . Používajú sa tri ďalšie premenné, jedna na uloženie hodnoty RAW pre ADC, druhá na zobrazenie skutočného napätia v kolíku ADC a druhá na zobrazenie tejto hodnoty napätia na aktuálnu hodnotu.

int16_t adc1_raw_value; / * premenná na uloženie nespracovanej hodnoty ADC * / float measurement_voltae; / * premenná na uloženie nameraného napätia * / plavákový prúd; / * premenná na uloženie vypočítaného prúdu * /

Začnite sekciu nastavenia kódu povolením sériového výstupu s 9600 baudmi. Potom vytlačte zosilnenie ADC, ktoré je nastavené; je to preto, lebo napätie väčšie ako je definovaná hodnota môže zariadenie určite poškodiť.

Teraz nastavte zisk ADC pomocou ads.setGain (GAIN_ONE); metóda, ktorá nastavuje 1-bitové rozlíšenie na 0,125 mV

Potom sa volá metóda ADC begin, ktorá nastaví všetko v hardvérovom module a konverzii štatistík.

void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Získavam jednostranné čítania z AIN0..3"); // nejaké ladiace informácie Serial.println ("Rozsah ADC: +/- 4,096 V (1 bit = 2 mV / ADS1015, 0,125 mV / ADS1115)"); // Vstupný rozsah (alebo zosilnenie) ADC je možné zmeniť pomocou nasledujúcich // funkcií, ale buďte opatrní, nikdy neprekračujte VDD + 0,3 V max., Alebo // nepresahujte hornú a dolnú hranicu, ak upravíte vstupný rozsah! // Nesprávne nastavenie týchto hodnôt môže zničiť váš ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x zisk +/- 6,144V 1 bit = 3mV 0,1875mV (predvolené) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x zisk +/- 4,096 V 1 bit = 2 mV 0,125 mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x zisk +/- 2,048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x zisk +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x zisk +/- 0,512 V 1 bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16-násobný zisk +/- 0,256 V 1 bit = 0,125 mV 0,0078 125 mV ads.begin (); }

V sekcii slučky načítam nespracovanú hodnotu ADC a uložím ju do vyššie spomínanej premennej na ďalšie použitie. Potom prepočítajte nespracovanú hodnotu ADC na hodnoty napätia pre meranie a vypočítajte aktuálnu hodnotu a zobrazte ju do okna sériového monitora.

void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); meraná_voltae = adc1_raw_value * (4,096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Hodnota ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Namerané napätie:"); Serial.println (merané_volty); Serial.println ("V"); Serial.print ("Vypočítaný prúd:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); oneskorenie (500); }

Poznámka! Ak nemáte knižnicu pre modul ADS1115, musíte zahrnúť knižnicu do Arduino IDE, knižnicu nájdete v tomto úložisku GitHub.

Kompletný Arduino kód je uvedený nižšie:

#include #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * faktor pre výpočet skutočnej aktuálnej hodnoty * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * maximálna hodnota, ktorú ADC produkuje * / #define ADC_GAIN 4 096 reklám Adafruit_ADS1115; / * Použiť pre 16-bitovú verziu ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * premenná na uloženie nespracovanej hodnoty ADC * / float measurement_voltae; / * premenná na uloženie nameraných napätí * / plavákový prúd; / * premenná na uloženie vypočítaného prúdu * / void nastavenie (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Získavam jednostranné čítania z AIN0..3"); // nejaké ladiace informácie Serial.println ("Rozsah ADC: +/- 4,096 V (1 bit = 2 mV / ADS1015, 0,125 mV / ADS1115)"); // Vstupný rozsah (alebo zosilnenie) ADC je možné zmeniť pomocou nasledujúcich // funkcií, nikdy však neprekračujte VDD + 0,3 V,alebo // prekročiť horný a dolný limit, ak upravíte vstupný rozsah! // Nesprávne nastavenie týchto hodnôt môže zničiť váš ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x zisk +/- 6,144V 1 bit = 3mV 0,1875mV (predvolené) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x zisk +/- 4,096 V 1 bit = 2 mV 0,125 mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x zisk +/- 2,048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x zisk +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x zisk +/- 0,512 V 1 bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16-násobný zisk +/- 0,256 V 1 bit = 0,125 mV 0,0078 125 mV ads.begin (); } void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); meraná_voltae = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Hodnota ADC:"); Sériové.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Namerané napätie:"); Serial.print (merané_volty); Serial.println ("V"); Serial.print ("Vypočítaný prúd:"); Sériový výtlačok (aktuálny, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); oneskorenie (500); }

Testovanie obvodu

Nástroje používané na testovanie obvodu

1. 2 60W žiarovka
2. Multimetr Meco 450B + TRMS

Na testovanie obvodu sa použilo vyššie uvedené nastavenie. Prúd preteká z CT do multimetra, potom sa vracia späť do hlavného elektrického vedenia.

Ak vás zaujíma, čo robí doska FTDI v tomto nastavení, poviem vám, že integrovaný prevodník USB na sériový port nefunguje, takže som musel použiť prevodník FTDI ako prevodník USB na sériový port.

Ďalšie vylepšenia

Tých pár mA chýb, ktoré ste videli na videu (uvedené nižšie), je len preto, že som urobil obvod v doštičke, takže bolo veľa problémov so zemou.

Dúfam, že sa vám tento článok páčil a dozvedeli ste sa z neho niečo nové. Ak máte pochybnosti, môžete sa opýtať v komentároch nižšie alebo môžete využiť naše fóra na podrobnú diskusiu.