Si të matni faktorin e fuqisë AC duke përdorur Arduino: 4 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:28

Pershendetje te gjitheve! Ky është udhëzimi im i tretë, shpresoj se ju duket informues:-) Ky do të jetë një udhëzues se si të bëni një matje të faktorit bazë të fuqisë duke përdorur një Arduino. Para se të fillojmë, duhet të keni parasysh disa gjëra:

1. Kjo do të funksionojë VETYM me ngarkesat LINEARE (p.sh. motorët induktivë, transformatorët, solenoidet)
2. Kjo NUK do të funksionojë me JO-LINEAR (p.sh. Llamba CFL, furnizimi me energji i modalitetit të ndërrimit, LED)
3. Unë jam një inxhinier elektrik dhe shumë kompetent kur punoj me potencialin kryesor (dmth 230V)

Paralajmërim! Nëse nuk jeni të trajnuar ose nuk dini si të punoni saktë me tensionin e rrjetit, ju sugjeroj që të mos vazhdoni me atë pjesë të udhëzueshme dhe unë do t'ju tregoj një metodë të sigurt për të provuar funksionimin e qarkut.

Kjo është një zgjidhje harduerike për problemin e matjes së PF në ngarkesa lineare. Kjo gjithashtu mund të bëhet thjesht përmes kodit duke përfshirë aftësinë për të matur ngarkesat jo-lineare, të cilat unë do të synoj t'i mbuloj në një udhëzues tjetër.

Për përfitimin e çdo fillestari që e lexon këtë, faktori i fuqisë është raporti i fuqisë së vërtetë me fuqinë e dukshme dhe mund të llogaritet duke gjetur kosinusin e këndit të fazës midis tensionit të furnizimit dhe rrymës (shiko imazhin e bashkangjitur nga Google). Kjo është domethënëse në aplikimet AC pasi "Fuqia në dukje" (Volt-Amper) mund të llogaritet lehtësisht duke përdorur Tensionin e shumëzuar me Rrymën. Sidoqoftë, për të marrë fuqinë reale ose "Fuqinë e Vërtetë" (Watts) fuqia e dukshme duhet të shumëzohet me faktorin e fuqisë për të bërë një matje të vërtetë të fuqisë në Watts. Kjo vlen vetëm për ngarkesat që kanë një përbërës të rëndësishëm induktiv ose kapaktiv (siç është një motor). Ngarkesat thjesht rezistente të tilla si ngrohje elektrike ose llamba inkandeshente kanë një faktor fuqie prej 1.0 (uniteti) dhe për këtë arsye Fuqia e Vërtetë dhe Fuqia e Dukshme janë të njëjta.

Hapi 1: Dizajni i qarkut

Faktori i fuqisë mund të llogaritet duke përdorur një oshiloskop, duke matur diferencën kohore midis sinjalit të tensionit dhe rrymës. Këto mund të maten në çdo pikë të valës për sa kohë që ato merren mostra në të njëjtin vend. Në këtë rast ishte logjike të matet midis pikave të kalimit zero (pikat në valë ku tensioni kaloi boshtin X).

Unë projektova qarkun e mëposhtëm në Multisim. Duke supozuar se rryma dhe tensioni në ngarkesë janë forma të pastra të valëve sinusoidale, faktori i fuqisë mund të matet. Çdo formë vale futet në një detektor kalimi zero (nganjëherë i njohur si konvertues i sinusit në valën katrore) i cili është thjesht një opp-741 në modalitetin krahasues ku tensioni i krahasimit është 0V. Kur vala sinusale është në ciklin negativ gjenerohet një impuls DC negativ, dhe kur vala sinus është pozitive gjenerohet një impuls DC pozitiv. Dy valët katrore krahasohen më pas duke përdorur një portë logjike OR (XOR), e cila do të nxjerrë një impuls pozitiv DC të lartë vetëm kur valët katrore nuk mbivendosen dhe 0V kur mbivendosen. Prandaj dalja e portës XOR është diferenca kohore (delta t) midis dy valëve nga pika që kalojnë pikën zero. Ky sinjal ndryshimi mund të matet nga një mikrokontrollues dhe të shndërrohet në faktor fuqie duke përdorur llogaritjen e mëposhtme (sigurohuni që llogaritësi juaj shkencor të jetë në gradë jo në radian):

cos (phi) = f * dt * 360

Ku:

cos (phi) - faktori i fuqisë

f - Frekuenca e furnizimit të matur

dt - delta t ose diferenca kohore midis valëve

360 - një konstante e përdorur për të dhënë përgjigje në shkallë

Në fotografi do të shihni tre gjurmë të simuluara të oshiloskopit për qarkun. Dy sinjalet hyrëse përfaqësojnë rrymën dhe tensionin në ngarkesë. Sinjalit të dytë i kam dhënë një ndryshim fazor prej 18 gradë, për të demostruar teorinë. Kjo jep një PF prej përafërsisht 0.95.

Hapi 2: Prototipizimi & Testimi

Për modelin tim prototip, e vendosa modelin e qarkut në një dërrasë pa saldim. Nga fleta e të dhënave UA741CN dhe fleta e të dhënave CD4070CN, të dy IC -të mbarojnë nga një furnizim 12-15 Vdc, kështu që unë mundësova përdorimin e dy baterive për të bërë një furnizim të dyfishtë hekurudhor +12V, 0V, -12V.

Simulimi i një ngarkese

Ju mund të simuloni një ngarkesë duke përdorur një gjenerator sinjali me dy kanale ose gjenerator funksionesh. Kam përdorur këtë kuti të lirë dhe të gëzuar kineze për të prodhuar dy valë sinus 50 Hz 18 gradë larg njëri -tjetrit dhe i futja sinjalet në qark. Ju mund të shihni format valore që rezultojnë në një oshiloskop. Në fotot e mësipërme mund të shihni dy valë katrore të mbivendosura (dalja nga secili op-amp), dhe tre fotografitë e tjera po ilustrojnë daljen e portës XOR. Vini re se si gjerësia e pulsit të daljes rritet më e shkurtër me rënien e këndit të fazës. Shembujt e mësipërm tregojnë shkallët 90, 40, 0.

Hapi 3: Kodi Arduino

Siç u përmend më lart, dalja nga qarku i matjes është diferenca kohore midis dy sinjaleve hyrëse (domethënë sinjalit aktual dhe atij të tensionit). Kodi arduino përdor "pulseIn" për të matur gjatësinë e impulsit dalës nga qarku i matjes në nano sekonda dhe e përdor atë në formulën PF të përmendur më lart.

Kodi fillon duke përcaktuar konstantet, kryesisht për ta bërë kodin më të organizuar dhe të lexueshëm. Më e rëndësishmja, kodi C (kodi arduino) funksionon në radianë jo në shkallë, kështu që një konvertim nga radianët në gradë është i nevojshëm për të llogaritur këndet dhe PF -të më vonë. Një radian është përafërsisht. 57.29577951 gradë. Numri 360 gjithashtu ruhet dhe faktori i shumëzimit 1x10^-6 për shndërrimin e nano sekondave në sekonda të thjeshta. Frekuenca përcaktohet gjithashtu në fillim, nëse përdorni diçka tjetër përveç 50Hz sigurohuni që kjo të përditësohet në fillim të kodit.

Brenda "void loop ()" i kam thënë Arduino të llogarisë këndin bazuar në formulën PF të përmendur më parë. Në përsëritjen time të parë të këtij kodi, kodi do të kthente këndin dhe faktorin e fuqisë së duhur, megjithatë midis secilit rezultat të saktë, një vlerë e ulët e gabuar gjithashtu do të kthehet në tastierën serike. Vura re se kjo ishte ose çdo lexim tjetër ose çdo katër matje. Vendosa një deklaratë "nëse" brenda një laku "for" për të ruajtur vlerën maksimale të çdo katër leximeve të njëpasnjëshme. Këtë e bën duke krahasuar llogaritjen me "angle_max" e cila është fillimisht zero, dhe nëse është më e madhe ruan vlerën e re brenda "angle_max". Kjo përsëritet për matjen e PF. Duke e bërë këtë në një lak "for" do të thotë që këndi i saktë dhe pf kthehen gjithmonë, por nëse këndi i matur ndryshon (më i lartë ose më i ulët), kur "për" përfundon "angle_max" rivendoset në zero për testin tjetër, kur " lak void () "përsëritet. Ekziston një shembull shumë i mirë se si funksionon kjo në faqen e internetit të Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). Formula e dytë "nëse" thjesht parandalon që çdo vlerë më e lartë se 360 të kthehet në rast të matjes së gabuar të lartë kur pajisja nën provë është e fikur.

Hapi 4: Testi i Acidit

Mos provoni sa më poshtë nëse nuk dini si të punoni në mënyrë të sigurt me tensionin e rrjetit AC. Nëse jeni në dyshim për sigurinë tuaj, provoni të simuloni sinjalet e hyrjes me një gjenerator të formave valore me dy kanale.

Me kërkesën e një ndjekësi, unë kam bërë një plan urbanistik në Fritzing për të dhënë një ide më të mirë të qarkut dhe qarkut të marrjes së mostrave/ndijimit (kam bashkangjitur skedarin.fzz dhe një diagram.png). Motori në krye përfaqëson ventilatorin e tavolinës që kam përdorur, dhe spiralja e induksionit përfaqëson transformatorin aktual që unë mbështolla rreth përcjellësit Live. I mundësova IC -të 741 duke përdorur dy pako baterish 12V të rregulluara për të dhënë +12 VDC, 0 VDC (tokë) dhe -12 VDC. CD4070 gjithashtu mund të mundësohet drejtpërdrejt nga hekurudha 5V e Arduino.

Për të vërtetuar se koncepti funksionon në realitet, qarku u ndërtua në një dërrasë më pak të bashkuar. Nga fotografitë mund të shihni rregullimin e qarkut. Unë kam përdorur një tifoz tavoline si ngarkesa ime induktive për të testuar konceptin. Midis furnizimit me energji elektrike 230V dhe ngarkesës është pajisja ime e sensorit. Unë kam një transformator hap poshtë i cili transformon 230V direkt në 5V për të lejuar marrjen e mostrës së formës së valës së tensionit. Një transformator i rrymës jo-invazive i kapur rreth përcjellësit të drejtpërdrejtë u përdor për të mostruar formën e valës aktuale (djathtas rezistencës së veshur me alumin). Vini re se ju nuk keni nevojë të dini domosdoshmërisht amplitudën e rrymës ose tensionit, vetëm formën e valës për op-amp për të identifikuar kalimin zero. Fotografitë e mësipërme tregojnë format aktuale të valës aktuale dhe të tensionit nga ventilatori, dhe tastierën seriale arduino, e cila raporton një PF prej 0.41 dhe një kënd prej 65 Deg.

Ky parim pune mund të përfshihet në një monitor të energjisë të bërë në shtëpi për të bërë matje të vërteta të fuqisë. Nëse jeni kompetent, mund të provoni të monitoroni ngarkesa të ndryshme induktive dhe rezistente dhe të përcaktoni faktorin e fuqisë së tyre. Dhe ja ku është! një metodë shumë e thjeshtë e matjes së faktorit të fuqisë.