כיצד למדוד גורם חשמל באמצעות Arduino: 4 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

שלום כולם! זוהי ההנחיה השלישית שלי, מקווה שתמצא את זה אינפורמטיבי:-) זו תהיה הדרכה כיצד לבצע מדידת גורם כוח בסיסי באמצעות Arduino. לפני שנתחיל יש לזכור כמה דברים:

1. זה יעבוד רק עם עומסים LINEAR (למשל מנועים אינדוקטיביים, שנאים, סולנואידים)
2. זה לא יעבוד עם לא-לינארי (למשל נורות CFL, ספקי כוח ממתג, נוריות LED)
3. אני מהנדס חשמל ומוכשר מאוד בעבודה עם פוטנציאל חשמלי (כלומר 230V)

אַזהָרָה! אם אינך מאומן או אינך יודע כיצד לפעול כראוי עם מתח חשמלי, אני מציע לך לא להמשיך עם אותו חלק במדריך ואני אראה לך שיטה בטוחה להוכיח שהמעגל פועל.

זהו פתרון חומרה לבעיית מדידת PF בעומסים ליניאריים. ניתן לעשות זאת גם אך ורק באמצעות קוד כולל היכולת למדוד עומסים לא ליניאריים, אותם אשאף לכסות בעוד הוראה.

לטובת כל המתחילים הקוראים זאת, גורם ההספק הוא היחס בין הספק האמיתי לכוח לכאורה וניתן לחשב אותו על ידי מציאת הקוסינוס של זווית הפאזה בין מתח האספקה והזרם (ראו תמונה מצורפת מגוגל). זה משמעותי ביישומי AC מכיוון שניתן לחשב בקלות את "הספק לכאורה" (וולט אמפר) באמצעות מתח מוכפל בזרם. עם זאת כדי לקבל את הכוח האמיתי או "כוח אמיתי" (וואט) יש לכפל את הכוח הנראה בפקטור ההספק כדי לבצע מדידה אמיתית של הספק בוואט. זה חל רק על עומסים שיש להם מרכיב אינדוקטיבי או קיבול משמעותי (כגון מנוע). לעומסים התנגדותיים בלבד, כגון תנורי חימום חשמליים או נורות ליבון, יש גורם הספק של 1.0 (אחדות) ולכן הספק אמיתי והספק לכאורה זהים.

שלב 1: עיצוב מעגלים

ניתן לחשב את גורם ההספק באמצעות אוסצילוסקופ, על ידי מדידת הפרש הזמן בין המתח לאות הנוכחי. ניתן למדוד אותם בכל נקודה בגל, כל עוד הם נדגמים באותו מקום. במקרה זה היה הגיוני למדוד בין אפס נקודות חצייה (נקודות בגל שבו המתח חצה את ציר ה- X).

תכננתי את המעגל הבא ב- Multisim. בהנחה שהזרם והמתח לעומס הם צורות גל סינוסיות טהורות, ניתן למדוד את גורם הכוח. כל צורת גל מוזנת לגלאי מעבר אפס (המכונה לפעמים ממיר סינוס לגל מרובע) שהוא פשוט מגבר אופני 741 במצב השוואתי שבו מתח ההשוואה הוא 0V. כאשר גל הסינוס נמצא במחזור השלילי נוצר דופק DC שלילי, וכאשר גל הסינוס חיובי נוצר דופק DC חיובי. לאחר מכן משווים את שני הגלים המרובעים באמצעות שער לוגי בלעדי (XOR), שיפיק דופק DC גבוה חיובי רק כאשר הגלים המרובעים אינם חופפים ו- 0V כאשר הם חופפים. הפלט של שער ה- XOR הוא אפוא הפרש הזמן (דלתא t) בין שני הגלים מהנקודה שהם חוצים את נקודת האפס. לאחר מכן ניתן לתזמן את אות ההבדל הזה על ידי מיקרו -בקר ולהמיר אותו לגורם הספק באמצעות החישוב הבא (ודא שהמחשבון המדעי שלך הוא במעלות לא רדיאנים):

cos (phi) = f * dt * 360

איפה:

cos (phi) - גורם הכוח

f - תדירות האספקה הנמדדת

dt - דלתא t או הפרש זמן בין הגלים

360 - קבוע המשמש למתן תשובה במעלות

בתמונות תוכלו לראות שלוש עקבות מדומה לאוסילוסקופ למעגל. שני אותות הכניסה מייצגים את הזרם והמתח לעומס. נתתי לאות השני הבדל פאזה של 18 מעלות, כדי להוריד את התיאוריה. זה נותן PF של כ 0.95.

שלב 2: אב טיפוס ובדיקה

לבניית אב הטיפוס שלי שמתי את עיצוב המעגל על לוח לחם ללא הלחמה. מתוך גיליון הנתונים UA741CN וגיליון הנתונים CD4070CN שניהם IC מפעילים אספקת 12-15 Vdc אז הפעלתי באמצעות שתי סוללות יצירת מסילה כפולה +12V, 0V, -12V אספקת חשמל.

סימולציה של עומס

אתה יכול לדמות עומס באמצעות מחולל אותות ערוץ כפול או מחולל פונקציות. השתמשתי בקופסה הסינית הזולה והעליזה הזו כדי לייצר שני גלי סינוס של 50 הרץ בהפרש של 18 מעלות, והזנתי את האותות למעגל. אתה יכול לראות את צורות הגל שנוצרו באוסילוסקופ. בתמונות למעלה אתה יכול לראות את שני הגלים המרובעים החופפים (פלט מכל מגבר אופ), ושלוש התמונות האחרות ממחישות את הפלט של שער ה- XOR. שימו לב כיצד רוחב דופק הפלט הולך ומתקצר עם ירידה בזווית הפאזה. הדוגמאות למעלה מראות 90, 40, 0 מעלות.

שלב 3: קוד ארדואינו

כפי שצוין לעיל, הפלט ממעגל המדידה הוא הפרש הזמן בין שני אותות הכניסה (כלומר הזרם ואות המתח). קוד הארדואינו משתמש ב- "pulseIn" למדידת אורך דופק הפלט ממעגל המדידה תוך שניות ננו ומשתמש בו בנוסחת PF שהוזכרה לעיל.

הקוד מתחיל בהגדרת קבועים, בעיקר כדי להפוך את הקוד למאורגן וקריא יותר. והכי חשוב, קוד C (קוד ארדואינו) פועל ברדיאנים ולא במעלות, ולכן יש צורך בהמרה מרדיאנים למעלות לחישוב זוויות ו- PF מאוחר יותר. רדיאן אחד הוא כ. 57.29577951 מעלות. המספר 360 מאוחסן גם ואת גורם הכפל 1x10^-6 להמרת שניות ננו לשניות פשוטות. תדירות מוגדרת גם בהתחלה, אם אתה משתמש במשהו אחר מלבד 50Hz ודא שזה מתעדכן בתחילת הקוד.

בתוך "לולאת חלל ()" אמרתי לארדואינו לחשב את הזווית על בסיס נוסחת ה- PF שהוזכרה קודם לכן. באיטרציה הראשונה שלי של קוד זה, הקוד יחזיר את הזווית ואת גורם ההספק הנכון, אולם בין כל תוצאה נכונה יוחזר ערך נמוך ושגוי גם במסוף הטורי. שמתי לב שזה היה כל קריאה אחרת או כל ארבע מדידות. שמתי הצהרת "אם" בתוך לולאת "עבור" כדי לאחסן את הערך המרבי של כל ארבע קריאות רצופות. הוא עושה זאת על ידי השוואת החישוב מול "זווית_מקס" שהיא בתחילה אפס, ואם היא מאחסנת גדולה יותר הערך החדש בתוך "זווית_מקס". זה חוזר על עצמו למדידת PF. כשאתה עושה זאת בלולאת "עבור" המשמעות היא שהזווית הנכונה ו- pf תמיד מוחזרים, אך אם הזווית הנמדדת משתנה (גבוה או נמוך יותר), כאשר "עבור" מסתיימת "זווית_מקס" מתאפסת לאפס עבור הבדיקה הבאה, כאשר " לולאת void () "חוזרת על עצמה. יש דוגמה טובה מאוד לאופן הפעולה באתר Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). נוסחת ה"אם "פשוט מונעת החזרה של כל ערך גבוה מ- 360 במקרה של מדידה גבוהה שגויה כאשר המכשיר הנבדק כבוי.

שלב 4: מבחן החומצה

אל תנסה את הפעולות הבאות אלא אם כן אתה יודע כיצד לפעול בבטחה עם מתח חשמל AC. אם אתה בספק לגבי בטיחותך, נסה לדמות את אותות הקלט בעזרת מחולל צורות גל דו ערוצי.

לבקשת עוקב, ערכתי פריסת לוח על Fritzing כדי לתת מושג טוב יותר על המעגל ומעגל הדגימה/חישה (צירפתי את קובץ.fzz ותרשים.png). המנוע בחלקו העליון מייצג את מאוורר השולחן בו השתמשתי, וסליל האינדוקציה מייצג את השנאי הנוכחי שכרכתי סביב המנצח החי. הפעלתי את 741 IC באמצעות שתי חבילות 12V סוללות המסודרות לתת +12 VDC, 0 VDC (קרקע) ו- -12 VDC. ניתן להפעיל את ה- CD4070 ישירות ממעקה הכוח 5V של הארדואינו.

כדי להוכיח שהרעיון עובד במציאות, המעגל נבנה על הלוח פחות לוח לחם. מהתמונות ניתן לראות את סידור המעגלים. השתמשתי במאוורר שולחן כעומס האינדוקטיבי שלי כדי לבדוק את הרעיון. בין אספקת החשמל 230V לבין העומס נמצא ציוד החישה שלי. יש לי שנאי למטה אשר הופך 230V ישירות ל- 5V כדי לאפשר דגימת צורת גל המתח. שנאי זרם לא פולשני הנצמד סביב המנצח החי שימש כדי לדגום את צורת הגל הנוכחית (מימין לנגד העטיפה מאלומיניום). שים לב שאתה לא בהכרח צריך לדעת את משרעת הזרם או המתח, רק את צורת הגל של מגבר ה- OP כדי לזהות את מעבר האפס. התמונות לעיל מציגות את צורות הגל הנוכחי והמתח מהמאוורר, ואת הקונסולה הטורית של arduino, המדווחת PF של 0.41 וזווית של 65 Deg.

ניתן לשלב מנהל עבודה זה בצג אנרגיה תוצרת בית לביצוע מדידות הספק אמיתיות. אם אתה מוכשר אתה יכול לנסות לעקוב אחר עומסים אינדוקטיביים והתנגדים שונים ולקבוע את גורם הכוח שלהם. והנה זה! שיטה פשוטה למדידת גורם הספק.