Mjerenje izmjenične struje pomoću strujnog transformatora i arduina

Strujni transformator je vrsta instrumentalnog transformatora posebno dizajniranog za transformiranje izmjenične struje u njegovom sekundarnom namotu, a količina proizvedene struje izravno je proporcionalna struji u primarnom namotu. Ova vrsta strujnog transformatora dizajnirana je za nevidljivo mjerenje struje iz visokonaponskog podsustava ili tamo gdje velika količina struje teče kroz sustav. Zadatak strujnog transformatora je pretvoriti veliku količinu struje u nižu količinu struje koja se lako može izmjeriti mikrokontrolerom ili analognim brojilom. Prethodno smo objasnili mjerenje struje pomoću strujnog transformatora u članku o raznim vrstama tehnika osjetljivosti struje.

Ovdje ćemo detaljno naučiti ovu tehniku osjetljivosti struje i spojiti strujni transformator za mjerenje izmjenične struje uz pomoć Arduina. Također ćemo naučiti određivati omjer zavoja nepoznatog strujnog transformatora.

Strujni transformator

Kao što sam već spomenuo, strujni transformator je transformator dizajniran za mjerenje struje. Gore prikazano dva transformatora koja trenutno imam naziva se strujni transformator prozorskog tipa ili obično poznat kao transformator za uravnoteženje jezgre r.

Kako djeluje trenutni transformator?

Osnovni princip strujnog transformatora isti je kao i naponski transformator, slično naponskom transformatoru strujni transformator također se sastoji od primarnog i sekundarnog namota. Kad izmjenična električna struja prolazi kroz primarni namot transformatora, stvara se izmjenični magnetski tok koji inducira izmjeničnu struju u sekundarnom namotu u ovom trenutku, možete reći da je gotovo isti kao naponski transformator ako mislite da je ovdje razlika.

Općenito je strujni transformator uvijek u stanju kratkog spoja uz pomoć otpornika tereta, također, struja koja teče na sekundarnom namotu ovisi samo o primarnoj struji koja prolazi kroz vodič.

Trenutna konstrukcija transformatora

Da bih vam pružio bolje razumijevanje, srušio sam jedan od svojih trenutnih transformatora što možete vidjeti na gornjoj slici.

Na slici se vidi da je vrlo tanka žica namotana oko materijala od toroidalne jezgre, a niz žica izlazi iz transformatora. Glavni namot je samo jedna žica koja je povezana u seriju s teretom i nosi glavninu struje koja teče kroz teret.

Omjer trenutnog transformatora

Postavljanjem žice unutar prozora strujnog transformatora možemo oblikovati jednu petlju i omjer okretaja postaje 1: N.

Kao i svi drugi transformatori, strujni transformator mora udovoljavati jednadžbi omjera okretaja pojačala koja je prikazana u nastavku.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Gdje, TR = omjer trans

Np = Broj primarnih okretaja

Ns = Broj sekundarnih zavoja

Ip = Struja u primarnom namotaju

Is = Struja u sekundarnom namotaju

Da biste pronašli sekundarnu struju, preuredite jednadžbu u

Je = Ip x (Np / NS)

Kao što možete vidjeti na gornjoj slici, primarni namot transformatora sastoji se od jednog namota, a sekundarni namot transformatora sastoji se od tisuća namotaja ako pretpostavimo da struja od 100A teče kroz primarni namot, sekundarna struja bit će 5A. Dakle, omjer između primarnog i sekundarnog postaje 100A prema 5A ili 20: 1. Dakle, može se reći da je primarna struja 20 puta veća od sekundarne.

Bilješka! Imajte na umu da trenutni omjer nije isti kao omjer okreta.

Sada sve osnovne teorije skrećemo s puta, možemo se fokusirati na izračunavanje omjera okretaja trenutnog transformatora u ruci.

Trenutna pogreška transformatora

Svaki krug ima neke pogreške. Strujni transformatori se ne razlikuju; postoje razne pogreške u strujnom transformatoru. Neki od njih su opisani u nastavku

Pogreška omjera u trenutnom transformatoru

Primarna struja strujnog transformatora nije točno jednaka sekundarnoj struji pomnoženoj s omjerom zavoja. Dio struje troši jezgra transformatora da bi se ona dovela u stanje pobude.

Pogreška faznog kuta u strujnom transformatoru

Za idealni CT vektor primarne i sekundarne struje je nula. Ali u stvarnom strujnom transformatoru uvijek će postojati razlika jer primar mora napajati struju pobude u jezgru i bit će mala fazna razlika.

Kako smanjiti pogrešku u trenutnom transformatoru?

Uvijek je potrebno smanjiti pogreške u sustavu kako bi se postigle bolje performanse. Dakle, donjim koracima to se može postići

Korištenje jezgre s velikom propusnošću s malim magnetskim materijalom za histerezu.
Vrijednost otpora opterećenja mora biti vrlo blizu izračunate vrijednosti.
Unutarnja impedansa sekundara može se smanjiti.

Natrag Izračunavanje omjera zavoja strujnog transformatora

Postavljanje testa prikazano je na gornjoj slici koju sam koristio za utvrđivanje omjera zavoja.

Kao što sam već spomenuo, strujni transformator (CT) koji posjedujem nema nikakvu specifikaciju ili broj dijela samo zato što sam ih spasio iz pokvarenog kućnog električnog brojila. Dakle, u ovom trenutku moramo znati omjer okretaja da bismo pravilno postavili vrijednost otpornika opterećenja, inače će u sustav biti uvedene sve vrste problema, o čemu ću više govoriti kasnije u članku.

Uz pomoć ohmovog zakona, omjer okretaja može se lako shvatiti, ali prije toga moram izmjeriti veliki 10W, 1K otpornik koji djeluje kao opterećenje u krugu, a također moram dobiti proizvoljan otpornik opterećenja kako bi se utvrdio omjer okreta.

Otpornik opterećenja

Otpornik tereta

Sažetak svih vrijednosti komponenata tijekom vremena ispitivanja

Ulazni napon Vin = 31,78 V

Otpor opterećenja RL = 1,0313 KΩ

Otpor opterećenju RB = 678,4 Ω

Izlazni napon Vout = 8,249 mV ili 0,008249 V

Struja koja teče kroz otpornik opterećenja je

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

Dakle, sada znamo ulaznu struju, koja je 0,03080A ili 30,80 mA

Otkrijmo izlaznu struju

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

Sada, da bismo izračunali omjer okretaja, moramo primarnu struju podijeliti sa sekundarnom.

Omjer okretaja n = primarna / sekundarna struja n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533.1972

Dakle, strujni transformator sastoji se od 2500 okretaja (zaokružena vrijednost)

Bilješka! Napominjemo da su pogreške uglavnom zbog mog neprekidnog mijenjanja ulaznog napona i tolerancije multimetra.

Izračunavanje odgovarajuće veličine otpornika opterećenja

CT koji se ovdje koristi trenutni je izlazni tip. Dakle, da bi se izmjerila struja, treba je pretvoriti u naponski tip. Ovaj članak na web mjestu openenergymonitor daje sjajnu ideju o tome kako to možemo učiniti, pa ću slijediti članak

Otpornik opterećenja (oma) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * max primarna struja)

Gdje, AREF = Analogni referentni napon modula ADS1115 koji je postavljen na 4.096V.

CT OBRATI = broj sekundarnih zavoja, koje smo prethodno izračunali.

Maksimalna primarna struja = maksimalna primarna struja, koja će prolaziti kroz CT.

Bilješka! Svaki CT ima maksimalnu strujnu vrijednost veću od te nominalne vrijednosti što će dovesti do zasićenja jezgre i u konačnici pogreške linearnosti što će dovesti do pogreške mjerenja

Bilješka! Maksimalna strujna vrijednost mjerača potrošnje energije u domaćinstvu je 30A, pa se odlučim za tu vrijednost.

Otpor opterećenja (oma) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6Ω nije uobičajena vrijednost, zato ću upotrijebiti tri otpornika u seriji da bih dobio vrijednost otpora od 120Ω. Nakon spajanja otpornika na CT, obavio sam nekoliko ispitivanja za izračunavanje maksimalnog izlaznog napona s CT-a.

Nakon ispitivanja, uočava se da je, ako se kroz primar strujnog transformatora napaja struja od 1mA, izlaz bio 0,0488mV RMS. Uz to možemo izračunati da li kroz CT prolazi struja od 30A, izlazni napon bit će 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Sada sam, s izvršenim izračunima, podesio ADC pojačanje na 1x pojačanje što je +/- 4.096V, što nam daje 0,125mV pune razlučivosti. Uz to ćemo moći izračunati minimalnu struju koja se može izmjeriti ovom postavkom. Što se pokazalo 3mA b jer je ADC rezolucija postavljena na 0,125mV.

Komponente potrebne

Zapiši sve komponente bez tablice

Sl.br.	Dijelovi	Tip	Količina
1	CT	Tip prozora	1
2	Arduino Nano	Generički	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	16-bitni ADC	1
5	LMC7660	IC	1
6	120Ω, 1%	Otpornik	1
7	10uF	Kondenzator	2
8	33uF	Kondenzator	1
9	Breadboard	Generički	1
10	Jumper žice	Generički	10

Kružni dijagram

Donja shema prikazuje priključni vodič za mjerenje struje pomoću strujnog transformatora

Ovako će krug izgledati na ploči s pločama.

Konstrukcija strujnog mjernog kruga

U prethodnom uputstvu pokazao sam vam kako točno izmjeriti pravi efektivni napon uz pomoć AD736 IC i kako konfigurirati sklopni sklop pretvarača napona s kondenzatorom koji generira negativni napon iz ulaznog pozitivnog napona, u ovom vodiču koristimo obje IC iz ovih vodiča.

Za ovu demonstraciju sklop je konstruiran na Bezlemljenoj pločici uz pomoć sheme; također, istosmjerni napon mjeri se uz pomoć 16-bitnog ADC-a radi veće preciznosti. I dok demonstriram strujni krug na ploči kako bih smanjio parazit, upotrijebio sam što je više moguće premosnih kabela.

Arduino kod za trenutno mjerenje

Ovdje se Arduino koristi za prikaz izmjerenih vrijednosti u prozoru serijskog monitora. No, s malo izmjena u kodu, vrlo se lako mogu prikazati vrijednosti na LCD-u 16x2. Ovdje naučite međusobno povezivanje LCD-a 16x2 s Arduinom.

Potpuni kod strujnog transformatora nalazi se na kraju ovog odjeljka. Ovdje su objašnjeni važni dijelovi programa.

Za početak uključujemo sve potrebne datoteke iz knjižnica. Biblioteka žica koristi se za komunikaciju između Arduina i modula ADS1115, a biblioteka Adafruit_ADS1015 pomaže nam u čitanju podataka i pisanju uputa na modul.

#include #include

Dalje, definirajte MULTIPLICATION_FACTOR koji se koristi za izračunavanje trenutne vrijednosti iz vrijednosti ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * faktor za izračunavanje stvarne trenutne vrijednosti * / Adafruit_ADS1115 oglasi; / * Koristite ovo za 16-bitnu verziju ADS1115 * /

16-bitni ADC ispljuva 16-bitne duge cijele brojeve pa se koristi varijabla int16_t . Koriste se tri druge varijable, jedna za spremanje RAW vrijednosti za ADC, jedna za prikaz stvarnog napona u ADC pinu i napokon jedna za prikaz ove vrijednosti napona na trenutnu vrijednost.

int16_t adc1_raw_value; / * varijabla za pohranu sirove ADC vrijednosti * / plutajuće izmjerene_naponske; / * varijabla za pohranu izmjerenog napona * / plutajuća struja; / * varijabla za pohranu izračunate struje * /

Započnite odjeljak za postavljanje koda omogućavanjem serijskog izlaza s 9600 baud podataka. Zatim ispišite dobitak ADC-a koji je postavljen; to je zato što napon veći od definirane vrijednosti sigurno može oštetiti uređaj.

Sada postavite dobitak ADC-a s ads.setGain (GAIN_ONE); metoda kojom se 1-bitna razlučivost postavlja na 0,125 mV

Nakon toga se poziva metoda ADC start koja postavlja sve u hardverskom modulu i pretvara statistiku.

void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Dobivanje jednokratnih očitavanja iz AIN0..3"); // neke informacije o otklanjanju pogrešaka Serial.println ("Raspon ADC-a: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Opseg ulaza ADC (ili pojačanje) može se mijenjati pomoću sljedećih // funkcija, ali pripazite da nikada ne prijeđete VDD + 0,3 V max ili da // prijeđete gornju i donju granicu ako prilagodite ulazno područje! // Pogrešno postavljanje ovih vrijednosti može uništiti vaš ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2/3x dobitak +/- 6,144V 1 bit = 3mV 0,1875mV (zadano) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x pojačanje +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x pojačanje +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x pojačanje +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x pojačanje +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x dobitak +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); }

U odjeljku petlje čitam sirovu ADC vrijednost i pohranjujem je u prethodno spomenutu varijablu za kasniju upotrebu. Zatim pretvorite sirovu ADC vrijednost u vrijednosti napona za mjerenje i izračunajte trenutnu vrijednost i prikažite je u prozoru serijskog monitora.

petlja void (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); izmjerene_naponske vrijednosti = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); trenutno = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ADC vrijednost:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Izmjereni napon:"); Serial.println (izmjerene_naponske); Serial.println ("V"); Serial.print ("Izračunata struja:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); kašnjenje (500); }

Bilješka! Ako nemate knjižnicu za modul ADS1115, morate je uključiti u Arduino IDE, knjižnicu možete pronaći u ovom GitHub spremištu.

Kompletni Arduino kôd naveden je u nastavku:

#include #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * faktor za izračunavanje stvarne trenutne vrijednosti * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * maksimalnu vrijednost koju ADC proizvodi * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 oglasi; / * Koristite ovo za 16-bitnu verziju ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * varijabla za pohranu sirove ADC vrijednosti * / plutajuće izmjerene_naponske; / * varijabla za pohranu izmjerenih volta * / plutajuća struja; / * varijabla za pohranu izračunate struje * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Dobivanje jednokratnih očitavanja iz AIN0..3"); // neke informacije o otklanjanju pogrešaka Serial.println ("Raspon ADC-a: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Opseg ulaza ADC (ili pojačanje) može se mijenjati pomoću sljedećih // funkcija, ali pripazite da nikada ne prijeđete VDD + 0,3 V max,ili da // premašite gornju i donju granicu ako prilagodite ulazno područje! // Pogrešno postavljanje ovih vrijednosti može uništiti vaš ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2/3x dobitak +/- 6,144V 1 bit = 3mV 0,1875mV (zadano) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x pojačanje +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x pojačanje +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x pojačanje +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x pojačanje +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x dobitak +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); } void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); izmjerene_naponske = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); trenutno = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ADC vrijednost:"); Serijski.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Izmjereni napon:"); Serial.print (izmjereni_napon); Serial.println ("V"); Serial.print ("Izračunata struja:"); Serial.print (trenutno, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); kašnjenje (500); }

Ispitivanje kruga

Alati koji se koriste za ispitivanje sklopa

2 žarulje sa žarnom niti od 60 W
Meco 450B + TRMS multimetar

Za testiranje sklopa korištena je gornja postavka. Struja teče od CT-a do multimetra, a zatim se vraća na glavni vod.

Ako se pitate što FTDI ploča radi u ovom postavljanju, dopustite mi da vam kažem da ugrađeni USB u serijski pretvarač nije radio, pa sam morao koristiti FTDI pretvarač kao USB u serijski pretvarač.

Daljnja poboljšanja

Nekoliko pogrešaka u mA koje ste vidjeli u videozapisu (dane u nastavku) samo su zato što sam sklopio krug u ploču pa je bilo mnogo problema s tlom.

Nadam se da vam se svidio ovaj članak i da ste iz njega naučili nešto novo. Ako sumnjate, možete pitati u komentarima ispod ili možete koristiti naše forume za detaljnu raspravu.