Măsurați frecvența rețelei utilizând Arduino: 7 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

La 3 aprilie, prim-ministrul Indiei, Shri. Narendra Modi a făcut apel la indieni să-și stingă luminile și să aprindă o lampă (Diya) la 21:00, pe 5 aprilie, pentru a marca lupta Indiei împotriva virusului Corona. Imediat după anunț, a existat un haos mare pe rețelele de socializare care spuneau că acest lucru ar duce la o întrerupere completă din cauza defectării rețelei electrice.

Eu, fiind student în inginerie electrică, am vrut să văd efectul unei reduceri bruște a sarcinii asupra rețelei electrice. Unul dintre parametrii afectați este Frecvența. Așadar, am decis să fac un dispozitiv care să măsoare frecvența tensiunii de la o priză de curent din casa mea. Vă rugăm să rețineți că pentru acest mic experiment, precizia valorii măsurate nu este importantă, deoarece am vrut doar să observ schimbările de frecvență.

În acest instructabil, voi explica rapid cum poate eșua o rețea și apoi vă voi arăta cum am măsurat frecvența.

Pasul 1: De ce să vă faceți griji?

O rețea electrică poate defecta din cauza multor factori, dintre care unul este reducerea bruscă a sarcinii. Voi încerca să-l explic în cel mai simplu mod posibil, astfel încât o persoană fără fond electric să o poată înțelege.

Ce este frecvența? Este de câte ori se repetă o undă AC într-o secundă. Frecvența în India este de 50Hz, ceea ce înseamnă că o undă de curent alternativ se repetă de 50 de ori într-o secundă.

În orice centrală electrică, există o turbină care este un dispozitiv mecanic rotativ care extrage energia din fluxul de fluid (abur, apă, gaz etc.) și o transformă în lucru util (energie mecanică). Această turbină este conectată (cuplată) la un generator. Un generator convertește apoi această energie mecanică în energie electrică pe care o obținem acasă.

Să luăm în considerare o centrală cu abur pentru această explicație. Aici, aburul de înaltă presiune este utilizat pentru a roti o turbină care, la rândul său, rotește generatorul și se generează electricitate. Nu voi discuta cum funcționează un generator, dar amintiți-vă că frecvența tensiunii generate este direct legată de viteza cu care se rotește generatorul. Dacă viteza crește, frecvența crește și invers. Să presupunem că generatorul nu este conectat la nicio sarcină. Generatorul este adus la viteză prin creșterea intrării aburului în turbină până când frecvența devine 50Hz. Generatorul este acum gata să furnizeze energie. De îndată ce generatorul este conectat la sarcină (sau rețea), curentul începe să curgă prin înfășurarea sa și viteza sa scade și astfel frecvența. Dar, conform standardelor de reglementare, frecvența ar trebui să se încadreze într-o anumită bandă. În India este de +/- 3%, adică de 48,5Hz la 51,5Hz. Acum, pentru a compensa frecvența redusă datorită scăderii vitezei, intrarea aburului este crescută până când frecvența devine din nou 50Hz. Acest proces continuă. Sarcina crește, viteza scade, frecvența scade, intrarea aburului este crescută și generatorul este adus la viteză. Toate acestea se fac automat folosind un dispozitiv numit Governor. Monitorizează viteza (sau frecvența) generatorului și reglează corespunzător intrarea de abur. Deoarece cea mai mare parte a piesei este mecanică, durează câteva secunde (adică constantă de timp ridicată) pentru ca modificările să aibă efect.

Acum, să luăm în considerare faptul că întreaga sarcină a generatorului este îndepărtată brusc. Generatorul se accelerează peste viteza normală, deoarece am crescut mai devreme aportul de abur pentru a compensa sarcina crescută. Înainte ca guvernatorul să poată detecta și schimba intrarea aburului, generatorul accelerează atât de repede încât frecvența își depășește limita superioară. Deoarece acest lucru nu este permis conform standardelor de reglementare, generatorul se declanșează (sau este deconectat) de la rețea din cauza supra-frecvenței.

În India, avem One Nation - One Grid, ceea ce înseamnă că toți generatorii din India sunt conectați la o singură rețea. Acest lucru ajută la trimiterea puterii în orice parte a țării. Dar există un dezavantaj. O eroare masivă în orice parte a țării se poate răspândi rapid în alte părți, ceea ce duce la declanșarea întregii rețele. Astfel, o țară întreagă rămâne fără putere!

Pasul 2: Planul

Planul este de a măsura frecvența tensiunii la intervale specificate.

Un transformator cu filet central este folosit pentru a reduce 230V AC la 15V AC.

Modulul RTC oferă ora reală.

Ambele date (timp și frecvență) sunt apoi stocate în cardul Micro SD în două fișiere separate. După terminarea testului, datele pot fi importate într-o foaie Excel pentru a genera graficul.

Un afișaj LCD va fi utilizat pentru a arăta frecvența.

Ai grijă! Veți avea de-a face cu tensiune de rețea alternativă fatală. Continuați numai dacă știți ce faceți. Electricitatea nu oferă a doua șansă

Pasul 3: Lucruri de care vei avea nevoie

1x Arduino Nano

1x ecran LCD 16x2

1x DS3231 Modul de ceas în timp real

1x modul de card Micro SD

1x transformator cu filet central (15V-0-15V)

2x rezistor 10k

1x rezistor 1k

1x rezistor de 39k

1x tranzistor NPN 2N2222A

1x 1N4007 Diodă

Pasul 4: Unirea lucrurilor

Schema pentru construcție este atașată aici. Îl voi construi pe un panou, dar îl puteți face mai permanent utilizând un panou perfector sau să creați un PCB personalizat.

Alegerea valorii corecte a „R3” pentru transformatorul dvs.:

R3 și R4 formează un divizor de tensiune și valorile sunt alese astfel încât vârful tensiunii AC să nu depășească 5V. Deci, dacă intenționați să utilizați un alt transformator cu ratinguri diferite, atunci trebuie să schimbați și R3. Amintiți-vă că valorile de tensiune date pe un transformator sunt în RMS. În cazul meu, este 15-0-15.

Folosiți un multimetru pentru a-l verifica. Tensiunea măsurată va fi în mare parte mai mare de 15V. În cazul meu, era în jur de 17,5V. Valoarea de vârf va fi de 17,5 x sqrt (2) = 24,74V. Această tensiune este mult mai mare decât tensiunea maximă Gate-Emitter (6V) a tranzistorului 2N2222A. Putem calcula valoarea lui R3 folosind formula divizorului de tensiune prezentată în imaginea de mai sus.

Conexiuni pentru modulul cardului SD:

Modulul folosește SPI pentru comunicare.

• MISO la D12
• MOSI până la D11
• SCK la D13
• CS / SS la D10 (Puteți utiliza orice pin pentru Chip Select)

Asigurați-vă că cardul SD este formatat mai întâi ca FAT.

Conexiuni pentru modulul RTC

Acest modul folosește I2C pentru comunicare.

• SDA la A4
• SCL la A5

Conexiuni pentru ecran LCD

• RST la D9
• EN la D8
• D4 până la D7
• D5 la D6
• D6 până la D5
• D7 la D4
• R / W la GND

Pasul 5: Timp pentru codificare

Codul a fost atașat aici. Descărcați-l și deschideți-l folosind Arduino IDE. Înainte de încărcare, asigurați-vă că instalați Biblioteca DS3231. Am găsit câteva informații utile pe acest site.

Configurarea RTC:

1. Introduceți o baterie cu celule de tip 2032.
2. Deschideți DS3231_Serial_Easy din exemple așa cum se arată.
3. Decomentați cele 3 linii și introduceți ora și data așa cum se arată în imagine.
4. Încărcați schița pe Arduino și deschideți monitorul serial. Setați rata de transmisie la 115200. Ar trebui să puteți vedea timpul care se reîmprospătează la fiecare 1 sec.
5. Acum, deconectați Arduino și conectați-l din nou după câteva secunde. Uită-te la monitorul serial. Ar trebui să apară în timp real.

Terminat! RTC a fost înființat. Acest pas trebuie făcut o singură dată pentru a seta data și ora.

Pasul 6: Prelucrarea datelor

După terminarea testului, scoateți cardul micro SD din modul și conectați-l la computer folosind un cititor de carduri. Vor fi două fișiere text denumite FREQ.txt și TIME.txt.

Copiați conținutul din aceste fișiere și lipiți-l într-o foaie Excel în două coloane separate (Timp și Freq).

Faceți clic pe Insert> Chart. Excel ar trebui să verifice automat datele de pe foaie și să traseze graficul.

Măriți rezoluția axei verticale astfel încât fluctuațiile să fie clar vizibile. În Foi de calcul Google, Personalizați> Axa verticală> Min. = 49,5 și max. = 50,5

Pasul 7: Rezultate

Putem vedea în mod clar o ușoară creștere a frecvenței pe măsură ce încărcăturile sunt întrerupte în jurul orei 21:00 (21:00) și o scădere a frecvenței în jurul valorii de 21:10 (21:10) pe măsură ce încărcăturile sunt activate din nou. Nu este afectată rețeaua, deoarece frecvența se încadrează în banda de toleranță (+/- 3%), adică de 48,5Hz la 51,5Hz.

Un tweet din partea ministrului de stat din guvernul Indiei, domnul R K Singh, confirmă că rezultatele pe care le-am obținut au fost destul de exacte.

Vă mulțumesc că ați rămas până la capăt. Sper că tuturor vă place acest proiect și ați învățat ceva nou astăzi. Anunță-mă dacă îți faci una pentru tine. Abonați-vă la canalul meu YouTube pentru mai multe astfel de proiecte.