Cum se măsoară factorul de putere CA utilizând Arduino: 4 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

Buna tuturor! Acesta este al treilea meu instructable, sper să-l găsiți informativ:-) Acesta va fi un instructable despre cum să faceți o măsurare de bază a factorului de putere folosind un Arduino. Înainte de a începe, există câteva lucruri de reținut:

1. Acest lucru va funcționa DOAR cu sarcini LINEARE (de exemplu, motoare inductive, transformatoare, solenoizi)
2. Acest lucru NU va funcționa cu NON-LINEARE (de exemplu becuri CFL, surse de alimentare cu comutare, LED-uri)
3. Sunt inginer electric și foarte competent atunci când lucrez cu potențial de rețea (adică 230V)

Avertizare! Dacă nu sunteți instruiți sau nu știți cum să funcționați corect cu tensiunea de rețea, vă sugerez să nu continuați cu acea parte a instructabilului și vă voi arăta o metodă sigură de a dovedi funcționarea circuitului.

Aceasta este o soluție hardware la problema măsurării PF în sarcini liniare. Acest lucru se poate face, de asemenea, doar prin cod, inclusiv prin capacitatea de a măsura încărcări neliniare, pe care voi viza să le acoper într-un alt instructable.

În beneficiul oricăror începători care citesc acest lucru, factorul de putere este raportul dintre puterea reală și puterea aparentă și poate fi calculat prin găsirea cosinusului unghiului de fază dintre tensiunea de alimentare și curent (a se vedea imaginea atașată de la Google). Acest lucru este semnificativ în aplicațiile de curent alternativ, deoarece „puterea aparentă” (volt-amperi) poate fi ușor calculată folosind tensiunea înmulțită cu curentul. Cu toate acestea, pentru a obține puterea reală sau „Puterea adevărată” (wați) puterea aparentă trebuie să fie înmulțită cu factorul de putere pentru a face o adevărată măsurare a puterii în wați. Acest lucru se aplică numai sarcinilor care au o componentă inductivă sau capactivă semnificativă (cum ar fi un motor). Sarcinile pur rezistive, cum ar fi încălzitoarele electrice sau becurile cu incandescență, au un factor de putere de 1,0 (unitate) și, prin urmare, puterea adevărată și puterea aparentă sunt aceleași.

Pasul 1: Proiectarea circuitului

Factorul de putere poate fi calculat folosind un osciloscop, măsurând diferența de timp dintre tensiune și semnalul de curent. Acestea pot fi măsurate în orice punct al undei, atâta timp cât sunt prelevate în același loc. În acest caz, a fost logic să se măsoare între zero puncte de trecere (puncte din unda unde tensiunea a traversat axa X).

Am proiectat următorul circuit în Multisim. Presupunând că curentul și tensiunea la sarcină sunt forme de undă sinusoidale pure, factorul de putere poate fi măsurat. Fiecare formă de undă este alimentată într-un detector de trecere zero (cunoscut uneori ca un convertor de undă sinusoidală pătrată) care este pur și simplu un amplificator opțional 741 în modul comparator unde tensiunea de comparație este 0V. Când unda sinusoidală se află în ciclul negativ se generează un impuls continuu negativ, iar când unda sinusoidală este pozitivă se generează un impuls continuu pozitiv. Cele două unde pătrate sunt apoi comparate utilizând o poartă logică exclusivă OR (XOR), care va emite un impuls DC pozitiv ridicat numai atunci când undele pătrate nu se suprapun și 0V când se suprapun. Ieșirea porții XOR este deci diferența de timp (delta t) între cele două unde de la punctul în care trec punctul zero. Acest semnal diferențial poate fi apoi temporizat de un microcontroler și transformat în factor de putere folosind următorul calcul (asigurați-vă că calculatorul dvs. științific este în grade, nu în radiani):

cos (phi) = f * dt * 360

Unde:

cos (phi) - factorul de putere

f - Frecvența alimentării măsurate

dt - delta t sau diferența de timp între valuri

360 - o constantă utilizată pentru a da răspuns în grade

În imagini veți vedea trei urme de osciloscop simulate pentru circuit. Cele două semnale de intrare reprezintă curentul și tensiunea la sarcină. Am dat celui de-al doilea semnal o diferență de fază de 18 grade, pentru a demonstra teoria. Acest lucru oferă un PF de aproximativ 0,95.

Pasul 2: Prototipare și testare

Pentru construcția prototipului meu, am pus proiectul circuitului pe o placă fără sudură. Din foaia de date UA741CN și foaia de date CD4070CN, ambele circuite integrate au o sursă de alimentare de 12-15 Vcc, așa că am alimentat cu două baterii pentru a face o sursă duală + 12V, 0V, -12V Volt.

Simularea unei sarcini

Puteți simula o încărcare utilizând un generator de semnal cu două canale sau un generator de funcții. Am folosit această cutie chineză ieftină și veselă pentru a produce două unde sinusoidale de 50 Hz la 18 grade distanță și am introdus semnalele în circuit. Puteți vedea formele de undă rezultate pe un osciloscop. În imaginile de mai sus puteți vedea cele două unde pătrate suprapuse (ieșire de la fiecare amplificator op), iar celelalte trei imagini ilustrează ieșirea porții XOR. Observați cum lățimea impulsului de ieșire crește mai scurt odată cu scăderea unghiului de fază. Exemplele de mai sus arată 90, 40, 0 grade.

Pasul 3: Cod Arduino

După cum sa menționat mai sus, ieșirea din circuitul de măsurare este diferența de timp dintre cele două semnale de intrare (adică semnalul de curent și de tensiune). Codul arduino folosește „pulseIn” pentru a măsura lungimea impulsului de ieșire din circuitul de măsurare în nano secunde și îl folosește în formula PF menționată mai sus.

Codul începe prin definirea constantelor, în principal pentru a face codul mai organizat și mai ușor de citit. Cel mai important, codul C (codul arduino) funcționează în radiani, nu în grade, deci este necesară o conversie de la radiani în grade pentru a calcula unghiurile și PF-urile ulterior. Un radian este de aprox. 57.29577951 grade. Numărul 360 este, de asemenea, stocat și factorul de multiplicare 1x10 ^ -6 pentru conversia nano Secunde în Secunde simple. Frecvența este definită și la început, dacă utilizați altceva decât 50Hz asigurați-vă că aceasta este actualizată la începutul codului.

În interiorul „void loop ()” i-am spus lui Arduino să calculeze unghiul pe baza formulei PF menționată anterior. La prima mea iterație a acestui cod, codul ar returna unghiul și factorul de putere corecte, cu toate acestea, între fiecare rezultat corect, unele valori eronate scăzute vor fi returnate și în consola serială. Am observat că acest lucru a fost fie la fiecare citire, fie la fiecare patru măsurători. Am plasat o instrucțiune „dacă” într-o buclă „pentru” pentru a stoca valoarea maximă a fiecărei patru citiri consecutive. Face acest lucru comparând calculul cu „angle_max” care este inițial zero, iar dacă este mai mare stochează noua valoare în „angle_max”. Acest lucru se repetă pentru măsurarea PF. Făcând acest lucru într-o buclă "pentru" înseamnă că unghiul corect și pf sunt întotdeauna returnate, dar dacă unghiul măsurat se schimbă (mai mare sau mai mic), când "pentru" se termină "angle_max" se resetează la zero pentru următorul test, când " void loop () "se repetă. Există un exemplu foarte bun despre cum funcționează acest lucru pe site-ul web Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). Cea de-a doua formulă „dacă” împiedică pur și simplu să fie returnată orice valoare mai mare de 360 în cazul în care măsurarea eronată a nivelului ridicat se face atunci când dispozitivul supus testului este oprit.

Pasul 4: Testul acidului

Nu încercați următoarele decât dacă știți cum să lucrați în siguranță cu tensiunea de rețea alternativă. Dacă aveți dubii cu privire la siguranța dvs., încercați să simulați semnalele de intrare cu un generator de forme de undă cu două canale.

La cererea unui urmăritor, am realizat un layout de panou pe Fritzing pentru a oferi o idee mai bună despre circuit și circuitul de eșantionare / detectare (am atașat fișierul.fzz și o diagramă.png). Motorul din partea de sus reprezintă ventilatorul de birou pe care l-am folosit, iar bobina de inducție reprezintă transformatorul de curent pe care l-am înfășurat în jurul conductorului sub tensiune. Am alimentat 741 IC folosind două baterii de 12V aranjate pentru a da +12 VDC, 0 VDC (la sol) și -12 VDC. CD4070 poate fi alimentat, de asemenea, direct de pe șina de alimentare de 5V a Arduino.

Pentru a demonstra că conceptul funcționează în realitate, circuitul a fost construit pe o placă de sudură mai puțin lipită. Din imagini puteți vedea aranjamentul circuitului. Am folosit un ventilator de birou ca sarcină inductivă pentru a testa conceptul. Între rețeaua de alimentare de 230V și sarcina este echipamentul meu de detectare. Am un transformator de descreștere care transformă 230V direct în 5V pentru a permite eșantionarea formei de undă de tensiune. Un transformator de curent neinvaziv prins în jurul conductorului sub tensiune a fost folosit pentru a testa forma de undă de curent (dreapta rezistenței îmbrăcate în aluminiu). Rețineți că nu este necesar să cunoașteți amplitudinea curentului sau a tensiunii, ci doar forma de undă pentru amplificatorul op pentru a identifica trecerea zero. Imaginile de mai sus prezintă curentul și formele de undă reale ale tensiunii de la ventilator și consola serială arduino, care raportează un PF de 0,41 și un unghi de 65 de grade.

Acest principiu de lucru poate fi încorporat într-un monitor de energie de casă pentru a efectua măsurători reale de putere. Dacă sunteți competent, puteți încerca să monitorizați diferite sarcini inductive și rezistive și să determinați factorul de putere al acestora. Și iată-l! o metodă foarte simplă de măsurare a factorului de putere.