Měření střídavého proudu pomocí proudového transformátoru a Arduina

Proudový transformátor je typ instrumentálního transformátoru speciálně navrženého pro transformaci střídavého proudu v jeho sekundárním vinutí a množství produkovaného proudu je přímo úměrné proudu v primárním vinutí. Tento typ proudového transformátoru je navržen tak, aby neviditelně měřil proud ze subsystému vysokého napětí nebo kde systémem protéká velké množství proudu. Úkolem transformátoru proudu je převést vysoké množství proudu na nižší množství proudu, které lze snadno měřit mikrokontrolérem nebo analogovým měřičem. Dříve jsme vysvětlili měření proudu pomocí proudového transformátoru v článku různých typů technik snímání proudu.

Zde se podrobně naučíme tuto techniku snímání proudu a připojíme proudový transformátor k měření střídavého proudu pomocí Arduina. Naučíme se také určit poměr otáček neznámého transformátoru proudu.

Transformátor napětí

Jak jsem již zmínil, transformátor proudu je transformátor určený k měření proudu. Výše uvedené ukazující dva transformátory, které v současné době mám, se nazývá proudový transformátor okenního typu nebo běžně známý jako transformace jádra a rovnováhy.

Jak funguje aktuální transformátor?

Základní princip transformátoru proudu je stejný jako transformátor napětí, stejně jako transformátor napětí se transformátor proudu skládá také z primárního vinutí a sekundárního vinutí. Když střídavý elektrický proud prochází primárním vinutím transformátoru, vytváří se střídavý magnetický tok, který v tomto bodě indukuje střídavý proud v sekundárním vinutí, můžete říci, že je téměř stejný jako transformátor napětí, pokud si myslíte, že zde je rozdíl.

Obecně platí, že transformátor proudu je vždy ve zkratovém stavu pomocí zátěžového rezistoru, také proud tekoucí sekundárním vinutím závisí pouze na primárním proudu protékajícím vodičem.

Proudová konstrukce transformátoru

Abych vám lépe porozuměl, strhl jsem jeden ze svých proudových transformátorů, které vidíte na obrázku výše.

Na obrázku je vidět, že kolem materiálu toroidního jádra je navinut velmi tenký drát a z transformátoru vychází sada vodičů. Primární vinutí je pouze jeden vodič, který je zapojen do série se zátěží a nese hromadný proud protékající zátěží.

Poměr transformátoru proudu

Umístěním drátu do okna proudového transformátoru můžeme vytvořit jednu smyčku a poměr otáček se stane 1: N.

Stejně jako všechny ostatní transformátory musí i transformátor proudu splňovat rovnici poměru zesilovače a otáčky, která je uvedena níže.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Kde, TR = poměr trans

Np = počet primárních tahů

Ns = počet sekundárních otáček

Ip = proud v primárním vinutí

Is = proud v sekundárním vinutí

Chcete-li najít sekundární proud, změňte uspořádání rovnice na

Is = Ip x (Np / NS)

Jak vidíte na obrázku výše, primární vinutí transformátoru se skládá z jednoho vinutí a sekundární vinutí transformátoru se skládá z tisíců vinutí, pokud předpokládáme, že primárním vinutím protéká proud 100 A, sekundární proud bude 5 A. Poměr mezi primárním a sekundárním se tedy stává 100 A až 5 A nebo 20: 1. Dá se tedy říci, že primární proud je 20krát vyšší než sekundární proud.

Poznámka! Pamatujte, že aktuální poměr není stejný jako poměr otáček.

Teď, když už nemáme základní teorii, můžeme obrátit pozornost zpět k výpočtu poměru otáček proudového transformátoru v ruce.

Chyba aktuálního transformátoru

Každý obvod má nějaké chyby. Proudové transformátory se nijak neliší; v transformátoru proudu existují různé chyby. Některé z nich jsou popsány níže

Chyba poměru v proudovém transformátoru

Primární proud transformátoru proudu není přesně stejný jako sekundární proud vynásobený poměrem otáček. Část proudu je spotřebována jádrem transformátoru, aby se dostal do budicího stavu.

Chyba fázového úhlu v proudovém transformátoru

Pro ideální CT je primární a sekundární proudový vektor nulový. Ale ve skutečném proudovém transformátoru bude vždy rozdíl, protože primární musí dodávat budicí proud do jádra a bude malý fázový rozdíl.

Jak snížit chybu v proudovém transformátoru?

K dosažení lepšího výkonu je vždy nutné snížit chyby v systému. Toho lze dosáhnout pomocí níže uvedených kroků

Použití jádra s vysokou propustností s magnetickým materiálem s nízkou hysterezí.
Hodnota zátěžového rezistoru musí být velmi blízká vypočítané hodnotě.
Vnitřní impedanci sekundárního signálu lze snížit.

Zpět Výpočet poměru otáček proudového transformátoru

Nastavení testu bylo ukázáno na obrázku výše, který jsem použil k určení poměru otáček.

Jak jsem již zmínil, proudový transformátor (CT), který vlastním, nemá žádnou specifikaci ani číslo dílu jen proto, že jsem je zachránil z rozbitého elektroměru pro domácnost. V tomto okamžiku tedy potřebujeme znát poměr otáček, abychom správně nastavili hodnotu zátěžového rezistoru, jinak budou v systému zavedeny všechny možné problémy, o kterých budu hovořit později v článku.

S pomocí Ohmova zákona lze poměr otáček snadno zjistit, ale předtím musím změřit velký 10W, 1K rezistor, který působí jako zátěž v obvodu, a také potřebuji získat libovolný odpor zátěže zjistit poměr otáček.

Zátěžový rezistor

Zátěžový odpor

Souhrn všech hodnot komponent během doby testování

Vstupní napětí Vin = 31,78 V

Odpor zátěže RL = 1,0313 KΩ

Zátěžový odpor RB = 678,4 Ω

Výstupní napětí Vout = 8,249 mV nebo 0,008249 V

Proud protékající zatěžovacím odporem je

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

Takže nyní známe vstupní proud, který je 0,03080A nebo 30,80 mA

Zjistíme výstupní proud

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

Nyní, abychom vypočítali poměr otáček, musíme rozdělit primární proud na sekundární.

Poměr otáček n = Primární proud / Sekundární proud n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533,1972

Proudový transformátor se tedy skládá z 2500 otáček (zaokrouhlená hodnota)

Poznámka! Upozorňujeme, že chyby jsou většinou způsobeny mým stále se měnícím vstupním napětím a tolerancí multimetru.

Výpočet vhodné velikosti odporu zátěže

Zde použitý CT je typ proudového výstupu. Aby bylo možné měřit proud, je třeba jej převést na napěťový typ. Tento článek na webu openenergymonitor poskytuje skvělou představu o tom, jak to můžeme udělat, takže se chystám tento článek sledovat

Zátěžový rezistor (ohmy) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * maximální primární proud)

Kde, AREF = Analogové referenční napětí modulu ADS1115, které je nastaveno na 4,096 V.

CT TURNS = počet sekundárních závitů, které jsme dříve vypočítali.

Max Primary Current = maximální primární proud, který bude protékat CT.

Poznámka! Každé CT má maximální proudový proud překračující toto hodnocení, což povede k saturaci jádra a nakonec k chybám linearity, které povedou k chybě měření

Poznámka! Maximální proudový elektroměr pro domácnost je 30 A, takže jdu na tuto hodnotu.

Zátěžový rezistor (ohmy) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6 Ω není běžná hodnota, proto použiji tři odpory v sérii k získání 120 Ω hodnoty odporu. Po připojení rezistorů k CT jsem provedl několik testů pro výpočet maximálního výstupního napětí z CT.

Po testu je pozorováno, že pokud je proud 1 mA napájen přes primární část proudového transformátoru, byl výstup 0,0488 mV RMS. S tím můžeme vypočítat, zda proudem 30A protéká CT, výstupní napětí bude 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Nyní, s provedenými výpočty, jsem nastavil zisk ADC na 1x zisk, což je +/- 4,096 V, což nám dává rozlišení 0,125 mV v plném rozsahu. Díky tomu budeme schopni vypočítat minimální proud, který lze měřit pomocí tohoto nastavení. Což se ukázalo být 3 mA, protože rozlišení ADC bylo nastaveno na 0,125 mV.

Požadované komponenty

Napište všechny komponenty bez tabulky

Sl. Č	Díly	Typ	Množství
1	CT	Typ okna	1
2	Arduino Nano	Obecný	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	16bitový ADC	1
5	LMC7660	IC	1
6	120 Ω, 1%	Rezistor	1
7	10uF	Kondenzátor	2
8	33uF	Kondenzátor	1
9	Nepájivá deska	Obecný	1
10	Propojovací dráty	Obecný	10

Kruhový diagram

Níže uvedené schéma ukazuje průvodce připojením pro měření proudu pomocí proudového transformátoru

Takto bude obvod vypadat na prkénku.

Konstrukce obvodu pro měření proudu

V předchozím tutoriálu jsem vám ukázal, jak přesně měřit napětí True RMS pomocí IC AD736 a jak konfigurovat obvod měniče napětí se spínaným kondenzátorem, který generuje záporné napětí ze vstupního kladného napětí, v tomto tutoriálu používáme oba integrované obvody z těchto výukových programů.

U této ukázky je obvod konstruován na nepájeném prkénku pomocí schématu; stejnosměrné napětí je také měřeno pomocí 16bitového ADC pro lepší přesnost. A když předvádím obvod na prkénku, abych omezil parazity, použil jsem co nejvíce startovacích kabelů.

Arduino kód pro měření proudu

Zde se Arduino používá k zobrazování naměřených hodnot do okna sériového monitoru. Ale s malou úpravou v kódu lze velmi snadno zobrazit hodnoty na 16x2 LCD. Naučte se zde propojení 16x2 LCD s Arduino.

Kompletní kód pro proudový transformátor najdete na konci této části. Zde jsou vysvětleny důležité části programu.

Začneme tím, že zahrneme všechny požadované soubory knihoven. Knihovna Wire se používá ke komunikaci mezi Arduino a modulem ADS1115 a knihovna Adafruit_ADS1015 nám pomáhá číst data a zapisovat pokyny do modulu.

#zahrnout #zahrnout

Dále definujte MULTIPLICATION_FACTOR, který se používá k výpočtu aktuální hodnoty z hodnoty ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * faktor pro výpočet aktuální aktuální hodnoty * / Adafruit_ADS1115 reklamy; / * Použijte pro 16bitovou verzi ADS1115 * /

16bitový ADC vyplivne 16bitová celá čísla, takže se použije proměnná int16_t . Používají se tři další proměnné, jedna pro uložení hodnoty RAW pro ADC, jedna pro zobrazení skutečného napětí v kolíku ADC a nakonec jedna pro zobrazení této hodnoty napětí na aktuální hodnotu.

int16_t adc1_raw_value; / * proměnná pro uložení nezpracované hodnoty ADC * / float měřená_volta; / * proměnná pro uložení měřeného napětí * / plovoucí proud; / * proměnná pro uložení vypočítaného proudu * /

Začněte část nastavení kódu povolením sériového výstupu s 9600 baudy. Poté vytiskněte nastavený zisk ADC; je to proto, že napětí větší než definovaná hodnota může zařízení určitě poškodit.

Nyní nastavte zisk ADC pomocí ads.setGain (GAIN_ONE); metoda, která nastavuje 1bitové rozlišení na 0,125 mV

Poté se volá metoda ADC begin, která nastavuje vše v hardwarovém modulu a převodu statistik.

void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Získávání odečtů s jedním koncem z AIN0..3"); // některé ladicí informace Serial.println ("Rozsah ADC: +/- 4,096 V (1 bit = 2 mV / ADS1015, 0,125 mV / ADS1115)"); // Vstupní rozsah (nebo zisk) ADC lze změnit pomocí následujících // funkcí, ale dávejte pozor, abyste nikdy nepřekročili VDD + 0,3 V max., Nebo // nepřekročili horní a dolní mez, pokud upravíte vstupní rozsah! // Nesprávné nastavení těchto hodnot může zničit váš ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x zisk +/- 6,144 V 1 bit = 3 mV 0,1875 mV (výchozí) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x zisk +/- 4,096 V 1 bit = 2 mV 0,125 mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x zisk +/- 2,048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x zisk +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x zisk +/- 0,512 V 1 bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16násobný zisk +/- 0,256 V 1 bit = 0,125 mV 0,0078 125 mV ads.begin (); }

V části smyčky jsem si přečetl surovou hodnotu ADC a uložil ji do výše uvedené proměnné pro pozdější použití. Poté převeďte surovou hodnotu ADC na hodnoty napětí pro měření a vypočítejte aktuální hodnotu a zobrazte ji do okna sériového monitoru.

void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); změřený_voltae = adc1_raw_value * (4,096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Hodnota ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Naměřené napětí:"); Serial.println (měřené_volty); Serial.println ("V"); Serial.print ("Vypočítaný proud:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); zpoždění (500); }

Poznámka! Pokud nemáte knihovnu pro modul ADS1115, musíte knihovnu zahrnout do Arduino IDE, knihovnu najdete v tomto úložišti GitHub.

Kompletní Arduino kód je uveden níže:

#zahrnout #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * faktor pro výpočet skutečné aktuální hodnoty * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * maximální hodnota, kterou ADC produkuje * / #define ADC_GAIN 4 096 reklam Adafruit_ADS1115; / * Použijte pro 16bitovou verzi ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * proměnná pro uložení nezpracované hodnoty ADC * / float měřená_volta; / * proměnná pro uložení naměřených napětí * / plovoucí proud; / * proměnná pro uložení vypočítaného proudu * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Získávání odečtů s jedním koncem z AIN0..3"); // některé ladicí informace Serial.println ("Rozsah ADC: +/- 4,096 V (1 bit = 2 mV / ADS1015, 0,125 mV / ADS1115)"); // Vstupní rozsah (nebo zesílení) ADC lze změnit pomocí následujících // funkcí, ale dávejte pozor, abyste nikdy nepřekročili VDD + 0,3 V max.,nebo // překročit horní a dolní mez, pokud upravíte vstupní rozsah! // Nesprávné nastavení těchto hodnot může zničit váš ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x zisk +/- 6,144 V 1 bit = 3 mV 0,1875 mV (výchozí) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x zisk +/- 4,096 V 1 bit = 2 mV 0,125 mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x zisk +/- 2,048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x zisk +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x zisk +/- 0,512 V 1 bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16násobný zisk +/- 0,256 V 1 bit = 0,125 mV 0,0078 125 mV ads.begin (); } void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); měřená_volta = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Hodnota ADC:"); Seriál.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Naměřené napětí:"); Serial.print (měřené_volty); Serial.println ("V"); Serial.print ("Vypočítaný proud:"); Serial.print (aktuální, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); zpoždění (500); }

Testování obvodu

Nástroje používané k testování obvodu

2 60W žárovka
Multimetr Meco 450B + TRMS

K testování obvodu bylo použito výše uvedené nastavení. Proud teče z CT do multimetru, poté se vrací zpět do hlavního vedení.

Pokud vás zajímá, co dělá deska FTDI v tomto nastavení, dovolte mi, abych vám řekl, že integrovaný USB na sériový převodník nefunguje, takže jsem musel použít FTDI převodník jako USB na sériový převodník.

Další vylepšení

Několik chyb mA, které jste viděli ve videu (uvedené níže), je jen proto, že jsem obvod vytvořil v prkénku, takže došlo k mnoha zemním problémům.

Doufám, že se vám tento článek líbil a dozvěděli jste se z něj něco nového. Máte-li jakékoli pochybnosti, můžete se zeptat v komentářích níže nebo můžete použít naši fóra pro podrobnou diskusi.