Pomiar prądu AC za pomocą przekładnika prądowego i arduino

Przekładnik prądowy jest rodzajem przekładnika instrumentalnego specjalnie zaprojektowanego do przekształcania prądu przemiennego w jego uzwojeniu wtórnym, a ilość wytwarzanego prądu jest wprost proporcjonalna do prądu w uzwojeniu pierwotnym. Ten typ przekładnika prądowego jest przeznaczony do niewidocznego pomiaru prądu z podsystemu wysokiego napięcia lub tam, gdzie przez system przepływa duża ilość prądu. Zadaniem przekładnika prądowego jest przekształcenie dużej ilości prądu w mniejszą ilość prądu, którą można łatwo zmierzyć za pomocą mikrokontrolera lub miernika analogowego. Wcześniej wyjaśniliśmy pomiar prądu przy użyciu przekładnika prądowego w różnych typach artykułów dotyczących technik wykrywania prądu.

Tutaj szczegółowo poznamy tę technikę wykrywania prądu i podłączymy transformator prądowy do pomiaru prądu przemiennego za pomocą Arduino. Dowiemy się również, jak określić współczynnik zwojów nieznanego przekładnika prądowego.

Przekładnik prądowy

Jak wspomniałem wcześniej, przekładnik prądowy to transformator przeznaczony do pomiaru prądu. Powyższe pokazujące dwa transformatory, które obecnie mam, nazywa się transformatorem prądowym typu okienkowego lub powszechnie znanym jako transformator równoważący rdzeń.

Jak działa transformator prądu?

Podstawowa zasada działania przekładnika prądowego jest taka sama, jak w przypadku przekładnika napięciowego, podobnie jak przekładnik napięciowy, przekładnik prądowy również składa się z uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Kiedy przemienny prąd elektryczny przepływa przez uzwojenie pierwotne transformatora, wytwarzany jest zmienny strumień magnetyczny, który indukuje prąd przemienny w uzwojeniu wtórnym w tym momencie, możesz powiedzieć, że jest prawie taki sam jak transformator napięciowy, jeśli myślisz, że to jest różnica.

Ogólnie rzecz biorąc, przekładnik prądowy jest zawsze w stanie zwarcia z pomocą rezystora obciążającego, również prąd płynący przez uzwojenie wtórne zależy tylko od prądu pierwotnego przepływającego przez przewodnik.

Obecna konstrukcja transformatora

Aby lepiej zrozumieć, zburzyłem jeden z moich przekładników prądowych, który widać na powyższym obrazku.

Na obrazie widać, że bardzo cienki drut jest nawinięty wokół toroidalnego materiału rdzenia, a zestaw drutów wychodzi z transformatora. Uzwojenie pierwotne jest tylko pojedynczym przewodem, który jest połączony szeregowo z obciążeniem i przenosi prąd masowy przepływający przez obciążenie.

Współczynnik prądu transformatora

Umieszczając drut w okienku przekładnika prądowego, możemy utworzyć pojedynczą pętlę, a stosunek zwojów wyniesie 1: N.

Podobnie jak inne transformatory, przekładnik prądowy musi spełniać równanie współczynnika zwojów, które pokazano poniżej.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Gdzie, TR = współczynnik trans

Np = liczba głównych tur

Ns = liczba zwojów wtórnych

Ip = prąd w uzwojeniu pierwotnym

Is = prąd w uzwojeniu wtórnym

Aby znaleźć prąd wtórny, zmień równanie na

Is = Ip x (Np / NS)

Jak widać na powyższym obrazku, uzwojenie pierwotne transformatora składa się z jednego uzwojenia, a uzwojenie wtórne transformatora składa się z tysięcy zwojów, jeśli założymy, że przez uzwojenie pierwotne przepływa 100A prądu, to prąd wtórny wyniesie 5A. Tak więc stosunek między pierwotnym a wtórnym wynosi 100 A do 5 A lub 20: 1. Można więc powiedzieć, że prąd pierwotny jest 20 razy większy niż prąd wtórny.

Uwaga! Należy pamiętać, że stosunek prądu nie jest tym samym, co współczynnik obrotów.

Teraz cała podstawowa teoria na uboczu, możemy skupić się z powrotem na obliczeniu współczynnika zwojów obecnego przekładnika prądowego.

Aktualny błąd transformatora

Każdy obwód ma jakieś błędy. Przekładniki prądowe nie są inne; istnieją różne błędy w przekładniku prądowym. Niektóre z nich opisano poniżej

Błąd przekładni w przekładniku prądowym

Prąd pierwotny przekładnika prądowego nie jest dokładnie równy prądowi wtórnemu pomnożonemu przez współczynnik zwojów. Część prądu jest pobierana przez rdzeń transformatora, aby doprowadzić go do stanu wzbudzenia.

Błąd kąta fazowego w przekładniku prądowym

Dla idealnego CT, wektor prądu pierwotnego i wtórnego wynosi zero. Ale w rzeczywistym przekładniku prądowym zawsze będzie różnica, ponieważ pierwotny musi dostarczyć prąd wzbudzenia do rdzenia i będzie niewielka różnica faz.

Jak zmniejszyć błąd w przekładniku prądowym?

Aby uzyskać lepszą wydajność, zawsze konieczne jest zmniejszenie liczby błędów w systemie. Tak więc, wykonując poniższe kroki, można to osiągnąć

Zastosowanie rdzenia o wysokiej przepuszczalności z materiałem magnetycznym o niskiej histerezie.
Wartość rezystora obciążającego musi być bardzo zbliżona do wartości obliczonej.
Można obniżyć impedancję wewnętrzną uzwojenia wtórnego.

Powrót Obliczanie współczynnika obrotów przekładnika prądowego

Konfiguracja testowa została pokazana na powyższym obrazku, którego użyłem do obliczenia współczynnika zwojów.

Jak wspomniałem wcześniej, posiadany przeze mnie przekładnik prądowy (CT) nie ma żadnej specyfikacji ani numeru części tylko dlatego, że uratowałem go z uszkodzonego domowego licznika elektrycznego. W tym momencie musimy więc znać współczynnik zwojów, aby odpowiednio ustawić wartość rezystora obciążenia, w przeciwnym razie w systemie zostaną wprowadzone różnego rodzaju problemy, o których opowiem więcej w dalszej części artykułu.

Za pomocą prawa Ohma stosunek zwojów można łatwo wyliczyć, ale wcześniej muszę zmierzyć duży rezystor 10W, 1K, który działa jako obciążenie w obwodzie, a także potrzebuję dowolnego rezystora obciążającego obliczyć stosunek obrotów.

Rezystor obciążenia

Opornik obciążenia

Podsumowanie wszystkich wartości komponentów w czasie testowania

Napięcie wejściowe Vin = 31,78 V.

Rezystancja obciążenia RL = 1,0313 KΩ

Odporność na obciążenie RB = 678,4 Ω

Napięcie wyjściowe Vout = 8,249 mV lub 0,008249 V.

Prąd przepływający przez rezystor obciążenia wynosi

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

Więc teraz znamy prąd wejściowy, który wynosi 0,03080A lub 30,80 mA

Sprawdźmy prąd wyjściowy

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

Teraz, aby obliczyć współczynnik zwojów, musimy podzielić prąd pierwotny przez prąd wtórny.

Stosunek obrotów n = prąd pierwotny / prąd wtórny n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2533,1972

Więc przekładnik prądowy składa się z 2500 zwojów (wartość zaokrąglona)

Uwaga! Należy pamiętać, że błędy są głównie spowodowane moim ciągle zmieniającym się napięciem wejściowym i tolerancją multimetru.

Obliczanie odpowiedniego rozmiaru rezystora obciążającego

Używany tutaj przekładnik prądowy jest typem wyjścia prądowego. Aby zmierzyć prąd, należy go przekształcić w typ napięcia. Ten artykuł na stronie openenergymonitor daje świetne wyobrażenie o tym, jak możemy to zrobić, więc mam zamiar śledzić artykuł

Rezystor obciążający (omy) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * maksymalny prąd pierwotny)

Gdzie, AREF = analogowe napięcie odniesienia modułu ADS1115, które jest ustawione na 4,096 V.

SKRĘTY CT = Liczba zwojów wtórnych, które oblicziliśmy wcześniej.

Maksymalny prąd pierwotny = maksymalny prąd pierwotny, który będzie przepływał przez przekładnik prądowy.

Uwaga! Każdy przekładnik prądowy ma maksymalny prąd znamionowy przekraczający tę wartość, co doprowadzi do nasycenia rdzenia i ostatecznie do błędów liniowości, co doprowadzi do błędu pomiaru

Uwaga! Maksymalny prąd znamionowy domowego licznika energii to 30A, więc idę na tę wartość.

Rezystor obciążający (omy) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6 Ω nie jest typową wartością, dlatego zamierzam użyć trzech rezystorów połączonych szeregowo, aby uzyskać wartość rezystora 120 Ω. Po podłączeniu rezystorów do przekładnika prądowego wykonałem kilka testów, aby obliczyć maksymalne napięcie wyjściowe z przekładnika prądowego.

Po przeprowadzeniu testu obserwuje się, że jeśli prąd 1 mA jest podawany przez uzwojenie pierwotne przekładnika prądowego, na wyjściu jest 0,0488 mV RMS. Dzięki temu możemy obliczyć, że jeśli prąd 30 A przepływa przez przekładnik prądowy, napięcie wyjściowe wyniesie 30000 * 0,0488 = 1,465 V.

Teraz, po wykonaniu obliczeń, ustawiłem wzmocnienie ADC na 1x wzmocnienie, które wynosi +/- 4,096V, co daje nam rozdzielczość 0,125mV w pełnej skali. Dzięki temu będziemy w stanie obliczyć minimalny prąd, który można zmierzyć za pomocą tej konfiguracji. Okazało się, że wynosi 3 mA, ponieważ rozdzielczość przetwornika ADC została ustawiona na 0,125 mV.

Wymagane składniki

Napisz wszystkie komponenty bez tabeli

Sl.No	Części	Rodzaj	Ilość
1	CT	Typ okna	1
2	Arduino Nano	Ogólny	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	16-bitowy ADC	1
5	LMC7660	IC	1
6	120Ω, 1%	Rezystor	1
7	10uF	Kondensator	2
8	33uF	Kondensator	1
9	Płytka prototypowa	Ogólny	1
10	Przewody połączeniowe	Ogólny	10

Schemat obwodu

Poniższy schemat przedstawia przewodnik podłączania do pomiaru prądu za pomocą przekładnika prądowego

Tak będzie wyglądał obwód na płytce stykowej.

Budowa obwodu pomiaru prądu

W poprzednim samouczku pokazałem, jak dokładnie zmierzyć napięcie True RMS za pomocą układu scalonego AD736 i jak skonfigurować obwód konwertera napięcia z przełączanym kondensatorem, który generuje ujemne napięcie z dodatniego napięcia wejściowego, w tym samouczku używamy oba układy scalone z tych samouczków.

Na potrzeby tej demonstracji obwód jest skonstruowany na płytce prototypowej bez lutowania, przy pomocy schematu; również napięcie DC jest mierzone za pomocą 16-bitowego przetwornika ADC dla lepszej dokładności. A ponieważ demonstruję obwód na płytce stykowej, aby zmniejszyć pasożytnictwo, użyłem jak największej liczby kabli połączeniowych.

Kod Arduino do pomiaru prądu

Tutaj Arduino służy do wyświetlania zmierzonych wartości w oknie monitora szeregowego. Ale przy niewielkiej modyfikacji kodu można bardzo łatwo wyświetlić wartości na wyświetlaczu LCD 16x2. Poznaj interfejs 16x2 LCD z Arduino tutaj.

Pełny kod przekładnika prądowego można znaleźć na końcu tej sekcji. Tutaj wyjaśniono ważne części programu.

Zaczynamy od dołączenia wszystkich wymaganych plików bibliotek. Biblioteka Wire służy do komunikacji między Arduino a modułem ADS1115, a biblioteka Adafruit_ADS1015 pomaga nam odczytywać dane i zapisywać instrukcje do modułu.

#zawierać #zawierać

Następnie zdefiniuj MULTIPLICATION_FACTOR, który jest używany do obliczania bieżącej wartości z wartości ADC.

# zdefiniować MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * współczynnik do obliczania rzeczywistej wartości bieżącej * / Adafruit_ADS1115 reklamy; / * Użyj tego dla 16-bitowej wersji ADS1115 * /

16-bitowy ADC wypluwa 16-bitowe liczby całkowite, więc używana jest zmienna int16_t . Używane są trzy inne zmienne, jedna do przechowywania wartości RAW dla ADC, jedna do wyświetlania rzeczywistego napięcia na pinie ADC i wreszcie jedna do wyświetlania tej wartości napięcia jako wartości prądu.

int16_t adc1_raw_value; / * zmienna do przechowywania surowej wartości ADC * / float Measuring_voltae; / * zmienna do przechowywania zmierzonego napięcia * / prąd zmienny; / * zmienna do przechowywania obliczonego prądu * /

Rozpocznij sekcję konfiguracji kodu, włączając wyjście szeregowe z prędkością 9600 bodów. Następnie wydrukuj wzmocnienie ustawionego ADC; dzieje się tak, ponieważ napięcie większe niż zdefiniowana wartość z pewnością może uszkodzić urządzenie.

Teraz ustaw wzmocnienie ADC za pomocą ads.setGain (GAIN_ONE); metoda, która ustawia 1-bitową rozdzielczość na 0,125 mV

Następnie wywoływana jest metoda ADC begin , która ustawia wszystko w module sprzętowym i konwersji statystyk.

void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Pobieranie pojedynczych odczytów z AIN0..3"); // trochę informacji debugowania Serial.println ("Zakres ADC: +/- 4,096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0,125mV / ADS1115)"); // Zakres wejściowy ADC (lub wzmocnienie) można zmienić za pomocą następujących // funkcji, ale uważaj, aby nigdy nie przekroczyć VDD + 0,3V max lub // przekraczać górnych i dolnych limitów, jeśli dostosujesz zakres wejściowy! // Niepoprawne ustawienie tych wartości może zniszczyć ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x wzmocnienie +/- 6,144 V 1 bit = 3 mV 0,1875 mV (domyślnie) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x wzmocnienie +/- 4,096 V 1 bit = 2 mV 0,125 mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x wzmocnienie +/- 2,048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // wzmocnienie 4x +/- 1,024 V 1 bit = 0,5 mV 0,03125 mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8-krotne wzmocnienie +/- 0,512 V 1 bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16-krotne wzmocnienie +/- 0,256 V 1 bit = 0,125 mV 0,0078125 mV ads.begin (); }

W sekcji pętli odczytałem surową wartość ADC i zapisałem ją we wspomnianej wcześniej zmiennej do późniejszego wykorzystania. Następnie przekonwertuj nieprzetworzoną wartość ADC na wartości napięcia do pomiaru, oblicz wartość prądu i wyświetl ją w oknie monitora szeregowego.

void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); Measuring_voltae = adc1_raw_value * (4,096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Wartość ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Zmierzone napięcie:"); Serial.println (measuring_voltae); Serial.println („V”); Serial.print ("Obliczony prąd:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); opóźnienie (500); }

Uwaga! Jeśli nie masz biblioteki dla modułu ADS1115, musisz dołączyć bibliotekę do Arduino IDE, bibliotekę znajdziesz w tym repozytorium GitHub.

Pełny kod Arduino znajduje się poniżej:

#zawierać #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * współczynnik do obliczania aktualnej wartości * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * maksymalna wartość, którą ADC generuje * / # zdefiniować ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 reklamy; / * Użyj tego dla wersji 16-bitowej ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * zmienna do przechowywania surowej wartości ADC * / float Measuring_voltae; / * zmienna do przechowywania zmierzonych wartości napięcia * / prądu zmiennoprzecinkowego; / * zmienna do przechowywania obliczonego prądu * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Pobieranie pojedynczych odczytów z AIN0..3"); // trochę informacji debugowania Serial.println ("Zakres ADC: +/- 4,096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0,125mV / ADS1115)"); // Zakres wejściowy ADC (lub wzmocnienie) można zmienić za pomocą następujących // funkcji, ale uważaj, aby nigdy nie przekroczyć VDD + 0,3 V max,lub aby // przekroczyć górną i dolną granicę, jeśli dostosujesz zakres wejściowy! // Niepoprawne ustawienie tych wartości może zniszczyć ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x wzmocnienie +/- 6,144 V 1 bit = 3 mV 0,1875 mV (domyślnie) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x wzmocnienie +/- 4,096 V 1 bit = 2 mV 0,125 mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x wzmocnienie +/- 2,048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // wzmocnienie 4x +/- 1,024 V 1 bit = 0,5 mV 0,03125 mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8-krotne wzmocnienie +/- 0,512 V 1 bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16-krotne wzmocnienie +/- 0,256 V 1 bit = 0,125 mV 0,0078125 mV ads.begin (); } void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); Measuring_voltae = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Wartość ADC:"); Seryjny.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Zmierzone napięcie:"); Serial.print (Measuring_voltae); Serial.println („V”); Serial.print ("Obliczony prąd:"); Serial.print (current, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); opóźnienie (500); }

Testowanie obwodu

Narzędzia używane do testowania obwodu

Żarówka 2 60W
Multimetr Meco 450B + TRMS

Do testowania obwodu użyto powyższej konfiguracji. Prąd płynie z przekładnika prądowego do multimetru, a następnie wraca do głównej linii zasilającej.

Jeśli zastanawiasz się, co robi płyta FTDI w tej konfiguracji, powiem ci, że wbudowany konwerter USB na port szeregowy nie działał, więc musiałem użyć konwertera FTDI jako konwertera USB na szeregowy.

Dalsze ulepszenia

Kilka błędów mA, które widziałeś na filmie (podane poniżej), wynika z tego, że wykonałem obwód w płytce prototypowej, więc było wiele problemów z uziemieniem.

Mam nadzieję, że spodobał Ci się ten artykuł i nauczyłeś się z niego czegoś nowego. Jeśli masz jakiekolwiek wątpliwości, możesz zapytać w komentarzach poniżej lub skorzystać z naszych forów w celu szczegółowej dyskusji.