Merjenje izmeničnega toka s pomočjo tokovnega transformatorja in arduina

Tokovni transformator je vrsta instrumentalnega transformatorja, posebej zasnovanega za pretvorbo izmeničnega toka v njegovem sekundarnem navitju, količina proizvedenega toka pa je neposredno sorazmerna s tokom v primarnem navitju. Ta vrsta tokovnega transformatorja je zasnovana za nevidno merjenje toka iz visokonapetostnega podsistema ali tam, kjer skozi sistem teče velika količina toka. Naloga tokovnega transformatorja je pretvoriti visoko količino toka v nižjo količino toka, ki jo je mogoče enostavno izmeriti z mikrokrmilnikom ali analognim števcem. Prej smo razložili merjenje toka z uporabo tokovnega transformatorja v različnih vrstah tokovnih zaznavalnih tehnik.

Tu bomo podrobno spoznali to tehniko zaznavanja toka in povezali tokovni transformator za merjenje izmeničnega toka s pomočjo Arduina. Naučili se bomo tudi določiti razmerje obratov neznanega tokovnega transformatorja.

Trenutni transformator

Kot sem že omenil, je tokovni transformator transformator, zasnovan za merjenje toka. Zgornji prikaz dveh transformatorjev, ki jih trenutno imam, se imenuje okenski tokovni transformator ali splošno znan kot transformator z ravnotežjem jedra r.

Kako deluje trenutni transformator?

Osnovno načelo tokovnega transformatorja je enako kot napetostni transformator, podobno kot napetostni transformator je tudi tokovni transformator sestavljen iz primarnega navitja in sekundarnega navitja. Ko izmenični električni tok prehaja skozi primarno navitje transformatorja, nastane izmenični magnetni tok, ki v tem trenutku inducira izmenični tok v sekundarnem navitju, lahko rečemo, da je skoraj enak napetostnemu transformatorju, če mislite, da je tu razlika.

Na splošno je tokovni transformator vedno v stanju kratkega stika s pomočjo bremenskega upora, prav tako je tok, ki teče na sekundarnem navitju, odvisen samo od primarnega toka, ki teče skozi vodnik.

Trenutna konstrukcija transformatorja

Za boljše razumevanje sem podrl enega svojih trenutnih transformatorjev, ki ga vidite na zgornji sliki.

Na sliki je razvidno, da je zelo tanka žica navita okoli toroidalnega jedrnega materiala, iz transformatorja pa prihaja vrsta žic. Glavno navitje je samo ena žica, ki je zaporedno povezana z bremenom in prenaša večji tok, ki teče skozi tovor.

Razmerje trenutnega transformatorja

Z namestitvijo žice znotraj okna tokovnega transformatorja lahko oblikujemo eno zanko in razmerje zavojev postane 1: N.

Kot vsi drugi transformatorji mora tudi tokovni transformator izpolnjevati enačbo razmerja amp-turn, ki je prikazana spodaj.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Kje, TR = razmerje trans

Np = število primarnih obratov

Ns = število sekundarnih zavojev

Ip = tok v primarnem navitju

Is = tok v sekundarnem navitju

Če želite poiskati sekundarni tok, preuredite enačbo v

Je = Ip x (Np / NS)

Kot lahko vidite na zgornji sliki, je primarno navitje transformatorja sestavljeno iz enega navitja, sekundarno navitje transformatorja pa na tisoče navitij, če predpostavimo, da skozi primarni navit teče 100A toka, bo sekundarni tok 5A. Torej razmerje med primarnim in sekundarnim postane 100A do 5A ali 20: 1. Torej lahko rečemo, da je primarni tok 20-krat večji od sekundarnega.

Opomba! Upoštevajte, da trenutno razmerje ni enako razmerju obratov.

Zdaj je vsa osnovna teorija ovirana, lahko se osredotočimo nazaj na izračun razmerja zavojev trenutnega transformatorja v roki.

Trenutna napaka transformatorja

Vsako vezje ima nekaj napak. Tokovni transformatorji se ne razlikujejo; v tokovnem transformatorju obstajajo različne napake. Nekateri so opisani spodaj

Napaka razmerja v trenutnem transformatorju

Primarni tok tokovnega transformatorja ni ravno enak sekundarnemu toku, pomnoženemu z razmerjem zavojev. Del toka porabi jedro transformatorja, da pride v stanje vzbujanja.

Napaka faznega kota v trenutnem transformatorju

Za idealen CT je vektor primarnega in sekundarnega toka enak nič. Toda v dejanskem tokovnem transformatorju bo vedno prišlo do razlike, ker mora primarni dovod vzbujevalnega toka dovajati jedro in bo majhna fazna razlika.

Kako zmanjšati napako v trenutnem transformatorju?

Za boljše delovanje je vedno treba zmanjšati napake v sistemu. Torej, s spodnjimi koraki lahko to dosežemo

Uporaba jedra z visoko prepustnostjo z nizko histerezo magnetnega materiala.
Vrednost upora bremena mora biti zelo blizu izračunane vrednosti.
Notranja impedanca sekundarja se lahko zniža.

Nazaj Izračun razmerja obratov trenutnega transformatorja

Testna nastavitev je prikazana na zgornji sliki, ki sem jo uporabil za ugotavljanje razmerja zavojev.

Kot sem že omenil, trenutni transformator (CT), ki ga imam, nima nobene specifikacije ali številke dela samo zato, ker sem jih rešil iz pokvarjenega gospodinjskega števca. Torej, na tej točki moramo vedeti razmerje zavojev, da pravilno nastavimo vrednost obremenitvenega upora, sicer bodo v sistem uvedene najrazličnejše težave, o katerih bom več govoril kasneje v članku.

S pomočjo ohmskega zakona lahko razmerje zavojev zlahka ugotovimo, toda pred tem moram izmeriti velik 10W, 1K upor, ki deluje kot obremenitev v vezju, prav tako pa moram dobiti poljuben upor bremena da ugotovimo razmerje zavojev.

Upor obremenitve

Upor bremena

Povzetek vseh vrednosti komponent v času testiranja

Vhodna napetost Vin = 31,78 V

Upornost obremenitve RL = 1,0313 KΩ

Odpornost na obremenitev RB = 678,4 Ω

Izhodna napetost Vout = 8,249 mV ali 0,008249 V

Tok, ki teče skozi obremenitveni upor, je

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

Zdaj poznamo vhodni tok, ki je 0,03080A ali 30,80 mA

Ugotovimo izhodni tok

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

Zdaj za izračun razmerja zavojev moramo primarni tok razdeliti s sekundarnim tokom.

Razmerje obratov n = primarni / sekundarni tok n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533.1972

Torej je trenutni transformator sestavljen iz 2500 obratov (zaokrožena vrednost)

Opomba! Upoštevajte, da so napake predvsem posledica moje spreminjajoče se vhodne napetosti in tolerance multimetra.

Izračun primerne velikosti uporovnega upora

Tu uporabljeni CT je trenutni izhodni tip. Za merjenje toka ga je torej treba pretvoriti v napetostni tip. Ta članek na spletnem mestu openenergymonitor daje odlično idejo o tem, kako to lahko storimo, zato bom sledil članku

Obremenitveni upor (ohmi) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * maks. Primarni tok)

Kje, AREF = Analogna referenčna napetost modula ADS1115, ki je nastavljena na 4.096V.

CT OBRATI = število sekundarnih zavojev, ki smo jih predhodno izračunali.

Največji primarni tok = največji primarni tok, ki bo pretočen skozi CT.

Opomba! Vsak CT ima največjo tokovno vrednost, ki presega to vrednost, privede do nasičenja jedra in navsezadnje napake linearnosti, kar bo privedlo do napake merjenja

Opomba! Najvišja trenutna vrednost gospodinjskega števca energije je 30A, zato se odločim za to vrednost.

Upor obremenitve (ohmi) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6Ω ni običajna vrednost, zato bom uporabil tri upore zaporedno, da dobim vrednost 120Ω upora. Po priključitvi uporov na CT sem opravil nekaj testov za izračun največje izhodne napetosti iz CT.

Po preskusu je opaziti, da če je tok 1 mA doveden skozi primar tokovnega transformatorja, je bil izhod 0,0488 mV RMS. S tem lahko izračunamo, če skozi CT teče tok 30A, bo izhodna napetost 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Zdaj sem z opravljenimi izračuni postavil ojačanje ADC na 1x ojačanje, ki je +/- 4.096V, kar nam daje 0,125mV polno ločljivost. S tem bomo lahko izračunali najmanjši tok, ki ga lahko izmerimo s to nastavitvijo. Kar se je izkazalo za 3 mA b, ker je bila ločljivost ADC nastavljena na 0,125 mV.

Potrebne komponente

Zapiši vse komponente brez tabele

Sl.Št.	Deli	Tip	Količina
1.	CT	Vrsta okna	1.
2.	Arduino Nano	Splošno	1.
3.	AD736	IC	1.
4.	ADS1115	16-bitni ADC	1.
5.	LMC7660	IC	1.
6.	120Ω, 1%	Upor	1.
7.	10uF	Kondenzator	2.
8.	33uF	Kondenzator	1.
9.	Breadboard	Splošno	1.
10.	Jumper žice	Splošno	10.

Shema vezja

Spodnja shema prikazuje priključni vodnik za merjenje toka s pomočjo tokovnega transformatorja

Tako bo videti vezje na plošči.

Konstrukcija trenutnega merilnega kroga

V prejšnji vadnici sem vam pokazal, kako s pomočjo AD736 IC natančno izmeriti napetost True RMS in kako konfigurirati vezje pretvornika napetosti s preklopnim kondenzatorjem, ki ustvarja negativno napetost iz vhodne pozitivne napetosti, v tej vadnici uporabljamo obeh IC iz teh vadnic.

Za to predstavitev je vezje s pomočjo sheme zgrajeno na brez spajke. prav tako se enosmerna napetost izmeri s pomočjo 16-bitnega ADC za boljšo natančnost. In ko demonstriram vezje na plošči za zmanjšanje parazitov, sem uporabil čim več mostičnih kablov.

Koda Arduino za trenutno merjenje

Tu se Arduino uporablja za prikaz izmerjenih vrednosti v okno serijskega monitorja. Toda z majhno spremembo kode lahko zelo enostavno prikažemo vrednosti na LCD 16x2. Tukaj se naučite povezave 16x2 LCD z Arduinom.

Popolno kodo za tokovni transformator najdete na koncu tega poglavja. Tu so razloženi pomembni deli programa.

Začnemo z vključitvijo vseh potrebnih datotek knjižnic. Knjižnica Wire se uporablja za komunikacijo med Arduino in modulom ADS1115, knjižnica Adafruit_ADS1015 pa nam pomaga pri branju podatkov in pisanju navodil v modul.

#include #include

Nato definirajte MULTIPLICATION_FACTOR, ki se uporablja za izračun trenutne vrednosti iz vrednosti ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * faktor za izračun dejanske trenutne vrednosti * / Adafruit_ADS1115 oglasi; / * Uporabite to za 16-bitno različico ADS1115 * /

16-bitni ADC izpusti 16-bitna dolga cela števila, zato je uporabljena spremenljivka int16_t . Uporabljajo se tri druge spremenljivke, ena za shranjevanje vrednosti RAW za ADC, ena za prikaz dejanske napetosti v zatiču ADC in nazadnje ena za prikaz te vrednosti napetosti na trenutno vrednost.

int16_t adc1_raw_value; / * spremenljivka za shranjevanje surove vrednosti ADC * / float izmerjene_napetosti; / * spremenljivka za shranjevanje izmerjene napetosti * / plavajoči tok; / * spremenljivka za shranjevanje izračunanega toka * /

Začnite odsek za nastavitev kode tako, da omogočite serijski izhod s 9600 baud. Nato natisnite ojačanje ADC, ki je nastavljeno; to pa zato, ker lahko napetost večja od določene vrednosti zagotovo poškoduje napravo.

Zdaj nastavite dobiček ADC z ads.setGain (GAIN_ONE); metoda, ki 1-bitno ločljivost nastavi na 0,125 mV

Po tem se pokliče metoda ADC start, ki nastavi vse v modulu strojne opreme in pretvori statistiko.

void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Pridobivanje enojnih odčitkov iz AIN0..3"); // nekaj informacij o odpravljanju napak Serial.println ("Obseg ADC: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Vhodno območje ADC (ali ojačanje) je mogoče spremeniti z naslednjimi // funkcijami, vendar pazite, da nikoli ne presežete VDD + 0,3 V max ali // če presežete zgornjo in spodnjo mejo, če prilagodite vhodno območje! // Nepravilna nastavitev teh vrednosti lahko uniči vaš ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x dobiček +/- 6,144V 1 bit = 3mV 0,1875mV (privzeto) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x ojačanje +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0,125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x ojačanje +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x ojačanje +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x dobiček +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16-kratni dobiček +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); }

V odseku zanke preberem surovo vrednost ADC in jo shranim v prej omenjeno spremenljivko za kasnejšo uporabo. Nato pretvorite surovo vrednost ADC v vrednosti napetosti za merjenje, izračunajte trenutno vrednost in jo prikažite v oknu serijskega monitorja.

void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); izmerjene_volte = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); trenutno = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Vrednost ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Izmerjena napetost:"); Serial.println (izmerjene_napetosti); Serial.println ("V"); Serial.print ("Izračunani tok:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); zamuda (500); }

Opomba! Če nimate knjižnice za modul ADS1115, morate knjižnico vključiti v Arduino IDE, knjižnico lahko najdete v tem skladišču GitHub.

Popolna koda Arduino je navedena spodaj:

#include #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * faktor za izračun dejanske trenutne vrednosti * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * največja vrednost, ki jo ADC ustvari * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 ads; / * Uporabite to za 16-bitno različico ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * spremenljivka za shranjevanje surove vrednosti ADC * / float izmerjene_napetosti; / * spremenljivka za shranjevanje izmerjenih voltov * / plavajoči tok; / * spremenljivka za shranjevanje izračunanega trenutnega * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Pridobivanje enojnih odčitkov iz AIN0..3"); // nekaj informacij o odpravljanju napak Serial.println ("Obseg ADC: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Vhodno območje ADC (ali ojačanje) je mogoče spremeniti s pomočjo naslednjih // funkcij, vendar pazite, da nikoli ne presežete VDD + 0,3 V max,ali, da // prekoračite zgornjo in spodnjo mejo, če prilagodite vhodno območje! // Nepravilna nastavitev teh vrednosti lahko uniči vaš ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x dobiček +/- 6,144V 1 bit = 3mV 0,1875mV (privzeto) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x ojačanje +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0,125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x ojačanje +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x ojačanje +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x dobiček +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16-kratni dobiček +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); } void zanka (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); izmerjene_volte = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); trenutno = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Vrednost ADC:"); Serijski.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Izmerjena napetost:"); Serial.print (izmerjene_napetosti); Serial.println ("V"); Serial.print ("Izračunani tok:"); Serial.print (trenutno, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); zamuda (500); }

Testiranje vezja

Orodja za testiranje vezja

2 žarnice z žarilno nitko 60W
Meco 450B + TRMS multimeter

Za preizkus vezja je bila uporabljena zgornja nastavitev. Tok teče iz CT-ja v multimeter, nato pa se vrača v glavni daljnovod.

Če se sprašujete, kaj v tej nastavitvi počne plošča FTDI, naj vam povem, da vgrajeni pretvornik USB v serijski ne deluje, zato sem moral pretvornik FTDI uporabiti kot pretvornik USB v serijski pretvornik.

Nadaljnje izboljšave

Nekaj napak mA, ki ste jih videli v videoposnetku (spodaj), je samo zato, ker sem vezje naredil na plošči, zato je bilo veliko težav s tlemi.

Upam, da vam je bil ta članek všeč in ste se iz njega naučili kaj novega. Če dvomite, lahko vprašate v spodnjih komentarjih ali pa uporabite naše forume za podrobno razpravo.