Măsurarea curentului alternativ folosind transformatorul de curent și arduino

Un transformator de curent este un tip de transformator instrumental special conceput pentru a transforma curentul alternativ în înfășurarea sa secundară, iar cantitatea de curent produsă este direct proporțională cu curentul din înfășurarea primară. Acest tip de transformator de curent este conceput pentru a măsura neinvizibil curentul din subsistemul de înaltă tensiune sau în cazul în care o cantitate mare de curent curge prin sistem. Sarcina unui transformator de curent este de a converti cantitatea mare de curent într-o cantitate mai mică de curent, care poate fi ușor măsurată de un microcontroler sau de un contor analog. Am explicat anterior măsurarea curentului folosind transformatorul de curent în diferite tipuri de articol de tehnici de detectare a curentului.

Aici vom învăța în detaliu această tehnică de detectare a curentului și vom conecta un transformator de curent pentru a măsura curentul alternativ cu ajutorul unui Arduino. De asemenea, vom învăța să determinăm raportul de rotații al unui transformator de curent necunoscut.

Transformator de curent

După cum am menționat anterior, un transformator de curent este un transformator conceput pentru a măsura curentul. Cele de mai sus, care arată două transformatoare pe care le am în prezent, se numește transformator de curent de tip fereastră sau cunoscut în mod obișnuit ca transformator de echilibru miez.

Cum funcționează Transformatorul de curent?

Principiul de bază al transformatorului de curent este același cu un transformator de tensiune, la fel ca transformatorul de tensiune, transformatorul de curent constă și dintr-o înfășurare primară și o înfășurare secundară. Când un curent electric alternativ trece prin înfășurarea primară a transformatorului, se produce un flux magnetic alternativ, care induce un curent alternativ în înfășurarea secundară în acest moment, puteți spune că este aproape la fel ca un transformator de tensiune dacă vă gândiți că aici este diferența.

În general, un transformator de curent este întotdeauna într-o stare de scurtcircuit cu ajutorul unui rezistor de sarcină, de asemenea, curentul care curge pe înfășurarea secundară depinde doar de curentul primar care curge prin conductor.

Construcția transformatorului de curent

Pentru a vă oferi o mai bună înțelegere, am dărâmat unul dintre transformatoarele mele actuale pe care le puteți vedea în imaginea de mai sus.

Se poate vedea în imagine că un fir foarte subțire este înfășurat în jurul unui material miez toroidal și un set de fire ies din transformator. Înfășurarea primară este doar un singur fir care este conectat în serie cu sarcina și transportă curentul în vrac care curge prin sarcină.

Raportul transformatorului curent

Prin plasarea unui fir în fereastra transformatorului de curent, putem forma o singură buclă, iar raportul de rotații devine 1: N.

La fel ca orice alte transformatoare, un transformator de curent trebuie să satisfacă ecuația raportului de turație-amplificare care este prezentată mai jos.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Unde, TR = Raportul Trans

Np = Numărul de ture principale

Ns = Numărul de ture secundare

Ip = Curent în înfășurarea primară

Is = Curent în înfășurare secundară

Pentru a găsi curentul secundar, rearanjați ecuația la

Is = Ip x (Np / NS)

După cum puteți vedea în imaginea de mai sus, înfășurarea primară a transformatorului constă dintr-o singură înfășurare și înfășurarea secundară a transformatorului constă în mii de înfășurări dacă presupunem că 100A curent curge prin înfășurarea primară, curentul secundar va fi 5A. Deci, raportul dintre primar și secundar devine 100A la 5A sau 20: 1. Deci, se poate spune că curentul primar este de 20 de ori mai mare decât cel al curentului secundar.

Notă! Vă rugăm să rețineți că raportul actual nu este același cu cel al virajelor.

Acum, întreaga teorie de bază, ne putem îndrepta din nou spre calculul raportului de rotații al transformatorului de curent în mână.

Eroare transformator curent

Fiecare circuit are unele erori. Transformatoarele de curent nu diferă; există diferite erori într-un transformator de curent. Unele dintre acestea sunt descrise mai jos

Eroare de raport în Transformatorul de curent

Curentul primar al transformatorului de curent nu este exact egal cu curentul secundar înmulțit cu raportul de spire. O parte din curent este consumată de miezul transformatorului pentru a ajunge la o stare de excitație.

Eroare de unghi de fază în transformatorul de curent

Pentru un CT ideal, vectorul curent primar și secundar este zero. Dar într-un Transformator de curent real, va exista întotdeauna o diferență, deoarece primarul trebuie să furnizeze curentul de excitație către miez și va exista o mică diferență de fază.

Cum se reduce eroarea într-un transformator de curent?

Este întotdeauna necesar să reduceți erorile dintr-un sistem pentru a obține performanțe mai bune. Deci, prin pașii de mai jos, se poate realiza acest lucru

Utilizarea unui miez cu o permeabilitate ridicată cu un material magnetic cu histerezis scăzut.
Valoarea rezistenței la sarcină trebuie să fie foarte apropiată de valoarea calculată.
Impedanța internă a secundarului poate fi redusă.

Înapoi Calculul raportului de rotații al unui transformator de curent

Configurarea testului a fost arătată în imaginea de mai sus, pe care am folosit-o pentru a afla raportul de rotații.

După cum am menționat anterior, Transformatorul de curent (CT) pe care îl dețin nu are nicio specificație sau număr de piesă doar pentru că le-am salvat dintr-un contor electric de uz casnic rupt. Deci, în acest moment, trebuie să cunoaștem raportul de rotații pentru a seta corect valoarea rezistenței la sarcină, în caz contrar, vor fi introduse în sistem tot felul de probleme, despre care voi vorbi mai târziu în articol.

Cu ajutorul legii ohmului, raportul de rotații poate fi calculat cu ușurință, dar înainte de asta, trebuie să măsoar rezistorul mare de 10W, 1K care acționează ca o sarcină în circuit și trebuie, de asemenea, să obțin un rezistor de sarcină arbitrar. pentru a-ți da seama de raportul virajelor.

Rezistorul de încărcare

Rezistența la sarcină

Rezumatul tuturor valorilor componentelor în timpul testării

Tensiunea de intrare Vin = 31,78 V

Rezistența la sarcină RL = 1,0313 KΩ

Rezistența la sarcină RB = 678,4 Ω

Tensiunea de ieșire Vout = 8.249 mV sau 0.008249 V

Curentul care curge prin rezistența de sarcină este

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

Deci, acum știm curentul de intrare, care este 0,03080A sau 30,80 mA

Să aflăm curentul de ieșire

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

Acum, pentru a calcula raportul de rotații, trebuie să împărțim curentul primar cu curentul secundar.

Raportul de rotații n = Curent primar / Curent secundar n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533,1972

Deci Transformatorul de curent este format din 2500 de rotații (valoare rotunjită)

Notă! Vă rugăm să rețineți că erorile se datorează în principal tensiunii mele de intrare în continuă schimbare și toleranței multimetrului.

Calculul unei dimensiuni adecvate pentru rezistența la sarcină

CT utilizat aici este un tip de ieșire curent. Deci, pentru a măsura curentul, acesta trebuie transformat într-un tip de tensiune. Acest articol, pe site-ul web openenergymonitor, oferă o idee minunată despre cum putem face acest lucru, așa că urmează articolul

Rezistență la sarcină (ohmi) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * curent primar maxim)

Unde, AREF = Tensiunea de referință analogică a modulului ADS1115 care este setată la 4.096V.

CT TURNS = Nr. De viraje secundare, pe care le-am calculat anterior.

Curent primar maxim = curent primar maxim, care va fi parcurs prin CT.

Notă! Fiecare CT are o valoare maximă a curentului care depășește valoarea nominală, ceea ce va duce la saturații de bază și, în cele din urmă, la erori de liniaritate care vor duce la erori de măsurare

Notă! Evaluarea curentă maximă a contorului de energie pentru uz casnic este de 30A, așa că doresc această valoare.

Rezistența la sarcină (ohmi) = (4.096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6Ω nu este o valoare obișnuită, de aceea voi folosi trei rezistențe în serie pentru a obține o valoare de rezistență de 120Ω. După conectarea rezistențelor la CT, am făcut câteva teste pentru a calcula tensiunea maximă de ieșire de la CT.

După test, se observă că, dacă curentul de 1mA este alimentat prin primarul transformatorului de curent, ieșirea a fost de 0,0488mV RMS. Cu aceasta, putem calcula dacă curentul de 30A este parcurs prin CT, tensiunea de ieșire va fi 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Acum, cu calculele făcute, am setat câștigul ADC la 1x câștig, care este +/- 4.096V, ceea ce ne oferă o rezoluție la scară completă de 0,125mV. Cu aceasta, vom putea calcula curentul minim care poate fi măsurat cu această configurare. Ceea ce s-a dovedit a fi 3mA pentru că rezoluția ADC a fost setată la 0,125mV.

Componente necesare

Scrieți toate componentele fără tabel

Sl. Nu	Părți	Tip	Cantitate
1	CT	Tipul ferestrei	1
2	Arduino Nano	Generic	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	ADC pe 16 biți	1
5	LMC7660	IC	1
6	120Ω, 1%	Rezistor	1
7	10uF	Condensator	2
8	33uF	Condensator	1
9	Breadboard	Generic	1
10	Sârme jumper	Generic	10

Diagrama circuitului

Schema de mai jos prezintă ghidul de conectare pentru măsurarea curentului utilizând transformatorul de curent

Așa va arăta circuitul pe panou.

Construcția circuitului de măsurare a curentului

Într-un tutorial anterior, v-am arătat cum să măsurați cu precizie tensiunea RMS adevărată cu ajutorul AD736 IC și cum să configurați un circuit convertor de tensiune a condensatorului comutat care generează o tensiune negativă de la o tensiune pozitivă de intrare, în acest tutorial, folosim atât IC-urile din aceste tutoriale.

Pentru această demonstrație, circuitul este construit pe o placă de sudură fără sudură, cu ajutorul schemei; de asemenea, tensiunea continuă este măsurată cu ajutorul unui ADC de 16 biți pentru o precizie mai bună. Și în timp ce demonstrez circuitul pe o placă de reducere pentru a reduce parazitul, am folosit cât mai multe cabluri jumper posibil.

Cod Arduino pentru măsurarea curentă

Aici Arduino este folosit pentru a afișa valorile măsurate în fereastra monitorului serial. Dar cu o mică modificare a codului, se pot afișa foarte ușor valorile pe ecranul LCD de 16x2. Aflați aici interfața LCD 16x2 cu Arduino.

Codul complet pentru transformatorul de curent poate fi găsit la sfârșitul acestei secțiuni. Aici sunt explicate părți importante ale programului.

Începem prin a include toate fișierele bibliotecilor necesare. Biblioteca Wire este utilizată pentru a comunica între modulul Arduino și ADS1115, iar biblioteca Adafruit_ADS1015 ne ajută să citim date și să scriem instrucțiuni în modul.

#include #include

Apoi, definiți MULTIPLICATION_FACTOR care este utilizat pentru a calcula valoarea curentă din valoarea ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * factor pentru calcularea valorii actuale curente * / Adafruit_ADS1115 ads; / * Utilizați acest lucru pentru versiunea pe 16 biți ADS1115 * /

ADC pe 16 biți scuipă numere întregi de 16 biți, astfel încât este utilizată variabila int16_t . Sunt utilizate alte trei variabile, una pentru a stoca valoarea RAW pentru ADC, una pentru a afișa tensiunea reală în pinul ADC și în cele din urmă una pentru a afișa această valoare de tensiune la valoarea curentă.

int16_t adc1_raw_value; / * variabilă pentru stocarea valorii ADC brute * / float măsurat_voltae; / * variabil pentru stocarea tensiunii măsurate * / curent plutitor; / * variabilă pentru stocarea curentului calculat * /

Începeți secțiunea de configurare a codului activând ieșirea serială cu 9600 baud. Apoi imprimați câștigul ADC care este setat; aceasta deoarece tensiunea mai mare decât valoarea definită poate deteriora dispozitivul.

Acum setați câștigul ADC cu ads.setGain (GAIN_ONE); metoda care setează rezoluția de 1 bit la 0,125mV

După aceea, se numește metoda ADC begin care setează totul în modulul hardware și conversia statisticilor.

configurare nulă (nulă) {Serial.begin (9600); Serial.println („Obținerea de citiri cu un singur punct de la AIN0..3”); // unele informații de depanare Serial.println ("ADC Range: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Gama de intrare ADC (sau câștigul) poate fi modificată prin următoarele // funcții, dar aveți grijă să nu depășiți niciodată VDD + 0,3V max sau // să depășiți limitele superioară și inferioară dacă reglați intervalul de intrare! // Setarea incorectă a acestor valori vă poate distruge ADC-ul! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x gain +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (implicit) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x câștig +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x câștig +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x câștig +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x gain +/- 0.512V 1 bit = 0.25mV 0.015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x câștig +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); }

În secțiunea buclă , am citit valoarea brută ADC și o stoc la variabila menționată anterior pentru utilizare ulterioară. Apoi convertiți valoarea ADC brută în valori de tensiune pentru măsurare și calculați valoarea curentă și afișați-o în fereastra monitorului serial.

bucla nulă (nulă) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); măsurat_voltae = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Valoarea ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Tensiune măsurată:"); Serial.println (măsurat_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Curent calculat:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); întârziere (500); }

Notă! Dacă nu aveți biblioteca pentru modulul ADS1115, trebuie să includeți biblioteca în IDE Arduino, puteți găsi biblioteca în acest depozit GitHub.

Codul Arduino complet este dat mai jos:

#include #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * factor pentru a calcula valoarea curentă reală * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * valoarea maximă pe care ADC o produce * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 ads; / * Utilizați acest lucru pentru versiunea pe 16 biți ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * variabilă pentru stocarea valorii ADC brute * / float măsurat_voltae; / * variabilă pentru stocarea voltelor măsurate * / curent plutitor; / * variabilă pentru stocarea curentului calculat * / setare nulă (nulă) {Serial.begin (9600); Serial.println („Obținerea de citiri cu un singur punct de la AIN0..3”); // unele informații de depanare Serial.println ("ADC Range: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Gama de intrare ADC (sau câștigul) poate fi modificată prin următoarele // funcții, dar aveți grijă să nu depășiți niciodată VDD + 0.3V max,sau pentru a // depăși limitele superioară și inferioară dacă reglați intervalul de intrare! // Setarea incorectă a acestor valori vă poate distruge ADC-ul! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x gain +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (implicit) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x câștig +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x câștig +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x câștig +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x gain +/- 0.512V 1 bit = 0.25mV 0.015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x câștig +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); } bucla void (nul) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); volume_măsurate = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Valoarea ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Tensiune măsurată:"); Serial.print (volume_ măsurate); Serial.println ("V"); Serial.print ("Curent calculat:"); Serial.print (curent, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); întârziere (500); }

Testarea circuitului

Instrumente utilizate pentru testarea circuitului

2 bec cu incandescență de 60W
Multimetru Meco 450B + TRMS

Pentru a testa circuitul a fost utilizată configurarea de mai sus. Curentul curge de la CT la multimetru, apoi se întoarce la linia de alimentare a rețelei.

Dacă vă întrebați ce face o placă FTDI în această configurare, permiteți-mi să vă spun că convertorul USB la serial nu funcționează, așa că a trebuit să folosesc un convertor FTDI ca un convertor USB la serial.

Îmbunătățiri suplimentare

Cele câteva erori de mA pe care le-ați văzut în videoclip (date mai jos) sunt doar pentru că am făcut circuitul într-o placă de calcul, deci au existat multe probleme la sol.

Sper că ți-a plăcut acest articol și ai învățat ceva nou din el. Dacă aveți vreo îndoială, puteți întreba în comentariile de mai jos sau puteți folosi forumurile noastre pentru discuții detaliate.