Мерење наизменичне струје помоћу струјног трансформатора и ардуина

Струјни трансформатор је врста инструменталног трансформатора специјално дизајнираног за трансформисање наизменичне струје у његовом секундарном намотају, а количина произведене струје је директно пропорционална струји у примарном намотају. Овај тип струјног трансформатора дизајниран је за невидљиво мерење струје из високонапонског подсистема или тамо где велика количина струје тече кроз систем. Задатак струјног трансформатора је да претвори велику количину струје у мању количину струје која се лако може измерити микроконтролером или аналогним бројилом. Претходно смо објаснили мерење струје помоћу струјног трансформатора у чланку о различитим врстама техника осетљивости струје.

Овде ћемо детаљно научити ову технику осетљивости струје и повезати струјни трансформатор за мерење наизменичне струје уз помоћ Ардуина. Такође ћемо научити да одредимо однос завоја непознатог струјног трансформатора.

Струјни трансформатор

Као што сам раније напоменуо, струјни трансформатор је трансформатор дизајниран за мерење струје. Горе приказано два трансформатора које тренутно имам назива се прозорски трансформатор или обично познат као трансформатор за равнотежу језгра р.

Како ради тренутни трансформатор?

Основни принцип струјног трансформатора је исти као и напонски трансформатор, слично напонском трансформатору струјни трансформатор се такође састоји од примарног намотаја и секундарног намотаја. Када наизменична електрична струја пролази кроз примарни намотај трансформатора, настаје наизменични магнетни ток, који индукује наизменичну струју у секундарном намотају у овом тренутку, можете рећи да је скоро исти као напонски трансформатор ако мислите да је овде разлика у томе.

Генерално, струјни трансформатор је увек у стању кратког споја уз помоћ отпорника терета, такође, струја која тече на секундарном намотају зависи само од примарне струје која тече кроз проводник.

Тренутна конструкција трансформатора

Да бих вас боље разумео, срушио сам један од својих тренутних трансформатора који можете видети на горњој слици.

На слици се види да је врло танка жица намотана око тороидалног материјала језгра, а низ жица излази из трансформатора. Основни намотај је само једна жица која је повезана у серију са оптерећењем и носи запреминску струју која тече кроз терет.

Однос тренутног трансформатора

Постављањем жице унутар прозора струјног трансформатора можемо формирати једну петљу и однос обртаја постаје 1: Н.

Као и сви други трансформатори, струјни трансформатор мора да задовољи једначину односа амп-окрета која је приказана у наставку.

ТР = Нп / Нс = Ип / Ис

Где, ТР = Транс Ратио

Нп = Број примарних окрета

Нс = Број секундарних завоја

Ип = Струја у примарном намотају

Ис = Струја у секундарном намотају

Да бисте пронашли секундарну струју, преуредите једначину у

Ис = Ип к (Нп / НС)

Као што можете видети на горњој слици, примарни намотај трансформатора састоји се од једног намотаја, а секундарни намотај трансформатора састоји се од хиљада намотаја ако претпоставимо да струја од 100А тече кроз примарни намотај, секундарна струја ће бити 5А. Дакле, однос између примарног и секундарног постаје 100А до 5А или 20: 1. Дакле, може се рећи да је примарна струја 20 пута већа од секундарне.

Белешка! Имајте на уму да тренутни однос није исти као однос окрета.

Сада све основне теорије не смеју, фокус можемо вратити на израчунавање односа окретаја тренутног трансформатора у руци.

Тренутна грешка трансформатора

Сваки круг има неке грешке. Струјни трансформатори се не разликују; постоје разне грешке у струјном трансформатору. Неки од њих су описани у наставку

Однос грешке у тренутном трансформатору

Примарна струја струјног трансформатора није у потпуности једнака секундарној струји помноженој са односом завоја. Део струје троши језгро трансформатора да би се довело до стања побуде.

Грешка фазног угла у струјном трансформатору

За идеалан ЦТ, вектор примарне и секундарне струје је нула. Али у стварном струјном трансформатору увек ће постојати разлика, јер примар мора да напаја струју побуде у језгро и постојаће мала фазна разлика.

Како смањити грешку у тренутном трансформатору?

Увек је неопходно смањити грешке у систему да би се постигле боље перформансе. Дакле, доњим корацима се то може постићи

Коришћење језгра са високом пропустљивошћу са малим хистерезним магнетним материјалом.
Вредност отпорника оптерећења мора бити врло близу израчунате вредности.
Унутрашња импеданса секундара се може смањити.

Повратак Израчунавање односа окретаја струјног трансформатора

Постављање теста приказано је на горњој слици коју сам користио да бих утврдио однос завоја.

Као што сам већ поменуо, тренутни трансформатор (ЦТ) који поседујем нема никакве спецификације или број дела само зато што сам их спасио из поквареног кућног електричног бројила. Дакле, у овом тренутку морамо знати однос окретаја да бисмо правилно поставили вредност отпорника оптерећења, иначе ће у систем бити уведене све врсте проблема, о чему ћу више говорити касније у чланку.

Уз помоћ омског закона, однос завоја може се лако схватити, али пре тога морам да измерим велики отпорник од 10В, 1К који делује као оптерећење у колу, а такође морам да добијем произвољан отпорник оптерећења да би се утврдио однос завоја.

Отпорник оптерећења

Отпор терета

Резиме свих вредности компонената током времена испитивања

Улазни напон Вин = 31,78 В

Отпор оптерећења РЛ = 1,0313 КΩ

Отпор оптерећењу РБ = 678,4 Ω

Излазни напон Воут = 8,249 мВ или 0,008249 В

Струја која протиче кроз отпорник оптерећења је

И = Вин / РЛ И = 31,78 / 1,0313 = 0,03080А или 30,80 мА

Дакле, сада знамо улазну струју, која је 0,03080А или 30,80 мА

Откријмо излазну струју

И = Воут / РБ И = 0,008249 / 678,4 = 0,00001215949А или 12,1594 уА

Сада, да бисмо израчунали однос завоја, морамо поделити примарну струју са секундарном.

Однос окрета н = Примарна струја / Секундарна струја н = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533.1972

Дакле, струјни трансформатор се састоји од 2500 окретаја (заокружена вредност)

Белешка! Имајте на уму да су грешке углавном због мог непрекидног мијењања улазног напона и толеранције мултиметра.

Израчунавање одговарајуће величине отпорника оптерећења

ЦТ који се овде користи је тренутни тип излаза. Дакле, да би се измерила струја, треба је претворити у напонски тип. Овај чланак на веб локацији опененергимонитор даје сјајну идеју о томе како то можемо учинити, па ћу следити чланак

Отпорник оптерећења (ома) = (АРЕФ * ЦТ ТУРНС) / (2√2 * мак примарна струја)

Где, АРЕФ = Аналогни референтни напон модула АДС1115 који је подешен на 4.096В.

ЦТ ТУРНС = Број секундарних завоја, које смо претходно израчунали.

Максимална примарна струја = максимална примарна струја која ће проћи кроз ЦТ.

Белешка! Сваки ЦТ има максималну вредност струје која прелази ту вредност довешће до засићења језгра и на крају грешака линеарности што ће довести до грешке мерења

Белешка! Максимална струјна вредност мерача потрошње енергије у домаћинству је 30А, па се опредељујем за ту вредност.

Отпорник оптерећења (ома) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6Ω није уобичајена вредност, зато ћу користити три отпорника у серији да бих добио вредност отпора од 120Ω. Након повезивања отпорника на ЦТ, обавио сам неколико испитивања како бих израчунао максимални излазни напон са ЦТ-а.

После теста, примећује се да ако се струја од 1 мА напаја кроз примар струјног трансформатора, излаз је био 0,0488 мВ ефективне вредности. Помоћу тога можемо израчунати да ли кроз ЦТ пролази струја од 30А, излазни напон ће бити 30000 * 0,0488 = 1,465В.

Сада, са извршеним прорачунима, подесио сам АДЦ појачање на 1к појачање што је +/- 4.096В, што нам даје 0,125мВ пуне резолуције. Помоћу тога моћи ћемо да израчунамо минималну струју која се може мерити овом поставком. Што се испоставило да је 3мА зато што је АДЦ резолуција постављена на 0,125мВ.

Компоненте потребне

Напиши све компоненте без табеле

Сл.бр.	Делови	Тип	Количина
1	ЦТ	Тип прозора	1
2	Ардуино Нано	Општи	1
3	АД736	ИЦ	1
4	АДС1115	16-битни АДЦ	1
5	ЛМЦ7660	ИЦ	1
6	120Ω, 1%	Отпорник	1
7	10уФ	Кондензатор	2
8	33уФ	Кондензатор	1
9	Бреадбоард	Општи	1
10	Јумпер Вирес	Општи	10

Кружни дијаграм

Доња шема приказује прикључни водич за мерење струје помоћу струјног трансформатора

Тако ће круг изгледати на плочи.

Конструкција струјног круга за мерење

У претходном упутству показао сам вам како тачно мерити истински ефективни напон уз помоћ АД736 ИЦ и како конфигурисати склоп кондензаторског претварача напона кондензатора који генерише негативни напон из улазног позитивног напона, у овом упутству користимо обе ИЦ из ових водича.

За ову демонстрацију, коло је направљено на Бреадбоард-у за лемљење, уз помоћ шеме; такође, једносмерни напон се мери помоћу 16-битног АДЦ-а ради веће тачности. И док демонстрирам струјни круг на плочи како бих смањио паразит, користио сам што је више могуће џамперских каблова.

Ардуино код за тренутно мерење

Овде се Ардуино користи за приказ измерених вредности у прозору серијског монитора. Али уз малу модификацију кода, врло лако се могу приказати вредности на ЛЦД екрану од 16к2. Овде научите међусобно повезивање ЛЦД-а од 16к2 са Ардуином.

Комплетни код за струјни трансформатор можете наћи на крају овог одељка. Овде су објашњени важни делови програма.

Почињемо укључивањем свих потребних датотека из библиотека. Библиотека Вире се користи за комуникацију између Ардуина и модула АДС1115, а библиотека Адафруит_АДС1015 нам помаже да читамо податке и уписујемо упутства у модул.

#инцлуде #инцлуде

Даље, дефинишите МУЛТИПЛИЦАТИОН_ФАЦТОР који се користи за израчунавање тренутне вредности из вредности АДЦ.

#дефине МУЛТИПЛИЦАТИОН_ФАЦТОР 0.002734 / * фактор за израчунавање стварне тренутне вредности * / Адафруит_АДС1115 огласи; / * Користите ово за 16-битну верзију АДС1115 * /

16-битни АДЦ испљува 16-битне дуге цијеле бројеве, тако да се користи варијабла инт16_т . Користе се још три променљиве, једна за чување РАВ вредности за АДЦ, једна за приказ стварног напона у пин АДЦ и на крају једна за приказ ове вредности напона на тренутну вредност.

инт16_т адц1_рав_валуе; / * променљива за чување сирове вредности АДЦ * / флоат мере_волтае; / * променљива за чување измереног напона * / плутајућа струја; / * променљива за чување прорачунате струје * /

Започните подешавање кода омогућавањем серијског излаза са 9600 бауд-ова. Затим одштампајте добитак АДЦ-а који је подешен; то је зато што напон већи од дефинисане вредности сигурно може оштетити уређај.

Сада подесите добитак АДЦ-а помоћу адс.сетГаин (ГАИН_ОНЕ); метода којом се 1-битна резолуција поставља на 0,125мВ

Након тога, позива се метода АДЦ старт која поставља све у хардверском модулу и врши конверзију статистике.

воид сетуп (воид) {Сериал.бегин (9600); Сериал.принтлн („Добијање једностраних очитавања из АИН0..3“); // неке информације о отклањању грешака Сериал.принтлн ("Опсег АДЦ: +/- 4.096В (1 бит = 2мВ / АДС1015, 0.125мВ / АДС1115)"); // Опсег улаза АДЦ (или појачање) може се променити помоћу следећих // функција, али припазите да никада не премашите ВДД + 0,3 В мак или да // пређете горњу и доњу границу ако прилагодите опсег улаза! // Погрешно подешавање ових вредности може уништити ваш АДЦ! // АДС1015 АДС1115 // ------- ------- // адс.сетГаин (ГАИН_ТВОТХИРДС); // 2 / 3к добитак +/- 6.144В 1 бит = 3мВ 0.1875мВ (подразумевано) адс.сетГаин (ГАИН_ОНЕ); // 1к појачање +/- 4.096В 1 бит = 2мВ 0.125мВ //адс.сетГаин(ГАИН_ТВО); // 2к појачање +/- 2.048В 1 бит = 1мВ 0,0625мВ // адс.сетГаин (ГАИН_ФОУР); // 4к појачање +/- 1,024В 1 бит = 0,5мВ 0,03125мВ // адс.сетГаин (ГАИН_ЕИГХТ);// 8к појачање +/- 0,512В 1 бит = 0,25мВ 0,015625мВ // адс.сетГаин (ГАИН_СИКСТЕЕН); // 16к добитак +/- 0,256В 1 бит = 0,125мВ 0,0078125мВ адс.бегин (); }

У одељку петље читам сирову вредност АДЦ и складиштим је у претходно поменуту променљиву за каснију употребу. Затим претворите сирову вредност АДЦ у вредности напона за мерење и израчунајте тренутну вредност и прикажите је у прозору серијског монитора.

петља воид (воид) {адц1_рав_валуе = адс.реадАДЦ_СинглеЕндед (1); измерене_напонске = адц1_рав_валуе * (4.096 / 32768); цуррент = адц1_рав_валуе * МУЛТИПЛИЦАТИОН_ФАЦТОР; Сериал.принт ("Вредност АДЦ:"); Сериал.принтлн (адц1_рав_валуе); Сериал.принт ("Измерени напон:"); Сериал.принтлн (измерени_напони); Сериал.принтлн ("В"); Сериал.принт ("Израчуната струја:"); Сериал.принт (вал, 5); Сериал.принтлн ("А"); Сериал.принтлн (""); кашњење (500); }

Белешка! Ако немате библиотеку за модул АДС1115, морате да је укључите у Ардуино ИДЕ, библиотеку можете пронаћи у овом ГитХуб спремишту.

Комплетни Ардуино код је дат у наставку:

#инцлуде #инцлуде #дефине МУЛТИПЛИЦАТИОН_ФАЦТОР 0.002734 / * фактор за израчунавање стварне тренутне вредности * / #дефине АДЦ_МАКС_ВАЛУЕ 32768 / * максималну вредност коју АДЦ производи * / #дефине АДЦ_ГАИН 4.096 Адафруит_АДС1115 адс; / * Користите ово за 16-битну верзију АДС1115 * / инт16_т адц1_рав_валуе; / * променљива за чување сирове вредности АДЦ * / флоат мере_волтае; / * променљива за чување измерених волта * / плутајућа струја; / * променљива за чување израчунате струје * / воид сетуп (воид) {Сериал.бегин (9600); Сериал.принтлн („Добијање једностраних очитавања из АИН0..3“); // неке информације о отклањању грешака Сериал.принтлн ("Опсег АДЦ: +/- 4.096В (1 бит = 2мВ / АДС1015, 0.125мВ / АДС1115)"); // Опсег улаза АДЦ (или појачање) може се променити помоћу следећих // функција, али припазите да никада не премашите ВДД + 0,3 В мак,или да // премашите горњу и доњу границу ако прилагодите опсег уноса! // Погрешно подешавање ових вредности може уништити ваш АДЦ! // АДС1015 АДС1115 // ------- ------- // адс.сетГаин (ГАИН_ТВОТХИРДС); // 2 / 3к добитак +/- 6.144В 1 бит = 3мВ 0.1875мВ (подразумевано) адс.сетГаин (ГАИН_ОНЕ); // 1к појачање +/- 4.096В 1 бит = 2мВ 0.125мВ //адс.сетГаин(ГАИН_ТВО); // 2к појачање +/- 2.048В 1 бит = 1мВ 0,0625мВ // адс.сетГаин (ГАИН_ФОУР); // 4к појачање +/- 1,024В 1 бит = 0,5мВ 0,03125мВ // адс.сетГаин (ГАИН_ЕИГХТ); // 8к појачање +/- 0,512В 1 бит = 0,25мВ 0,015625мВ // адс.сетГаин (ГАИН_СИКСТЕЕН); // 16к добитак +/- 0,256В 1 бит = 0,125мВ 0,0078125мВ адс.бегин (); } воид лооп (воид) {адц1_рав_валуе = адс.реадАДЦ_СинглеЕндед (1); измерене_напонске = адц1_рав_валуе * (АДЦ_ГАИН / АДЦ_МАКС_ВАЛУЕ); цуррент = адц1_рав_валуе * МУЛТИПЛИЦАТИОН_ФАЦТОР; Сериал.принт ("Вредност АДЦ:"); Серијски.принтлн (адц1_рав_валуе); Сериал.принт ("Измерени напон:"); Сериал.принт (измерени_напон); Сериал.принтлн ("В"); Сериал.принт ("Израчуната струја:"); Сериал.принт (тренутно, 5); Сериал.принтлн ("А"); Сериал.принтлн (""); кашњење (500); }

Тестирање кола

Алати који се користе за испитивање кола

2 сијалице са жарном нити од 60В
Мецо 450Б + ТРМС мултиметар

За тестирање кола коришћена је горња поставка. Струја тече од ЦТ-а до мултиметра, а затим се враћа на далековод главног вода.

Ако се питате шта ФТДИ плоча ради у овом подешавању, рећи ћу вам да уграђени УСБ у серијски претварач није радио, па сам морао да користим ФТДИ претварач као УСБ у серијски претварач.

Даља побољшања

Неколико грешака у мА које сте видели у видеу (дате у наставку) су само зато што сам склопио круг у плочу, па је било много проблема са земљом.

Надам се да вам се свидео овај чланак и да сте из њега научили нешто ново. Ако сумњате, можете питати у коментарима испод или можете користити наше форуме за детаљну дискусију.