Đo dòng điện ac sử dụng biến dòng và arduino

Máy biến dòng là một loại máy biến áp được thiết kế đặc biệt để biến đổi dòng điện xoay chiều trong cuộn thứ cấp của nó và lượng dòng điện tạo ra tỷ lệ thuận với dòng điện trong cuộn sơ cấp. Loại máy biến dòng này được thiết kế để đo dòng điện từ hệ thống con điện áp cao hoặc nơi có dòng điện lớn chạy qua hệ thống. Công việc của máy biến dòng là chuyển đổi dòng điện cao thành dòng điện thấp hơn có thể dễ dàng đo được bằng bộ vi điều khiển hoặc đồng hồ Analog. Trước đây chúng tôi đã giải thích về phép đo dòng điện bằng cách sử dụng máy biến dòng trong các loại bài báo kỹ thuật cảm biến dòng điện.

Ở đây chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết kỹ thuật cảm nhận dòng điện này và đấu dây một máy biến dòng để đo dòng điện xoay chiều với sự trợ giúp của Arduino. Chúng ta cũng sẽ tìm hiểu để xác định tỷ số vòng của một máy biến dòng chưa biết.

Máy biến áp hiện tại

Như tôi đã đề cập trước đây, máy biến dòng là một máy biến áp được thiết kế để đo dòng điện. Ở trên hiển thị hai máy biến áp mà tôi hiện có được gọi là máy biến dòng kiểu cửa sổ hoặc thường được gọi là máy biến áp cân bằng lõi r.

Máy biến áp hiện tại hoạt động như thế nào?

Nguyên lý cơ bản của máy biến dòng cũng giống như máy biến điện áp, giống nhau máy biến điện áp máy biến dòng cũng bao gồm cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Khi dòng điện xoay chiều đi qua cuộn sơ cấp của máy biến áp, từ thông xoay chiều được tạo ra, tạo ra dòng điện xoay chiều trong cuộn thứ cấp, lúc này bạn có thể nói nó gần giống như máy biến điện áp nếu bạn đang nghĩ đây là sự khác biệt.

Nói chung, máy biến dòng luôn ở trong tình trạng ngắn mạch với sự hỗ trợ của điện trở gánh, còn dòng điện chạy trên cuộn thứ cấp chỉ phụ thuộc vào dòng điện sơ cấp chạy qua dây dẫn.

Cấu tạo máy biến áp hiện tại

Để bạn hiểu rõ hơn, tôi đã xé bỏ một trong những máy biến áp hiện tại của tôi mà bạn có thể thấy trong hình ảnh trên.

Trong hình ảnh có thể thấy một sợi dây rất mỏng bị quấn quanh vật liệu lõi hình xuyến, và một bộ dây đang đi ra khỏi máy biến áp. Cuộn dây chính chỉ là một dây đơn được mắc nối tiếp với tải và mang dòng điện lớn chạy qua tải.

Tỷ lệ biến áp hiện tại

Bằng cách đặt một dây bên trong cửa sổ của máy biến dòng, chúng ta có thể tạo thành một vòng lặp duy nhất và tỷ lệ vòng trở thành 1: N.

Giống như bất kỳ máy biến áp nào khác, máy biến dòng phải thỏa mãn công thức tỷ số vòng amp được trình bày dưới đây.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Ở đâu, TR = Tỷ lệ chuyển đổi

Np = Số lượt chính

Ns = Số lượt thứ cấp

Ip = Dòng điện trong cuộn sơ cấp

Is = Dòng điện trong cuộn thứ cấp

Để tìm dòng điện thứ cấp, hãy sắp xếp lại phương trình thành

Là = Ip x (Np / NS)

Như bạn thấy trong hình trên, cuộn sơ cấp của máy biến áp gồm một cuộn dây và cuộn thứ cấp của máy biến áp gồm hàng nghìn cuộn nếu chúng ta giả sử có dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp là 100A thì dòng thứ cấp sẽ là 5A.. Vì vậy, tỷ số giữa sơ cấp và thứ cấp trở thành 100A đến 5A hoặc 20: 1. Vậy có thể nói dòng điện sơ cấp gấp 20 lần dòng điện thứ cấp.

Ghi chú! Xin lưu ý rằng tỷ lệ hiện tại không giống như tỷ lệ rẽ.

Bây giờ hết lý thuyết cơ bản, chúng ta có thể quay lại tập trung vào việc tính toán tỷ số vòng quay của máy biến dòng trong tay.

Lỗi máy biến áp hiện tại

Mỗi mạch đều có một số lỗi. Máy biến dòng không khác; tồn tại các lỗi khác nhau trong máy biến dòng. Một số trong số đó được mô tả dưới đây

Lỗi tỷ lệ trong máy biến áp hiện tại

Dòng điện sơ cấp của máy biến dòng không chính xác bằng dòng điện thứ cấp nhân với tỷ số vòng dây. Một phần dòng điện được tiêu thụ bởi lõi của máy biến áp để đưa nó đến trạng thái kích thích.

Lỗi góc pha trong máy biến áp hiện tại

Đối với một CT lý tưởng, vectơ dòng điện sơ cấp và thứ cấp bằng không. Nhưng trong Máy biến dòng thực tế, sẽ luôn có sự khác biệt vì cuộn sơ cấp phải cung cấp dòng điện kích thích cho lõi và sẽ có một độ lệch pha nhỏ.

Làm thế nào để giảm lỗi trong máy biến áp hiện tại?

Việc giảm thiểu lỗi trong hệ thống luôn cần thiết để đạt được hiệu suất tốt hơn. Vì vậy, bằng các bước dưới đây, người ta có thể đạt được điều đó

Sử dụng lõi có độ từ thẩm cao với vật liệu từ tính có độ trễ thấp.
Giá trị điện trở gánh phải rất gần với giá trị được tính toán.
Trở kháng bên trong của thứ cấp có thể được hạ xuống.

Quay lại tính toán tỷ lệ vòng quay của máy biến áp hiện tại

Thiết lập thử nghiệm đã được hiển thị trong hình trên mà tôi đã sử dụng để tìm ra tỷ lệ rẽ.

Như tôi đã đề cập trước đây, Máy biến áp hiện tại (CT) mà tôi sở hữu không có bất kỳ thông số kỹ thuật hoặc số bộ phận nào chỉ vì tôi đã vớt chúng từ một đồng hồ điện gia đình bị hỏng. Vì vậy, tại thời điểm này, chúng ta cần biết tỷ lệ vòng quay để đặt giá trị của Điện trở gánh cho hợp lý, nếu không, tất cả các loại vấn đề sẽ được giới thiệu trong hệ thống, mà tôi sẽ nói rõ hơn ở phần sau của bài viết.

Với sự trợ giúp của định luật ohm, tỷ lệ vòng quay có thể dễ dàng được tìm ra nhưng trước đó, tôi cần đo điện trở 10W, 1K lớn đang hoạt động như một tải trong mạch và tôi cũng cần có một điện trở gánh tùy ý. để tìm ra tỷ lệ rẽ.

Điện trở tải

Điện trở gánh nặng

Tóm tắt tất cả các giá trị thành phần trong thời gian thử nghiệm

Điện áp đầu vào Vin = 31,78 V

Điện trở tải RL = 1,0313 KΩ

Điện trở gánh RB = 678,4 Ω

Điện áp đầu ra Vout = 8.249 mV hoặc 0.008249 V

Dòng điện chạy qua điện trở tải là

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

Vì vậy, bây giờ chúng ta biết dòng đầu vào, là 0,03080A hoặc 30,80 mA

Hãy cùng tìm hiểu dòng điện đầu ra

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

Bây giờ, để tính tỷ số vòng, chúng ta cần chia dòng điện sơ cấp với dòng điện thứ cấp.

Tỷ lệ vòng quay n = Dòng điện sơ cấp / Dòng điện thứ cấp n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533,1972

Vì vậy Máy biến áp hiện tại bao gồm 2500 vòng (giá trị làm tròn)

Ghi chú! Xin lưu ý rằng các lỗi chủ yếu là do điện áp đầu vào luôn thay đổi và khả năng chịu đựng của đồng hồ vạn năng.

Tính toán kích thước điện trở gánh nặng phù hợp

CT được sử dụng ở đây là loại đầu ra hiện tại. Vì vậy, để đo dòng điện, nó cần được chuyển đổi thành một loại điện áp. Bài viết này, trên trang web openenergymonitor, đưa ra một ý tưởng tuyệt vời về cách chúng ta có thể làm điều đó, vì vậy tôi sẽ theo dõi bài viết

Điện trở gánh (ohms) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * dòng chính tối đa)

Ở đâu, AREF = Điện áp tham chiếu tương tự của mô-đun ADS1115 được đặt thành 4,096V.

CT TURNS = Số lượt phụ, chúng ta đã tính toán trước đó.

Dòng điện chính tối đa = dòng điện chính tối đa, dòng điện này sẽ chạy qua CT.

Ghi chú! Mỗi CT có mức đánh giá dòng điện tối đa vượt quá mức đánh giá đó sẽ dẫn đến độ bão hòa lõi và cuối cùng là lỗi tuyến tính dẫn đến lỗi đo lường

Ghi chú! Định mức hiện tại tối đa của đồng hồ năng lượng gia đình là 30A, vì vậy tôi sẽ cho giá trị đó.

Điện trở gánh (ohms) = (4.096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120.6 Ω

120,6Ω không phải là một giá trị phổ biến, đó là lý do tại sao tôi sẽ sử dụng ba điện trở mắc nối tiếp để có được giá trị điện trở 120Ω. Sau khi kết nối các điện trở với CT, tôi đã thực hiện một số thử nghiệm để tính toán điện áp đầu ra tối đa từ CT.

Sau thử nghiệm, quan sát thấy rằng nếu dòng điện 1mA được cấp qua sơ cấp của máy biến dòng, đầu ra là 0,0488mV RMS. Với điều đó, chúng ta có thể tính toán nếu dòng điện 30A chạy qua CT, điện áp đầu ra sẽ là 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Bây giờ, với các tính toán thực hiện, tôi có bộ ADC tăng tới 1x tăng đó là +/- 4.096V, mà cho chúng ta 0.125mV độ phân giải full-scale. Với điều đó, chúng tôi sẽ có thể tính toán dòng điện tối thiểu có thể đo được với thiết lập này. Hóa ra là 3mA b vì độ phân giải ADC được đặt thành 0,125mV.

Thành phần bắt buộc

Viết tất cả các thành phần không có bảng

SI. Không	Các bộ phận	Kiểu	Định lượng
1	CT	Loại cửa sổ	1
2	Arduino Nano	Chung	1
3	AD736	Vi mạch	1
4	ADS1115	ADC 16-bit	1
5	LMC7660	Vi mạch	1
6	120Ω, 1%	Điện trở	1
7	10uF	Tụ điện	2
số 8	33uF	Tụ điện	1
9	Breadboard	Chung	1
10	Dây nhảy	Chung	10

Sơ đồ mạch

Sơ đồ dưới đây cho thấy hướng dẫn móc nối để đo dòng điện bằng máy biến dòng

Đây là cách mạch sẽ trông như thế nào trên breadboard.

Cấu tạo mạch đo hiện tại

Trong hướng dẫn trước, tôi đã chỉ cho bạn cách đo chính xác điện áp True RMS với sự trợ giúp của IC AD736 và cách định cấu hình mạch chuyển đổi điện áp tụ điện chuyển mạch tạo ra điện áp âm từ điện áp dương đầu vào, trong hướng dẫn này, chúng tôi sử dụng cả IC từ các hướng dẫn này.

Đối với phần trình diễn này, mạch được xây dựng trên Breadboard không hàn, với sự trợ giúp của sơ đồ; Ngoài ra, điện áp DC được đo với sự trợ giúp của ADC 16bit để có độ chính xác tốt hơn. Và khi tôi đang trình diễn mạch trên bảng mạch để giảm ký sinh trùng, tôi đã sử dụng càng nhiều cáp nhảy càng tốt.

Mã Arduino để đo lường hiện tại

Ở đây Arduino được sử dụng để hiển thị các giá trị đo được vào cửa sổ giám sát nối tiếp. Nhưng với một chút sửa đổi trong mã, người ta có thể dễ dàng hiển thị các giá trị trên màn hình LCD 16x2. Tìm hiểu giao diện của LCD 16x2 với Arduino tại đây.

Mã đầy đủ cho máy biến dòng có thể được tìm thấy ở cuối phần này. Ở đây các phần quan trọng của chương trình được giải thích.

Chúng tôi bắt đầu bằng cách bao gồm tất cả các tệp thư viện được yêu cầu. Thư viện Wire được sử dụng để giao tiếp giữa Arduino và mô-đun ADS1115 và thư viện Adafruit_ADS1015 giúp chúng ta đọc dữ liệu và ghi hướng dẫn vào mô-đun.

#include #include

Tiếp theo, xác định MULTIPLICATION_FACTOR được sử dụng để tính giá trị hiện tại từ giá trị ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * hệ số để tính giá trị hiện tại thực tế * / Adafruit_ADS1115 quảng cáo; / * Sử dụng điều này cho phiên bản 16-bit ADS1115 * /

ADC 16 bit chia ra các số nguyên dài 16 bit để biến int16_t được sử dụng. Ba biến khác được sử dụng, một để lưu giá trị RAW cho ADC, một để hiển thị điện áp thực tế trong chân ADC và cuối cùng là một để hiển thị giá trị điện áp này thành giá trị hiện tại.

int16_t adc1_raw_value; / * biến để lưu trữ giá trị ADC thô * / float đo_vàng; / * biến để lưu trữ điện áp đo được * / float current; / * biến để lưu trữ hiện tại được tính toán * /

Bắt đầu phần thiết lập của mã bằng cách bật đầu ra nối tiếp với 9600 baud. Sau đó in độ lợi của ADC đã được thiết lập; điều này là do điện áp nhiều hơn giá trị xác định chắc chắn có thể làm hỏng thiết bị.

Bây giờ, hãy đặt mức tăng ADC bằng ads.setGain (GAIN_ONE); phương pháp đặt độ phân giải 1 bit thành 0,125mV

Sau đó, phương thức ADC begin được gọi là phương thức thiết lập mọi thứ trong mô-đun phần cứng và chuyển đổi số liệu thống kê.

void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Nhận các bài đọc một đầu từ AIN0..3"); // một số thông tin gỡ lỗi Serial.println ("Dãy ADC: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Phạm vi đầu vào ADC (hoặc độ lợi) có thể được thay đổi thông qua // các hàm sau đây, nhưng hãy cẩn thận không bao giờ vượt quá VDD + 0,3V tối đa hoặc // vượt quá giới hạn trên và dưới nếu bạn điều chỉnh phạm vi đầu vào! // Đặt các giá trị này không chính xác có thể phá hủy ADC của bạn! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // Độ lợi 2 / 3x +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (mặc định) ads.setGain (GAIN_ONE); // Độ lợi 1x +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // Tăng 2x +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // Tăng 4x +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// Độ lợi 8x +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // Độ lợi 16x +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); }

Trong phần vòng lặp , tôi đọc giá trị ADC thô và lưu trữ nó vào biến đã đề cập trước đó để sử dụng sau này. Sau đó chuyển đổi giá trị ADC thô thành các giá trị điện áp để đo và tính toán giá trị hiện tại và hiển thị ra cửa sổ màn hình nối tiếp.

void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); đo_vòng_vòng = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Giá trị ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Điện áp đo:"); Serial.println (đo_vùng); Serial.println ("V"); Serial.print ("Dòng điện Tính toán:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); chậm trễ (500); }

Ghi chú! Nếu bạn không có thư viện cho mô-đun ADS1115, bạn cần đưa thư viện vào Arduino IDE, bạn có thể tìm thư viện trong kho lưu trữ GitHub này.

Mã Arduino hoàn chỉnh được cung cấp bên dưới:

#include #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * hệ số để tính toán giá trị hiện tại thực tế * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * giá trị tối đa mà ADC tạo ra * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 quảng cáo; / * Sử dụng điều này cho phiên bản 16-bit ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * biến để lưu trữ giá trị ADC thô * / float đo_vàng; / * biến để lưu trữ dòng điện voltae * / float đo được; / * biến để lưu trữ hiện tại được tính toán * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Nhận các bài đọc một đầu từ AIN0..3"); // một số thông tin gỡ lỗi Serial.println ("Dãy ADC: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Phạm vi đầu vào ADC (hoặc độ lợi) có thể được thay đổi thông qua // các hàm sau, nhưng hãy cẩn thận không bao giờ vượt quá VDD + 0,3V tối đa,hoặc để // vượt quá giới hạn trên và dưới nếu bạn điều chỉnh phạm vi đầu vào! // Đặt các giá trị này không chính xác có thể phá hủy ADC của bạn! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // Độ lợi 2 / 3x +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (mặc định) ads.setGain (GAIN_ONE); // Độ lợi 1x +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // Tăng 2x +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // Tăng 4x +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // Độ lợi 8x +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // Độ lợi 16x +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); } void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); đo_vàng = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Giá trị ADC:"); Nối tiếp.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Điện áp đo:"); Serial.print (đo_vùng); Serial.println ("V"); Serial.print ("Dòng điện Tính toán:"); Serial.print (hiện tại, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); chậm trễ (500); }

Kiểm tra mạch

Dụng cụ dùng để kiểm tra mạch điện

2 bóng đèn sợi đốt 60W
Đồng hồ vạn năng Meco 450B + TRMS

Để kiểm tra mạch, thiết lập trên đã được sử dụng. Dòng điện chạy từ CT đến đồng hồ vạn năng, sau đó nó quay trở lại đường dây điện của chính.

Nếu bạn đang tự hỏi bo mạch FTDI đang làm gì trong thiết lập này, hãy để tôi cho bạn biết rằng bộ chuyển đổi USB sang nối tiếp trên bo mạch không hoạt động, vì vậy tôi phải sử dụng bộ chuyển đổi FTDI làm bộ chuyển đổi USB sang nối tiếp.

Cải tiến hơn nữa

Một vài lỗi mA mà bạn thấy trong video (được đưa ra bên dưới) chỉ là do tôi đã tạo mạch trong breadboard, vì vậy có nhiều vấn đề về mặt đất.

Tôi hy vọng bạn thích bài viết này và học được điều gì đó mới từ nó. Nếu bạn có bất kỳ nghi ngờ nào, bạn có thể hỏi trong phần bình luận bên dưới hoặc có thể sử dụng diễn đàn của chúng tôi để thảo luận chi tiết.