Paano Sukatin ang AC Power Factor Gamit ang Arduino: 4 na Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:15

Kumusta kayong lahat! Ito ang aking pangatlong itinuturo, inaasahan mong malaman mo ito:-) Ito ay magiging isang itinuturo sa kung paano gumawa ng isang pangunahing pagsukat ng kadahilanan ng kuryente gamit ang isang Arduino. Bago namin simulan ang ilang mga bagay na dapat tandaan:

1. Ito ay gagana lamang sa mga pag-load ng LINEAR (hal. Inductive Motors, Transformers, Solenoids)
2. Hindi ito gagana sa NON-LINEAR (hal. Mga bombilya ng CFL, mga power supply ng switch mode, LED's)
3. Ako ay isang electrical engineer at napaka-karampatang kapag nagtatrabaho kasama ang potensyal ng mains (hal. 230V)

Babala! Kung hindi ka sinanay o hindi alam kung paano gumana nang tama sa boltahe ng mains iminumungkahi kong hindi ka magpatuloy sa bahaging iyon ng itinuturo at ipapakita ko sa iyo ang isang ligtas na pamamaraan ng pagpapatunay na gumagana ang circuit.

Ito ay isang solusyon sa hardware sa problema ng pagsukat ng PF sa mga linear load. Maaari rin itong magawa nang pulos sa pamamagitan ng code kasama ang kakayahang masukat ang mga di-linear na pag-load, na hangarin kong takpan sa isa pang maituturo.

Para sa pakinabang ng anumang mga nagsisimula na basahin ito, ang kadahilanan ng kuryente ay ang ratio ng totoong lakas sa maliwanag na lakas at maaaring kalkulahin sa pamamagitan ng paghahanap ng cosine ng anggulo ng phase sa pagitan ng boltahe ng supply at kasalukuyang (tingnan ang naka-attach na imahe mula sa Google). Ito ay makabuluhan sa mga aplikasyon ng AC dahil ang "Malinaw na Kapangyarihan" (Volt-Amperes) ay madaling makalkula gamit ang Boltahe na pinarami ng Kasalukuyan. Gayunpaman upang makuha ang totoong kapangyarihan o "Tunay na Lakas" (Watts) maliwanag na lakas ay dapat na multiply ng power factor upang makagawa ng isang tunay na pagsukat ng lakas sa Watts. Nalalapat lamang ito sa mga paglo-load na mayroong isang makabuluhang inductive o capactive na bahagi (tulad ng isang motor). Ang mga purong resistive load tulad ng mga electric heater o maliwanag na bombilya ay may power factor na 1.0 (pagkakaisa) at samakatuwid ang Tunay na Lakas at Malinaw na Kapangyarihan ay pareho.

Hakbang 1: Disenyo ng Circuit

Ang power factor ay maaaring kalkulahin gamit ang isang oscilloscope, sa pamamagitan ng pagsukat ng pagkakaiba sa oras sa pagitan ng boltahe at kasalukuyang signal. Masusukat ang mga ito sa anumang punto ng alon hangga't ang mga ito ay na-sample sa parehong lugar. Sa kasong ito lohikal na sukatin ang pagitan ng mga zero crossing point (puntos sa alon kung saan ang boltahe ay tumawid sa X-axis).

Dinisenyo ko ang sumusunod na circuit sa Multisim. Ipagpalagay na ang kasalukuyang at boltahe sa pag-load ay purong mga sinusoidal na porma ng alon, ang sukat ng kuryente ay masusukat. Ang bawat waveform ay pinakain sa isang zero crossing detector (kung minsan ay kilala bilang isang sine to square wave converter) na simpleng isang 741 op-amp sa comparator mode kung saan ang voltage ng paghahambing ay 0V. Kapag ang sine alon ay nasa negatibong pag-ikot ng isang negatibong DC pulso ay nabuo, at kapag ang sine alon ay positibo isang positibong DC pulso ay nabuo. Pagkatapos ay ihinahambing ang dalawang parisukat na alon gamit ang isang eksklusibong OR (XOR) na gate ng lohika, na magpapalabas lamang ng positibong mataas na pulso ng DC kapag ang mga parisukat na alon ay hindi nagsasapawan, at 0V kapag nagsasapawan sila. Ang output ng XOR gate ay samakatuwid pagkakaiba-iba ng oras (delta t) sa pagitan ng dalawang alon mula sa puntong tinatawid nila ang zero point. Ang pagkakaiba-iba ng signal na ito ay maaaring mai-oras ng isang microcontroller at mai-convert sa power factor gamit ang sumusunod na pagkalkula (siguraduhin na ang iyong pang-agham na calculator ay nasa degree na hindi radian):

cos (phi) = f * dt * 360

Kung saan:

cos (phi) - ang kadahilanan ng kuryente

f - Ang dalas ng sinusukat na supply

dt - delta t o pagkakaiba ng oras sa pagitan ng mga alon

360 - isang pare-pareho na ginagamit upang magbigay ng sagot sa mga degree

Sa mga larawan makikita mo ang tatlong simulate na mga bakas ng oscilloscope para sa circuit. Ang dalawang signal ng pag-input ay kumakatawan sa kasalukuyang at ang boltahe sa pag-load. Nabigyan ko ang pangalawang signal ng isang pagkakaiba ng phase ng 18 Deg, upang ma-demostrate ang teorya. Nagbibigay ito ng isang PF na tinatayang 0.95.

Hakbang 2: Prototyping at Pagsubok

Para sa aking prototype build inilalagay ko ang disenyo ng circuit sa isang solderless breadboard. Mula sa UA741CN datasheet at CD4070CN datasheet parehong tumakbo ang IC sa isang 12-15 Vdc supply kaya pinapagana ko ang paggamit ng dalawang baterya upang makagawa ng isang dual rail + 12V, 0V, -12V Volt power supply.

Paggaya ng isang karga

Maaari mong gayahin ang isang pagkarga sa pamamagitan ng paggamit ng isang dalawahan na signal signal generator o function generator. Ginamit ko ang murang at kaaya-ayang kahon ng Intsik na ito upang makabuo ng dalawang 50 Hz sine waves na 18 deg ang layo, at pinakain ang mga signal sa circuit. Maaari mong makita ang mga resulta ng mga form ng alon sa isang oscilloscope. Sa mga larawan sa itaas maaari mong makita ang dalawang magkakapatong na square square (output mula sa bawat op-amp), at ang iba pang tatlong larawan ay naglalarawan ng output ng XOR gate. Pansinin kung paano ang lapad ng output pulse ay lumalaki nang mas maikli sa pagbawas ng anggulo ng phase. Ang mga halimbawa sa itaas ay nagpapakita ng 90, 40, 0 Degree.

Hakbang 3: Arduino Code

Tulad ng nabanggit sa itaas, ang output mula sa circuit ng pagsukat ay ang pagkakaiba sa oras sa pagitan ng dalawang mga signal ng pag-input (ibig sabihin, ang kasalukuyang at signal ng boltahe). Ang arduino code ay gumagamit ng "pulseIn" upang sukatin ang haba ng output pulse mula sa circuit ng pagsukat sa nano segundo at ginagamit ito sa PF formula na nabanggit sa itaas.

Nagsisimula ang code sa pamamagitan ng pagtukoy sa mga pare-pareho, higit sa lahat upang gawing mas maayos at mabasa ang code. Pinakamahalaga, ang C code (arduino code) ay gumagana sa mga radian hindi degree, kaya kinakailangan ng isang pag-convert mula sa mga radian sa degree upang makalkula ang anggulo at ang PF sa paglaon. Ang isang radian ay tinatayang. 57.29577951 degree. Ang numero 360 ay naka-imbak din at ang kadahilanan ng pagpaparami 1x10 ^ -6 para sa pag-convert ng nano Segundo sa simpleng Segundo. Ang dalas ay tinukoy din sa simula, kung gumagamit ka ng anumang iba pang kaysa sa 50Hz siguraduhing na-update ito sa simula ng code.

Sa loob ng "void loop ()" Sinabi ko sa Arduino na kalkulahin ang anggulo batay sa pF formula na nabanggit kanina. Sa aking unang pag-ulit ng code na ito, ibabalik ng code ang tamang anggulo at kadahilanan ng kuryente, subalit sa pagitan ng bawat tamang resulta ang ilang maling mababang halaga ay naibalik din sa serial console. Napansin ko na ito ay alinman sa bawat iba pang pagbabasa o bawat apat na sukat. Naglagay ako ng isang "kung" pahayag sa loob ng isang "para sa" loop upang maiimbak ang maximum na halaga ng bawat apat na magkakasunod na pagbasa. Ginagawa ito sa pamamagitan ng paghahambing ng pagkalkula laban sa "anggulo_max" na sa una ay zero, at kung mas malaki ang tindahan ng bagong halaga sa loob ng "anggulo_max". Ito ay paulit-ulit para sa pagsukat ng PF. Sa pamamagitan ng paggawa nito sa isang "para sa" loop nangangahulugan ito ng tamang anggulo at pf na laging ibabalik, ngunit kung ang sinusukat na anggulo ay nagbabago (mas mataas o mas mababa), kapag ang "para sa" natapos na "anggulo_max" ay nagre-reset sa zero para sa susunod na pagsubok, kapag " void loop () "inuulit. Mayroong isang napakahusay na halimbawa kung paano ito gumagana sa website ng Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). Pinipigilan lamang ng pangalawang pormulang "kung" ang anumang halagang mas mataas sa 360 na ibabalik sa kaganapan ng maling taas na sinusukat kapag ang aparato sa ilalim ng pagsubok ay pinatay.

Hakbang 4: Ang Pagsubok sa Acid

Huwag subukan ang sumusunod maliban kung alam mo kung paano gumana nang ligtas sa boltahe ng AC mains. Kung may pag-aalinlangan ka tungkol sa iyong kaligtasan, subukang gayahin ang mga input signal gamit ang isang dalawahang-channel na form ng waveform generator.

Sa kahilingan ng isang tagasunod, gumawa ako ng isang layout ng breadboard sa Fritzing upang magbigay ng isang mas mahusay na ideya ng circuit at sampling / sensing circuit (naidikit ko ang.fzz file at isang-p.webp

Upang mapatunayan na gumagana ang konsepto sa katotohanan, ang circuit ay itinayo sa isang solder na mas kaunting tinapay. Mula sa mga larawan maaari mong makita ang pag-aayos ng circuit. Gumamit ako ng desk fan bilang aking inductive load upang subukan ang konsepto. Sa pagitan ng 230V mains supply at ang load ay ang aking kagamitan sa sensing. Mayroon akong isang hakbang pababang transpormer na direktang nagbabago ng 230V sa 5V upang payagan ang sample na boltahe ng alon na ma-sample. Ang isang di-nagsasalakay na kasalukuyang transpormer na naka-clamp sa paligid ng live conductor ay ginamit upang mai-sample ang kasalukuyang waveform (kanan ng resistor ng aluminyo na nakasuot). Tandaan na hindi mo kinakailangang malaman ang malawak ng kasalukuyang o boltahe, ang waveform lamang para sa op-amp upang makilala ang zero na tawiran. Ipinapakita ng mga larawan sa itaas ang aktwal na kasalukuyang at boltahe na mga form ng alon mula sa fan, at ang arduino serial console, na nag-uulat ng isang PF na 0.41 at isang anggulo ng 65 Deg.

Ang nagtatrabaho punong-guro na ito ay maaaring isama sa isang monitor ng enerhiya na ginawa sa bahay upang makagawa ng totoong mga sukat ng kuryente. Kung ang iyong karampatang maaari mong subukang subaybayan ang iba't ibang mga inductive at resistive load at pagtukoy ng kanilang power factor. At ayan na! isang napaka-simpleng paraan ng pagsukat ng factor ng kuryente.