מדידת זרם זרם חילופין באמצעות שנאי זרם וארדואינו

שנאי זרם הוא סוג של שנאי אינסטרומנטלי שתוכנן במיוחד כדי להפוך זרם חילופין בסילוב המשני שלו, וכמות הזרם המיוצר פרופורציונלית ישירות לזרם בסלילה הראשית. שנאי זרם מסוג זה נועד למדוד זרם שאינו נראה לעין מתת-מערכת המתח הגבוה או כאשר כמות זרם גבוהה זורמת במערכת. תפקיד שנאי זרם הוא להמיר את כמות הזרם הגבוהה לכמות זרם נמוכה יותר אותה ניתן למדוד בקלות על ידי מיקרו-בקר או מד אנלוגי. הסברנו בעבר על מדידת הזרם באמצעות שנאי הזרם בסוגים שונים של טכניקות חישה שוטפות.

כאן נלמד בפירוט את טכניקת החישה הנוכחית ונחבר שנאי זרם למדידת זרם זרם חילופין בעזרת ארדואינו. נלמד גם לקבוע את יחס הסיבובים של שנאי זרם לא ידוע.

שנאי הנוכחי

כפי שציינתי בעבר, שנאי זרם הוא שנאי המיועד למדידת זרם. האמור לעיל המציג שני שנאים שיש לי כרגע נקרא שנאי זרם מסוג חלון או הידוע בכינויו שנאי איזון ליבה r.

איך עובד שנאי זרם?

העיקרון הבסיסי של שנאי הזרם זהה לשנאי מתח, כמו גם שנאי מתח שנאי הזרם מורכב גם מסלילה ראשונית ומסלילה משנית. כאשר זרם חשמלי מתחלף עובר דרך סלילה ראשונית של השנאי, נוצר זרם מגנטי מתחלף, המביא זרם חילופין במסלול המשני בנקודה זו אתה יכול לומר שהוא כמעט זהה לשנאי מתח אם אתה חושב שזה כאן ההבדל..

באופן כללי, שנאי זרם נמצא תמיד במצב קצר במעגל העומס, כמו כן, הזרם הזורם על סלילה משנית תלוי רק בזרם הראשוני הזורם דרך המוליך.

בניית שנאים נוכחית

כדי לתת לך הבנה טובה יותר, קרעתי את אחד השנאים הנוכחיים שלי שתוכל לראות בתמונה שלמעלה.

ניתן לראות בתמונה כי חוט דק מאוד נפצע סביב חומר ליבה טורואידלי, ומערכת חוטים יוצאת מהשנאי. הפיתול הראשוני הוא רק חוט בודד המחובר בסדרה עם העומס ונושא את הזרם הגדול הזורם דרך העומס.

יחס שנאי נוכחי

על ידי הצבת חוט בתוך חלון השנאי הנוכחי, אנו יכולים ליצור לולאה אחת ויחס הסיבובים הופך ל -1: N.

כמו כל שנאים אחרים, שנאי הנוכחי חייב לספק את משוואת יחס המגבר-סיבוב המוצגת להלן.

TR = Np / Ns = Ip / Is

איפה, TR = יחס טרנס

Np = מספר הפניות העיקריות

Ns = מספר הפניות משניות

Ip = זרם בפיתול ראשוני

האם = זרם בפיתול משני

כדי למצוא את הזרם המשני, סדר מחדש את המשוואה ל-

Is = Ip x (Np / NS)

כפי שניתן לראות בתמונה שלעיל, הסלילה הראשונית של השנאי מורכבת מסלילה אחת והסלילה המשנית של השנאי מורכבת מאלפי סלילים אם אנו מניחים שזרם של 100A זורם דרך הסלילה הראשונית, הזרם המשני יהיה 5A. לכן, היחס בין ראשוני למשני הופך ל 100 A ל 5 A או 20: 1. לכן, ניתן לומר שהזרם הראשוני גבוה פי 20 מזה של הזרם המשני.

הערה! שימו לב שהיחס הנוכחי אינו זהה ליחס הסיבובים.

כעת, כל התיאוריה הבסיסית אינה מאפשרת לנו להחזיר את המיקוד לחישוב יחס הסיבובים של השנאי הנוכחי ביד.

שגיאת שנאי נוכחית

בכל מעגל יש כמה שגיאות. השנאים הנוכחיים אינם שונים זה מזה; קיימות שגיאות שונות בשנאי הנוכחי. חלקם מתוארים להלן

שגיאת יחס בשנאי הנוכחי

הזרם הראשוני של השנאי הנוכחי אינו שווה בדיוק לזרם המשני כפול יחס הסיבובים. חלק מהזרם נצרך על ידי ליבת השנאי כדי להעביר אותו למצב עירור.

שגיאת זווית שלב בשנאי הנוכחי

עבור CT אידיאלי, וקטור הזרם הראשוני והמשני הוא אפס. אבל בשנאי זרם ממשי, תמיד יהיה הבדל מכיוון שהראשוני צריך לספק את זרם העירור לליבה ויהיה הבדל פאזה קטן.

כיצד להפחית שגיאות בשנאי זרם?

תמיד יש צורך להפחית שגיאות במערכת כדי להשיג ביצועים טובים יותר. אז לפי הצעדים הבאים ניתן להשיג זאת

1. שימוש בליבה עם חדירות גבוהה עם חומר מגנטי היסטריזה נמוך.
2. ערך נגדי הנטל חייב להיות קרוב מאוד לערך המחושב.
3. ניתן להוריד את העכבה הפנימית של המשני.

חזרה חישוב יחס הסיבובים של שנאי זרם

הגדרת הבדיקה הוצגה בתמונה לעיל בה השתמשתי כדי להבין את יחס הסיבובים.

כפי שציינתי בעבר, לשנאי הנוכחי (CT) שבבעלותי אין שום מפרט או מספר חלק רק בגלל שהצלתי אותם ממד חשמלי ביתי מקולקל. לכן, בשלב זה, עלינו לדעת את יחס הסיבובים כדי לקבוע את ערך הנגד לנטל כראוי, אחרת יוצגו במערכת כל מיני נושאים עליהם אדבר בהמשך המאמר.

בעזרת חוק האום, ניתן להבין בקלות את יחס הסיבובים, אך לפני כן, אני צריך למדוד את הנגד הגדול 10W, 1K אשר פועל כעומס במעגל, ואני גם צריך לקבל נגד עומס שרירותי כדי להבין את יחס הסיבובים.

נגד העומס

נגד הנטל

סיכום כל ערכי הרכיבים בזמן הבדיקה

מתח כניסה Vin = 31.78 וולט

התנגדות עומס RL = 1.0313 KΩ

התנגדות עומס RB = 678.4 Ω

מתח יציאה Vout = 8.249 mV או 0.008249 V.

הזרם הזורם דרך נגד העומס הוא

I = Vin / RL I = 31.78 / 1.0313 = 0.03080A או 30.80 mA

אז עכשיו אנחנו יודעים את זרם הקלט, שהוא 0.03080A או 30.80 mA

בואו נגלה את זרם הפלט

I = Vout / RB I = 0.008249 / 678.4 = 0.00001215949A או 12.1594 uA

כעת, כדי לחשב את יחס הסיבובים, עלינו לחלק את הזרם הראשוני לזרם המשני.

הופך יחס n = זרם ראשוני / זרם משני n = 0.03080 / 0.0000121594 = 2,533.1972

אז השנאי הנוכחי מורכב מ 2500 סיבובים (עיגול ערך)

הערה! שים לב שהשגיאות נובעות בעיקר מתח הכניסה המשתנה שלי וסובלנות המולטימטר.

חישוב גודל נגדי עומס מתאים

ה- CT המשמש כאן הוא סוג פלט נוכחי. אז כדי למדוד את הזרם, יש להמיר אותו לסוג מתח. מאמר זה, באתר openenergymonitor, נותן מושג מצוין לגבי האופן שבו אנו יכולים לעשות זאת ולכן אני הולך לעקוב אחר המאמר.

נגד עומס (אוהם) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * מקסימום זרם ראשוני)

איפה, AREF = מתח ייחוס אנלוגי של מודול ADS1115 אשר מוגדר ל- 4.096V.

CT TURNS = מספר סיבובים משניים, שחישבנו בעבר.

זרם ראשוני מקסימלי = זרם ראשוני מקסימלי, שיועבר דרך ה- CT.

הערה! לכל CT יש דירוג זרם מרבי העולה על דירוג זה יוביל לרוויית הליבה ובסופו של דבר לשגיאות ליניאריות אשר יובילו לשגיאת מדידה

הערה! הדירוג הנוכחי המרבי של מד האנרגיה הביתי הוא 30A, אז אני הולך על הערך הזה.

נגד עומס (אוהם) = (4.096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120.6 Ω

120.6Ω אינו ערך נפוץ, לכן אני הולך להשתמש בשלושה נגדים בסדרה כדי לקבל ערך נגד 120Ω. לאחר חיבור הנגדים ל- CT, ערכתי כמה בדיקות לחישוב מתח המוצא המרבי מה- CT.

לאחר הבדיקה, נצפה שאם זרם 1mA מוזרם דרך העיקרי של השנאי הנוכחי, הפלט היה 0.0488mV RMS. עם זאת, אנו יכולים לחשב אם זרם 30A מועבר דרך ה- CT מתח המוצא יהיה 30000 * 0.0488 = 1.465V.

עכשיו, עם החישובים שבוצעו, הגדרתי את הרווח של ADC לרווח פי 1 שהוא +/- 4.096V, מה שנותן לנו 0.125mV ברזולוציה בקנה מידה מלא. בכך נוכל לחשב את הזרם המינימלי שניתן למדוד בעזרת התקנה זו. שהתברר כ -3mA b מכיוון שרזולוציית ADC הוגדרה על 0.125mV.

רכיבים נדרשים

כתוב את כל הרכיב ללא טבלה

לא	חלקים	סוּג	כַּמוּת
1	CT	סוג חלון	1
2	ארדואינו ננו	גנרית	1
3	736 לספירה	IC	1
4	ADS1115	ADC של 16 סיביות	1
5	LMC7660	IC	1
6	120Ω, 1%	נַגָד	1
7	10uF	קַבָּל	2
8	33uF	קַבָּל	1
9	קרש לחם	גנרית	1
10	חוטי מגשר	גנרית	10

תרשים מעגל

התרשים שלהלן מציג את מדריך החיבור למדידת זרם באמצעות השנאי הנוכחי

כך ייראה המעגל על ​​קרש הלחם.

בניית מעגלי מדידה נוכחית

בהדרכה קודמת, הראיתי לך כיצד למדוד במדויק את מתח ה- RMS האמיתי בעזרת AD736 IC וכיצד להגדיר מעגל ממיר מתח קבלים מחולף שיוצר מתח שלילי ממתח חיובי כניסה. במדריך זה אנו משתמשים שני ה- IC ממדריכים אלה.

לצורך הדגמה זו, המעגל בנוי על לוח לחם ללא הלחמה, בעזרת הסכמטי; כמו כן, מתח DC נמדד בעזרת ADC של 16 סיביות לדיוק טוב יותר. וכשאני מדגים את המעגל על ​​קרש לחם כדי להפחית את הטפיל, השתמשתי בכמה שיותר כבלי מגשר.

קוד ארדואינו למדידה שוטפת

כאן משמש Arduino להצגת הערכים הנמדדים בחלון המסך הטורי. אבל עם מעט שינויים בקוד, אפשר מאוד להציג את הערכים על 16x2 LCD. למד כאן את הממשק של 16x2 LCD עם Arduino.

קוד שלם לשנאי הנוכחי נמצא בסוף סעיף זה. כאן מוסברים חלקים חשובים בתכנית.

אנו מתחילים לכלול את כל קבצי הספריות הנדרשים. ספריית החוט משמשת לתקשורת בין Arduino לבין מודול ADS1115 וספריית Adafruit_ADS1015 עוזרת לנו לקרוא נתונים ולכתוב הוראות למודול.

#לִכלוֹל #לִכלוֹל

לאחר מכן, הגדר את MULTIPLICATION_FACTOR המשמש לחישוב הערך הנוכחי מערך ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * גורם לחישוב הערך הנוכחי בפועל * / מודעות Adafruit_ADS1115; / * השתמש בזה בגירסת 16 סיביות ADS1115 * /

ה- ADC של 16 סיביות פולט מספרים שלמים ארוכים של 16 סיביות כך שמשתמשים ב- int16_t . נעשה שימוש בשלושה משתנים אחרים, אחד לאחסון ערך ה- RAW עבור ה- ADC, אחד להצגת המתח בפועל בסיכת ה- ADC ולבסוף אחד להצגת ערך המתח הזה לערך הנוכחי.

int16_t adc1_raw_value; / * משתנה לאחסון ערך ADC גולמי * / לצוף מדוד_וולטים; / * משתנה לאחסון מתח מדוד * / זרם צף; / * משתנה לאחסון זרם מחושב * /

התחל את חלק ההתקנה של הקוד על ידי הפעלת הפלט הטורי עם 9600 baud. ואז הדפיס את הרווח של ה- ADC שנקבע; זאת מכיוון שמתח העולה על הערך המוגדר בהחלט יכול לפגוע בהתקן.

הגדר כעת את הרווח של ADC עם ads.setGain (GAIN_ONE); השיטה המגדירה את הרזולוציה של 1 סיביות ל- 0.125mV

לאחר מכן, ADC להתחיל השיטה נקראת אשר מגדירה הכל ב ההמרה מודול החומרה ונתונים סטטיסטיים.

הגדרת חלל (בטל) {Serial.begin (9600); Serial.println ("קבלת קריאות חד-פעמיות מ- AIN0..3"); // קצת מידע על איתור באגים Serial.println ("טווח ADC: +/- 4.096V (1 ביט = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // ניתן לשנות את טווח הקלט של ADC (או את הרווח) באמצעות הפונקציות // הבאות, אך היזהר לעולם שלא יעלה על VDD + 0.3V מקסימום, או // יעלה על הגבולות העליונים והתחתונים אם תתאים את טווח הקלט! // הגדרת ערכים אלה באופן שגוי עלולה להרוס את ה- ADC שלך! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // רווח 2 / 3x +/- 6.144V 1 ביט = 3mV 0.1875mV (ברירת מחדל) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x רווח +/- 4.096V 1 ביט = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x רווח +/- 2.048V 1 ביט = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // רווח 4x +/- 1.024V 1 ביט = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x רווח +/- 0.512V 1 ביט = 0.25mV 0.015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // רווח 16x +/- 0.256V 1 ביט = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); }

בחלק הלולאה קראתי את ערך ה- ADC הגולמי ושמור אותו למשתנה שהוזכר לעיל לשימוש מאוחר יותר. לאחר מכן המירו את ערך ה- ADC הגולמי לערכי מתח למדידה וחישבו את הערך הנוכחי והציגו אותו לחלון המסך הטורי.

loop loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); מדוד_וולטה = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); הנוכחי = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ערך ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("מדד מתח:"); Serial.println (measure_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("זרם מחושב:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); עיכוב (500); }

הערה! אם אין לך את הספרייה עבור מודול ADS1115, עליך לכלול את הספרייה ב- Arduino IDE, תוכל למצוא את הספרייה במאגר GitHub זה.

קוד הארדואינו השלם ניתן להלן:

#לִכלוֹל # כלול # הגדר MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * גורם לחישוב הערך הנוכחי בפועל * / # הגדר ADC_MAX_VALUE 32768 / * ערך מקסימלי ש- ADC מייצר * / # הגדר ADC_GAIN 4.096 מודעות Adafruit_ADS1115; / * השתמש בזה לגירסת 16 סיביות ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * משתנה לאחסון ערך ADC גולמי * / לצוף מדוד_וולטים; / * משתנה לאחסון וולטים נמדדים * / זרם צף; / * משתנה לאחסון הגדרת הנוכחי המחושב * / חלל (בטל) {Serial.begin (9600); Serial.println ("קבלת קריאות חד-פעמיות מ- AIN0..3"); // קצת מידע על איתור באגים Serial.println ("טווח ADC: +/- 4.096V (1 ביט = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // ניתן לשנות את טווח הקלט של ADC (או את הרווח) באמצעות הפונקציות // הבאות, אך היזהר לא לחרוג מ- VDD + 0.3V מקסימום,או // לחרוג מהגבולות העליונים והתחתונים אם תתאימו את טווח הקלט! // הגדרת ערכים אלה באופן שגוי עלולה להרוס את ה- ADC שלך! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // רווח 2 / 3x +/- 6.144V 1 ביט = 3mV 0.1875mV (ברירת מחדל) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x רווח +/- 4.096V 1 ביט = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x רווח +/- 2.048V 1 ביט = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // רווח 4x +/- 1.024V 1 ביט = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x רווח +/- 0.512V 1 ביט = 0.25mV 0.015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // רווח 16x +/- 0.256V 1 ביט = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); } loop loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); מדוד_וולטה = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); הנוכחי = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ערך ADC:"); סידורי.println (adc1_raw_value); Serial.print ("מדד מתח:"); Serial.print (מדוד_וולטה); Serial.println ("V"); Serial.print ("זרם מחושב:"); Serial.print (הנוכחי, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); עיכוב (500); }

בודקים את המעגל

כלים המשמשים לבדיקת המעגל

1. 2 נורת ליבון 60W
2. מודד Meco 450B + TRMS

לבדיקת המעגל נעשה שימוש בהתקנה שלעיל. הזרם זורם מה- CT למולטימטר ואז הוא חוזר לקו החשמל של הראשי.

אם אתה תוהה מה לוח FTDI עושה בהתקנה זו, תן לי לומר לך שהממיר המשולב USB לסידורי לא עובד, אז הייתי צריך להשתמש בממיר FTDI כממיר USB לטורי.

שיפורים נוספים

כמה שגיאות ה- mA שראית בסרטון (להלן) הן רק בגלל שהכנתי את המעגל לקרש לחם, כך שהיו בעיות קרקע רבות.

אני מקווה שאהבת את המאמר הזה ולמדת ממנו משהו חדש. אם יש לך ספק, אתה יכול לשאול בתגובות למטה או להשתמש בפורומים שלנו לדיון מפורט.