Vekselstrømsmåling ved hjelp av strømtransformator og arduino

En strømtransformator er en type instrumental transformator som er spesielt designet for å transformere vekselstrøm i sekundærviklingen, og mengden produsert strøm er direkte proporsjonal med strømmen i primærviklingen. Denne typen strømtransformator er designet for ikke-usynlig å måle strøm fra høyspenningsundersystemet eller der en høy mengde strøm strømmer gjennom systemet. En nåværende transformator jobb er å konvertere den høye mengden strøm til en lavere mengde strøm som lett kan måles av en mikrokontroller eller en analog måler. Vi har tidligere forklart strømmåling ved hjelp av strømtransformatoren i forskjellige typer strømfølingsteknikker.

Her vil vi lære denne nåværende sensingsteknikken i detalj og koble opp en strømtransformator for å måle vekselstrøm ved hjelp av en Arduino. Vi vil også lære å bestemme svingforholdet til en ukjent strømtransformator.

Nåværende transformator

Som jeg tidligere har nevnt, er en strømtransformator en transformator designet for å måle strøm. Ovennevnte viser to transformatorer som jeg for øyeblikket har, kalles en vinduetype strømtransformator eller kjent som en kjerne-balanse-transformer r.

Hvordan fungerer nåværende transformator?

Det grunnleggende prinsippet til strømtransformatoren er det samme som en spenningstransformator. Tilsvarende spenningstransformator består strømtransformatoren også av en primærvikling og en sekundærvikling. Når en vekselstrøm passerer gjennom transformatorens primærvikling, produseres vekselstrøm magnetisk strøm, som induserer en vekselstrøm i sekundærviklingen på dette punktet, kan du si at den er nesten den samme som en spenningstransformator hvis du tenker at dette her er forskjellen..

Vanligvis er en strømtransformator alltid i en kortslutning ved hjelp av en lastmotstand, også, den strøm som flyter i sekundærviklingen avhenger bare av primærstrømmen som flyter gjennom lederen.

Nåværende transformatorkonstruksjon

For å gi deg en bedre forståelse, har jeg revet en av mine nåværende transformatorer som du kan se på bildet ovenfor.

Det kan sees på bildet at en veldig tynn ledning blir såret rundt et toroidalt kjernemateriale, og et ledningssett kommer ut av transformatoren. Primviklingen er bare en enkelt ledning som er koblet i serie med lasten og bærer hovedstrømmen som strømmer gjennom lasten.

Nåværende transformatorforhold

Ved å plassere en ledning inne i vinduet til den nåværende transformatoren, kan vi danne en enkelt sløyfe og svingforholdet blir 1: N.

Som alle andre transformatorer, må en nåværende transformator tilfredsstille ligningen for forsterknings-svingforhold som er vist nedenfor.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Hvor, TR = transforhold

Np = Antall primære sving

Ns = Antall sekundære sving

Ip = Strøm i primærvikling

Er = Strøm i sekundærvikling

For å finne sekundærstrømmen, omorganiser du ligningen til

Er = Ip x (Np / NS)

Som du kan se i bildet ovenfor, består transformatorens primære vikling av en vikling og sekundærviklingen av transformatoren består av tusenvis av viklinger hvis vi antar at 100A strøm strømmer gjennom primærviklingen, vil sekundærstrømmen være 5A. Så forholdet mellom primær og sekundær blir 100A til 5A eller 20: 1. Så det kan sies at primærstrømmen er 20 ganger høyere enn sekundærstrømmen.

Merk! Vær oppmerksom på at strømforholdet ikke er det samme som svingforholdet.

Nå som alle grunnleggende teorier er ute av veien, kan vi vende fokuset vårt tilbake til å beregne svingforholdet til den nåværende transformatoren i hånden.

Nåværende transformatorfeil

Hver krets har noen feil. Nåværende transformatorer er ikke forskjellige; det finnes forskjellige feil i en nåværende transformator. Noen av dem er beskrevet nedenfor

Forholdsfeil i gjeldende transformator

Den primære strømmen til strømtransformatoren er ikke akkurat lik den sekundære strømmen multiplisert med svingforholdet. En del av strømmen forbrukes av transformatorens kjerne for å få den til en eksitasjonstilstand.

Fasevinkelfeil i gjeldende transformator

For en ideell CT er den primære og sekundære strømvektoren null. Men i en faktisk strømtransformator vil det alltid være en forskjell fordi primæren må levere magnetiseringsstrømmen til kjernen, og det vil være en liten faseforskjell.

Hvordan redusere feil i en nåværende transformator?

Det er alltid nødvendig å redusere feil i et system for å oppnå bedre ytelse. Så, ved trinnene nedenfor, kan man oppnå det

Bruk av en kjerne med høy permeabilitet med lavt hysteresemagnetisk materiale.
Belastningsmotstandsverdien må være veldig nær den beregnede verdien.
Den sekundære impedansen til sekundæret kan senkes.

Tilbake Beregning av svingforholdet til en strømtransformator

Testoppsettet er vist i bildet ovenfor som jeg har brukt til å finne ut svingforholdet.

Som jeg har nevnt tidligere, har ikke den nåværende transformatoren (CT) noen spesifikasjon eller delenummer bare fordi jeg berget dem fra en ødelagt husholdningselektrometer. Så, på dette punktet, må vi vite svingforholdet for å sette verdien på byrdemotstanden riktig, ellers vil alle slags problemer bli introdusert i systemet, som jeg vil snakke mer om senere i artikkelen.

Ved hjelp av ohmens lov kan svingforholdet lett bli funnet ut, men før det må jeg måle den store 10W, 1K motstanden som fungerer som en belastning i kretsen, og jeg må også få en vilkårlig belastningsmotstand for å finne ut svingforholdet.

Lastmotstanden

Burden Resistor

Oppsummering av alle komponentverdiene i løpet av testtiden

Inngangsspenning Vin = 31,78 V.

Belastningsmotstand RL = 1,0313 Kn

Burden Resistance RB = 678,4 Ω

Utgangsspenning Vout = 8.249 mV eller 0.008249 V.

Strømmen som strømmer gjennom lastmotstanden er

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

Så nå vet vi inngangsstrømmen, som er 0,03080A eller 30,80 mA

La oss finne ut utgangsstrømmen

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

Nå, for å beregne svingforholdet, må vi dele primærstrømmen med sekundærstrømmen.

Svingningsforhold n = Primærstrøm / Sekundærstrøm n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533,1972

Så den nåværende transformatoren består av 2500 omdreininger (avrundingsverdi)

Merk! Vær oppmerksom på at feilene hovedsakelig skyldes min stadig skiftende inngangsspenning og multimeter-toleranse.

Beregning av en passende byrdemotstandsstørrelse

CT som brukes her er en gjeldende utgangstype. Så for å måle strøm, må den konverteres til en spenningstype. Denne artikkelen, på openenergymonitor-nettstedet, gir en god ide om hvordan vi kan gjøre det, så jeg skal følge artikkelen

Burden Resistor (ohm) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * maks primærstrøm)

Hvor, AREF = Analog referansespenning for ADS1115-modulen som er satt til 4.096V.

CT TURNS = Antall sekundære svinger, som vi tidligere har beregnet.

Maks primærstrøm = maksimal primærstrøm, som vil bli fløyet gjennom CT.

Merk! Hver CT har en maksimal strømstyrke som overskrider den karakteren, vil føre til kjernemetning og til slutt linearitetsfeil som vil føre til målefeil

Merk! Den maksimale strømverdien til husholdningens energimåler er 30A, så jeg går etter den verdien.

Lastmotstand (ohm) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6Ω er ikke en vanlig verdi, det er derfor jeg skal bruke tre motstander i serie for å få 120Ω motstandsverdi. Etter å ha koblet motstandene til CT, gjorde jeg noen tester for å beregne maksimal utgangsspenning fra CT.

Etter testen observeres det at hvis 1mA strøm mates gjennom primærstrømtransformatoren, var utgangen 0,0488mV RMS. Med det kan vi beregne om 30A strøm flys gjennom CT, vil utgangsspenningen være 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Nå, med beregningene gjort, har jeg satt ADC- forsterkning til 1x forsterkning som er +/- 4.096V, noe som gir oss 0.125mV fullskalaoppløsning. Med det vil vi kunne beregne minimumsstrømmen som kan måles med dette oppsettet. Som viste seg å være 3mA b fordi ADC-oppløsningen ble satt til 0,125mV.

Komponenter kreves

Skriv hele komponenten uten tabell

Sl.nr	Deler	Type	Mengde
1	CT	Vinduetype	1
2	Arduino Nano	Generisk	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	16-biters ADC	1
5	LMC7660	IC	1
6	120Ω, 1%	Motstand	1
7	10uF	Kondensator	2
8	33uF	Kondensator	1
9	Brettbrett	Generisk	1
10	Jumper Wires	Generisk	10

Kretsdiagram

Skjematisk nedenfor viser tilkoblingsguiden for strømmåling ved hjelp av strømtransformatoren

Slik ser kretsen ut på brødplaten.

Gjeldende målekretskonstruksjon

I en tidligere opplæring har jeg vist deg hvordan du nøyaktig måler ekte RMS-spenning ved hjelp av AD736 IC og hvordan du konfigurerer en koblet kondensator spenningsomformerkrets som genererer en negativ spenning fra en positiv inngangsspenning, i denne opplæringen bruker vi begge IC-ene fra disse opplæringene.

For denne demonstrasjonen er kretsen konstruert på et loddfritt brødbrett, ved hjelp av skjematisk; DC-spenningen måles også ved hjelp av en 16-biters ADC for bedre nøyaktighet. Og mens jeg demonstrerer kretsen på et brødbrett for å redusere parasitten, har jeg brukt så mange hopperkabler som mulig.

Arduino-kode for nåværende måling

Her brukes Arduino til å vise måleverdiene til det serielle skjermvinduet. Men med litt modifikasjon i koden kan man veldig enkelt vise verdiene på 16x2 LCD. Lær grensesnittet mellom 16x2 LCD og Arduino her.

Komplett kode for gjeldende transformator finner du på slutten av denne delen. Her blir viktige deler av programmet forklart.

Vi begynner med å inkludere alle nødvendige bibliotekfiler. Wire-biblioteket brukes til å kommunisere mellom Arduino og ADS1115-modulen, og Adafruit_ADS1015-biblioteket hjelper oss med å lese data og skrive instruksjoner til modulen.

#inkludere #inkludere

Deretter definerer du MULTIPLICATION_FACTOR som brukes til å beregne gjeldende verdi fra ADC-verdien.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * faktor for å beregne faktisk nåverdi * / Adafruit_ADS1115 annonser; / * Bruk dette til 16-biters versjon ADS1115 * /

16-biters ADC spytter ut 16-biters lange heltall slik at variabelen int16_t brukes. Tre andre variabler brukes, en for å lagre RAW-verdien for ADC, en for å vise den faktiske spenningen i ADC-pinnen og til slutt en for å vise denne spenningsverdien til gjeldende verdi.

int16_t adc1_raw_value; / * variabel for å lagre rå ADC-verdi * / float målt_voltae; / * variabel for å lagre målt spenning * / flytstrøm; / * variabel for å lagre beregnet strøm * /

Begynn oppsettdelen av koden ved å aktivere serieutgangen med 9600 baud. Skriv deretter ut forsterkningen til ADC som er satt; Dette er fordi spenning som er mer enn den definerte verdien, absolutt kan skade enheten.

Still nå ADC-gevinsten med ads.setGain (GAIN_ONE); metoden som setter 1-biters oppløsning til 0,125 mV

Etter det kalles ADC start- metoden som setter alt opp i maskinvaremodulen og statistikkonvertering.

ugyldig oppsett (ugyldig) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Få enkle avlesninger fra AIN0..3"); // noe feilsøkingsinformasjon Serial.println ("ADC Range: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // ADC-inngangsområdet (eller forsterkningen) kan endres via følgende // funksjoner, men vær forsiktig så du aldri overskrider VDD + 0,3V maks, eller // overskrider de øvre og nedre grensene hvis du justerer inngangsområdet! // Hvis du setter disse verdiene feil, kan det ødelegge ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x forsterkning +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (standard) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x forsterkning +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x forsterkning +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x forsterkning +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x forsterkning +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x forsterkning +/- 0.256V 1 bit = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); }

I loop- delen leser jeg den rå ADC-verdien og lagrer den til den tidligere nevnte variabelen for senere bruk. Konverter deretter den rå ADC-verdien til spenningsverdier for måling, og beregn nåværende verdi og vis den til det serielle skjermvinduet.

ugyldig sløyfe (ugyldig) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); målt_voltae = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); gjeldende = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ADC-verdi:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Målt spenning:"); Serial.println (målt_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Beregnet strøm:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); forsinkelse (500); }

Merk! Hvis du ikke har biblioteket for ADS1115-modulen, må du inkludere biblioteket i Arduino IDE, du finner biblioteket i dette GitHub-depotet.

Komplett Arduino-kode er gitt nedenfor:

#inkludere #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * faktor for å beregne faktisk nåverdi * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * maksimumsverdi som ADC produserer * / #definer ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 annonser; / * Bruk dette til 16-biters versjon ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * variabel for å lagre rå ADC-verdi * / float målt_voltae; / * variabel for å lagre målt volt * / flytstrøm; / * variabel for å lagre beregnet strøm * / ugyldig oppsett (ugyldig) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Få enkle avlesninger fra AIN0..3"); // noe feilsøkingsinformasjon Serial.println ("ADC Range: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // ADC-inngangsområdet (eller forsterkningen) kan endres via følgende // funksjoner, men vær forsiktig så du aldri overskrider VDD + 0.3V maks,eller å // overskride øvre og nedre grense hvis du justerer inngangsområdet! // Hvis du setter disse verdiene feil, kan det ødelegge ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x forsterkning +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (standard) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x forsterkning +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x forsterkning +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x forsterkning +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x forsterkning +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x forsterkning +/- 0.256V 1 bit = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); } ugyldig sløyfe (ugyldig) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); målt_voltae = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); gjeldende = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ADC-verdi:"); Seriell.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Målt spenning:"); Serial.print (målt_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Beregnet strøm:"); Serial.print (nåværende, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); forsinkelse (500); }

Testing av kretsen

Verktøy som brukes til å teste kretsen

2 60W glødelampe
Meco 450B + TRMS multimeter

For å teste kretsen ble oppsettet ovenfor brukt. Strømmen strømmer fra CT til multimeteret, så går den tilbake til hovedstrømledningen.

Hvis du lurer på hva et FTDI-kort gjør i dette oppsettet, la meg fortelle deg at den innebygde USB til serielle omformeren ikke fungerte, så jeg måtte bruke en FTDI-omformer som en USB til seriell omformer.

Ytterligere forbedringer

De få mA-feilene du så i videoen (gitt nedenfor) er bare fordi jeg har laget kretsen i et brødbrett, så det var mange grunnproblemer.

Jeg håper du likte denne artikkelen og lærte noe nytt ut av den. Hvis du er i tvil, kan du spørre i kommentarene nedenfor eller bruke forumene våre for detaljert diskusjon.