Cara Mengukur Faktor Kuasa AC Menggunakan Arduino: 4 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Hai semua! Ini adalah petunjuk ketiga saya, harap anda dapati maklumat:-) Ini akan menjadi petunjuk mengenai cara membuat pengukuran faktor kuasa asas menggunakan Arduino. Sebelum kita memulakan ada beberapa perkara yang perlu diingat:

1. Ini HANYA akan berfungsi dengan beban LINEAR (mis. Motor induktif, transformer, solenoid)
2. Ini TIDAK akan berfungsi dengan NON-LINEAR (mis. Lampu CFL, bekalan kuasa mod suis, LED)
3. Saya seorang jurutera elektrik dan sangat cekap ketika bekerja dengan potensi utama (iaitu 230V)

Amaran! Sekiranya anda tidak terlatih atau tidak tahu cara bekerja dengan betul dengan voltan utama, saya cadangkan anda tidak meneruskan bahagian yang boleh diarahkan dan saya akan menunjukkan kaedah yang selamat untuk membuktikan litar berfungsi.

Ini adalah penyelesaian perkakasan untuk masalah mengukur PF dalam beban linear. Ini juga dapat dilakukan secara murni melalui kod termasuk kemampuan untuk mengukur beban tidak linier, yang ingin saya bahas dalam instruksi lain.

Untuk kepentingan mana-mana pemula yang membaca ini, faktor kuasa adalah nisbah kuasa sejati dengan daya nyata dan dapat dikira dengan mencari kosinus sudut fasa antara voltan bekalan dan arus (lihat gambar yang dilampirkan dari Google). Ini penting dalam aplikasi AC kerana "Kuasa Apparent" (Volt-Amperes) dapat dikira dengan mudah menggunakan Voltan dikalikan dengan Arus. Namun untuk mendapatkan kuasa sebenar atau "Kuasa Sejati" (Watt) kuasa yang nyata mesti dikalikan dengan faktor daya untuk membuat pengukuran kuasa yang sebenarnya di Watt. Ini hanya berlaku untuk beban yang mempunyai komponen induktif atau daya tarikan (seperti motor). Beban perintang murni seperti pemanas elektrik atau mentol pijar mempunyai faktor kuasa 1.0 (kesatuan) dan oleh itu Kuasa Sejati dan Kuasa Rupanya sama.

Langkah 1: Reka Bentuk Litar

Faktor daya boleh dihitung menggunakan osiloskop, dengan mengukur perbezaan masa antara voltan dan arus. Ini dapat diukur pada setiap titik gelombang selagi sampel di tempat yang sama. Dalam kes ini, adalah logik untuk mengukur antara titik persilangan sifar (titik dalam gelombang di mana voltan melintasi paksi-X).

Saya merancang litar berikut di Multisim. Dengan mengandaikan arus dan voltan ke beban adalah bentuk gelombang sinusoidal tulen, faktor daya dapat diukur. Setiap bentuk gelombang dimasukkan ke dalam alat pengesan penyeberangan sifar (kadang-kadang dikenali sebagai penukar gelombang sinus ke persegi) yang hanya merupakan 741 op-amp dalam mod pembanding di mana voltan perbandingan adalah 0V. Apabila gelombang sinus berada dalam kitaran negatif denyut DC negatif dihasilkan, dan ketika gelombang sinus positif denyut DC positif dihasilkan. Kedua gelombang persegi kemudian dibandingkan menggunakan gerbang logik OR (XOR) eksklusif, yang akan menghasilkan denyut DC positif tinggi hanya apabila gelombang persegi tidak bertindih, dan 0V ketika bertindih. Oleh itu, keluaran pintu XOR adalah perbezaan masa (delta t) antara dua gelombang dari titik yang melintasi titik sifar. Isyarat perbezaan ini kemudiannya dapat ditentukan oleh mikrokontroler dan ditukar menjadi faktor kuasa menggunakan pengiraan berikut (pastikan kalkulator saintifik anda berada dalam darjah bukan radian):

cos (phi) = f * dt * 360

Di mana:

cos (phi) - faktor kuasa

f - Kekerapan bekalan yang diukur

dt - delta t atau perbezaan masa antara gelombang

360 - pemalar yang digunakan untuk memberi jawapan dalam darjah

Dalam gambar anda akan melihat tiga jejak osiloskop simulasi untuk litar. Dua isyarat input mewakili arus dan voltan ke beban. Saya telah memberi isyarat kedua perbezaan fasa 18 Deg, untuk menurunkan teori. Ini memberikan PF kira-kira 0,95.

Langkah 2: Prototaip & Ujian

Untuk pembuatan prototaip saya, saya meletakkan reka bentuk litar pada papan roti tanpa solder. Dari lembaran data UA741CN dan lembar data CD4070CN, kedua-duanya menjalankan bekalan 12-15 Vdc jadi saya berkuasa menggunakan dua bateri untuk membuat bekalan elektrik rel + 12V, 0V, -12V Volt.

Menyimulasikan beban

Anda boleh mensimulasikan beban dengan menggunakan penjana isyarat saluran dua atau penjana fungsi. Saya menggunakan kotak Cina yang murah dan ceria ini untuk menghasilkan dua gelombang sinus 50 Hz yang berjarak 18 darjah, dan memasukkan isyarat ke dalam litar. Anda dapat melihat bentuk gelombang yang dihasilkan pada osiloskop. Dalam gambar di atas anda dapat melihat dua gelombang persegi yang bertindih (output dari setiap op-amp), dan tiga gambar lain menggambarkan output dari pintu gerbang XOR. Perhatikan bagaimana lebar nadi output bertambah pendek dengan sudut fasa yang semakin berkurang. Contoh di atas menunjukkan 90, 40, 0 Darjah.

Langkah 3: Kod Arduino

Seperti yang disebutkan di atas, output dari rangkaian pengukuran adalah perbezaan waktu antara dua isyarat input (iaitu isyarat arus dan voltan). Kod arduino menggunakan "pulseIn" untuk mengukur panjang nadi output dari litar pengukuran dalam nano saat dan menggunakannya dalam formula PF yang disebutkan di atas.

Kod ini dimulakan dengan menentukan pemalar, terutamanya untuk menjadikan kod lebih teratur dan mudah dibaca. Yang paling penting, kod C (kod arduino) berfungsi dalam radian bukan darjah, jadi penukaran dari radian ke darjah diperlukan untuk mengira sudut dan PF di kemudian hari. Satu radian adalah kira-kira. 57.29577951 darjah. Nombor 360 juga disimpan dan faktor pendaraban 1x10 ^ -6 untuk menukar Nano Detik menjadi Detik biasa. Frekuensi juga ditentukan pada permulaan, jika anda menggunakan apa-apa selain 50Hz pastikan ini dikemas kini pada permulaan kod.

Di dalam "void loop ()" Saya telah memberitahu Arduino untuk mengira sudut berdasarkan formula PF yang disebutkan sebelumnya. Pada lelaran pertama saya mengenai kod ini, kod tersebut akan mengembalikan faktor sudut dan daya yang betul, namun di antara setiap hasil yang betul, beberapa nilai rendah yang salah juga akan dikembalikan dalam konsol bersiri. Saya perhatikan ini adalah setiap bacaan lain atau setiap empat ukuran. Saya meletakkan pernyataan "if" di dalam gelung "untuk" untuk menyimpan nilai maksimum setiap empat bacaan berturut-turut. Ia melakukannya dengan membandingkan perhitungan dengan "angle_max" yang pada awalnya adalah sifar, dan jika lebih besar menyimpan nilai baru di dalam "angle_max". Ini diulang untuk pengukuran PF. Dengan melakukan ini dalam gelung "untuk" itu bermaksud sudut yang betul dan pf selalu dikembalikan, tetapi jika sudut yang diukur berubah (lebih tinggi atau lebih rendah), ketika "untuk" hujung "angle_max" diset semula ke nol untuk ujian seterusnya, ketika " gelung kosong () "berulang. Terdapat contoh yang sangat baik tentang bagaimana ini berfungsi di laman web Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). Formula "if" yang kedua hanya menghalang nilai yang lebih tinggi daripada 360 dikembalikan sekiranya tinggi yang salah diukur semasa peranti yang diuji dimatikan.

Langkah 4: Ujian Asid

Jangan cuba yang berikut melainkan anda tahu cara bekerja dengan selamat dengan voltan utama AC. Sekiranya anda ragu-ragu mengenai keselamatan anda, cuba simulasi isyarat input dengan penjana bentuk gelombang dua saluran.

Atas permintaan pengikut, saya telah membuat susun atur papan roti di Fritzing untuk memberi idea yang lebih baik mengenai litar dan rangkaian pensampelan / penginderaan (saya telah melampirkan fail.fzz dan rajah.png). Motor di bahagian atas mewakili kipas meja yang saya gunakan, dan gegelung induksi mewakili pengubah semasa yang saya lilitkan di konduktor Live. Saya menghidupkan IC 741 menggunakan dua pek bateri 12V yang disusun untuk memberi +12 VDC, 0 VDC (ground), dan -12 VDC. CD4070 juga boleh dihidupkan terus dari rel kuasa 5V Arduino.

Untuk membuktikan konsepnya berfungsi dalam kenyataan, litar dibina di atas papan serbuk yang kurang. Dari gambar anda dapat melihat susunan litar. Saya telah menggunakan kipas meja sebagai beban induktif saya untuk menguji konsep. Antara bekalan elektrik 230V dan beban adalah peralatan penginderaan saya. Saya mempunyai transformer step down yang mengubah 230V terus ke 5V untuk membolehkan bentuk gelombang voltan diambil sampel. Transformer arus tidak invasif yang dikepit di sekitar konduktor hidup digunakan untuk mengambil sampel bentuk gelombang semasa (kanan perintang berpakaian aluminium). Perhatikan bahawa anda tidak semestinya perlu mengetahui amplitud arus atau voltan, hanya bentuk gelombang untuk op-amp untuk mengenal pasti persilangan sifar. Gambar di atas menunjukkan bentuk gelombang arus dan voltan sebenar dari kipas, dan konsol bersiri arduino, yang melaporkan PF 0,41 dan sudut 65 Deg.

Prinsipal kerja ini dapat dimasukkan ke dalam monitor tenaga buatan rumah untuk membuat pengukuran daya yang benar. Sekiranya anda cekap, anda boleh mencuba memantau beban induktif dan daya tahan yang berbeza dan menentukan faktor daya mereka. Dan ada! kaedah untuk mengukur faktor kuasa.