Arduino Kullanarak AC Güç Faktörü Nasıl Ölçülür: 4 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

Herkese selam! Bu benim üçüncü talimatım, umarım bilgilendirici bulursunuz:-) Bu, bir Arduino kullanarak temel bir güç faktörü ölçümünün nasıl yapılacağına dair bir talimat olacaktır. Başlamadan önce akılda tutulması gereken birkaç şey var:

1. Bu YALNIZCA DOĞRUSAL yüklerle (örneğin endüktif motorlar, transformatörler, solenoidler) çalışacaktır.
2. Bu, DOĞRUSAL OLMAYAN (örneğin CFL Ampuller, anahtarlamalı güç kaynakları, LED'ler) ile ÇALIŞMAZ
3. Ben bir elektrik mühendisiyim ve şebeke potansiyeliyle (yani 230V) çalışırken çok yetkinim

Uyarı! Eğitim almadıysanız veya ana şebeke voltajıyla nasıl doğru çalışacağınızı bilmiyorsanız, talimatın o kısmına devam etmemenizi öneririm ve size devrenin çalıştığını kanıtlamak için güvenli bir yöntem göstereceğim.

Bu, doğrusal yüklerde PF'yi ölçme sorununa bir donanım çözümüdür. Bu, başka bir talimatta ele almayı hedefleyeceğim doğrusal olmayan yükleri ölçme yeteneği de dahil olmak üzere tamamen kod aracılığıyla da yapılabilir.

Bunu okuyan yeni başlayanlar için, güç faktörü gerçek gücün görünen güce oranıdır ve besleme gerilimi ile akım arasındaki faz açısının kosinüsünü bularak hesaplanabilir (Google'dan ekteki resme bakın). Bu, AC uygulamalarında önemlidir, çünkü "Görünür Güç" (Volt-Amper), Gerilim ile Akım çarpımı kullanılarak kolayca hesaplanabilir. Ancak gerçek gücü veya "Gerçek Güç" (Watt) değerini elde etmek için, Watt cinsinden gerçek bir güç ölçümü yapmak için görünen gücün güç faktörü ile çarpılması gerekir. Bu yalnızca önemli bir endüktif veya kapasitif bileşene (motor gibi) sahip yükler için geçerlidir. Elektrikli ısıtıcılar veya akkor ampuller gibi tamamen dirençli yüklerin güç faktörü 1,0'dır (birlik) ve bu nedenle Gerçek Güç ve Görünür Güç aynıdır.

Adım 1: Devre Tasarımı

Güç faktörü, voltaj ve akım sinyali arasındaki zaman farkı ölçülerek bir osiloskop kullanılarak hesaplanabilir. Bunlar, aynı yerde örneklendikleri sürece dalganın herhangi bir noktasında ölçülebilir. Bu durumda sıfır geçiş noktaları (voltajın X eksenini geçtiği dalgadaki noktalar) arasında ölçüm yapmak mantıklıydı.

Aşağıdaki devreyi Multisim'de tasarladım. Yüke giden akım ve voltajın saf sinüzoidal dalga biçimleri olduğunu varsayarsak, güç faktörü ölçülebilir. Her dalga biçimi, karşılaştırma voltajının 0V olduğu karşılaştırıcı modunda yalnızca bir 741 op-amp olan bir sıfır geçiş detektörüne (bazen sinüsten kare dalgaya dönüştürücü olarak da bilinir) beslenir. Sinüs dalgası negatif döngüdeyken negatif bir DC darbesi üretilir ve sinüs dalgası pozitif olduğunda pozitif bir DC darbesi üretilir. İki kare dalga daha sonra, yalnızca kare dalgalar örtüşmediğinde pozitif bir yüksek DC darbesi ve üst üste geldiklerinde 0V verecek olan özel bir VEYA (XOR) mantık geçidi kullanılarak karşılaştırılır. Bu nedenle XOR geçidinin çıktısı, iki dalganın sıfır noktasını geçtikleri noktadan arasındaki zaman farkıdır (delta t). Bu fark sinyali daha sonra bir mikro denetleyici tarafından zamanlanabilir ve aşağıdaki hesaplama kullanılarak güç faktörüne dönüştürülebilir (bilimsel hesap makinenizin radyan değil derece cinsinden olduğundan emin olun):

cos(phi) = f * dt * 360

Nereye:

cos(phi) - güç faktörü

f - Ölçülen beslemenin frekansı

dt - delta t veya dalgalar arasındaki zaman farkı

360 - derece cinsinden cevap vermek için kullanılan bir sabit

Resimlerde devre için simüle edilmiş üç osiloskop izi göreceksiniz. İki giriş sinyali, yüke giden akımı ve voltajı temsil eder. Teoriyi göstermek için ikinci sinyale 18 derecelik bir faz farkı verdim. Bu, yaklaşık 0,95'lik bir PF verir.

Adım 2: Prototipleme ve Test Etme

Prototip yapımım için devre tasarımını lehimsiz bir devre tahtasına koydum. UA741CN veri sayfasından ve CD4070CN veri sayfasından her iki IC de 12-15 Vdc beslemeyle çalışıyor, bu yüzden çift raylı +12V, 0V, -12V Volt güç kaynağı yapmak için iki pil kullanarak güç verdim.

Bir yükü simüle etmek

Çift kanallı bir sinyal üreteci veya fonksiyon üreteci kullanarak bir yükü simüle edebilirsiniz. Bu ucuz ve neşeli Çin kutusunu 18 derece arayla iki 50 Hz sinüs dalgası üretmek için kullandım ve sinyalleri devreye besledim. Ortaya çıkan dalga formlarını bir osiloskopta görebilirsiniz. Yukarıdaki resimlerde üst üste binen iki kare dalgayı (her op-amp'den çıkış) görebilirsiniz ve diğer üç resim XOR geçidinin çıkışını göstermektedir. Faz açısının azalmasıyla çıkış darbesinin genişliğinin nasıl kısaldığına dikkat edin. Yukarıdaki örnekler 90, 40, 0 Dereceyi göstermektedir.

Adım 3: Arduino Kodu

Yukarıda bahsedildiği gibi, ölçüm devresinden gelen çıkış, iki giriş sinyali (yani akım ve voltaj sinyali) arasındaki zaman farkıdır. Arduino kodu, ölçüm devresinden çıkış darbesinin uzunluğunu nano saniye cinsinden ölçmek için "pulseIn" kullanır ve bunu yukarıda belirtilen PF formülünde kullanır.

Kod, esas olarak kodu daha düzenli ve okunabilir hale getirmek için sabitleri tanımlayarak başlar. En önemlisi, C kodu (arduino kodu) derecede değil radyan cinsinden çalışır, bu nedenle daha sonra açıları ve PF'leri hesaplamak için radyandan dereceye bir dönüşüm gerekir. Bir radyan yaklaşık. 57.29577951 derece. 360 sayısı da saklanır ve nano Saniyeleri düz Saniyelere dönüştürmek için 1x10^-6 çarpma faktörü. Frekans ayrıca başlangıçta tanımlanır, 50Hz dışında bir şey kullanıyorsanız, kodun başında bunun güncellendiğinden emin olun.

"Void loop()" içinde Arduino'ya daha önce bahsedilen PF formülüne göre açıyı hesaplamasını söyledim. Bu kodu ilk yinelememde, kod doğru açıyı ve güç faktörünü döndürecekti, ancak her doğru sonuç arasında seri konsolda bazı hatalı düşük değerler de döndürüldü. Bunun her iki okumada bir veya dört ölçümde bir olduğunu fark ettim. Her dört ardışık okumanın maksimum değerini saklamak için bir "for" döngüsünün içine bir "if" ifadesi yerleştirdim. Bunu, hesaplamayı başlangıçta sıfır olan "angle_max" ile karşılaştırarak yapar ve daha büyükse yeni değeri "angle_max" içinde saklar. Bu, PF ölçümü için tekrarlanır. Bunu bir "for" döngüsünde yapmak, doğru açı ve pf'nin her zaman döndürüldüğü anlamına gelir, ancak ölçülen açı değişirse (daha yüksek veya daha düşük), "for" bittiğinde "angle_max" bir sonraki test için sıfırlanır, " void loop()" tekrar eder. Bunun Arduino web sitesinde nasıl çalıştığına dair çok güzel bir örnek var (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). İkinci "if" formülü, test edilen cihaz kapatıldığında hatalı yüksek ölçüm yapılması durumunda 360'tan daha yüksek herhangi bir değerin döndürülmesini basitçe engeller.

Adım 4: Asit Testi

AC şebeke voltajıyla nasıl güvenli çalışacağınızı bilmiyorsanız aşağıdakileri denemeyin. Güvenliğinizden şüphe duyuyorsanız, giriş sinyallerini çift kanallı bir dalga formu üreteci ile simüle etmeyi deneyin.

Bir takipçimin isteği üzerine devre ve örnekleme/algılama devresi hakkında daha iyi fikir vermesi için Fritzing üzerinde bir devre tahtası yerleşimi yaptım (.fzz dosyasını ve bir-p.webp

Konseptin gerçekte çalıştığını kanıtlamak için devre, lehimsiz bir devre tahtası üzerine inşa edildi. Resimlerden devre düzenini görebilirsiniz. Konsepti test etmek için endüktif yüküm olarak bir masa fanı kullandım. 230V şebeke beslemesi ve yük arasında benim algılama ekipmanım var. Voltaj dalga formunun örneklenmesine izin vermek için 230V'u doğrudan 5V'a dönüştüren bir düşürücü transformatörüm var. Akım dalga biçimini (alüminyum kaplı direncin sağında) örneklemek için canlı iletken etrafına kenetlenmiş bir non-invaziv akım trafosu kullanıldı. Akım veya voltajın genliğini bilmeniz gerekmediğini, yalnızca op-amp'in sıfır geçişini tanımlaması için dalga biçimini bilmenize gerek olmadığını unutmayın. Yukarıdaki resimler, fandan gelen gerçek akım ve voltaj dalga biçimlerini ve 0.41'lik bir PF ve 65 Derecelik bir açı bildiren arduino seri konsolunu gösterir.

Bu çalışma prensibi, gerçek güç ölçümleri yapmak için ev yapımı bir enerji monitörüne dahil edilebilir. Eğer yetkinseniz, farklı endüktif ve dirençli yükleri izlemeyi ve güç faktörlerini belirlemeyi deneyebilirsiniz. Ve işte burada! güç faktörünü ölçmek için çok basit bir yöntem.