Mesureu la freqüència de xarxa mitjançant Arduino: 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

El 3 d'abril, el primer ministre de l'Índia, Shri. Narendra Modi havia apel·lat als indis per apagar els llums i encendre una làmpada (Diya) a les 21:00 del 5 d'abril per marcar la lluita de l'Índia contra el virus Corona. Just després de l'anunci, hi va haver un gran caos a les xarxes socials que va dir que això resultaria en un apagat complet a causa de la fallada de la xarxa elèctrica.

Jo, estudiant d’enginyeria elèctrica, volia veure l’efecte d’una reducció sobtada de la càrrega a la xarxa elèctrica. Un dels paràmetres que es veu afectat és Freqüència. Per tant, vaig decidir fabricar un dispositiu per mesurar la freqüència de tensió d’una presa de corrent de casa meva. Tingueu en compte que per a aquest petit experiment la precisió del valor mesurat no és important, ja que només volia observar els canvis en la freqüència.

En aquest instructiu, explicaré ràpidament com pot fallar una quadrícula i després us mostraré com he mesurat la freqüència.

Pas 1: per què preocupar-se?

Una xarxa elèctrica pot fallar a causa de molts factors, un dels quals és una reducció sobtada de la càrrega. Intentaré explicar-ho de la manera més senzilla possible de manera que una persona sense antecedents elèctrics ho pugui entendre.

Què és la freqüència? És el nombre de vegades que es repeteix una ona de CA en un segon. La freqüència a l'Índia és de 50 Hz, cosa que significa que una ona de CA es repeteix 50 vegades en un segon.

En qualsevol central elèctrica, hi ha una turbina que és un dispositiu mecànic rotatiu que extreu energia del flux de fluid (vapor, aigua, gas, etc.) i la converteix en treball útil (energia mecànica). Aquesta turbina està connectada (acoblada) a un generador. Un generador converteix aquesta energia mecànica en energia elèctrica que obtenim a casa nostra.

Considerem una planta d'energia de vapor per a aquesta explicació. Aquí, el vapor d’alta pressió s’utilitza per fer girar una turbina que al seu torn fa girar el generador i es genera electricitat. No discutiré com funciona un generador, però recordeu que la freqüència del voltatge generat està directament relacionada amb la velocitat a la qual gira el generador. Si augmenta la velocitat, augmenta la freqüència i viceversa. Suposem que el generador no està connectat a cap càrrega. El generador s’accelera augmentant l’entrada de vapor a la turbina fins que la freqüència es converteix en 50Hz. El generador ja està preparat per subministrar energia. Tan bon punt el generador està connectat a la càrrega (o xarxa), el corrent comença a fluir a través del seu bobinat i la seva velocitat disminueix i, per tant, la freqüència. Però, segons les normes reguladores, la freqüència hauria d’estar dins d’una banda específica. A l’Índia és del +/- 3%, és a dir, de 48,5 Hz a 51,5 Hz. Ara, per compensar la freqüència reduïda a causa d’una disminució de la velocitat, l’entrada de vapor s’incrementa fins que la freqüència es torna a convertir en 50Hz. Aquest procés continua. La càrrega augmenta, disminueix la velocitat, disminueix la freqüència, augmenta l’entrada de vapor i s’accelera el generador. Tot això es fa automàticament mitjançant un dispositiu anomenat Governor. Supervisa la velocitat (o freqüència) del generador i ajusta l’entrada de vapor en conseqüència. Com que la major part de la peça és mecànica, els canvis triguen uns quants segons (és a dir, una constant de temps alta).

Ara, considerem que de sobte s’elimina tota la càrrega del generador. El generador s’accelera per sobre de la seva velocitat normal, ja que anteriorment havíem augmentat l’entrada de vapor per compensar l’augment de la càrrega. Abans que el governador pugui detectar i canviar l’entrada de vapor, el generador s’accelera tan ràpidament que la freqüència creua el seu límit superior. Atès que això no està permès segons les normes reguladores, el generador dispara (o està desconnectat) de la xarxa a causa de la freqüència excessiva.

A l’Índia tenim One Nation - One Grid, que significa que tots els generadors de l’Índia estan connectats a una sola xarxa. Això ajuda a enviar energia a qualsevol part del país. Però hi ha un desavantatge. Una falla massiva en qualsevol part del país es pot estendre ràpidament a altres parts, cosa que provoca el trencament de tota la xarxa. Per tant, tot un país es queda sense poder!

Pas 2: el pla

El pla és mesurar la freqüència de tensió a intervals especificats.

Un transformador de rosca central s’utilitza per reduir la tensió de 230V a 15V AC.

El mòdul RTC proporciona l'hora real.

Totes dues dades (temps i freqüència) s’emmagatzemen a la targeta Micro SD en dos fitxers separats. Un cop finalitzada la prova, es poden importar les dades a un full d'Excel per generar el gràfic.

S’utilitzarà una pantalla LCD per mostrar la freqüència.

Compte! Trobareu una tensió de xarxa de CA mortal. Procediu només si sabeu què feu. L’electricitat no dóna una segona oportunitat

Pas 3: coses que necessitareu

1x Arduino Nano

Pantalla LCD 1x 16x2

1 mòdul de rellotge en temps real DS3231

1x mòdul de targeta Micro SD

1x transformador de rosca central (15V-0-15V)

2x 10k resistència

Resistència 1x 1k

1x 39k resistència

1x transistor NPN 2N2222A

1x 1N4007 díode

Pas 4: ajuntar les coses

Aquí s’adjunta l’esquema de la construcció. Vaig a construir-lo en un tauler de suport, però podeu fer-lo més permanent utilitzant un tauler de perfils o fer un PCB personalitzat.

Trieu el valor correcte de "R3" per al transformador:

R3 i R4 formen un divisor de tensió i els valors s’escullen de manera que el pic de la tensió CA no superi els 5V. Per tant, si teniu previst utilitzar un altre transformador amb diferents qualificacions, també heu de canviar R3. Recordeu que les tensions assignades en un transformador estan en RMS. En el meu cas, és el 15-0-15.

Utilitzeu un multímetre per verificar-lo. La tensió mesurada serà majoritàriament superior a 15V. En el meu cas, rondava els 17,5V. El valor màxim serà de 17,5 x sqrt (2) = 24,74V. Aquest voltatge és molt superior al voltatge màxim emissor de porta (6V) del transistor 2N2222A. Podem calcular el valor de R3 utilitzant la fórmula del divisor de tensió que es mostra a la imatge superior.

Connexions per al mòdul de targeta SD:

El mòdul utilitza SPI per a la comunicació.

• MISO a D12
• MOSI a D11
• SCK a D13
• CS / SS a D10 (Podeu utilitzar qualsevol pin per a la selecció de xip)

Assegureu-vos que la targeta SD tingui primer format com a FAT.

Connexions per al mòdul RTC

Aquest mòdul utilitza I2C per a la comunicació.

• SDA a A4
• SCL a A5

Connexions per a pantalla LCD

• RST a D9
• EN a D8
• D4 a D7
• D5 a D6
• D6 a D5
• D7 a D4
• R / W a GND

Pas 5: temps de codificació

El codi s'ha adjuntat aquí. Baixeu-lo i obriu-lo amb Arduino IDE. Abans de carregar-lo, assegureu-vos d’instal·lar la biblioteca DS3231. He trobat informació útil en aquest lloc web.

Configuració de RTC:

1. Introduïu una bateria de cèl·lula de tipus 2032.
2. Obriu el DS3231_Serial_Easy dels exemples que es mostren.
3. Descomenteu les 3 línies i introduïu l’hora i la data tal com es mostra a la imatge.
4. Pengeu l'esbós a Arduino i obriu el monitor sèrie. Estableix la velocitat de transmissió en 115200. Hauries de poder veure el temps que es refresca cada 1 s.
5. Ara, desconnecteu l’Arduino i torneu-lo a endollar al cap d’uns segons. Mireu el monitor sèrie. Ha de mostrar-se en temps real.

Fet! S'ha creat RTC. Aquest pas només s'ha de fer una vegada per definir la data i l'hora.

Pas 6: processament de les dades

Un cop finalitzada la prova, traieu la targeta micro SD del mòdul i connecteu-la a l'ordinador mitjançant un lector de targetes. Hi haurà dos fitxers de text anomenats FREQ.txt i TIME.txt.

Copieu el contingut d’aquests fitxers i enganxeu-lo en un full Excel en dues columnes separades (Temps i Freq).

Feu clic a Insereix> Gràfic. Excel hauria de comprovar automàticament les dades del full i traçar el gràfic.

Augmenteu la resolució de l'eix vertical perquè les fluctuacions siguin ben visibles. A Fulls de càlcul de Google, personalitza> Eix vertical> Min. = 49,5 i màx. = 50,5

Pas 7: Resultats

Podem veure clarament un lleuger augment de freqüència quan les càrregues es tallen cap a les 21:00 (21:00) i una disminució de la freqüència cap a les 21:10 (21:10) a mesura que es tornen a activar les càrregues. No hi ha cap dany a la xarxa, ja que la freqüència es troba dins de la banda de tolerància (+/- 3%), és a dir, de 48,5 Hz a 51,5 Hz.

Un tuit del ministre d'Estat del Govern de l'Índia, el Sr. R K Singh, confirma que els resultats que vaig obtenir van ser força precisos.

Gràcies per mantenir-vos al final. Espero que us agradi aquest projecte i hàgiu après alguna cosa nova. Avisa’m si en fas un per tu mateix. Subscriviu-vos al meu canal de YouTube per obtenir més projectes d’aquest tipus.