Com mesurar el factor de potència de CA mitjançant Arduino: 4 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

Hola a tothom! Aquest és el meu tercer instructable, espero que el trobeu informatiu:-) Aquest serà un instructable sobre com fer una mesura bàsica del factor de potència mitjançant un Arduino. Abans de començar, hi ha algunes coses a tenir en compte:

1. Això NOMÉS funcionarà amb càrregues LINEALS (per exemple, motors inductius, transformadors, solenoides)
2. Això NO funcionarà amb NO-LINEALS (per exemple, bombetes CFL, fonts d'alimentació en mode commutador, LED)
3. Sóc enginyer elèctric i molt competent quan treballo amb potencial de xarxa (és a dir, 230V)

Atenció! Si no esteu entrenat o no sabeu treballar correctament amb la tensió de la xarxa, us suggereixo que no procediu amb aquesta part de la instrucció i us mostraré un mètode segur per demostrar que el circuit funciona.

Aquesta és una solució de maquinari per al problema de mesurar PF en càrregues lineals. Això també es pot fer exclusivament mitjançant un codi que inclou la possibilitat de mesurar càrregues no lineals, que tractaré de cobrir en un altre instructiu.

En benefici dels principiants que llegeixin això, el factor de potència és la proporció de potència real a potència aparent i es pot calcular trobant el cosinus de l’angle de fase entre la tensió i el corrent d’alimentació (vegeu la imatge adjunta de Google). Això és significatiu en aplicacions de corrent altern, ja que la "potència aparent" (volt-amperes) es pot calcular fàcilment utilitzant el voltatge multiplicat per corrent. Tot i així, per obtenir la potència real o "Potència Veritable" (Watts) la potència aparent s'ha de multiplicar pel factor de potència per fer una mesura real de la potència en Watts. Això només s'aplica a les càrregues que tenen un component inductiu o capatiu significatiu (com ara un motor). Les càrregues purament resistives, com ara els escalfadors elèctrics o les bombetes incandescents, tenen un factor de potència de 1,0 (unitat) i, per tant, la potència veritable i la potència aparent són iguals.

Pas 1: disseny de circuits

El factor de potència es pot calcular mitjançant un oscil·loscopi, mesurant la diferència de temps entre la tensió i el senyal de corrent. Es poden mesurar en qualsevol punt de l'ona sempre que es mostrin al mateix lloc. En aquest cas, era lògic mesurar entre zero punts de pas (punts de l’ona on la tensió creuava l’eix X).

Vaig dissenyar el següent circuit a Multisim. Suposant que el corrent i el voltatge de la càrrega són formes d’ona sinusoïdals pures, es pot mesurar el factor de potència. Cada forma d'ona s'introdueix en un detector de creuament zero (de vegades conegut com a convertidor d'ona sinusoïdal a quadrada) que és simplement un amplificador operacional 741 en mode comparador on la tensió de comparació és 0V. Quan l’ona sinusoïdal es troba en el cicle negatiu es genera un pols de CC negatiu i, quan l’ona sinusoïdal és positiva, es genera un impuls de CC positiu. Les dues ones quadrades es comparen a continuació mitjançant una porta lògica exclusiva OR (XOR), que generarà un impuls positiu de CC només quan les ones quadrades no es superposen i 0V quan es superposen. Per tant, la sortida de la porta XOR és la diferència de temps (delta t) entre les dues ones des del punt en què creuen el punt zero. Aquest senyal de diferència es pot temporitzar mitjançant un microcontrolador i convertir-lo en factor de potència mitjançant el següent càlcul (assegureu-vos que la vostra calculadora científica estigui en graus i no en radians):

cos (phi) = f * dt * 360

On:

cos (phi): el factor de potència

f - La freqüència del subministrament mesurat

dt - delta t o diferència de temps entre les ones

360: una constant que s’utilitza per donar resposta en graus

A les imatges veureu tres traces d'oscil·loscopi simulades per al circuit. Els dos senyals d’entrada representen el corrent i el voltatge a la càrrega. He donat al segon senyal una diferència de fase de 18 graus, per demostrar la teoria. Això dóna un PF d'aproximadament 0,95.

Pas 2: prototipatge i proves

Per a la meva construcció de prototips, he posat el disseny del circuit en una placa de soldadura sense soldadura. Des del full de dades UA741CN i el full de dades CD4070CN, tots dos IC funcionen amb un subministrament de 12-15 Vcc, de manera que vaig alimentar-me amb dues bateries per fer una alimentació de doble carril + 12V, 0V, -12V Volt.

Simulant una càrrega

Podeu simular una càrrega utilitzant un generador de senyal de doble canal o un generador de funcions. Vaig utilitzar aquesta caixa xinesa barata i alegre per produir dues ones sinusoïdals de 50 Hz separades a 18 graus, i vaig introduir els senyals al circuit. Podeu veure les formes d’ona resultants en un oscil·loscopi. A les imatges de dalt podeu veure les dues ones quadrades superposades (sortida de cada amplificador operatiu), i les altres tres imatges il·lustren la sortida de la porta XOR. Fixeu-vos en com l'amplada del pols de sortida es redueix amb l'angle de fase decreixent. Els exemples anteriors mostren 90, 40, 0 graus.

Pas 3: Codi Arduino

Com s’ha esmentat anteriorment, la sortida del circuit de mesura és la diferència de temps entre els dos senyals d’entrada (és a dir, el senyal de corrent i el de tensió). El codi arduino utilitza "pulseIn" per mesurar la longitud del pols de sortida del circuit de mesura en nanos segons i l'utilitza a la fórmula PF esmentada anteriorment.

El codi comença definint constants, principalment per fer-lo més organitzat i llegible. El més important és que el codi C (codi arduino) funciona en radians i no en graus, de manera que cal una conversió de radians a graus per calcular els angles i els PF més endavant. Un radià és d'aprox. 57.29577951 graus. També s’emmagatzema el número 360 i el factor de multiplicació 1x10 ^ -6 per convertir nanosegons en segons simples. La freqüència també es defineix a l'inici, si utilitzeu qualsevol cosa que no sigui 50Hz, assegureu-vos que s'actualitzi al començament del codi.

Dins de "void loop ()" li he dit a l'Arduino que calculi l'angle basant-se en la fórmula PF esmentada anteriorment. En la meva primera iteració d’aquest codi, el codi retornaria l’angle i el factor de potència correctes, però entre cada resultat correcte també es retornarà algun valor baix erroni a la consola sèrie. Vaig notar que es tractava de qualsevol lectura o de cada quatre mesures. Vaig col·locar una sentència "if" dins d'un bucle "for" per emmagatzemar el valor màxim de cada quatre lectures consecutives. Ho fa comparant el càlcul amb "angle_max" que inicialment és zero, i si és més gran emmagatzema el nou valor dins "angle_max". Això es repeteix per a la mesura de PF. En fer-ho en un bucle "for" significa que sempre es retornen l'angle i pf correctes, però si l'angle mesurat canvia (més alt o més baix), quan "for" ends "angle_max" es restableix a zero per a la següent prova, quan " bucle buit () "es repeteix. Hi ha un molt bon exemple de com funciona al lloc web d’Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). La segona fórmula "si" simplement impedeix la devolució de qualsevol valor superior a 360 en cas que es mesuri un valor elevat erroni quan el dispositiu que es prova està apagat.

Pas 4: la prova d’àcid

No intenteu el següent tret que sàpiga treballar amb seguretat amb la tensió de corrent altern. Si teniu dubtes sobre la vostra seguretat, proveu de simular els senyals d’entrada amb un generador de formes d’ona de doble canal.

A petició d’un seguidor, he fet un disseny de taulers a Fritzing per donar una millor idea del circuit i del circuit de mostreig / detecció (he adjuntat el fitxer.fzz i un diagrama.png). El motor de la part superior representa el ventilador de sobretaula que he utilitzat i la bobina d’inducció representa el transformador de corrent que he envoltat al voltant del conductor en directe. Vaig alimentar els 741 IC mitjançant dos paquets de bateries de 12V disposats per donar +12 VDC, 0 VDC (terra) i -12 VDC. El CD4070 també es pot alimentar directament des del carril de 5V d’Arduino.

Per demostrar que el concepte funciona en realitat, el circuit es va construir sobre una placa de soldadura menys soldada. A les imatges es pot veure la disposició del circuit. He utilitzat un ventilador de sobretaula com a càrrega inductiva per provar el concepte. Entre el subministrament de 230V i la càrrega hi ha el meu equip de detecció. Tinc un transformador reductor que transforma 230V directament a 5V per permetre el mostreig de la forma d'ona de tensió. Es va utilitzar un transformador de corrent no invasiu fixat al voltant del conductor actiu per provar la forma d'ona de corrent (dreta de la resistència revestida d'alumini). Tingueu en compte que no necessàriament heu de conèixer l’amplitud del corrent o del voltatge, només la forma d’ona de l’ampli operatiu per identificar el pas zero. Les imatges anteriors mostren les formes d'ona de corrent i tensió reals del ventilador i la consola sèrie arduino, que informa d'un PF de 0,41 i un angle de 65 graus.

Aquest principi de treball es pot incorporar a un monitor d'energia casolà per fer mesures de potència reals. Si és competent, podeu provar de controlar diferents càrregues inductives i resistives i determinar el seu factor de potència. I aquí està! un mètode molt senzill per mesurar el factor de potència.