Mesura de corrent altern mitjançant transformador de corrent i arduino

Un transformador de corrent és un tipus de transformador instrumental dissenyat especialment per transformar el corrent altern en el seu bobinatge secundari i la quantitat de corrent produïda és directament proporcional al corrent del bobinatge primari. Aquest tipus de transformador de corrent està dissenyat per mesurar de manera invisible el corrent del subsistema d’alta tensió o on circula una gran quantitat de corrent pel sistema. El treball d’un transformador de corrent consisteix a convertir l’alta quantitat de corrent en una quantitat inferior de corrent que es pugui mesurar fàcilment mitjançant un microcontrolador o un mesurador analògic. Prèviament, hem explicat la mesura de corrent mitjançant el transformador de corrent en diferents tipus de tècniques de detecció de corrent.

Aquí aprendrem detalladament aquesta tècnica de detecció de corrent i connectarem un transformador de corrent per mesurar el corrent altern amb l’ajut d’un Arduino. També aprendrem a determinar la relació de girs d’un transformador de corrent desconegut.

Transformador de corrent

Com he esmentat anteriorment, un transformador de corrent és un transformador dissenyat per mesurar el corrent. L'anterior que mostra dos transformadors que tinc actualment s'anomena transformador de corrent tipus finestra o es coneix comunament com a transformador de equilibri de nucli.

Com funciona el transformador de corrent?

El principi bàsic del transformador de corrent és el mateix que un transformador de tensió, igual que el transformador de tensió, el transformador de corrent també consisteix en un bobinatge primari i un bobinat secundari. Quan un corrent elèctric altern passa pel bobinat primari del transformador, es produeix un flux magnètic altern, que indueix un corrent altern en el bobinat secundari en aquest punt, es pot dir que és gairebé el mateix que un transformador de tensió si esteu pensant que aquí hi ha la diferència.

En general, un transformador de corrent sempre està en estat de curtcircuit amb l'ajut d'una resistència de càrrega, a més, el corrent que circula pel bobinat secundari només depèn del corrent primari que flueix pel conductor.

Construcció del transformador de corrent

Per fer-vos una millor comprensió, he enderrocat un dels meus transformadors actuals que podeu veure a la imatge anterior.

Es pot veure a la imatge que un fil molt prim s’enrotlla al voltant d’un material del nucli toroidal i que surt un conjunt de cables del transformador. El bobinatge principal és només un cable únic que es connecta en sèrie amb la càrrega i transporta el corrent massiu que circula per la càrrega.

Relació de transformador de corrent

Col·locant un cable dins de la finestra del transformador de corrent, podem formar un únic bucle i la relació de girs esdevé 1: N.

Com qualsevol altre transformador, un transformador de corrent ha de complir l'equació de la relació d'amples-torns que es mostra a continuació.

TR = Np / Ns = Ip / Is

On, TR = Relació Trans

Np = Nombre de girs principals

Ns = Nombre de girs secundaris

Ip = Corrent en bobina primària

Is = Corrent en bobina secundària

Per trobar el corrent secundari, reordeneu l'equació a

Is = Ip x (Np / NS)

Com podeu veure a la imatge anterior, el bobinatge primari del transformador consisteix en un bobinat i el bobinat secundari del transformador consisteix en milers de bobinats si suposem que 100A de corrent flueix pel bobinatge primari, el corrent secundari serà 5A. Per tant, la proporció entre primària i secundària es converteix en 100A a 5A o 20: 1. Per tant, es pot dir que el corrent primari és 20 vegades superior al del corrent secundari.

Nota! Tingueu en compte que la relació actual no és la mateixa que la relació de girs.

Ara amb tota la teoria bàsica, podem tornar a centrar-nos en el càlcul de la relació de girs del transformador de corrent a la mà.

Error del transformador actual

Tots els circuits tenen alguns errors. Els transformadors de corrent no són diferents; hi ha diversos errors en un transformador de corrent. Alguns dels quals es descriuen a continuació

Error de relació al transformador de corrent

El corrent primari del transformador de corrent no és exactament igual al corrent secundari multiplicat per la relació de girs. Una part del corrent la consumeix el nucli del transformador per aconseguir-lo a un estat d’excitació.

Error d'angle de fase al transformador de corrent

Per a una TC ideal, el vector de corrent primari i secundari és zero. Però en un transformador de corrent real, sempre hi haurà una diferència perquè la primària ha de subministrar el corrent d’excitació al nucli i hi haurà una petita diferència de fase.

Com es pot reduir l’error en un transformador de corrent?

Sempre cal reduir els errors en un sistema per aconseguir un millor rendiment. Per tant, en els passos següents es pot aconseguir això

Utilització d’un nucli amb alta permeabilitat amb un material magnètic de baixa histèresi.
El valor de la resistència de càrrega ha de ser molt proper al valor calculat.
Es pot reduir la impedància interna del secundari.

Tornar Calcular la relació de girs d'un transformador de corrent

La configuració de la prova s'ha mostrat a la imatge anterior, que he utilitzat per esbrinar la relació de girs.

Com he esmentat anteriorment, el transformador de corrent (CT) que posseeix no té cap especificació ni número de peça només perquè els he recuperat d’un comptador elèctric domèstic trencat. Per tant, en aquest punt, hem de conèixer la relació de girs per establir correctament el valor de la resistència de càrrega, en cas contrari, s’introduiran tota mena de qüestions al sistema, de les quals parlaré més endavant a l’article.

Amb l'ajut de la llei d'ohm, es pot esbrinar fàcilment la relació de girs, però abans d'això, he de mesurar la gran resistència de 10 W, 1 K, que actua com a càrrega al circuit, i també necessito obtenir una resistència de càrrega arbitrària per esbrinar la relació de girs.

La resistència de càrrega

La resistència de la càrrega

Resum de tots els valors dels components durant el temps de la prova

Tensió d'entrada Vin = 31,78 V

Resistència de càrrega RL = 1,0313 KΩ

Resistència a la càrrega RB = 678,4 Ω

Voltatge de sortida Vout = 8.249 mV o 0.008249 V

El corrent que circula per la resistència de càrrega és

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

Ara sabem el corrent d’entrada, que és 0,03080A o 30,80 mA

Esbrinem el corrent de sortida

I = Vout / RB I = 0,008249 / 678,4 = 0,00001215949A o 12,1594 uA

Ara, per calcular la relació de girs, hem de dividir el corrent primari amb el corrent secundari.

Relació de girs n = Corrent primari / Corrent secundari n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533,1972

Per tant, el transformador de corrent consta de 2500 voltes (valor arrodonit)

Nota! Tingueu en compte que els errors es deuen principalment a la tensió d’entrada i la tolerància del multímetre que canvien.

Càlcul d’una mida de resistència de càrrega adequada

El CT utilitzat aquí és un tipus de sortida actual. Per tant, per mesurar el corrent, s’ha de convertir en un tipus de tensió. Aquest article, al lloc web openenergymonitor, dóna una gran idea de com podem fer-ho, així que seguiré l'article

Resistència de càrrega (ohms) = (AREF * CT TORNA) / (2√2 * corrent primari màxim)

On, AREF = Voltatge de referència analògic del mòdul ADS1115 que s'estableix en 4.096V.

TURNES CT = Nombre de girs secundaris, que hem calculat prèviament.

Corrent primari màxim = corrent primari màxim, que passarà pel CT.

Nota! Cada CT té una valoració de corrent màxima superior a aquesta qualificació que comportarà errors de saturació del nucli i, en última instància, de linealitat, que conduiran a un error de mesura

Nota! La qualificació màxima actual del comptador d’energia domèstic és de 30A, així que vaig a aquest valor.

Resistència de càrrega (ohms) = (4.096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6Ω no és un valor comú, per això faré servir tres resistències en sèrie per obtenir un valor de resistència de 120Ω. Després de connectar les resistències al CT, vaig fer algunes proves per calcular el voltatge màxim de sortida del CT.

Després de la prova, s’observa que si s’alimenta corrent d’1 mA a través del primari del transformador de corrent, la sortida era de 0,0488 mV RMS. Amb això, podem calcular si es passa un corrent de 30A a través del CT, la tensió de sortida serà de 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Ara, amb els càlculs fets, he establert el guany ADC a 1x guany, que és de +/- 4.096V, que ens dóna una resolució a escala completa de 0,125mV. Amb això, podrem calcular el corrent mínim que es pot mesurar amb aquesta configuració. El que va resultar ser de 3 mA perquè la resolució ADC es va establir a 0,125 mV.

Components necessaris

Escriviu tot el component sense taula

Sl.No	Parts	Tipus	Quantitat
1	TC	Tipus de finestra	1
2	Arduino Nano	Genèric	1
3	AD736	I C	1
4	ADS1115	ADC de 16 bits	1
5	LMC7660	I C	1
6	120Ω, 1%	Resistència	1
7	10uF	Condensador	2
8	33uF	Condensador	1
9	Taula de pa	Genèric	1
10	Jumper Wires	Genèric	10

Esquema de connexions

L'esquema següent mostra la guia de connexió per a la mesura de corrent mitjançant el transformador de corrent

Així es veurà el circuit a la taula.

Construcció del circuit de mesura de corrent

En un tutorial anterior, us he mostrat com mesurar amb precisió el voltatge True RMS amb l'ajuda de l'AD736 IC i com configurar un circuit convertidor de voltatge de condensador commutat que genera un voltatge negatiu a partir d'un voltatge positiu d'entrada. En aquest tutorial, estem utilitzant tant els ICs d’aquests tutorials.

Per a aquesta demostració, el circuit es construeix sobre una taula de pa sense soldadura, amb l'ajut de l'esquema; a més, el voltatge de CC es mesura amb l'ajut d'un ADC de 16 bits per obtenir una millor precisió. I mentre estic demostrant el circuit en una placa per reduir el paràsit, he utilitzat tants cables de pont com sigui possible.

Codi Arduino per a la mesura actual

Aquí Arduino s'utilitza per mostrar els valors mesurats a la finestra del monitor sèrie. Però amb una petita modificació del codi, es poden visualitzar els valors amb molta facilitat a la pantalla LCD de 16x2. Obteniu informació sobre la interfície de la pantalla LCD de 16 x 2 amb Arduino.

Al final d'aquesta secció es troba el codi complet del transformador de corrent. Aquí s'expliquen parts importants del programa.

Comencem per incloure tots els fitxers de biblioteques necessaris. La biblioteca Wire s’utilitza per comunicar-se entre el mòdul Arduino i ADS1115 i la biblioteca Adafruit_ADS1015 ens ajuda a llegir dades i a escriure instruccions al mòdul.

#incloure #incloure

A continuació, definiu el MULTIPLICATION_FACTOR que s'utilitza per calcular el valor actual a partir del valor ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * factor per calcular el valor actual real * / Adafruit_ADS1115 ads; / * Utilitzeu-lo per a la versió de 16 bits ADS1115 * /

L'ADC de 16 bits escupix enters llargs de 16 bits de manera que s'utilitza la variable int16_t . S'utilitzen altres tres variables, una per emmagatzemar el valor RAW de l'ADC, una per mostrar la tensió real al pin ADC i, finalment, una per mostrar aquest valor de tensió al valor actual.

int16_t adc1_raw_value; / * variable per emmagatzemar el valor ADC en brut * / float mezire_voltae; / * variable per emmagatzemar la tensió mesurada * / corrent flotant; / * variable per emmagatzemar el corrent calculat * /

Comenceu la secció de configuració del codi habilitant la sortida sèrie amb 9600 baud. A continuació, imprimiu el guany de l'ADC que s'estableix; això es deu al fet que una tensió superior al valor definit pot danyar el dispositiu.

Ara configureu el guany d’ADC amb l’ ads.setGain (GAIN_ONE); el mètode que estableix la resolució d'1 bit a 0,125 mV

Després d'això, es diu el mètode ADC begin , que configura tot el mòdul de maquinari i converteix les estadístiques.

configuració buida (buida) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Obtenció de lectures d'un sol punt d'AIN0..3"); // alguna informació de depuració Serial.println ("Rang ADC: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // El rang d'entrada ADC (o guany) es pot canviar mitjançant les // funcions següents, però tingueu cura de no superar mai el VDD + 0,3V màxim, ni de // superar els límits superior i inferior si ajusteu el rang d'entrada. // Si configureu aquests valors de manera incorrecta, podeu destruir el vostre ADC. // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x guany +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (per defecte) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x guany +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x guany +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x guany +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x guany +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x guany +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); }

A la secció del bucle , he llegit el valor ADC en brut i l’emmagatzemo a la variable esmentada anteriorment per a un ús posterior. A continuació, convertiu el valor ADC en brut a valors de tensió per mesurar i calculeu el valor actual i mostreu-lo a la finestra del monitor sèrie.

bucle buit (buit) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); mida_voltae = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("valor ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Voltatge mesurat:"); Serial.println (mesures_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Corrent calculat:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); retard (500); }

Nota! Si no teniu la biblioteca per al mòdul ADS1115, heu d'incloure la biblioteca a l'IDE Arduino, podeu trobar-la en aquest dipòsit de GitHub.

A continuació es dóna el codi Arduino complet:

#incloure #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * factor per calcular el valor actual real * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * valor màxim que produeix ADC * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 ads; / * Utilitzeu-lo per a la versió de 16 bits ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * variable per emmagatzemar el valor ADC en brut * / float mezire_voltae; / * variable per emmagatzemar voltes mesurades * / corrent flotant; / * variable per emmagatzemar el corrent calculat * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Obtenció de lectures d'un sol punt d'AIN0..3"); // alguna informació de depuració Serial.println ("Rang ADC: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // El rang d'entrada ADC (o guany) es pot canviar mitjançant les // funcions següents, però tingueu cura de no superar mai el VDD + 0,3 V màxim,o per // superar els límits superior i inferior si ajusteu el rang d'entrada. // Si configureu aquests valors de manera incorrecta, podeu destruir el vostre ADC. // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x guany +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (per defecte) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x guany +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x guany +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x guany +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x guany +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x guany +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); } bucle buit (buit) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); mida_voltae = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Valor ADC:"); En sèrie.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Voltatge mesurat:"); Serial.print (mida_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Corrent calculat:"); Serial.print (actual, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); retard (500); }

Prova del circuit

Eines utilitzades per provar el circuit

2 bombetes incandescents de 60W
Multímetre Meco 450B + TRMS

Per provar el circuit es va utilitzar la configuració anterior. El corrent flueix des del CT fins al multímetre i després torna a la línia elèctrica de la xarxa.

Si us pregunteu què fa una placa FTDI en aquesta configuració, permeteu-me dir-vos que el convertidor USB a sèrie integrat no funcionava, de manera que vaig haver d’utilitzar un convertidor FTDI com a convertidor USB a sèrie.

Millores addicionals

Els pocs errors de mA que heu vist al vídeo (que es mostra a continuació) es deu només al fet que he fet el circuit en una taula de treball, de manera que hi ha hagut molts problemes de terra.

Espero que aquest article us hagi agradat i n’hagueu après alguna cosa nova. Si teniu algun dubte, podeu demanar-los als comentaris següents o fer servir els nostres fòrums per a una discussió detallada.