Akım trafosu ve arduino kullanarak ac akım ölçümü

Akım trafosu, ikincil sargısında alternatif akımı dönüştürmek için özel olarak tasarlanmış bir tür enstrümantal transformatördür ve üretilen akım miktarı, birincil sargıdaki akımla doğru orantılıdır. Bu tip akım trafosu, yüksek gerilim alt sisteminden veya sistemden yüksek miktarda akımın geçtiği yerlerden gelen akımı görünmez bir şekilde ölçmek için tasarlanmıştır. Bir akım transformatörünün işi, yüksek miktardaki akımı, bir mikrodenetleyici veya bir Analog ölçer ile kolayca ölçülebilen daha düşük bir akıma dönüştürmektir. Daha önce akım trafosunu kullanarak akım ölçümünü farklı akım algılama teknikleri makalesinde açıkladık.

Burada bu akım algılama tekniğini detaylı olarak öğreneceğiz ve bir Arduino yardımıyla AC akımını ölçmek için bir akım trafosu bağlayacağız. Ayrıca bilinmeyen bir akım trafosunun dönüş oranını belirlemeyi de öğreneceğiz.

Akım trafosu

Daha önce de bahsettiğim gibi akım trafosu, akımı ölçmek için tasarlanmış bir transformatördür. Şu anda sahip olduğum iki transformatörü gösteren yukarıdaki, pencere tipi akım transformatörü olarak adlandırılır veya genel olarak bir çekirdek-denge dönüşümü olarak bilinir.

Akım Trafosu Nasıl Çalışır?

Akım trafosunun temel prensibi bir gerilim trafosu ile aynıdır, gerilim trafosu gibi akım trafosu da bir birincil sargı ve bir ikincil sargıdan oluşur. Alternatif bir elektrik akımı, transformatörün birincil sargısından geçtiğinde, bu noktada ikincil sargıda alternatif bir akımı indükleyen alternatif bir manyetik akı üretilir, bunun neredeyse bir voltaj transformatörü ile aynı olduğunu söyleyebilirsiniz, eğer bu fark budur..

Genel olarak, bir akım transformatörü, bir yük direncinin yardımıyla her zaman kısa devre durumundadır, ayrıca ikincil sargı üzerinde akan akım sadece iletkenden geçen birincil akıma bağlıdır.

Akım Trafosu Yapısı

Size daha iyi bir anlayış sağlamak için, yukarıdaki resimde görebileceğiniz akım trafolarımdan birini söktüm.

Görüntüde çok ince bir telin bir toroidal çekirdek malzemesinin etrafına sarıldığı ve transformatörden bir dizi telin çıktığı görülebilir. Ana sargı, yüke seri olarak bağlanan ve yük boyunca akan toplu akımı taşıyan yalnızca tek bir teldir.

Akım Trafosu Oranı

Akım trafosunun penceresinin içine bir tel yerleştirerek tek bir döngü oluşturabiliriz ve dönüş oranı 1: N olur.

Diğer tüm transformatörler gibi, bir akım trafosu da aşağıda gösterilen amper dönüş oranı denklemini karşılamalıdır.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Nerede, TR = Trans Oranı

Np = Birincil Dönüş Sayısı

Ns = İkincil Dönüş Sayısı

Ip = Birincil Sargıda Akım

Is = Sekonder Sargıda Akım

İkincil akımı bulmak için denklemi yeniden düzenleyin

Is = Ip x (Np / NS)

Yukarıdaki resimde görebileceğiniz gibi, transformatörün birincil sargısı bir sargıdan oluşur ve trafonun ikincil sargısı, birincil sargıdan 100A akım geçtiğini varsayarsak, binlerce sargıdan oluşur, ikincil akım 5A olacaktır.. Bu nedenle, birincil ile ikincil arasındaki oran 100A ila 5A veya 20: 1 olur. Dolayısıyla birincil akımın ikincil akımınkinden 20 kat daha yüksek olduğu söylenebilir.

Not! Lütfen mevcut oranın dönüş oranı ile aynı olmadığını unutmayın.

Şimdi tüm temel teori ortadan kalktı, odağımızı eldeki akım trafosunun dönüş oranını hesaplamaya geri döndürebiliriz.

Akım Trafosu Hatası

Her devrenin bazı hataları vardır. Akım trafoları farklı değildir; bir akım trafosunda çeşitli hatalar var. Bazıları aşağıda açıklanmıştır

Akım Trafosunda Oran Hatası

Akım trafosunun birincil akımı, ikincil akımın dönüş oranı ile çarpımına tam olarak eşit değildir. Akımın bir kısmı, onu uyarma durumuna getirmek için trafonun çekirdeği tarafından tüketilir.

Akım Trafosunda Faz Açısı Hatası

İdeal bir CT için, birincil ve ikincil akım vektörü sıfırdır. Ancak gerçek bir Akım Trafosunda her zaman bir fark olacaktır çünkü birincil uyarma akımını çekirdeğe sağlamalıdır ve küçük bir faz farkı olacaktır.

Akım Trafosundaki Hata Nasıl Azaltılır?

Daha iyi performans elde etmek için bir sistemdeki hataları azaltmak her zaman gereklidir. Yani, aşağıdaki adımlarla bunu başarabilirsiniz

1. Düşük histerezisli manyetik malzeme ile yüksek geçirgenliğe sahip bir çekirdek kullanmak.
2. Yük direnci değeri hesaplanan değere çok yakın olmalıdır.
3. İkincilin iç empedansı düşürülebilir.

Geri Bir Akım Trafosunun Dönüş Oranının Hesaplanması

Dönüş oranını bulmak için kullandığım yukarıdaki görüntüde test kurulumu gösterilmektedir.

Daha önce de bahsettiğim gibi, sahip olduğum Akım Trafosunun (CT) herhangi bir özelliği veya parça numarası yok çünkü onları kırık bir ev elektrik sayacından kurtardım. Bu noktada, Yük Direncinin değerini doğru bir şekilde ayarlamak için dönüş oranını bilmemiz gerekiyor, aksi takdirde, makalenin ilerleyen bölümlerinde daha fazla bahsedeceğim sisteme her türlü konu tanıtılacaktır.

Ohm kanunu yardımıyla dönüş oranı kolayca anlaşılabilir ancak ondan önce devrede bir yük görevi gören büyük 10W, 1K direnci ölçmem ve ayrıca keyfi bir yük direnci almam gerekiyor. dönüş oranını bulmak için.

Yük Direnci

Yük Direnci

Test sırasında tüm bileşen değerlerinin özeti

Giriş Voltajı Vin = 31.78 V

Yük Direnci RL = 1.0313 KΩ

Yük Direnci RB = 678,4 Ω

Çıkış Voltajı Vout = 8.249 mV veya 0.008249 V

Yük direncinden geçen akım

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

Artık 0,03080A veya 30,80 mA olan giriş akımını biliyoruz

Çıkış akımını bulalım

I = Vout / RB I = 0.008249 / 678.4 = 0.00001215949A veya 12.1594 uA

Şimdi, dönüş oranını hesaplamak için, birincil akımı ikincil akımla bölmemiz gerekir.

Dönüş Oranı n = Birincil Akım / İkincil akım n = 0.03080 / 0.0000121594 = 2.533.1972

Yani Akım Trafosu 2500 turdan oluşur (yuvarlama değeri)

Not! Lütfen hataların çoğunlukla sürekli değişen giriş voltajım ve multimetre toleransımdan kaynaklandığını unutmayın.

Uygun bir Yük Direnci Boyutunun Hesaplanması

Burada kullanılan CT, bir akım çıkışı türüdür. Dolayısıyla akımı ölçmek için bir voltaj tipine dönüştürülmesi gerekir. Openenergymonitor web sitesindeki bu makale, bunu nasıl yapabileceğimiz hakkında harika bir fikir veriyor, bu yüzden makaleyi takip edeceğim

Yük Direnci (ohm) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * maksimum birincil akım)

Nerede, AREF = 4.096V olarak ayarlanmış ADS1115 modülünün analog referans voltajı.

CT DÖNÜŞLERİ = Daha önce hesapladığımız ikincil dönüş sayısı.

Maks Birincil Akım = CT içinden geçecek maksimum birincil akım.

Not! Her CT, bu değeri aşan bir Maksimum akım değerine sahiptir, çekirdek doygunluğuna ve sonuçta ölçüm hatasına yol açan doğrusallık hatalarına yol açar

Not! Ev tipi enerji sayacının maksimum akım değeri 30A'dır, bu yüzden bu değer için gidiyorum.

Yük Direnci (ohm) = (4.096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120.6 Ω

120.6Ω ortak bir değer değil, bu yüzden 120Ω direnç değerini elde etmek için seri olarak üç direnç kullanacağım. Dirençleri CT'ye bağladıktan sonra, CT'den maksimum çıkış voltajını hesaplamak için bazı testler yaptım.

Test sonrasında akım trafosunun primerinden 1mA akım beslenirse çıkışın 0.0488mV RMS olduğu görülmüştür. Bununla, CT üzerinden 30A akım geçerse çıkış voltajının 30000 * 0.0488 = 1.465V olacağını hesaplayabiliriz.

Şimdi, yapılan hesaplamalar, ben set var ADC kazanç için 1x kazanç olduğunu +/- 4.096V, bize 0.125mV tam ölçekli çözünürlüğüne sahiptir. Bununla birlikte, bu kurulumla ölçülebilecek minimum akımı hesaplayabileceğiz. ADC çözünürlüğünün 0.125mV olarak ayarlanması nedeniyle 3mA olduğu ortaya çıktı.

Gerekli Bileşenler

Tüm bileşeni tablo olmadan yazın

Sl. Yok hayır	Parçalar	Tür	Miktar
1	CT	Pencere Tipi	1
2	Arduino Nano	Genel	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	16-Bit ADC	1
5	LMC7660	IC	1
6	120Ω,% 1	Direnç	1
7	10 uF	Kondansatör	2
8	33 uF	Kondansatör	1
9	Breadboard	Genel	1
10	Atlama Telleri	Genel	10

Devre şeması

Aşağıdaki şema , akım trafosu kullanılarak akım ölçümü için bağlantı kılavuzunu gösterir.

Devre devre tahtasında böyle görünecek.

Akım Ölçüm Devresi Yapısı

Önceki bir eğitimde, AD736 IC yardımıyla True RMS voltajının nasıl doğru bir şekilde ölçüleceğini ve bir giriş pozitif voltajından negatif bir voltaj üreten anahtarlamalı bir kapasitör voltaj dönüştürücü devresinin nasıl yapılandırılacağını göstermiştim, bu eğitimde kullanıyoruz bu öğreticilerden her iki IC de.

Bu gösterim için devre, şematik yardımıyla lehimsiz bir Breadboard üzerine inşa edilmiştir; ayrıca, daha iyi doğruluk için DC voltajı 16 bitlik bir ADC yardımıyla ölçülür. Ve paraziti azaltmak için devre tahtasında devreyi gösterirken, mümkün olduğunca çok sayıda jumper kablosu kullandım.

Akım Ölçümü için Arduino Kodu

Burada Arduino, ölçülen değerleri seri monitör penceresine görüntülemek için kullanılır. Ancak kodda küçük bir değişiklik ile 16x2 LCD'de değerler çok rahatlıkla görüntülenebilir. 16x2 LCD'nin Arduino ile arayüzünü buradan öğrenin.

Akım trafosu için tam kod bu bölümün sonunda bulunabilir. Burada programın önemli kısımları açıklanmıştır.

Gerekli tüm kitaplık dosyalarını dahil ederek başlıyoruz. Wire kütüphanesi, Arduino ve ADS1115 modülü arasında iletişim kurmak için kullanılır ve Adafruit_ADS1015 kütüphanesi, verileri okumamıza ve modüle talimat yazmamıza yardımcı olur.

#Dahil etmek #Dahil etmek

Ardından, ADC değerinden geçerli değeri hesaplamak için kullanılan MULTIPLICATION_FACTOR öğesini tanımlayın.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * gerçek mevcut değeri hesaplamak için faktör * / Adafruit_ADS1115 ads; / * Bunu 16 bitlik ADS1115 sürümü için kullan * /

16 bitlik ADC 16 bit uzunluğunda tamsayılar çıkarır , böylece int16_t değişkeni kullanılır. Biri ADC için RAW değerini depolamak, biri ADC pinindeki gerçek gerilimi görüntülemek ve son olarak bu gerilim değerini akım değerine göre görüntülemek için olmak üzere üç farklı değişken kullanılır.

int16_t adc1_raw_value; / * ham ADC değerini depolamak için değişken * / float measure_voltae; / * ölçülen voltajı saklamak için değişken * / float akımı; / * Hesaplanan akımı saklamak için değişken * /

9600 baud ile seri çıkışı etkinleştirerek kodun kurulum bölümüne başlayın. Ardından ayarlanmış olan ADC'nin kazancını yazdırın; bunun nedeni, tanımlanan değerin üzerindeki voltajın cihaza kesinlikle zarar verebilmesidir.

Şimdi ads.setGain (GAIN_ONE) ile ADC kazancını ayarlayın ; 1 bit çözünürlüğü 0,125 mV'ye ayarlayan yöntem

Bundan sonra ADC başlar donanım modülü ve istatistikler dönüşümde her şeyi ayarlar denir yöntemi.

geçersiz kurulum (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("AIN0..3'ten tek uçlu okumalar alma"); // bazı hata ayıklama bilgileri Serial.println ("ADC Aralığı: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // ADC giriş aralığı (veya kazancı) aşağıdaki işlevlerle değiştirilebilir //, ancak asla VDD + 0.3V maks. Aşmamaya veya // giriş aralığını ayarlarsanız üst ve alt sınırları aşmamaya dikkat edin! // Bu değerleri yanlış ayarlamak ADC'nizi yok edebilir! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x kazanç +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (varsayılan) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x kazanç +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x kazanç +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x kazanç +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x kazanç +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x kazanç +/- 0.256V 1 bit = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); }

Olarak döngü bölümünde, çiğ ADC değerini okumak ve daha sonraki kullanım için, daha önce sözü edilen değişken saklayın. Daha sonra ham ADC değerini ölçüm için voltaj değerlerine çevirin ve mevcut değeri hesaplayın ve seri monitör penceresine görüntüleyin.

boşluk döngüsü (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); ölçülen_voltae = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Seri.print ("ADC Değeri:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Ölçülen Voltaj:"); Serial.println (ölçülen_voltae); Serial.println ("V"); Seri.print ("Hesaplanan Akım:"); Seri baskı (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); gecikme (500); }

Not! ADS1115 modülü için kütüphaneye sahip değilseniz, kütüphaneyi Arduino IDE'ye eklemeniz gerekir, kütüphaneyi bu GitHub deposunda bulabilirsiniz.

Tam Arduino kodu aşağıda verilmiştir:

#Dahil etmek #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * gerçek mevcut değeri hesaplamak için faktör * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * ADC'nin ürettiği maksimum değeri * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 reklamları; / * Bunu 16 bitlik ADS1115 sürümü için kullanın * / int16_t adc1_raw_value; / * ham ADC değerini depolamak için değişken * / float measure_voltae; / * ölçülen voltajı saklamak için değişken * / float akımı; / * hesaplanan akımı saklamak için değişken * / void kurulumu (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("AIN0..3'ten tek uçlu okumalar alma"); // bazı hata ayıklama bilgileri Serial.println ("ADC Aralığı: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // ADC giriş aralığı (veya kazancı) aşağıdaki işlevlerle değiştirilebilir // ancak asla VDD + 0.3V maks. Aşmamaya dikkat edin,veya giriş aralığını ayarlarsanız // üst ve alt sınırları aşmak için! // Bu değerleri yanlış ayarlamak ADC'nizi yok edebilir! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x kazanç +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (varsayılan) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x kazanç +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x kazanç +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x kazanç +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x kazanç +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x kazanç +/- 0.256V 1 bit = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); } boşluk döngüsü (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); ölçülen_voltae = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Seri.print ("ADC Değeri:"); Seri.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Ölçülen Voltaj:"); Seri.print (ölçülen_voltae); Serial.println ("V"); Seri.print ("Hesaplanan Akım:"); Seri baskı (mevcut, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); gecikme (500); }

Devrenin Test Edilmesi

Devreyi test etmek için kullanılan araçlar

1. 2 adet 60W akkor ampul
2. Meco 450B + TRMS Multimetre

Devreyi test etmek için yukarıdaki kurulum kullanıldı. Akım CT'den multimetreye akıyor, ardından ana güç hattına geri dönüyor.

Bu kurulumda bir FTDI kartının ne yaptığını merak ediyorsanız, size yerleşik USB'den seri dönüştürücünün çalışmadığını söyleyeyim, bu yüzden bir USB-seri dönüştürücü olarak bir FTDI dönüştürücü kullanmak zorunda kaldım.

Diğer Geliştirmeler

Videoda gördüğünüz birkaç mA hatası (aşağıda verilmiştir) sadece devreyi bir devre tahtasında yapmış olmamdan kaynaklanıyor, bu yüzden birçok toprak sorunu vardı.

Umarım bu makaleyi beğenmiş ve ondan yeni bir şeyler öğrenmişsindir. Herhangi bir şüpheniz varsa, aşağıdaki yorumlarda sorabilir veya detaylı tartışma için forumlarımızı kullanabilirsiniz.