Вимірювання змінного струму за допомогою трансформатора струму та ардуїно

Трансформатор струму - це тип інструментального трансформатора, спеціально призначений для перетворення змінного струму у його вторинній обмотці, і кількість виробленого струму прямо пропорційна струму в первинній обмотці. Цей тип трансформатора струму призначений для невидимого вимірювання струму від підсистеми високої напруги або де через систему протікає велика кількість струму. Завдання трансформатора струму полягає у перетворенні великої сили струму в меншу величину струму, яка може бути легко виміряна мікроконтролером або аналоговим лічильником. Раніше ми пояснювали вимірювання струму за допомогою трансформатора струму в статті про різні типи вимірювань струму.

Тут ми детально вивчимо цю техніку зондування струму та підключимо трансформатор струму для вимірювання струму змінного струму за допомогою Arduino. Також ми навчимося визначати коефіцієнт витків невідомого трансформатора струму.

Трансформатор струму

Як я вже згадував раніше, трансформатор струму - це трансформатор, призначений для вимірювання струму. Вище показано два трансформатори, які я зараз маю, називається віконним трансформатором струму або широко відомим як трансформатор балансу серцевини r.

Як працює струмовий трансформатор?

Основний принцип трансформатора струму такий же, як трансформатор напруги, так само як трансформатор напруги трансформатор струму також складається з первинної обмотки та вторинної обмотки. Коли змінний електричний струм проходить через первинну обмотку трансформатора, утворюється змінний магнітний потік, який індукує змінний струм у вторинній обмотці в цей момент, ви можете сказати, що він майже такий самий, як трансформатор напруги, якщо ви думаєте, що тут різниця.

Як правило, трансформатор струму завжди знаходиться в стані короткого замикання за допомогою резистора навантаження, також струм, що протікає на вторинній обмотці, залежить лише від первинного струму, що протікає через провідник.

Поточне будівництво трансформатора

Для кращого розуміння я зірвав один із своїх поточних трансформаторів, який ви можете побачити на зображенні вище.

На зображенні видно, що дуже тонка дріт намотана навколо тороїдального матеріалу серцевини, а з трансформатора виходить набір проводів. Основна обмотка - це лише один провід, який з'єднаний послідовно з вантажем і несе основний струм, що протікає через вантаж.

Співвідношення трансформатора струму

Помістивши провід всередину вікна трансформатора струму, ми можемо сформувати єдину петлю, і коефіцієнт витків стає 1: N.

Як і будь-які інші трансформатори, трансформатор струму повинен відповідати рівнянню коефіцієнта підсилення повороту, яке показано нижче.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Де, TR = коефіцієнт транс

Np = кількість первинних обертів

Ns = Кількість вторинних поворотів

Ip = струм у первинній обмотці

Is = Струм у вторинній обмотці

Щоб знайти вторинний струм, переставте рівняння в

Is = Ip x (Np / NS)

Як ви можете бачити на зображенні вище, первинна обмотка трансформатора складається з однієї обмотки, а вторинна обмотка трансформатора складається з тисяч обмоток, якщо припустити, що струм 100 А протікає через первинну обмотку, вторинний струм буде 5 А. Отже, співвідношення між первинним та вторинним стає 100А до 5А або 20: 1. Отже, можна сказати, що первинний струм у 20 разів перевищує струм вторинного.

Примітка! Зверніть увагу, що поточний коефіцієнт не такий, як коефіцієнт оборотів.

Тепер всі основні теорії не стоять на шляху, ми можемо повернути свою увагу назад до розрахунку коефіцієнта витків трансформатора струму в руці.

Поточна помилка трансформатора

Кожна схема має деякі помилки. Трансформатори струму нічим не відрізняються; існують різні помилки в трансформаторі струму. Деякі з них описані нижче

Помилка коефіцієнта в трансформаторі струму

Первинний струм трансформатора струму не точно дорівнює вторинному струму, помноженому на коефіцієнт витків. Частина струму споживається сердечником трансформатора, щоб привести його в стан збудження.

Помилка кута фази в трансформаторі струму

Для ідеального КТ вектор первинного та вторинного струму дорівнює нулю. Але у фактичному трансформаторі струму завжди буде різниця, оскільки основний повинен подавати струм збудження до сердечника, і буде мала різниця фаз.

Як зменшити помилку в поточному трансформаторі?

Завжди потрібно зменшувати помилки в системі, щоб досягти кращої продуктивності. Отже, наступними кроками цього можна досягти

Використання сердечника з високою проникністю з низьким гістерезисом магнітного матеріалу.
Значення резистора навантаження має бути дуже близьким до розрахункового значення.
Внутрішній імпеданс вторинного пристрою може бути знижений.

Назад Розрахунок коефіцієнта поворотів трансформатора струму

Налаштування тесту було показано на зображенні вище, яке я використав для визначення коефіцієнта поворотів.

Як я вже згадував раніше, струмовий трансформатор (КТ), який я маю, не має жодної специфікації або номера деталі лише тому, що я врятував їх від зламаного побутового електролічильника. Отже, на даний момент нам потрібно знати коефіцієнт поворотів, щоб правильно встановити значення резистора навантаження, інакше в систему будуть введені всілякі проблеми, про які я розповім далі в статті.

За допомогою закону Ома коефіцієнт витків можна легко зрозуміти, але перед цим мені потрібно виміряти великий резистор 10 Вт, 1 К, який діє як навантаження в ланцюзі, і мені також потрібно отримати довільний резистор навантаження щоб з’ясувати коефіцієнт оборотів.

Резистор навантаження

Резистор тягаря

Зведення всіх значень компонентів під час тестування

Вхідна напруга Vin = 31,78 В

Опір навантаження RL = 1,0313 КОм

Опір навантаженню RB = 678,4 Ом

Вихідна напруга Vout = 8,249 мВ або 0,008249 В

Струм, що протікає через навантажувальний резистор, становить

I = Vin / RL I = 31,78 / 1,0313 = 0,03080А або 30,80 мА

Отже, тепер ми знаємо вхідний струм, який становить 0,03080А або 30,80 мА

Давайте з’ясуємо вихідний струм

I = Vout / RB I = 0,008249 / 678,4 = 0,00001215949A або 12,1594 мкА

Тепер, щоб розрахувати коефіцієнт витків, нам потрібно розділити первинний струм на вторинний.

Коефіцієнт поворотів n = первинний струм / вторинний струм n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2 533,1972

Отже, Трансформатор струму складається з 2500 витків (значення округлення)

Примітка! Зверніть увагу, що помилки в основному пов’язані з моєю постійно мінливою вхідною напругою та допуском мультиметра.

Розрахунок відповідного розміру резистора для навантаження

CT, що використовується тут, є поточним типом вихідного сигналу. Отже, щоб виміряти струм, його потрібно перетворити в тип напруги. Ця стаття на веб-сайті openenergymonitor дає чудове уявлення про те, як ми можемо це зробити, тому я збираюся стежити за цією статтею

Резистор навантаження (Ом) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * макс. Первинний струм)

Де, AREF = Аналогова опорна напруга модуля ADS1115, яка встановлена на 4.096V.

CT TURNS = Кількість вторинних поворотів, які ми раніше розрахували.

Макс. Первинний струм = максимальний первинний струм, який буде подаватися через КТ.

Примітка! Кожен КТ має максимальний номінальний струм, що перевищує цей номінальний, призведе до насичення серцевини і, в кінцевому рахунку, помилок лінійності, що призведе до помилки вимірювання

Примітка! Максимальна номінальна сила струму побутового лічильника енергії становить 30 А, тому я збираюся взяти це значення.

Резистор навантаження (Ом) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ом

120,6 Ом не є загальним значенням, тому я збираюся використовувати три резистори послідовно, щоб отримати значення резистора 120 Ом. Після підключення резисторів до КТ я провів кілька тестів для розрахунку максимальної вихідної напруги від КТ.

Після випробування спостерігається, що якщо струм 1 мА подається через первинний елемент трансформатора струму, вихідний показник становив 0,0488 мВ середньоквадратичної сили. Таким чином, ми можемо розрахувати, якщо через CT проходить струм 30А, вихідна напруга буде 30000 * 0,0488 = 1,465В.

Тепер, з проведеними розрахунками, я встановив коефіцієнт посилення АЦП на 1х коефіцієнт посилення, який становить +/- 4,096 В, що дає нам повномасштабну роздільну здатність 0,125 мВ. Завдяки цьому ми зможемо розрахувати мінімальний струм, який можна виміряти за допомогою цієї установки. Який виявився 3MA б оскольку дозвіл АЦП був встановлений 0.125mV.

Потрібні компоненти

Запишіть весь компонент без таблиці

Сл	Частини	Тип	Кількість
1	КТ	Тип вікна	1
2	Arduino Nano	Загальний	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	16-розрядний АЦП	1
5	LMC7660	IC	1
6	120 Ом, 1%	Резистор	1
7	10 мкФ	Конденсатор	2
8	33 мкФ	Конденсатор	1
9	Макет	Загальний	1
10	Провід перемички	Загальний	10

Кругова діаграма

Нижче наведена схема показує напрямну підключення для вимірювання струму за допомогою трансформатора струму

Ось так буде виглядати схема на макетній дошці.

Побудова схеми вимірювання струму

У попередньому підручнику я показав вам, як точно виміряти справжню середньоквадратичну напругу за допомогою AD736 IC і як налаштувати схему перетворювача напруги з перемиканням, що генерує негативну напругу від вхідної позитивної напруги, у цьому підручнику ми використовуємо обидва мікросхеми з цих посібників.

Для цієї демонстрації схема побудована на безпаяній макетній дошці за допомогою схеми; також, напруга постійного струму вимірюється за допомогою 16-бітного АЦП для кращої точності. І коли я демонструю схему на макетній панелі, щоб зменшити паразитичність, я використав якомога більше кабелів-перемичок.

Код Arduino для поточного вимірювання

Тут Arduino використовується для відображення виміряних значень у вікні послідовного монітора. Але з невеликою модифікацією коду можна дуже легко відобразити значення на РК-дисплеї 16x2. Дізнайтеся про взаємодію 16x2 РК-дисплея з Arduino тут.

Повний код трансформатора струму можна знайти в кінці цього розділу. Тут пояснюються важливі частини програми.

Ми починаємо з включення всіх необхідних файлів бібліотек. Бібліотека Wire використовується для зв'язку між Arduino та модулем ADS1115, а бібліотека Adafruit_ADS1015 допомагає нам читати дані та писати інструкції до модуля.

#включати #включати

Далі визначте MULTIPLICATION_FACTOR, який використовується для обчислення поточного значення зі значення ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * коефіцієнт для обчислення фактичного поточного значення * / Adafruit_ADS1115 ads; / * Використовуйте це для 16-розрядної версії ADS1115 * /

16-розрядний АЦП виводить 16-розрядні довгі цілі числа, тому використовується змінна int16_t . Використовуються три інші змінні, одна для збереження значення RAW для АЦП, одна для відображення фактичної напруги в штифті АЦП і нарешті одна для відображення цього значення напруги до поточного значення.

int16_t adc1_raw_value; / * змінна для зберігання необробленого значення АЦП * / float виміряні_напруги; / * змінна для зберігання виміряної напруги * / струм з поплавком; / * змінна для зберігання розрахункового струму * /

Почніть розділ налаштування коду, включивши послідовний вихід із 9600 бодами. Потім надрукуйте коефіцієнт посилення АЦП, який встановлено; це пов’язано з тим, що напруга, що перевищує визначену величину, безумовно може пошкодити пристрій.

Тепер встановіть коефіцієнт посилення АЦП за допомогою ads.setGain (GAIN_ONE); метод, який встановлює 1-бітову роздільну здатність 0,125 мВ

Після цього викликається метод ADC begin , який встановлює все в апаратному модулі та перетворює статистику.

налаштування порожнечі (порожнеча) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Отримання однозначних показань з AIN0..3"); // деяка інформація про налагодження Serial.println ("Діапазон ADC: +/- 4.096V (1 біт = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Діапазон введення (або посилення) АЦП можна змінити за допомогою наступних // функцій, але будьте обережні, щоб ніколи не перевищували VDD + 0,3 В макс., Або щоб // перевищувати верхню та нижню межі, якщо ви регулюєте діапазон введення! // Неправильне встановлення цих значень може зруйнувати ваш АЦП! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x посилення +/- 6,144 В 1 біт = 3 мВ 0,1875 мВ (за замовчуванням) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1х посилення +/- 4,096 В 1 біт = 2 мВ 0,125 мВ //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x посилення +/- 2,048 В 1 біт = 1 мВ 0,0625 мВ // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4-кратне посилення +/- 1,024 В 1 біт = 0,5 мВ 0,03125 мВ // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8-кратне посилення +/- 0,512 В 1 біт = 0,25 мВ 0,015625 мВ // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // посилення в 16 разів +/- 0,256 В 1 біт = 0,125 мВ 0,0078125 мВ ads.begin (); }

У розділі циклу я читаю вихідне значення ADC і зберігаю його до згаданої раніше змінної для подальшого використання. Потім перетворіть вихідне значення АЦП у значення напруги для вимірювання, обчисліть поточне значення та відобразіть його у вікні послідовного монітора.

недійсний цикл (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); виміряні_вольта = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Значення АЦП:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Виміряна напруга:"); Serial.println (виміряні_напруги); Serial.println ("V"); Serial.print ("Розрахунковий струм:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); затримка (500); }

Примітка! Якщо у вас немає бібліотеки для модуля ADS1115, вам потрібно включити бібліотеку в IDE Arduino, ви можете знайти бібліотеку в цьому сховищі GitHub.

Повний код Arduino наведено нижче:

#включати #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * коефіцієнт для обчислення фактичного поточного значення * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * максимальне значення, яке виробляє ADC * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 ads; / * Використовуйте це для 16-розрядної версії ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * змінна для зберігання необробленого значення АЦП * / float виміряні_напруги; / * змінна для зберігання виміряних вольт * / поплавковий струм; / * змінна для зберігання розрахункового поточного * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Отримання однозначних показань з AIN0..3"); // деяка інформація про налагодження Serial.println ("Діапазон ADC: +/- 4.096V (1 біт = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Діапазон вхідного сигналу АЦП (або посилення) можна змінити за допомогою наступних // функцій, але будьте обережні, щоб ніколи не перевищували VDD + 0,3 В макс.,або to // перевищити верхню та нижню межі, якщо ви регулюєте діапазон введення! // Неправильне встановлення цих значень може зруйнувати ваш АЦП! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x посилення +/- 6,144 В 1 біт = 3 мВ 0,1875 мВ (за замовчуванням) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1х посилення +/- 4,096 В 1 біт = 2 мВ 0,125 мВ //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x посилення +/- 2,048 В 1 біт = 1 мВ 0,0625 мВ // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4-кратне посилення +/- 1,024 В 1 біт = 0,5 мВ 0,03125 мВ // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8-кратне посилення +/- 0,512 В 1 біт = 0,25 мВ 0,015625 мВ // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // посилення в 16 разів +/- 0,256 В 1 біт = 0,125 мВ 0,0078125 мВ ads.begin (); } недійсний цикл (недійсний) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); виміряні_вольта = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Значення АЦП:"); Послідовний.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Виміряна напруга:"); Serial.print (виміряні_напруги); Serial.println ("V"); Serial.print ("Розрахунковий струм:"); Serial.print (поточний, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); затримка (500); }

Тестування схеми

Інструменти, що використовуються для перевірки схеми

2 лампочки розжарювання 60 Вт
Мультиметр Meco 450B + TRMS

Для тестування схеми було використано вищевказану установку. Струм надходить від КТ до мультиметра, потім він повертається до лінії електропередачі магістралі.

Якщо вам цікаво, що робить плата FTDI у цій установці, дозвольте мені сказати вам, що вбудований перетворювач USB в послідовний не працював, тому мені довелося використовувати перетворювач FTDI як перетворювач USB в послідовний.

Подальші вдосконалення

Кілька помилок mA, які ви побачили у відео (наведені нижче), полягають лише в тому, що я зробив схему в макеті, тому було багато наземних проблем.

Сподіваюся, вам сподобалась ця стаття і ви дізналися з неї щось нове. Якщо у вас є якісь сумніви, ви можете запитати в коментарях нижче або скористатися нашими форумами для детального обговорення.