قياس التيار المتردد باستخدام محول التيار واردوينو

محول التيار هو نوع من المحولات الآلية المصممة خصيصًا لتحويل التيار المتردد في ملفه الثانوي ، وتتناسب كمية التيار الناتج بشكل مباشر مع التيار في الملف الأولي. تم تصميم هذا النوع من المحولات الحالية لقياس التيار بشكل غير مرئي من النظام الفرعي للجهد العالي أو حيث تتدفق كمية عالية من التيار عبر النظام. تتمثل وظيفة المحول الحالي في تحويل الكمية العالية من التيار إلى كمية أقل من التيار والتي يمكن قياسها بسهولة بواسطة متحكم دقيق أو مقياس تناظري. شرحنا سابقًا القياس الحالي باستخدام المحول الحالي في أنواع مختلفة من مقالة تقنيات الاستشعار الحالية.

هنا سوف نتعلم تقنية الاستشعار الحالية بالتفصيل ونقوم بتوصيل محول تيار لقياس تيار التيار المتردد بمساعدة Arduino. سوف نتعلم أيضًا تحديد نسبة المنعطفات لمحول تيار غير معروف.

محول الحالي

كما ذكرت سابقًا ، فإن المحول الحالي هو محول مصمم لقياس التيار. يُظهر ما ورد أعلاه محولين لديّ حاليًا يسمى محول التيار من نوع النافذة أو المعروف باسم محول التوازن الأساسي r.

كيف يعمل المحولات الحالية؟

المبدأ الأساسي للمحول الحالي هو نفس محول الجهد ، على حد سواء محول الجهد ، يتكون المحول الحالي أيضًا من ملف أولي وملف ثانوي. عندما يمر تيار كهربائي متناوب عبر الملف الأولي للمحول ، يتم إنتاج تدفق مغناطيسي متناوب ، والذي يحفز تيارًا متناوبًا في الملف الثانوي عند هذه النقطة ، يمكنك القول أنه يشبه محول الجهد تقريبًا إذا كنت تعتقد أن هذا هو الفرق.

بشكل عام ، يكون المحول الحالي دائمًا في حالة دائرة قصر بمساعدة مقاوم حمل ، أيضًا ، يعتمد التيار المتدفق على الملف الثانوي فقط على التيار الأساسي المتدفق عبر الموصل.

بناء المحولات الحالية

لمنحك فهمًا أفضل ، قمت بهدم أحد محولاتي الحالية التي يمكنك رؤيتها في الصورة أعلاه.

يمكن أن نرى في الصورة أن سلكًا رقيقًا جدًا قد جُرح حول مادة أساسية حلقية ، وأن مجموعة من الأسلاك تخرج من المحول. اللف الرئيسي هو فقط سلك واحد متصل في سلسلة بالحمل ويحمل التيار السائب المتدفق عبر الحمل.

نسبة المحولات الحالية

من خلال وضع سلك داخل نافذة المحول الحالي ، يمكننا تكوين حلقة مفردة وتصبح نسبة اللفات 1: N.

مثل أي محولات أخرى ، يجب أن يفي المحول الحالي بمعادلة نسبة amp-turn الموضحة أدناه.

TR = Np / Ns = Ip / Is

أين،

TR = نسبة التحويل

Np = عدد المنعطفات الأولية

Ns = عدد الدورات الثانوية

Ip = التيار في اللف الأساسي

هو = الحالي في الملف الثانوي

للعثور على التيار الثانوي ، أعد ترتيب المعادلة إلى

هو = Ip x (Np / NS)

كما ترون في الصورة أعلاه ، يتكون الملف الأساسي للمحول من ملف واحد ويتكون الملف الثانوي للمحول من آلاف اللفات إذا افترضنا أن 100A من التيار يتدفق عبر الملف الأولي ، سيكون التيار الثانوي 5A. لذلك ، فإن النسبة بين الابتدائي والثانوي تصبح 100A إلى 5A أو 20: 1. لذلك ، يمكن القول أن التيار الأساسي أعلى 20 مرة من التيار الثانوي.

ملحوظة! يرجى ملاحظة أن النسبة الحالية ليست هي نفسها نسبة المنعطفات.

الآن كل النظرية الأساسية بعيدة عن الطريق ، يمكننا أن نعيد تركيزنا إلى حساب نسبة المنعطفات للمحول الحالي في متناول اليد.

خطأ في المحول الحالي

كل دائرة بها بعض الأخطاء. المحولات الحالية لا تختلف. توجد أخطاء مختلفة في المحولات الحالية. بعضها موصوف أدناه

نسبة خطأ في المحول الحالي

التيار الأساسي للمحول الحالي لا يساوي بالضبط التيار الثانوي مضروبًا في نسبة المنعطفات. يتم استهلاك جزء من التيار بواسطة قلب المحول لإيصاله إلى حالة الإثارة.

خطأ زاوية الطور في المحول الحالي

للحصول على CT المثالي ، يكون متجه التيار الأساسي والثانوي صفرًا. ولكن في المحولات الحالية الفعلية ، سيكون هناك دائمًا اختلاف لأن الأساسي يجب أن يزود تيار الإثارة إلى القلب وسيكون هناك فرق طور صغير.

كيفية تقليل الخطأ في المحولات الحالية؟

من الضروري دائمًا تقليل الأخطاء في النظام لتحقيق أداء أفضل. لذلك ، من خلال الخطوات أدناه ، يمكن للمرء تحقيق ذلك

1. استخدام نواة ذات نفاذية عالية مع مادة مغناطيسية تخلفية منخفضة.
2. يجب أن تكون قيمة مقاومة العبء قريبة جدًا من القيمة المحسوبة.
3. يمكن خفض المعاوقة الداخلية للثانوي.

رجوع حساب نسبة المنعطفات لمحول التيار

تم عرض إعداد الاختبار في الصورة أعلاه التي استخدمتها لمعرفة نسبة المنعطفات.

كما ذكرت من قبل ، لا يحتوي المحول الحالي (CT) الذي أملكه على أي مواصفات أو رقم جزء لمجرد أنني أنقذته من عداد كهربائي منزلي مكسور. لذلك ، في هذه المرحلة ، نحتاج إلى معرفة نسبة المنعطفات لتعيين قيمة مقاومة العبء بشكل صحيح ، وإلا فسيتم إدخال جميع أنواع المشكلات في النظام ، والتي سأتحدث عنها أكثر لاحقًا في المقالة.

بمساعدة قانون أوم ، يمكن تحديد نسبة المنعطفات بسهولة ، لكن قبل ذلك ، أحتاج إلى قياس المقاوم 10W ، 1K الكبير الذي يعمل كحمل في الدائرة ، وأحتاج أيضًا إلى الحصول على مقاوم عبء تعسفي لمعرفة نسبة المنعطفات.

المقاوم الحمل

المقاوم العبء

ملخص لجميع قيم المكونات أثناء وقت الاختبار

جهد الإدخال Vin = 31.78 V

مقاومة الحمل RL = 1.0313 KΩ

مقاومة العبء RB = 678.4 Ω

Vout الجهد الناتج = 8.249 مللي فولت أو 0.008249 فولت

التيار المتدفق من خلال المقاوم الحمل هو

I = Vin / RL I = 31.78 / 1.0313 = 0.03080A أو 30.80 مللي أمبير

نعلم الآن تيار الإدخال ، وهو 0.03080A أو 30.80 مللي أمبير

دعنا نتعرف على تيار الإخراج

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

الآن ، لحساب نسبة الدورات ، نحتاج إلى قسمة التيار الأساسي على التيار الثانوي.

نسبة الدوران ن = التيار الأساسي / التيار الثانوي ن = 0.03080 / 0.0000121594 = 2533.1972

لذا يتكون المحول الحالي من 2500 دورة (قيمة مستديرة)

ملحوظة! يرجى ملاحظة أن الأخطاء ترجع في الغالب إلى جهد الإدخال المتغير باستمرار والتسامح المتعدد.

حساب حجم مناسب لمقاوم العبء

CT المستخدم هنا هو نوع الإخراج الحالي. لقياس التيار ، يجب تحويله إلى نوع الجهد. تقدم هذه المقالة ، في موقع openenergymonitor ، فكرة رائعة حول كيفية القيام بذلك ، لذا سأتابع المقال

مقاومة العبء (أوم) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * أقصى تيار أولي)

أين،

AREF = الجهد المرجعي التناظري لوحدة ADS1115 التي تم ضبطها على 4.096 فولت.

CT TURNS = عدد الدورات الثانوية ، والتي حسبناها مسبقًا.

أقصى تيار أساسي = أقصى تيار أولي ، والذي سيتم نقله عبر CT.

ملحوظة! كل CT لديها أقصى تصنيف حالي يتجاوز هذا التصنيف سيؤدي إلى تشبع أساسي وأخطاء خطية في النهاية ستؤدي إلى خطأ في القياس

ملحوظة! الحد الأقصى للتصنيف الحالي لمقياس الطاقة المنزلي هو 30A ، لذلك سأقوم بهذه القيمة.

مقاومة العبء (أوم) = (4.096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120.6 أوم

120.6Ω ليست قيمة شائعة ، ولهذا سأستخدم ثلاثة مقاومات في سلسلة للحصول على قيمة مقاومة 120Ω. بعد توصيل المقاومات بالتصوير المقطعي المحوسب ، أجريت بعض الاختبارات لحساب أقصى جهد خرج من التصوير المقطعي.

بعد الاختبار ، لوحظ أنه إذا تم تغذية تيار 1mA من خلال المحول الأساسي للمحول الحالي ، كان الناتج 0.0488mV RMS. باستخدام ذلك ، يمكننا حساب ما إذا كان تيار 30A يمر عبر CT ، فإن جهد الخرج سيكون 30000 * 0.0488 = 1.465V.

الآن، مع الحسابات القيام به، ولدي مجموعة ADC مكاسب ل 1X الربح الذي هو +/- 4.096V، مما يعطينا 0.125mV قرار واسعة النطاق. بذلك ، سنتمكن من حساب الحد الأدنى من التيار الذي يمكن قياسه باستخدام هذا الإعداد. والذي اتضح أنه 3mA b نظرًا لأن دقة ADC تم ضبطها على 0.125mV.

المكونات مطلوبة

اكتب كل المكونات بدون جدول

SL. لا	القطع	نوع	كمية
1	CT	نوع النافذة	1
2	اردوينو نانو	عام	1
3	م 736	IC	1
4	ADS1115	16 بت ADC	1
5	LMC7660	IC	1
6	120Ω ، 1٪	المقاوم	1
7	10 فائق التوهج	مكثف	2
8	33 فائق التوهج	مكثف	1
9	اللوح	عام	1
10	أسلاك توصيل	عام	10

مخطط الرسم البياني

يوضح المخطط أدناه دليل التوصيل لقياس التيار باستخدام المحول الحالي

هكذا ستبدو الدائرة على اللوح.

بناء دائرة القياس الحالية

في برنامج تعليمي سابق ، أوضحت لك كيفية قياس جهد True RMS بدقة بمساعدة AD736 IC وكيفية تكوين دائرة محول جهد مكثف بتبديل تولد جهدًا سلبيًا من جهد موجب للإدخال ، في هذا البرنامج التعليمي ، نستخدم كلا المرحلتين من هذه الدروس.

بالنسبة لهذا العرض التوضيحي ، يتم إنشاء الدائرة على لوحة توصيل بدون لحام ، بمساعدة المخطط ؛ أيضًا ، يتم قياس جهد التيار المستمر بمساعدة ADC 16 بت للحصول على دقة أفضل. وأثناء عرض الدائرة على اللوح لتقليل الطفيلي ، استخدمت أكبر عدد ممكن من كابلات التوصيل.

كود اردوينو للقياس الحالي

هنا يتم استخدام Arduino لعرض القيم المقاسة على نافذة الشاشة التسلسلية. ولكن مع القليل من التعديل في الكود ، يمكن للمرء بسهولة عرض القيم على شاشة LCD مقاس 16 × 2. تعرف على واجهة شاشة LCD مقاس 16 × 2 مع Arduino هنا.

يمكن العثور على الكود الكامل للمحول الحالي في نهاية هذا القسم. هنا يتم شرح أجزاء مهمة من البرنامج.

نبدأ بتضمين جميع ملفات المكتبات المطلوبة. تُستخدم مكتبة Wire للتواصل بين وحدة Arduino و ADS1115 وتساعدنا مكتبة Adafruit_ADS1015 على قراءة البيانات وكتابة التعليمات إلى الوحدة النمطية.

#تضمن #تضمن

بعد ذلك ، حدد MULTIPLICATION_FACTOR الذي يستخدم لحساب القيمة الحالية من قيمة ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * عامل لحساب القيمة الحالية الفعلية * / Adafruit_ADS1115 ads؛ / * استخدم هذا للإصدار 16 بت ADS1115 * /

يبصق ADC 16 بت أعداد صحيحة طويلة 16 بت لذلك يتم استخدام المتغير int16_t . يتم استخدام ثلاثة متغيرات أخرى ، أحدها لتخزين قيمة RAW لـ ADC ، وواحد لعرض الجهد الفعلي في دبوس ADC وأخيراً واحد لعرض قيمة الجهد هذه إلى القيمة الحالية.

int16_t adc1_raw_value ؛ / * متغير لتخزين قيمة ADC الخام * / float مقاس_voltae ؛ / * متغير لتخزين الجهد المقاس * / التيار العائم ؛ / * متغير لتخزين التيار المحسوب * /

ابدأ قسم الإعداد في الكود بتمكين الإخراج التسلسلي بـ 9600 باود. ثم قم بطباعة كسب ADC الذي تم تعيينه ؛ وذلك لأن الجهد الذي يزيد عن القيمة المحددة يمكن أن يتلف الجهاز بالتأكيد.

الآن قم بتعيين كسب ADC باستخدام ads.setGain (GAIN_ONE) ؛ الطريقة التي تحدد دقة 1 بت إلى 0.125mV

بعد ذلك ، يتم استدعاء طريقة بدء ADC التي تحدد كل شيء في وحدة الأجهزة وتحويل الإحصائيات.

إعداد باطل (باطل) {Serial.begin (9600) ؛ Serial.println ("الحصول على قراءات أحادية الطرف من AIN0..3") ؛ // بعض معلومات التصحيح Serial.println ("نطاق ADC: +/- 4.096V (1 بت = 2mV / ADS1015، 0.125mV / ADS1115)") ؛ // يمكن تغيير نطاق إدخال ADC (أو الكسب) من خلال // الوظائف التالية ، ولكن احرص على عدم تجاوز VDD + 0.3V كحد أقصى ، أو // تجاوز الحدود العليا والسفلى إذا قمت بضبط نطاق الإدخال! // قد يؤدي تعيين هذه القيم بشكل غير صحيح إلى تدمير ADC الخاص بك! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS) ؛ // 2 / 3x كسب +/- 6.144V 1 بت = 3mV 0.1875mV (افتراضي) ads.setGain (GAIN_ONE) ؛ // 1x كسب +/- 4.096V 1 بت = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO) ؛ // كسب 2x +/- 2.048V 1 بت = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR) ؛ // كسب 4x +/- 1.024V 1 بت = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT) ؛// كسب 8x +/- 0.512V 1 بت = 0.25mV 0.015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN) ؛ // كسب 16x +/- 0.256V 1 بت = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin () ؛ }

في قسم الحلقة ، قرأت قيمة ADC الخام وقمت بتخزينها في المتغير المذكور سابقًا لاستخدامها لاحقًا. ثم قم بتحويل قيمة ADC الخام إلى قيم جهد للقياس وحساب القيمة الحالية وعرضها في نافذة الشاشة التسلسلية.

حلقة باطلة (باطلة) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1) ؛ المقاسة_voltae = adc1_raw_value * (4.096 / 32768) ؛ الحالي = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR ؛ Serial.print ("قيمة ADC:") ؛ Serial.println (adc1_raw_value) ؛ Serial.print ("الجهد المقاس:") ؛ Serial.println (مقاسة_voltae) ؛ Serial.println ("V") ؛ Serial.print ("التيار المحسوب:") ؛ Serial.print (فال ، 5) ؛ Serial.println ("A") ؛ Serial.println ("") ؛ تأخير (500) ؛ }

ملحوظة! إذا لم يكن لديك مكتبة لوحدة ADS1115 ، فأنت بحاجة إلى تضمين المكتبة في Arduino IDE ، يمكنك العثور على المكتبة في مستودع GitHub هذا.

كود اردوينو الكامل موضح أدناه:

#تضمن # تضمين # تعريف MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * عامل لحساب القيمة الحالية الفعلية * / # تعريف ADC_MAX_VALUE 32768 / * الحد الأقصى للقيمة التي تنتجها ADC * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 ads؛ / * استخدم هذا لإصدار 16 بت ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value؛ / * متغير لتخزين قيمة ADC الخام * / float مقاس_voltae ؛ / * متغير لتخزين الفولتية المقاسة * / التيار العائم ؛ / * متغير لتخزين الإعداد الحالي المحسوب * / باطل (باطل) {Serial.begin (9600)؛ Serial.println ("الحصول على قراءات أحادية الطرف من AIN0..3") ؛ // بعض معلومات التصحيح Serial.println ("نطاق ADC: +/- 4.096V (1 بت = 2mV / ADS1015، 0.125mV / ADS1115)") ؛ // يمكن تغيير نطاق إدخال ADC (أو الكسب) عبر // الوظائف التالية ، ولكن احرص على عدم تجاوز VDD + 0.3V كحد أقصى ،أو // لتتجاوز الحدود العليا والدنيا إذا قمت بضبط نطاق الإدخال! // قد يؤدي تعيين هذه القيم بشكل غير صحيح إلى تدمير ADC الخاص بك! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS) ؛ // 2 / 3x كسب +/- 6.144V 1 بت = 3mV 0.1875mV (افتراضي) ads.setGain (GAIN_ONE) ؛ // 1x كسب +/- 4.096V 1 بت = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO) ؛ // كسب 2x +/- 2.048V 1 بت = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR) ؛ // كسب 4x +/- 1.024V 1 بت = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT) ؛ // كسب 8x +/- 0.512V 1 بت = 0.25mV 0.015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN) ؛ // كسب 16x +/- 0.256V 1 بت = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin () ؛ } حلقة باطلة (باطلة) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1) ؛ مقاسة_voltae = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE) ، الحالي = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR ؛ Serial.print ("قيمة ADC:") ؛ مسلسل.println (adc1_raw_value) ، Serial.print ("الجهد المقاس:") ؛ Serial.print (scale_voltae) ؛ Serial.println ("V") ؛ Serial.print ("التيار المحسوب:") ؛ Serial.print (الحالي ، 5) ؛ Serial.println ("A") ؛ Serial.println ("") ؛ تأخير (500) ؛ }

اختبار الدائرة

الأدوات المستخدمة لاختبار الدائرة

1. 2 مصباح متوهج 60 واط
2. ميكو 450B + TRMS المتعدد

لاختبار الدائرة تم استخدام الإعداد أعلاه. يتدفق التيار من CT إلى المتر المتعدد ، ثم يعود إلى خط الطاقة الرئيسي.

إذا كنت تتساءل عما تفعله لوحة FTDI في هذا الإعداد ، دعني أخبرك أن محول USB إلى تسلسلي على متن الطائرة لا يعمل ، لذلك اضطررت إلى استخدام محول FTDI كمحول USB إلى محول تسلسلي.

مزيد من التحسينات

أخطاء mA القليلة التي رأيتها في الفيديو (الموضح أدناه) هي فقط لأنني صنعت الدائرة في لوحة التجارب ، لذلك كانت هناك العديد من المشكلات الأرضية.

أتمنى أن تكون قد أحببت هذه المقالة وتعلمت شيئًا جديدًا منها. إذا كان لديك أي شك ، يمكنك أن تسأل في التعليقات أدناه أو يمكنك استخدام منتدياتنا لمناقشة مفصلة.