Измерване на променлив ток с помощта на токов трансформатор и arduino

Токовият трансформатор е вид инструментален трансформатор, специално проектиран да трансформира променлив ток във вторичната му намотка, а количеството произведен ток е право пропорционално на тока в първичната намотка. Този тип токов трансформатор е проектиран да невидимо измерва ток от подсистемата за високо напрежение или където през системата протича голямо количество ток. Работата на токовия трансформатор е да преобразува голямото количество ток в по-ниско количество ток, което може лесно да бъде измерено от микроконтролер или аналогов измервателен уред. По-рано обяснихме измерването на тока с помощта на токовия трансформатор в статия за различни видове токови сензорни техники.

Тук ще научим подробно тази техника на засичане на ток и ще свържем токов трансформатор за измерване на променлив ток с помощта на Arduino. Също така ще се научим да определяме съотношението на завоите на неизвестен токов трансформатор.

Настоящ трансформатор

Както вече споменах, токов трансформатор е трансформатор, предназначен за измерване на ток. Горното, показващо два трансформатора, които имам в момента, се нарича прозоречен трансформатор на ток или широко известен като трансформатор за баланс на сърцевината r.

Как работи текущият трансформатор?

Основният принцип на токовия трансформатор е същият като трансформатора на напрежение, подобно на трансформатора на напрежение токовият трансформатор също се състои от първична намотка и вторична намотка. Когато променлив електрически ток преминава през първичната намотка на трансформатора, се получава променлив магнитен поток, който индуцира променлив ток във вторичната намотка в този момент, можете да кажете, че той е почти същият като трансформатор на напрежение, ако мислите, че тук е разликата.

Обикновено токов трансформатор винаги е в състояние на късо съединение с помощта на резистор на тежестта, също така токът, течащ по вторичната намотка, зависи само от първичния ток, преминаващ през проводника.

Текущо изграждане на трансформатор

За да ви дам по-добро разбиране, разруших един от настоящите си трансформатори, който можете да видите на горното изображение.

На изображението може да се види, че много тънък проводник е намотан около тороидален материал на сърцевината и набор от проводници излизат от трансформатора. Основната намотка е само един проводник, който е свързан последователно с товара и пренася общия ток, протичащ през товара.

Текущо съотношение на трансформатора

Поставяйки проводник вътре в прозореца на токовия трансформатор, можем да образуваме единичен контур и съотношението на завоите става 1: N.

Подобно на всички други трансформатори, токовият трансформатор трябва да отговаря на уравнението на коефициента на усилване-оборот, което е показано по-долу.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Където, TR = Транс коефициент

Np = Брой първични обороти

Ns = Брой вторични завои

Ip = Ток в първичната намотка

Is = Ток във вторичната намотка

За да намерите вторичния ток, пренаредете уравнението на

Is = Ip x (Np / NS)

Както можете да видите на горното изображение, първичната намотка на трансформатора се състои от една намотка, а вторичната намотка на трансформатора се състои от хиляди намотки, ако приемем, че 100A ток протича през първичната намотка, вторичният ток ще бъде 5A. И така, съотношението между първично и вторично става 100А към 5А или 20: 1. Така че, може да се каже, че първичният ток е 20 пъти по-висок от този на вторичния ток.

Забележка! Моля, обърнете внимание, че текущото съотношение не е същото като коефициента на завои.

Сега всички основни теории се отклоняват, можем да насочим вниманието си обратно към изчисляване на съотношението на завоите на текущия трансформатор в ръка.

Текуща грешка на трансформатора

Всяка схема има някои грешки. Токовите трансформатори не се различават; съществуват различни грешки в токов трансформатор. Някои от които са описани по-долу

Грешка в съотношението в текущия трансформатор

Първичният ток на токовия трансформатор не е точно равен на вторичния ток, умножен по отношението на завоите. Част от тока се консумира от сърцевината на трансформатора, за да го доведе до състояние на възбуждане.

Грешка във фазовия ъгъл в токов трансформатор

За идеален CT първичният и вторичният вектор на тока е нула. Но в действителния токов трансформатор винаги ще има разлика, тъй като първичната трябва да подава възбуждащия ток към сърцевината и ще има малка фазова разлика.

Как да намалим грешката в настоящия трансформатор?

Винаги е необходимо да се намалят грешките в системата, за да се постигне по-добра производителност. Така че, чрез стъпки по-долу, човек може да постигне това

Използване на сърцевина с висока пропускливост с нисък хистерезис магнитен материал.
Стойността на резистора на товара трябва да бъде много близка до изчислената стойност.
Вътрешният импеданс на вторичния може да бъде намален.

Назад Изчисляване на съотношението на оборотите на токов трансформатор

Тестовата настройка е показана на горното изображение, което използвах, за да разбера съотношението на завоите.

Както споменах преди, токовият трансформатор (CT), който притежавам, няма спецификация или номер на част, само защото ги спасих от счупен домакински електромер. И така, на този етап трябва да знаем съотношението на завоите, за да зададем правилно стойността на резистора на тежестта, в противен случай в системата ще бъдат въведени всякакви проблеми, за които ще говоря по-нататък в статията.

С помощта на закона на ома съотношението на завоите може лесно да бъде разбрано, но преди това трябва да измервам големия 10W, 1K резистор, който действа като товар във веригата, а също така трябва да взема произволен резистор на тежестта за да разберете коефициента на завои.

Резисторът за натоварване

Резисторът на бремето

Обобщение на всички стойности на компонентите по време на тестването

Входно напрежение Vin = 31,78 V

Съпротивление на натоварване RL = 1,0313 KΩ

Съпротивление на натоварване RB = 678.4 Ω

Изходно напрежение Vout = 8,249 mV или 0,008249 V

Токът, протичащ през товарния резистор, е

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

Така че сега знаем входния ток, който е 0,03080A или 30,80 mA

Нека да разберем изходния ток

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

Сега, за да изчислим съотношението на завоите, трябва да разделим първичния ток с вторичния.

Отношение на оборотите n = първичен ток / вторичен ток n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533.1972

Така че токовият трансформатор се състои от 2500 оборота (закръглена стойност)

Забележка! Моля, обърнете внимание, че грешките се дължат най-вече на моето постоянно променящо се входно напрежение и толеранс на мултицет.

Изчисляване на подходящ размер на резистора за натоварване

Използваният тук CT е текущ тип изход. Така че, за да се измери токът, той трябва да бъде преобразуван в тип напрежение. Тази статия в уебсайта openenergymonitor дава чудесна идея за това как можем да направим това, така че ще следвам статията

Резистор за натоварване (ома) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * макс. Първичен ток)

Където, AREF = Аналогово референтно напрежение на модула ADS1115, което е настроено на 4.096V.

CT TURNS = брой вторични завои, които предварително сме изчислили.

Максимален първичен ток = максимален първичен ток, който ще бъде прокаран през CT.

Забележка! Всеки CT има максимален ток, надвишаващ този рейтинг, ще доведе до насищане на сърцевината и в крайна сметка грешки в линейността, което ще доведе до грешка в измерването

Забележка! Максималният ток на домакинския електромер е 30А, така че отивам за тази стойност.

Резистор за натоварване (ома) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120.6Ω не е често срещана стойност, затова ще използвам три резистора последователно, за да получа 120Ω стойност на резистора. След свързването на резисторите към CT направих няколко теста за изчисляване на максималното изходно напрежение от CT.

След теста се забелязва, че ако 1mA ток се подава през първичната част на токовия трансформатор, изходът е 0,0488mV RMS. С това можем да изчислим дали през CT се подава ток 30А, изходното напрежение ще бъде 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Сега, с направените изчисления, настроих усилването на ADC на 1х усилване, което е +/- 4.096V, което ни дава разделителна способност 0,125mV в пълен мащаб. С това ще можем да изчислим минималния ток, който може да бъде измерен с тази настройка. Което се оказа 3 mA b, тъй като разделителната способност на ADC беше настроена на 0,125 mV.

Необходими компоненти

Напишете целия компонент без таблица

Sl.No	Части	Тип	Количество
1	CT	Тип прозорец	1
2	Arduino Nano	Общи	1
3	AD736	интегрална схема	1
4	ADS1115	16-битов ADC	1
5	LMC7660	интегрална схема	1
6	120Ω, 1%	Резистор	1
7	10uF	Кондензатор	2
8	33uF	Кондензатор	1
9	Макет	Общи	1
10	Джъмперни проводници	Общи	10

Електрическа схема

По-долу схемата показва свързващото ръководство за измерване на ток с помощта на токов трансформатор

Ето как ще изглежда веригата на макета.

Конструкция на веригата за измерване на ток

В предишен урок ви показах как точно да измервате истинското RMS напрежение с помощта на AD736 IC и как да конфигурирате верига на превключвател на напрежение с превключващ кондензатор, която генерира отрицателно напрежение от входно положително напрежение, в този урок използваме и двете интегрални схеми от тези уроци.

За тази демонстрация веригата е конструирана върху без запояване макет, с помощта на схемата; също така, DC напрежението се измерва с помощта на 16bit ADC за по-добра точност. И докато демонстрирам схемата на макет, за да намаля паразитното, използвах колкото се може повече джъмперни кабели.

Код на Arduino за текущо измерване

Тук Arduino се използва за показване на измерените стойности в прозореца на серийния монитор. Но с малка модификация в кода, много лесно може да се покажат стойностите на 16x2 LCD. Научете взаимодействието на 16x2 LCD с Arduino тук.

Пълен код за токовия трансформатор можете да намерите в края на този раздел. Тук са обяснени важни части от програмата.

Започваме с включването на всички необходими библиотечни файлове. Библиотеката Wire се използва за комуникация между Arduino и модула ADS1115, а библиотеката Adafruit_ADS1015 ни помага да четем данни и да записваме инструкции към модула.

#include #include

След това дефинирайте MULTIPLICATION_FACTOR, който се използва за изчисляване на текущата стойност от стойността на ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * коефициент за изчисляване на действителната текуща стойност * / Adafruit_ADS1115 реклами; / * Използвайте това за 16-битовата версия ADS1115 * /

16-битовият ADC изхвърля 16-битови дълги цели числа, така че се използва променливата int16_t . Използват се три други променливи, една за съхраняване на RAW стойността за ADC, една за показване на действителното напрежение в ADC щифта и накрая една за показване на тази стойност на напрежението до текуща стойност.

int16_t adc1_raw_value; / * променлива за съхраняване на сурова ADC стойност * / float измерени_волта; / * променлива за съхраняване на измерено напрежение * / плаващ ток; / * променлива за съхраняване на изчисления ток * /

Започнете раздела за настройка на кода, като активирате серийния изход с 9600 бода. След това отпечатайте печалбата на ADC, която е зададена; това е така, защото напрежението над определената стойност със сигурност може да повреди устройството.

Сега задайте печалбата на ADC с ads.setGain (GAIN_ONE); методът, който задава 1-битовата разделителна способност на 0,125 mV

След това се извиква методът ADC begin , който настройва всичко в хардуерния модул и преобразува статистика.

настройка на невалидни (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Получаване на еднократни показания от AIN0..3"); // малко информация за отстраняване на грешки Serial.println ("Обхват на ADC: +/- 4.096V (1 бит = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Входният обхват на ADC (или усилването) може да бъде променен чрез следните // функции, но внимавайте никога да не надвишавате VDD + 0.3V макс. Или да // надвишавате горната и долната граница, ако регулирате входния обхват! // Неправилното задаване на тези стойности може да унищожи ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x печалба +/- 6.144V 1 бит = 3mV 0.1875mV (по подразбиране) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x усилване +/- 4.096V 1 бит = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x печалба +/- 2.048V 1 бит = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x усилване +/- 1.024V 1 бит = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x усилване +/- 0,512V 1 бит = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x печалба +/- 0,256V 1 бит = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); }

В раздела за цикли чета суровата стойност на ADC и я съхранявам в споменатата по-рано променлива за по-нататъшна употреба. След това преобразувайте суровата стойност на ADC в стойности на напрежението за измерване и изчислете текущата стойност и я покажете в прозореца на серийния монитор.

невалиден цикъл (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); измерени_волта = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); текущ = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Стойност на ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Измерено напрежение:"); Serial.println (измерени_волта); Serial.println ("V"); Serial.print ("Изчислен ток:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); забавяне (500); }

Забележка! Ако нямате библиотека за модула ADS1115, трябва да включите библиотеката в IDE на Arduino, можете да намерите библиотеката в това хранилище на GitHub.

Пълният код на Arduino е даден по-долу:

#include #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * фактор за изчисляване на действителната текуща стойност * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * максимална стойност, която ADC произвежда * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 реклами; / * Използвайте това за 16-битовата версия ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * променлива за съхраняване на сурова ADC стойност * / float измерени_волта; / * променлива за съхраняване на измерени волта * / плаващ ток; / * променлива за съхраняване на изчисления ток * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Получаване на еднократни показания от AIN0..3"); // малко информация за отстраняване на грешки Serial.println ("Обхват на ADC: +/- 4.096V (1 бит = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // Входният обхват на ADC (или усилването) може да се променя чрез следните // функции, но внимавайте никога да не надвишава VDD + 0.3V max,или до // надвишаване на горната и долната граница, ако регулирате входния диапазон! // Неправилното задаване на тези стойности може да унищожи ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x печалба +/- 6.144V 1 бит = 3mV 0.1875mV (по подразбиране) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x усилване +/- 4.096V 1 бит = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x печалба +/- 2.048V 1 бит = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x усилване +/- 1.024V 1 бит = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x усилване +/- 0,512V 1 бит = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x печалба +/- 0,256V 1 бит = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); } void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); измерени_волта = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); текущ = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Стойност на ADC:"); Сериен.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Измерено напрежение:"); Serial.print (измерени_волта); Serial.println ("V"); Serial.print ("Изчислен ток:"); Serial.print (текущ, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); забавяне (500); }

Тестване на веригата

Инструменти, използвани за тестване на веригата

2 крушка с нажежаема жичка 60W
Мултиметър Meco 450B + TRMS

За тестване на веригата беше използвана горната настройка. Токът тече от КТ към мултиметъра, след това се връща към електропровода на главната мрежа.

Ако се чудите какво прави FTDI платка в тази настройка, позволете ми да ви кажа, че вграденият USB към сериен преобразувател не работи, така че трябваше да използвам FTDI конвертор като USB към сериен преобразувател.

Допълнителни подобрения

Няколко грешки mA, които видяхте във видеото (дадени по-долу), са само защото аз направих схемата в макет, така че имаше много основни проблеми.

Надявам се тази статия да ви е харесала и да сте научили нещо ново от нея. Ако имате някакви съмнения, можете да попитате в коментарите по-долу или да използвате нашите форуми за подробна дискусия.