اندازه گیری فرکانس اصلی با استفاده از آردوینو: 7 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

در 3 آوریل ، شری ، نخست وزیر هند. نارندرا مودی از سرخپوستان درخواست کرده بود که چراغ های خود را خاموش کرده و چراغی (دیا) را در ساعت 21 شب پنجم آوریل به منظور مبارزه هند با ویروس کرونا مشخص کنند. درست پس از اعلام این خبر ، هرج و مرج بزرگی در شبکه های اجتماعی ایجاد شد که می گفتند این امر به دلیل خرابی شبکه برق منجر به خاموشی کامل می شود.

من که دانشجوی مهندسی برق بودم ، می خواستم تأثیر کاهش ناگهانی بار بر روی شبکه برق را ببینم. یکی از پارامترهایی که تحت تأثیر قرار می گیرد فرکانس است. بنابراین ، تصمیم گرفتم دستگاهی بسازم که فرکانس ولتاژ یک پریز برق در خانه من را اندازه گیری کند. لطفاً توجه داشته باشید که برای این آزمایش کوچک دقت مقدار اندازه گیری شده مهم نیست زیرا من فقط می خواستم تغییرات فرکانس را مشاهده کنم.

در این دستورالعمل ، من به سرعت نحوه خرابی یک شبکه را توضیح خواهم داد و سپس نحوه اندازه گیری فرکانس را به شما نشان خواهم داد.

مرحله 1: چرا نگرانیم؟

یک شبکه برقی می تواند به دلایل زیادی خراب شود که یکی از آنها کاهش ناگهانی بار است. من سعی می کنم آن را به ساده ترین شکل ممکن توضیح دهم به گونه ای که فردی بدون زمینه الکتریکی بتواند آن را درک کند.

فرکانس چیست؟ این تعداد دفعاتی است که یک موج AC در یک ثانیه تکرار می شود. فرکانس در هند 50 هرتز است به این معنی که یک موج AC 50 بار در یک ثانیه تکرار می شود.

در هر نیروگاه ، یک توربین وجود دارد که یک دستگاه مکانیکی دوار است و انرژی را از جریان سیال (بخار ، آب ، گاز و غیره) استخراج کرده و به کار مفید (انرژی مکانیکی) تبدیل می کند. این توربین به یک ژنراتور متصل می شود. سپس یک ژنراتور این انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند که در خانه دریافت می کنیم.

اجازه دهید یک نیروگاه بخار را برای این توضیح در نظر بگیریم. در اینجا از بخار فشار قوی برای چرخاندن توربین استفاده می شود که به نوبه خود ژنراتور را می چرخاند و برق تولید می شود. من در مورد نحوه عملکرد یک ژنراتور بحث نخواهم کرد ، اما فقط به یاد داشته باشید که فرکانس ولتاژ تولید شده مستقیماً با سرعت چرخش ژنراتور ارتباط دارد. اگر سرعت افزایش یابد ، فرکانس افزایش می یابد و برعکس. فرض کنید ژنراتور به هیچ بار متصل نیست. ژنراتور با افزایش ورودی بخار به توربین تا سرعت فرکانس 50 هرتز افزایش می یابد. ژنراتور اکنون آماده ارائه نیرو است. به محض اینکه ژنراتور به بار (یا شبکه) متصل می شود ، جریان در سیم پیچ آن شروع می شود و سرعت آن کاهش می یابد و فرکانس کاهش می یابد. اما طبق استانداردهای مقررات ، فرکانس باید در یک محدوده خاص باشد. در هند ، +/- 3 i.e. یعنی 48.5 هرتز تا 51.5 هرتز است. اکنون ، برای جبران کاهش فرکانس به دلیل کاهش سرعت ، ورودی بخار افزایش می یابد تا فرکانس دوباره 50Hz شود. این روند ادامه دارد. بار افزایش می یابد ، سرعت کاهش می یابد ، فرکانس کاهش می یابد ، ورودی بخار افزایش می یابد و ژنراتور به سرعت نزدیک می شود. همه اینها به طور خودکار با استفاده از دستگاهی به نام Governor انجام می شود. سرعت (یا فرکانس) ژنراتور را کنترل کرده و ورودی بخار را بر این اساس تنظیم می کند. از آنجا که بیشتر قسمت ها مکانیکی هستند ، چند ثانیه طول می کشد (یعنی ثابت زمان بالا) تا تغییرات اعمال شوند.

حال ، اجازه دهید در نظر بگیریم که کل بار روی ژنراتور ناگهان حذف می شود. ژنراتور از سرعت عادی خود بیشتر می شود زیرا قبلاً ورودی بخار را برای جبران افزایش بار افزایش داده بودیم. قبل از اینکه گاورنر بتواند ورودی بخار را حس کرده و تغییر دهد ، ژنراتور به حدی سریع می شود که فرکانس از حد بالای خود عبور می کند. از آنجا که این مطابق استانداردهای نظارتی مجاز نیست ، ژنراتور به دلیل فرکانس زیاد از شبکه خارج می شود (یا قطع می شود).

در هند ، ما One Nation - One Grid داریم که به این معنی است که همه مولدهای هند به یک شبکه متصل هستند. این امر به ارسال نیرو به هر نقطه از کشور کمک می کند. اما یک معایب وجود دارد. یک گسل عظیم در هر نقطه از کشور می تواند به سرعت به سایر نقاط سرایت کند که منجر به خرابی کل شبکه می شود. بنابراین ، کل کشور فاقد قدرت است!

مرحله 2: برنامه

برنامه اندازه گیری فرکانس ولتاژ در فواصل معین است.

یک ترانسفورماتور با ضربه مرکزی برای کاهش 230V AC به 15V AC استفاده می شود.

ماژول RTC زمان واقعی را ارائه می دهد.

سپس هر دو داده (زمان و فرکانس) در کارت Micro SD در دو فایل جداگانه ذخیره می شوند. پس از اتمام آزمایش ، داده ها را می توان در یک صفحه Excel وارد کرد تا نمودار ایجاد شود.

برای نمایش فرکانس از یک صفحه نمایش LCD استفاده می شود.

برحذر بودن! شما با ولتاژ کشنده AC Main سروکار خواهید داشت. تنها در صورتی پیش بروید که بدانید در حال انجام چه کاری هستید. برق شانس دوم نمی دهد

مرحله 3: چیزهایی که به آنها نیاز خواهید داشت

1 برابر آردوینو نانو

صفحه نمایش 1x 16x2 LCD

ماژول ساعت واقعی 1x DS3231

1 عدد ماژول کارت Micro SD

1x ترانسفورماتور ضربه زده مرکز (15V-0-15V)

2x مقاومت 10k

مقاومت 1x 1k

مقاومت 1x 39k

1x 2N2222A NPN ترانزیستور

دیود 1x 1N4007

مرحله چهارم: کنار هم قرار دادن اشیا

طرح کلی ساخت در اینجا پیوست شده است. من آن را روی یک تخته نان می سازم ، اما شما می توانید با استفاده از یک تخته چوبی یا یک PCB سفارشی آن را دائمی کنید.

انتخاب مقدار صحیح R3 برای ترانسفورماتور:

R3 و R4 تقسیم ولتاژ را تشکیل می دهند و مقادیر به گونه ای انتخاب می شوند که پیک ولتاژ AC از 5 ولت تجاوز نکند. بنابراین ، اگر قصد دارید از ترانسفورماتور دیگری با رتبه های متفاوت استفاده کنید ، باید R3 را نیز تغییر دهید. به یاد داشته باشید که ولتاژهای داده شده بر روی ترانسفورماتور در RMS هستند. در مورد من ، 15-0-15 است.

برای تأیید آن از مولتی متر استفاده کنید. ولتاژ اندازه گیری شده بیشتر از 15 ولت خواهد بود. در مورد من ، حدود 17.5 ولت بود. حداکثر مقدار 17.5 sq sqrt (2) = 24.74V خواهد بود. این ولتاژ بسیار بیشتر از حداکثر ولتاژ گیت امیتر (6 ولت) ترانزیستور 2N2222A است. ما می توانیم مقدار R3 را با استفاده از فرمول تقسیم ولتاژ نشان داده شده در تصویر بالا محاسبه کنیم.

اتصالات ماژول کارت SD:

ماژول از SPI برای ارتباط استفاده می کند.

• MISO تا D12
• MOSI تا D11
• SCK تا D13
• CS/SS تا D10 (می توانید از هر پینی برای انتخاب تراشه استفاده کنید)

اطمینان حاصل کنید که کارت SD ابتدا به صورت FAT فرمت شده است.

اتصالات برای ماژول RTC

این ماژول از I2C برای ارتباط استفاده می کند.

• SDA تا A4
• SCL تا A5

اتصالات برای نمایش LCD

• RST تا D9
• EN تا D8
• D4 تا D7
• D5 تا D6
• D6 تا D5
• D7 تا D4
• R/W به GND

مرحله 5: زمان برنامه نویسی

کد در اینجا پیوست شده است. با استفاده از Arduino IDE آن را بارگیری و باز کنید. قبل از بارگذاری ، مطمئن شوید که DS3231 Library را نصب کرده اید. در این وب سایت اطلاعات مفیدی پیدا کردم.

راه اندازی RTC:

1. یک باتری سکه ای نوع 2032 را وارد کنید.
2. مطابق شکل DS3231_Serial_Easy را از مثالها باز کنید.
3. 3 خط را کامنت نکنید و زمان و تاریخ را همانطور که در تصویر نشان داده شده وارد کنید.
4. طرح را در آردوینو بارگذاری کرده و مانیتور سریال را باز کنید. نرخ باود را روی 115200 تنظیم کنید. شما باید بتوانید زمانی را مشاهده کنید که هر 1 ثانیه به روز می شود.
5. حالا ، آردوینو را از برق بکشید و بعد از چند ثانیه دوباره آن را وصل کنید. به مانیتور سریال نگاه کنید. باید زمان واقعی را نشان دهد.

انجام شده! RTC راه اندازی شده است. این مرحله باید فقط یکبار انجام شود تا تاریخ و زمان تنظیم شود.

مرحله 6: پردازش داده ها

پس از اتمام آزمایش ، کارت micro SD را از ماژول خارج کرده و با استفاده از کارت خوان به رایانه خود وصل کنید. دو فایل متنی با نام FREQ.txt و TIME.txt وجود خواهد داشت.

محتوای این فایلها را کپی کرده و در یک ستون اکسل در دو ستون جداگانه (زمان و Freq) بچسبانید.

روی Insert> Chart کلیک کنید. اکسل باید به طور خودکار داده های برگه را بررسی کرده و نمودار را رسم کند.

وضوح محور عمودی را افزایش دهید تا نوسانات به وضوح قابل مشاهده باشند. در Google Sheets ، سفارشی سازی> محور عمودی> حداقل. = 49.5 و حداکثر = 50.5

مرحله 7: نتایج

با قطع بارها در حدود ساعت 9 شب (21:00) و کاهش فرکانس در حدود 9:10 بعد از ظهر (21:10) با روشن شدن مجدد بارها ، به وضوح می توانیم افزایش کمی را مشاهده کنیم. هیچ آسیبی به شبکه نمی رسد زیرا فرکانس در محدوده تحمل (+/- 3)) یعنی 48.5 هرتز تا 51.5 هرتز است.

توییت وزیر امور خارجه در دولت هند ، آقای آر کی سینگ تأیید می کند که نتایجی که من دریافت کردم بسیار دقیق بوده است.

متشکرم که تا انتها پایبند بودید. امیدوارم همه شما این پروژه را دوست داشته باشید و امروز چیز جدیدی آموخته باشید. اگر یکی را برای خود درست کردید به من اطلاع دهید. برای پروژه های بیشتر در کانال YouTube من مشترک شوید.