نحوه اندازه گیری ضریب توان AC با استفاده از آردوینو: 4 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

سلام به همه! این سومین دستورالعمل آموزشی من است ، امیدوارم آموزنده باشید:-) این روش در مورد نحوه اندازه گیری ضریب توان اولیه با استفاده از آردوینو قابل آموزش خواهد بود. قبل از شروع به چند نکته توجه داشته باشید:

1. این فقط با بارهای خطی کار می کند (به عنوان مثال موتورهای القایی ، ترانسفورماتورها ، شیر برقی)
2. این با غیر خطی کار نمی کند (به عنوان مثال لامپ های CFL ، منبع تغذیه حالت سوئیچ ، LED ها)
3. من یک مهندس برق هستم و هنگام کار با پتانسیل اصلی (به عنوان مثال 230V) بسیار ماهر هستم

هشدار! اگر شما آموزش ندیده اید یا نمی دانید چگونه با ولتاژ اصلی به درستی کار کنید ، پیشنهاد می کنم آن قسمت از دستورالعمل را ادامه ندهید و من یک روش مطمئن برای اثبات عملکرد مدار به شما نشان خواهم داد.

این یک راه حل سخت افزاری برای مشکل اندازه گیری PF در بارهای خطی است. این کار را می توان صرفاً از طریق کد شامل توانایی اندازه گیری بارهای غیر خطی انجام داد ، که من قصد دارم در دستورالعمل دیگری به آن بپردازم.

به نفع همه مبتدیان که این مطلب را می خوانند ، ضریب توان نسبت قدرت واقعی به توان ظاهری است و با یافتن کسینوس زاویه فاز بین ولتاژ منبع تغذیه و جریان محاسبه می شود (به تصویر پیوست شده از Google مراجعه کنید). این امر در برنامه های AC بسیار مهم است زیرا "قدرت ظاهری" (ولت آمپر) را می توان به راحتی با استفاده از ولتاژ ضرب در جریان محاسبه کرد. اما برای بدست آوردن قدرت واقعی یا "قدرت واقعی" (وات) ، قدرت ظاهری باید در ضریب توان ضرب شود تا اندازه گیری واقعی قدرت در وات انجام شود. این فقط در مورد بارهایی که دارای یک جزء القایی یا فعال کننده قابل توجه هستند (مانند موتور) صدق می کند. بارهای کاملاً مقاومتی مانند بخاری های برقی یا لامپ های رشته ای دارای ضریب توان 1.0 (واحد) هستند و بنابراین قدرت واقعی و قدرت ظاهری یکسان هستند.

مرحله 1: طراحی مدار

ضریب توان را می توان با استفاده از یک اسیلوسکوپ ، با اندازه گیری اختلاف زمان بین سیگنال ولتاژ و جریان ، محاسبه کرد. تا زمانی که در یک مکان نمونه برداری شوند ، می توان آنها را در هر نقطه از موج اندازه گیری کرد. در این مورد ، منطقی است که بین نقاط عبور صفر (نقاط موج که ولتاژ از محور X عبور می کند) اندازه گیری شود.

مدار زیر را در Multisim طراحی کردم. با فرض اینکه جریان و ولتاژ بار ، شکل موج سینوسی خالص هستند ، می توان ضریب توان را اندازه گیری کرد. هر شکل موج به یک آشکارساز عبور صفر (گاهی اوقات به عنوان مبدل موج سینوسی به مربع معروف است) تغذیه می شود که به سادگی یک 741 op-amp در حالت مقایسه است که ولتاژ مقایسه 0V است. هنگامی که موج سینوسی در چرخه منفی قرار دارد ، یک پالس DC منفی تولید می شود ، و هنگامی که موج سینوسی مثبت است یک پالس DC مثبت ایجاد می شود. سپس دو موج مربعی با استفاده از یک دروازه منطقی OR (XOR) مقایسه می شود ، که تنها در مواقع همپوشانی امواج مربعی ، یک پالس DC مثبت مثبت و در هنگام همپوشانی با 0 ولت مقایسه می شود. بنابراین خروجی دروازه XOR تفاوت زمانی (دلتا t) بین دو موج از نقطه ای است که از نقطه صفر عبور می کنند. این سیگنال تفاوت می تواند توسط یک میکروکنترلر زمان بندی شده و با استفاده از محاسبه زیر به ضریب توان تبدیل شود (اطمینان حاصل کنید که ماشین حساب علمی شما در درجه است و نه رادیان):

cos (phi) = f * dt * 360

جایی که:

cos (phi) - ضریب قدرت

f - فرکانس منبع اندازه گیری شده

dt - دلتا t یا تفاوت زمانی بین امواج

360 - یک ثابت که برای پاسخ دادن به درجه استفاده می شود

در تصاویر شما سه اثر شبیه سازی شده از اسیلوسکوپ برای مدار را مشاهده خواهید کرد. دو سیگنال ورودی نشان دهنده جریان و ولتاژ به بار است. من به سیگنال دوم اختلاف فاز 18 درجه دادم تا نظریه نشان داده شود. این یک PF تقریبا 0.95 می دهد.

مرحله 2: نمونه سازی و آزمایش

برای ساخت نمونه اولیه من ، طرح مدار را روی یک تخته نان بدون لحیم قرار دادم. از برگه اطلاعات UA741CN و برگه CD4070CN هر دو IC از منبع تغذیه 12-15 Vdc استفاده می کنند ، بنابراین من با استفاده از دو باتری یک منبع تغذیه دوگانه +12V ، 0V ، -12V ولت تغذیه می کنم.

شبیه سازی بار

می توانید بار را با استفاده از ژنراتور سیگنال دو کاناله یا مولد عملکرد شبیه سازی کنید. من از این جعبه چینی ارزان و شاد برای تولید دو موج سینوسی 50 هرتز با فاصله 18 درجه استفاده کردم و سیگنال ها را وارد مدار کردم. می توانید شکل موج حاصل را در یک اسیلوسکوپ مشاهده کنید. در تصاویر بالا می توانید دو موج مربع همپوشانی (خروجی از هر op-amp) را مشاهده کنید ، و سه تصویر دیگر خروجی گیت XOR را نشان می دهند. توجه کنید که چگونه پالس خروجی با کاهش زاویه فاز کوتاهتر می شود. مثالهای بالا 90 ، 40 ، 0 درجه را نشان می دهد.

مرحله 3: کد آردوینو

همانطور که در بالا ذکر شد ، خروجی از مدار اندازه گیری تفاوت زمانی بین دو سیگنال ورودی (یعنی سیگنال جریان و ولتاژ) است. کد آردوینو از "pulseIn" برای اندازه گیری طول پالس خروجی از مدار اندازه گیری در نانو ثانیه استفاده می کند و از آن در فرمول PF ذکر شده در بالا استفاده می کند.

کد با تعریف ثابت ها شروع می شود ، عمدتا برای سازماندهی و خوانایی کد. مهمتر از همه ، کد C (کد آردوینو) در رادیان عمل می کند نه درجه ، بنابراین تبدیل از رادیان به درجه برای محاسبه زاویه و PF بعدا مورد نیاز است. یک شعاع تقریباً 57.29577951 درجه عدد 360 نیز ذخیره می شود و ضریب ضرب 1x10^-6 برای تبدیل نانو ثانیه به ثانیه ساده. فرکانس نیز در ابتدا تعریف می شود ، اگر از چیزی غیر از 50Hz استفاده می کنید مطمئن شوید که در ابتدای کد به روز شده است.

در داخل "حلقه خالی ()" به آردوینو گفته ام که زاویه را بر اساس فرمول PF که قبلاً ذکر شد محاسبه کند. در اولین تکرار من از این کد ، کد زاویه و ضریب توان صحیح را برمی گرداند ، اما بین هر نتیجه صحیح مقدار کمی اشتباه در کنسول سریال نیز بازگردانده می شود. متوجه شدم که این یا هر مطالعه دیگری است یا هر چهار اندازه گیری است. من یک عبارت "if" را در داخل حلقه "for" قرار دادم تا حداکثر مقدار هر چهار خوانش متوالی را ذخیره کند. این کار را با مقایسه محاسبه در برابر "angle_max" که در ابتدا صفر است انجام می دهد و اگر بزرگتر باشد مقدار جدید را در "angle_max" ذخیره می کند. این امر برای اندازه گیری PF تکرار می شود. با انجام این کار در حلقه "for" این بدان معناست که زاویه و pf صحیح همیشه برمی گردند ، اما اگر زاویه اندازه گیری شده تغییر کند (بیشتر یا پایین) ، هنگامی که "برای" به پایان می رسد "angle_max" برای آزمایش بعدی صفر می شود ، هنگامی که " حلقه خالی () "تکرار می شود. یک مثال بسیار خوب از نحوه عملکرد این روش در وب سایت آردوینو (https://www.arduino.cc/fa/Tutorial/Calibration) وجود دارد. فرمول دوم "اگر" به سادگی از بازگشت هر مقدار بالاتر از 360 در صورت اندازه گیری غلط زیاد هنگام خاموش شدن دستگاه مورد آزمایش جلوگیری می کند.

مرحله 4: آزمایش اسید

موارد زیر را امتحان نکنید مگر اینکه نحوه کار ایمن با ولتاژ اصلی AC را بدانید. اگر در مورد ایمنی خود شک دارید ، سعی کنید سیگنال های ورودی را با ژنراتور شکل موج دو کاناله شبیه سازی کنید.

به درخواست یکی از پیروان ، من یک صفحه نان بر روی Fritzing طراحی کرده ام تا بتوانم ایده بهتری از مدار و نمونه برداری/سنجش مدار داشته باشم (فایل.fzz و نمودار-p.webp

برای اثبات این که مفهوم در واقعیت کار می کند ، مدار بر روی یک تخته نان کمتر لحیم شده ساخته شد. از تصاویر می توانید ترتیب مدار را مشاهده کنید. من از فن میز به عنوان بار القایی خود برای آزمایش مفهوم استفاده کرده ام. بین منبع تغذیه 230V و بار ، تجهیزات سنجش من است. من یک ترانسفورماتور گام به گام پایین دارم که 230 ولت را مستقیماً به 5 ولت تبدیل می کند تا از شکل موج ولتاژ نمونه برداری شود. از یک ترانسفورماتور جریان غیرتهاجمی که در اطراف رسانای زنده محکم شده بود ، برای نمونه برداری از شکل موج جریان (سمت راست مقاومت روکش آلومینیومی) استفاده شد. توجه داشته باشید که لزوماً نیازی به دانستن دامنه جریان یا ولتاژ ندارید ، فقط شکل موج op-amp برای تشخیص صفر عبور است. تصاویر بالا شکل موج جریان و ولتاژ واقعی فن و کنسول سریال arduino را نشان می دهد که PF 0.41 و زاویه 65 درجه گزارش می کند.

این اصل کار را می توان در یک مانیتور انرژی خانگی برای اندازه گیری توان واقعی گنجانید. اگر صلاحیت خود را دارید می توانید بارهای استقرایی و مقاومتی مختلف را زیر نظر گرفته و ضریب توان آنها را تعیین کنید. و آنجاست! یک روش بسیار ساده برای اندازه گیری ضریب توان