قياس تردد التيار الكهربائي باستخدام Arduino: 7 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

في 3 أبريل ، رئيس وزراء الهند ، شري. ناشد ناريندرا مودي الهنود إطفاء أنوارهم وإضاءة مصباح (ضياء) الساعة 9:00 مساءً يوم الخامس من أبريل للاحتفال بمكافحة الهند ضد فيروس كورونا. بعد الإعلان مباشرة ، كانت هناك فوضى كبيرة على وسائل التواصل الاجتماعي قائلة إن هذا سيؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي بالكامل بسبب فشل الشبكة الكهربائية.

كوني طالب هندسة كهربائية ، أردت أن أرى تأثير التخفيض المفاجئ للحمل على الشبكة الكهربائية. واحدة من العوامل التي تتأثر هي التردد. لذلك ، قررت صنع جهاز لقياس تردد الجهد من مأخذ الطاقة في منزلي. يرجى ملاحظة أنه بالنسبة لهذه التجربة الصغيرة ، فإن دقة القيمة المقاسة ليست مهمة لأنني أردت فقط ملاحظة التغييرات في التردد.

في هذا Instructable ، سأشرح بسرعة كيف يمكن أن تفشل الشبكة ثم أريكم كيف قمت بقياس التردد.

الخطوة الأولى: لماذا تقلق؟

يمكن أن تتعطل الشبكة الكهربائية بسبب العديد من العوامل أحدها التخفيض المفاجئ للحمل. سأحاول شرحه بأبسط طريقة ممكنة بحيث يمكن لشخص ليس لديه خلفية كهربائية أن يفهمه.

ما هو التردد؟ إنه عدد المرات التي تتكرر فيها موجة التيار المتردد في ثانية واحدة. التردد في الهند هو 50 هرتز مما يعني أن موجة التيار المتردد تتكرر 50 مرة في ثانية واحدة.

يوجد في أي محطة طاقة توربين وهو عبارة عن جهاز ميكانيكي دوار يستخرج الطاقة من تدفق السوائل (بخار ، ماء ، غاز ، إلخ) ويحولها إلى عمل مفيد (طاقة ميكانيكية). هذا التوربين متصل (مقترن) بمولد. يقوم المولد بعد ذلك بتحويل هذه الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية نحصل عليها في منزلنا.

دعونا نفكر في محطة طاقة بخارية لهذا التفسير. هنا ، يتم استخدام البخار عالي الضغط لتدوير التوربينات التي بدورها تقوم بتدوير المولد ويتم توليد الكهرباء. لن أناقش كيفية عمل المولد ولكن فقط تذكر أن تردد الجهد المتولد يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالسرعة التي يدور بها المولد. إذا زادت السرعة ، يزداد التردد ، والعكس صحيح. افترض أن المولد غير متصل بأي حمولة. يتم تسريع المولد عن طريق زيادة إدخال البخار إلى التوربين حتى يصبح التردد 50 هرتز. المولد جاهز الآن لتوصيل الطاقة. بمجرد توصيل المولد بالحمل (أو الشبكة) ، يبدأ التيار في التدفق خلال لفه وتنخفض سرعته وبالتالي ينخفض التردد. ولكن وفقًا لمعايير التنظيم ، يجب أن يكون التردد ضمن نطاق محدد. في الهند هو +/- 3٪ أي 48.5 هرتز إلى 51.5 هرتز. الآن ، للتعويض عن التردد المنخفض بسبب انخفاض السرعة ، يتم زيادة إدخال البخار حتى يصبح التردد 50 هرتز مرة أخرى. هذه العملية مستمرة. يزداد الحمل ، وتنخفض السرعة ، ويقل التردد ، ويزداد إدخال البخار ويتم تشغيل المولد بسرعة. كل هذا يتم تلقائيًا باستخدام جهاز يسمى Governor. يراقب سرعة (أو تردد) المولد ويضبط إدخال البخار وفقًا لذلك. نظرًا لأن معظم الجزء ميكانيكي ، فإنه يستغرق بضع ثوانٍ (أي ثابت وقت طويل) حتى تصبح التغييرات سارية المفعول.

الآن ، دعونا نعتبر أن الحمل بالكامل على المولد قد أزيل فجأة. تزيد سرعة المولد عن سرعته العادية نظرًا لأننا قمنا في وقت سابق بزيادة إدخال البخار لتعويض الحمل الزائد. قبل أن يتمكن الحاكم من استشعار مدخل البخار وتغييره ، يسرع المولد بسرعة كبيرة بحيث يتجاوز التردد الحد الأعلى. نظرًا لأن هذا غير مسموح به وفقًا للمعايير التنظيمية ، فإن المولد يسافر (أو ينقطع) عن الشبكة بسبب التردد الزائد.

في الهند ، لدينا دولة واحدة - شبكة واحدة مما يعني أن جميع المولدات في الهند متصلة بشبكة واحدة. هذا يساعد في إرسال القوة إلى أي جزء من البلاد. ولكن هناك عيب واحد. يمكن أن ينتشر خطأ كبير في أي جزء من البلاد بسرعة إلى أجزاء أخرى مما يؤدي إلى تعثر الشبكة بأكملها. وهكذا ، تركت دولة بأكملها بلا قوة!

الخطوة الثانية: الخطة

تتمثل الخطة في قياس تردد الجهد على فترات زمنية محددة.

يتم استخدام محول مركزي للتنحي من 230 فولت تيار متردد إلى 15 فولت تيار متردد.

توفر وحدة RTC الوقت الفعلي.

ثم يتم تخزين البيانات (الوقت والتردد) في بطاقة Micro SD في ملفين منفصلين. بعد انتهاء الاختبار ، يمكن استيراد البيانات إلى ورقة Excel لإنشاء الرسم البياني.

سيتم استخدام شاشة LCD لإظهار التردد.

احذر! سوف تتعامل مع جهد التيار المتردد القاتل. تابع فقط إذا كنت تعرف ما تفعله. الكهرباء لا تعطي فرصة ثانية

الخطوة 3: الأشياء التي سوف تحتاجها

1x اردوينو نانو

1x16x2 شاشة LCD

1x DS3231 وحدة ساعة الوقت الحقيقي

1x وحدة بطاقة Micro SD

1x مركز محول استغلاله (15V-0-15V)

2x 10 كيلو المقاوم

1x 1 كيلو المقاوم

1x 39 كيلو المقاوم

1x 2N2222A NPN الترانزستور

1x 1N4007 ديود

الخطوة 4: وضع الأشياء معًا

التخطيطي للبناء مرفق هنا. سوف أقوم ببنائه على لوح التجارب ولكن يمكنك جعله أكثر ديمومة باستخدام لوحة التحكم أو إنشاء ثنائي الفينيل متعدد الكلور مخصص.

اختيار القيمة الصحيحة لـ "R3" لمحولك:

تشكل R3 و R4 مقسم جهد ويتم اختيار القيم بحيث لا تتجاوز ذروة جهد التيار المتردد 5 فولت. لذلك ، إذا كنت تخطط لاستخدام محول آخر بتصنيفات مختلفة ، فيجب عليك تغيير R3 أيضًا. تذكر أن معدلات الجهد المعطاة على المحول هي في RMS. في حالتي ، إنها 15-0-15.

استخدم مقياس متعدد للتحقق من ذلك. سيكون الجهد المقاس أكبر من 15 فولت في الغالب. في حالتي ، كان حوالي 17.5 فولت. ستكون قيمة الذروة 17.5 x sqrt (2) = 24.74V. هذا الجهد أعلى بكثير من الحد الأقصى لجهد بواعث البوابة (6 فولت) لترانزستور 2N2222A. يمكننا حساب قيمة R3 باستخدام صيغة مقسم الجهد الموضحة في الصورة أعلاه.

اتصالات لوحدة بطاقة SD:

تستخدم الوحدة SPI للتواصل.

• MISO إلى D12
• MOSI إلى D11
• SCK إلى D13
• CS / SS إلى D10 (يمكنك استخدام أي دبوس لاختيار Chip Select)

تأكد من تنسيق بطاقة SD أولاً على أنها FAT.

اتصالات لوحدة RTC

تستخدم هذه الوحدة I2C للتواصل.

• SDA إلى A4
• SCL إلى A5

وصلات لشاشة LCD

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

الخطوة 5: حان وقت البرمجة

تم إرفاق الرمز هنا. قم بتنزيله وافتحه باستخدام Arduino IDE. قبل التحميل ، تأكد من تثبيت مكتبة DS3231. لقد وجدت بعض المعلومات المفيدة على هذا الموقع.

إعداد RTC:

1. أدخل بطارية خلية عملة معدنية من النوع 2032.
2. افتح DS3231_Serial_Easy من الأمثلة الموضحة.
3. قم بإلغاء التعليق على الأسطر الثلاثة وأدخل الوقت والتاريخ كما هو موضح في الصورة.
4. قم بتحميل المخطط على Arduino وافتح الشاشة التسلسلية. اضبط معدل الباود على 115200. يجب أن تكون قادرًا على رؤية الوقت الذي يستمر في التحديث كل 1 ثانية.
5. الآن ، افصل Arduino وقم بتوصيله مرة أخرى بعد بضع ثوان. انظر إلى الشاشة التسلسلية. يجب أن تظهر في الوقت الحقيقي.

منتهي! تم إعداد RTC. يجب القيام بهذه الخطوة مرة واحدة فقط لتعيين التاريخ والوقت.

الخطوة السادسة: معالجة البيانات

بمجرد الانتهاء من الاختبار ، قم بإزالة بطاقة micro SD من الوحدة وتوصيلها بجهاز الكمبيوتر الخاص بك باستخدام قارئ بطاقة. سيكون هناك ملفان نصيان باسم FREQ.txt و TIME.txt.

انسخ المحتوى من هذه الملفات والصقه في ورقة Excel في عمودين منفصلين (الوقت والتكرار).

انقر فوق إدراج> مخطط. يجب أن يتحقق Excel تلقائيًا من البيانات الموجودة على الورقة ويرسم الرسم البياني.

قم بزيادة دقة المحور الرأسي بحيث تكون التقلبات مرئية بوضوح. في جداول بيانات Google ، قم بالتخصيص> المحور الرأسي> الحد الأدنى. = 49.5 وماكس. = 50.5

الخطوة 7: النتائج

يمكننا أن نرى بوضوح زيادة طفيفة في التردد حيث يتم قطع الأحمال حوالي الساعة 9:00 مساءً (21:00) وانخفاض التردد حوالي 9:10 مساءً (21:10) مع إعادة تشغيل الأحمال. لا ضرر للشبكة لأن التردد ضمن نطاق التسامح (+/- 3٪) أي 48.5 هرتز إلى 51.5 هرتز.

تغريدة من وزير الدولة في حكومة الهند ، السيد R K Singh تؤكد أن النتائج التي حصلت عليها كانت دقيقة للغاية.

شكرا لك على التمسك بالنهاية. أتمنى أن تحبوا هذا المشروع جميعًا وتعلمت شيئًا جديدًا اليوم. اسمح لي أن أعرف إذا قمت بعمل واحد لنفسك. اشترك في قناتي على يوتيوب لمزيد من هذه المشاريع.