كيفية قياس عامل طاقة التيار المتردد باستخدام Arduino: 4 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

مرحبا جميعا! هذه ثالث تعليمات لي ، آمل أن تجدها مفيدة:-) سيكون هذا مفيدًا حول كيفية إجراء قياس عامل الطاقة الأساسي باستخدام Arduino. قبل أن نبدأ ، هناك بعض الأشياء التي يجب وضعها في الاعتبار:

1. سيعمل هذا فقط مع أحمال LINEAR (مثل المحركات الحثية والمحولات والملفات اللولبية)
2. لن يعمل هذا مع NON-LINEAR (على سبيل المثال ، لمبات CFL ، وإمدادات الطاقة في وضع التبديل ، ومصابيح LED)
3. أنا مهندس كهربائي ومختص جدًا عند العمل مع إمكانات التيار الكهربائي (أي 230 فولت)

تحذير! إذا لم تكن مدربًا أو لا تعرف كيفية العمل بشكل صحيح مع جهد التيار الكهربائي ، أقترح عليك عدم المضي قدمًا في هذا الجزء من التعليمات وسأوضح لك طريقة آمنة لإثبات عمل الدائرة.

هذا هو حل الأجهزة لمشكلة قياس PF في الأحمال الخطية. يمكن القيام بذلك أيضًا من خلال الكود بما في ذلك القدرة على قياس الأحمال غير الخطية ، والتي سأهدف إلى تغطيتها في تعليمات أخرى.

لفائدة أي مبتدئ يقرأ هذا ، عامل القدرة هو نسبة القوة الحقيقية إلى القوة الظاهرة ويمكن حسابه من خلال إيجاد جيب تمام زاوية الطور بين جهد الإمداد والتيار (انظر الصورة المرفقة من Google). هذا مهم في تطبيقات التيار المتردد حيث يمكن حساب "القدرة الظاهرة" (Volt-Amperes) بسهولة باستخدام الجهد مضروبًا في التيار. ومع ذلك ، للحصول على القوة الحقيقية أو "القوة الحقيقية" (وات) ، يجب مضاعفة القوة الظاهرة بعامل القدرة لإجراء قياس حقيقي للقوة بالواط. ينطبق هذا فقط على الأحمال التي تحتوي على مكون استقرائي أو فعال (مثل المحرك). الأحمال المقاومة البحتة مثل السخانات الكهربائية أو المصابيح المتوهجة لها عامل قدرة 1.0 (وحدة) وبالتالي فإن القوة الحقيقية والقوة الظاهرة هي نفسها.

الخطوة 1: تصميم الدوائر

يمكن حساب عامل القدرة باستخدام راسم الذبذبات ، عن طريق قياس فرق الوقت بين إشارة الجهد والتيار. يمكن قياسها في أي نقطة في الموجة طالما تم أخذ عينات منها في نفس المكان. في هذه الحالة ، كان من المنطقي القياس بين صفر نقاط عبور (نقاط في الموجة حيث تقاطع الجهد مع المحور السيني).

لقد صممت الدائرة التالية في Multisim. بافتراض أن التيار والجهد إلى الحمل عبارة عن أشكال موجية جيبية نقية ، يمكن قياس عامل القدرة. يتم تغذية كل شكل موجة في كاشف عبور صفري (يُعرف أحيانًا باسم محول موجة جيبية إلى مربعة) وهو ببساطة 741 op-amp في وضع المقارنة حيث يكون جهد المقارنة 0V. عندما تكون الموجة الجيبية في الدورة السلبية ، يتم توليد نبضة سالبة للتيار المستمر ، وعندما تكون الموجة الجيبية موجبة ، يتم توليد نبضة موجبة للتيار المستمر. ثم تتم مقارنة الموجتين المربعتين باستخدام بوابة منطقية حصرية OR (XOR) ، والتي ستخرج نبضًا موجبًا عاليًا للتيار المستمر فقط عندما لا تتداخل الموجات المربعة ، و 0 فولت عندما تتداخل. وبالتالي ، فإن ناتج بوابة XOR هو فارق التوقيت (دلتا تي) بين الموجتين من النقطة التي تعبران فيها نقطة الصفر. يمكن بعد ذلك ضبط إشارة الاختلاف هذه بواسطة متحكم دقيق وتحويلها إلى عامل طاقة باستخدام الحساب التالي (تأكد من أن الآلة الحاسبة العلمية بالدرجات وليست الراديان):

كوس (فاي) = f * dt * 360

أين:

كوس (فاي) - عامل القدرة

و - تواتر العرض المقاس

dt - دلتا t أو فرق التوقيت بين الموجات

360 - ثابت يستخدم لإعطاء الإجابة بالدرجات

سترى في الصور ثلاثة آثار راسم محاكاة للدائرة. تمثل إشارتا الإدخال التيار والجهد إلى الحمل. لقد أعطيت الإشارة الثانية فرق طور قدره 18 درجة ، لإفساد النظرية. هذا يعطي PF حوالي 0.95.

الخطوة 2: النماذج الأولية والاختبار

بالنسبة لبناء النموذج الأولي الخاص بي ، أضع تصميم الدائرة على لوح تجارب غير ملحوم. من ورقة البيانات UA741CN وورقة بيانات CD4070CN ، يتم تشغيل كل من IC من مصدر طاقة 12-15 فولت تيار مستمر ، لذلك قمت بتشغيل بطاريتين لإنشاء سكة مزدوجة + 12 فولت ، 0 فولت ، -12 فولت مصدر طاقة.

محاكاة الحمل

يمكنك محاكاة الحمل باستخدام مولد إشارة ثنائي القناة أو مولد وظيفة. لقد استخدمت هذا الصندوق الصيني الرخيص والمبهج لإنتاج موجتين جيبيتين بتردد 50 هرتز على بعد 18 درجة ، وأدخلت الإشارات في الدائرة. يمكنك رؤية الأشكال الموجية الناتجة على الذبذبات. في الصور أعلاه ، يمكنك رؤية الموجتين المربعتين المتداخلتين (الإخراج من كل op-amp) ، وتوضح الصور الثلاث الأخرى إخراج بوابة XOR. لاحظ كيف ينمو عرض نبضة الخرج مع تناقص زاوية الطور. توضح الأمثلة أعلاه درجات 90 و 40 و 0.

الخطوة 3: كود اردوينو

كما هو مذكور أعلاه ، فإن الإخراج من دائرة القياس هو الفارق الزمني بين إشارتي الإدخال (أي التيار وإشارة الجهد). يستخدم كود اردوينو "pulseIn" لقياس طول نبضة الخرج من دائرة القياس في ثوان نانو ويستخدمها في صيغة PF المذكورة أعلاه.

يبدأ الكود بتعريف الثوابت ، بشكل أساسي لجعل الكود أكثر تنظيماً وقابلية للقراءة. الأهم من ذلك ، أن كود C (كود اردوينو) يعمل بالتقدير الدائري وليس بالدرجات ، لذلك يلزم التحويل من الراديان إلى الدرجات لحساب الزاوية و PF لاحقًا. راديان واحد تقريبًا. 57.29577951 درجة. يتم تخزين الرقم 360 أيضًا وعامل الضرب 1x10 ^ -6 لتحويل nano Seconds إلى ثوانٍ عادية. يتم تحديد التردد أيضًا في البداية ، إذا كنت تستخدم أي شيء بخلاف 50 هرتز ، فتأكد من تحديثه في بداية الكود.

داخل "حلقة فارغة ()" لقد طلبت من Arduino حساب الزاوية بناءً على صيغة PF المذكورة سابقًا. في أول تكرار لي لهذا الكود ، سيعيد الكود الزاوية الصحيحة وعامل القدرة ، ولكن بين كل نتيجة صحيحة ، يتم أيضًا إرجاع بعض القيمة المنخفضة الخاطئة في وحدة التحكم التسلسلية. لقد لاحظت أن هذا كان إما كل قراءة أخرى أو كل أربعة قياسات. لقد وضعت عبارة "if" داخل حلقة "for" لتخزين القيمة القصوى لكل أربع قراءات متتالية. يقوم بذلك عن طريق مقارنة العملية الحسابية بـ "angle_max" التي تكون في البداية صفرًا ، وإذا كانت أكبر تخزن القيمة الجديدة داخل "angle_max". يتكرر هذا لقياس PF. من خلال القيام بذلك في حلقة "for" ، فهذا يعني أن الزاوية الصحيحة و pf يتم إرجاعهما دائمًا ، ولكن إذا تغيرت الزاوية المقاسة (أعلى أو أقل) ، عند إعادة تعيين "for" end "angle_max" إلى الصفر للاختبار التالي ، عندما " حلقة باطلة () "تكرر. هناك مثال جيد جدًا لكيفية عمل ذلك على موقع Arduino الإلكتروني (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). تمنع صيغة "if" الثانية ببساطة إرجاع أي قيمة أعلى من 360 في حالة قياس ارتفاع خاطئ عند إيقاف تشغيل الجهاز قيد الاختبار.

الخطوة 4: اختبار الحمض

لا تحاول القيام بما يلي إلا إذا كنت تعرف كيفية العمل بأمان مع جهد التيار المتردد. إذا كنت تشك في سلامتك ، فحاول محاكاة إشارات الإدخال باستخدام مولد الموجي ثنائي القناة.

بناءً على طلب أحد المتابعين ، قمت بعمل تخطيط لوحة توصيل على Fritzing لإعطاء فكرة أفضل عن الدائرة ودائرة أخذ العينات / الاستشعار (لقد أرفقت ملف fzz ومخطط png.). يمثل المحرك الموجود في الجزء العلوي المروحة المكتبية التي استخدمتها ، ويمثل الملف التعريفي المحول الحالي الذي لفته حول الموصل المباشر. لقد قمت بتشغيل 741 IC باستخدام عبوتين من البطاريات 12 فولت مرتبة لإعطاء +12 VDC و 0 VDC (أرضي) و -12 VDC. يمكن أيضًا تشغيل CD4070 مباشرة من سكة كهرباء Arduino's 5V.

لإثبات أن المفهوم يعمل في الواقع ، تم بناء الدائرة على لوح لحام أقل. من الصور تستطيع أن ترى ترتيب الدائرة. لقد استخدمت مروحة مكتبية كحمل استقرائي لاختبار المفهوم. بين مصدر التيار الكهربائي 230 فولت والحمل هو جهاز الاستشعار الخاص بي. لدي محول تنحى يقوم بتحويل 230 فولت مباشرة إلى 5 فولت للسماح بأخذ عينات من شكل موجة الجهد. تم استخدام محول تيار غير غازي مثبت حول الموصل الحي لأخذ عينات من شكل الموجة الحالي (يمين المقاوم المغطى بالألمنيوم). لاحظ أنك لا تحتاج بالضرورة إلى معرفة سعة التيار أو الجهد ، فقط شكل الموجة لجهاز op-amp لتحديد تقاطع الصفر. تُظهر الصور أعلاه الشكل الموجي الفعلي للتيار والجهد من المروحة ، ووحدة التحكم التسلسلية في اردوينو ، والتي تبلغ PF بمقدار 0.41 وزاوية 65 درجة.

يمكن دمج مبدأ العمل هذا في شاشة طاقة منزلية لإجراء قياسات طاقة حقيقية. إذا كنت مؤهلاً ، يمكنك محاولة مراقبة الأحمال الاستقرائية والمقاومة المختلفة وتحديد معامل القدرة. و هاهو! طريقة بسيطة للغاية لقياس معامل القدرة.