Измерване на електроенергия
Здравейте всички! След завършването на цикъла на сензорите възникнаха въпроси за различен план за измерване на параметрите на потреблението на домакински и не много електрически уреди. Кой колко консумира, как да върже какво да мери, какви са тънкостите и т.н. Време е да разкриете всички карти в тази област. В тази поредица от статии ще разгледаме темата за измерване на параметрите на електроенергията. Тези параметри всъщност са много голям брой, за които ще се опитам постепенно да говоря в малки серии. Засега има три серии в плановете:
- Измерване на електроенергия.
- Качество на електроенергията.
- Уреди за измерване на параметри на електроенергия.
В процеса на анализ ще решаваме определени практически проблеми на микроконтролерите, докато се постигне резултатът. Разбира се, по-голямата част от този цикъл ще бъде посветена на измерване на променливотоковото напрежение и може да бъде полезна за всички, които обичат да контролират електрическите уреди в своя интелигентен дом. В края на целия цикъл ще произведем един вид интелигентен електромер с достъп до интернет. Абсолютно известните фенове на управлението на електрическите уреди на своя интелигентен дом могат да осигурят цялата възможна помощ при внедряването на комуникационната част, базирана например на MajorDomo. Нека направим интелигентния дом с OpenSource по-добър, така да се каже. В тази серия, в две части, ще разгледаме следните въпроси:
- Свързване на сензори за ток и напрежение в DC устройства, както и монофазни и трифазни AC вериги;
- Измерване на ефективните стойности на тока и напрежението;
- Измерване на фактора на мощността;
- Привидна, активна и реактивна мощност;
- Консумация на електроенергия;
С плъзгане ще намерите отговорите на първите двевъпрос в този списък. Съзнателно не засягам точността на измерване на индикаторите и от тази серия съм доволен само от резултатите, получени с точност плюс или минус бати. Определено ще посветя отделна статия на този въпрос в третата серия.
1. Свързване на сензори
В последния цикъл за сензори за напрежение и ток говорих за видовете сензори, но не говорих за това как да ги използвате и къде да ги поставите. Време е да го поправим
Свързване на DC сензори
Ясно е, че целият цикъл ще бъде посветен на променливотокови системи, но бързо ще преминем към постоянни вериги, тъй като това може да ни бъде полезно при разработването на постоянни захранвания. Вземете за пример класически PWM преобразувател:
Фигура 1. Преобразувател на PWMНашата цел е да осигурим стабилизирано изходно напрежение. Освен това, въз основа на информация от токовия датчик, е възможно да се контролира режимът на работа на индуктора L1, предотвратявайки неговото насищане, както и да се реализира текущата защита на преобразувателя. И честно казано, няма специални опции за инсталиране на сензори. На изхода на преобразувателя е монтиран сензор за напрежение под формата на резистивен делител R1-R2, който единствен може да работи на постоянен ток. По правило микросхемата на специализиран преобразувател има вход за обратна връзка и полага всички усилия, за да гарантира, че този вход (3) има определено ниво на напрежение, предписано в документацията за микросхемата. Например 1.25V. Ако нашето изходно напрежение съвпада с това ниво - всичко е наред - ние директно прилагаме изходното напрежение към този вход. Ако не, тогава задайте разделителя. Ако трябва да осигурим изходно напрежение от 5V, тогава делителятрябва да осигури коефициент на разделяне 4, т.е. например R1 = 30k, R2 = 10k. Сензорът за ток обикновено се инсталира между захранването и инвертора и върху чипа. Чрез потенциалната разлика между точки 1 и 2 и с известно съпротивление на резисторите Rs е възможно да се определи текущата стойност на тока на нашия индуктор. Инсталирането на токов сензор между източниците и натоварването не е добра идея, тъй като филтърният кондензатор ще бъде отрязан от резистор от потребителите на импулсни токове. Инсталирането на резистор в прекъсване на общия проводник също предвещава добро - ще има две нива на земята, с които да се забърквате, все още е удоволствие. Проблемите с падането на напрежението могат да бъдат избегнати чрез използване на безконтактни сензори за ток, като сензори на Хол:
Въпреки това, има по-сложен начин за измерване на тока. В крайна сметка напрежението пада на транзистора по същия начин и през него протича същият ток като индуктивността. Следователно текущата стойност на тока може да се определи и от спада на напрежението върху него. Честно казано, ако погледнете вътрешната структура на преобразувателните микросхеми, например от Texas Instruments, тогава този метод се среща толкова често, колкото и предишните. Точността на този метод със сигурност не е най-високата, но това е напълно достатъчно, за да работи текущото прекъсване.
Фигура 3. Транзисторът като токов сензорНие действаме по подобен начин в други схеми на подобни преобразуватели, независимо дали са повишаващи или инвертиращи. Въпреки това, необходимо е отделно да се споменат трансформаторните преобразуватели с преден и обратен ход.
Фигура 4. Свързване на токови сензори в обратни преобразувателиТе също могат да използват външно съпротивление или транзистор в ролята си. ВключеноПриключихме със свързването на сензори към DC преобразуватели. Ако имате предложения за други варианти, с удоволствие ще допълня статията с тях.
1.2 Свързване на сензори към еднофазни AC вериги
В променливотоковите вериги имаме много по-голям избор от възможни сензори. Нека разгледаме няколко варианта. Най-простият е да използвате резистивен делител на напрежение и токов шунт.
Фигура 5. Свързване на резисторни сензориТо обаче има няколко значителни недостатъка: Първо, или ще осигурим значителна амплитуда на сигнала от текущия шунт, като разпределим голямо количество мощност върху него, или ще се задоволим с малка амплитуда на сигнала и впоследствие ще го усилим. И второ, резисторът създава потенциална разлика между неутрала на мрежата и неутрала на устройството. Ако устройството е изолирано, това няма значение, но ако устройството има заземяваща клема, рискуваме да останем без сигнал от датчика за ток, тъй като ще го окъсим. Може би си струва да опитате сензори, които работят на други принципи. Например ще използваме токови и напреженови трансформатори или токов сензор с ефект на Хол и напреженов трансформатор. Има много повече възможности за работа с оборудване, тъй като нулевият проводник няма загуби и най-важното е, че и в двата случая има галванична изолация на измервателното оборудване, което често може да бъде полезно. Трябва обаче да се има предвид, че трансформаторните сензори за ток и напрежение имат ограничена честотна характеристика и ако искаме да измерим хармоничния състав на изкривяването, това не е факт за нас.
1.3 Свързване на сензори към многофазниAC вериги
В многофазните мрежи способността ни да свързваме сензори за ток е малко по-малка. Това се дължи на факта, че текущият шунт изобщо не може да се използва, тъй като потенциалната разлика между фазовите шунтове ще варира в рамките на стотици волта и не знам за контролер с общо предназначение, чиито аналогови входове могат да издържат на такава подигравка. Един от начините за използване на токови шунтове, разбира се, е да се направи галванично изолиран аналогов вход за всеки канал. Но е много по-лесно и по-надеждно да се използват други сензори. В моя анализатор на качеството използвам резистивни делители на напрежение и дистанционни сензори за ток на ефекта на Хол.
Фигура 7. Датчици за ток в трифазна мрежаКакто можете да видите от фигурата, използваме четирипроводна връзка. Разбира се, вместо токови сензори на ефекта на Хол, можете да вземете токови трансформатори или вериги на Rogowski. Вместо резистивни делители могат да се използват трансформатори на напрежение, както за четирипроводна, така и за трипроводна система. В последния случай първичните намотки на напреженовите трансформатори са свързани в триъгълник, а вторичните намотки в звезда, чиято обща точка е общата точка на измервателната верига
Фиг. 8. Използването на напреженови трансформатори в трифазна мрежа
2 RMS стойност на тока и напрежението
Програмата е написана в Arduino IDE за микроконтролера ATmega1280. На моята платка за отстраняване на грешки първите 8 канала са маршрутизирани за вътрешните нужди на платката, така че се използва каналът ADC8. Възможно е да използвате тази скица за платката с ATmega168, но трябва да изберете правилния канал. Вътре в прекъсванията изкривяваме няколко сервизни пина, за да видим визуално работната честотадигитализация. Няколко думи за това откъде идва коефициентът 102. При първото стартиране от генератора се подава сигнал с различни амплитуди, от осцилоскопа се чете показанието на ефективната стойност на напрежението и изчислената стойност се взема от конзолата в абсолютни ADC единици.
