Wechselstrommessung mit Stromwandler und Arduino

Ein Stromwandler ist ein Instrumententransformator, der speziell zur Umwandlung von Wechselstrom in seine Sekundärwicklung entwickelt wurde. Die erzeugte Strommenge ist direkt proportional zum Strom in der Primärwicklung. Dieser Stromwandlertyp dient zum nicht unsichtbaren Messen des Stroms aus dem Hochspannungssubsystem oder wenn eine hohe Strommenge durch das System fließt. Die Aufgabe eines Stromwandlers besteht darin, die hohe Strommenge in eine niedrigere Strommenge umzuwandeln, die von einem Mikrocontroller oder einem analogen Messgerät leicht gemessen werden kann. Wir haben zuvor die Strommessung unter Verwendung des Stromwandlers in verschiedenen Arten von Stromerfassungstechniken erklärt.

Hier lernen wir diese Stromerfassungstechnik im Detail kennen und verdrahten einen Stromwandler, um den Wechselstrom mit Hilfe eines Arduino zu messen. Wir werden auch lernen, das Windungsverhältnis eines unbekannten Stromwandlers zu bestimmen.

Stromwandler

Wie ich bereits erwähnt habe, ist ein Stromwandler ein Transformator, der zum Messen von Strom ausgelegt ist. Die obige zeigt, dass zwei Transformatoren I derzeit einen genannt hat Fenster-Stromwandler oder allgemein bekannt als eine Kern-balance Transforme r.

Wie funktioniert der Stromwandler?

Das Grundprinzip des Stromwandlers ist das gleiche wie bei einem Spannungswandler, ebenso wie der Spannungswandler besteht der Stromwandler auch aus einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung. Wenn ein elektrischer Wechselstrom durch die Primärwicklung des Transformators fließt, wird ein magnetischer Wechselstrom erzeugt, der an dieser Stelle einen Wechselstrom in der Sekundärwicklung induziert. Sie können sagen, dass er fast dem eines Spannungswandlers entspricht, wenn Sie glauben, dass dies hier der Unterschied ist.

Im Allgemeinen wird ein Stromwandler stets in einem Kurzschlußzustand mit Hilfe eines ist Bürdenwiderstandes, auch der Strom an der Sekundärwicklung hängt nur von dem Primärstrom durch den Leiter fließt.

Aufbau des Stromwandlers

Zum besseren Verständnis habe ich einen meiner aktuellen Transformatoren abgerissen, den Sie im obigen Bild sehen können.

Auf dem Bild ist zu sehen, dass ein sehr dünner Draht um ein Ringkernmaterial gewickelt ist und ein Satz Drähte aus dem Transformator austritt. Die Hauptwicklung ist nur ein einzelner Draht, der in Reihe mit der Last geschaltet ist und den durch die Last fließenden Massenstrom führt.

Stromwandlerverhältnis

Durch Platzieren eines Drahtes im Fenster des Stromwandlers können wir eine einzelne Schleife bilden und das Windungsverhältnis wird 1: N.

Wie jeder andere Transformator muss ein Stromwandler die unten gezeigte Amp-Turn-Ratio-Gleichung erfüllen.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Wo, TR = Trans Ratio

Np = Anzahl der Primärwindungen

Ns = Anzahl der Sekundärwindungen

Ip = Strom in der Primärwicklung

Is = Strom in der Sekundärwicklung

Um den Sekundärstrom zu ermitteln, ordnen Sie die Gleichung neu an

Ist = Ip x (Np / NS)

Wie Sie im obigen Bild sehen können, besteht die Primärwicklung des Transformators aus einer Wicklung und die Sekundärwicklung des Transformators besteht aus Tausenden von Wicklungen, wenn wir annehmen, dass 100 A Strom durch die Primärwicklung fließen, beträgt der Sekundärstrom 5 A.. Das Verhältnis zwischen Primär zu Sekundär wird also 100A zu 5A oder 20: 1. Man kann also sagen, dass der Primärstrom 20-mal höher ist als der Sekundärstrom.

Hinweis! Bitte beachten Sie, dass das aktuelle Verhältnis nicht mit dem Windungsverhältnis übereinstimmt.

Nachdem wir die grundlegende Theorie aus dem Weg geräumt haben, können wir uns wieder auf die Berechnung des Windungsverhältnisses des vorliegenden Stromwandlers konzentrieren.

Stromwandlerfehler

Jede Schaltung hat einige Fehler. Stromwandler sind nicht anders; In einem Stromwandler sind verschiedene Fehler vorhanden. Einige davon werden unten beschrieben

Übersetzungsfehler im Stromwandler

Der Primärstrom des Stromwandlers ist nicht genau gleich dem Sekundärstrom multipliziert mit dem Windungsverhältnis. Ein Teil des Stroms wird vom Kern des Transformators verbraucht, um ihn in einen Erregungszustand zu bringen.

Phasenwinkelfehler im Stromwandler

Für eine ideale Stromwandler ist der Primär- und Sekundärstromvektor Null. Bei einem tatsächlichen Stromwandler gibt es jedoch immer einen Unterschied, da die Primärwicklung den Erregerstrom an den Kern liefern muss und es eine kleine Phasendifferenz gibt.

Wie kann man einen Fehler in einem Stromwandler reduzieren?

Es ist immer notwendig, Fehler in einem System zu reduzieren, um eine bessere Leistung zu erzielen. Mit den folgenden Schritten kann man das erreichen

1. Verwendung eines Kerns mit hoher Permeabilität und magnetischem Material mit niedriger Hysterese.
2. Der Lastwiderstandswert muss sehr nahe am berechneten Wert liegen.
3. Die interne Impedanz der Sekundärseite kann verringert werden.

Zurück Berechnung des Windungsverhältnisses eines Stromwandlers

Der Testaufbau wurde im obigen Bild gezeigt, mit dem ich das Windungsverhältnis ermittelt habe.

Wie ich bereits erwähnt habe, hat der Stromwandler (CT), den ich besitze, keine Spezifikation oder Teilenummer, nur weil ich sie aus einem kaputten Haushaltsstromzähler geborgen habe. An diesem Punkt müssen wir also das Windungsverhältnis kennen, um den Wert des Lastwiderstands richtig einzustellen. Andernfalls werden alle möglichen Probleme in das System eingeführt, auf die ich später in diesem Artikel noch näher eingehen werde.

Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes kann das Windungsverhältnis leicht herausgefunden werden, aber vorher muss ich den großen 10W, 1K-Widerstand messen, der als Last in der Schaltung wirkt, und ich muss auch einen beliebigen Lastwiderstand bekommen um das Windungsverhältnis herauszufinden.

Der Lastwiderstand

Der Lastwiderstand

Zusammenfassung aller Komponentenwerte während des Tests

Eingangsspannung Vin = 31,78 V.

Lastwiderstand RL = 1,0313 K & Omega;

Belastungswiderstand RB = 678,4 Ω

Ausgangsspannung Vout = 8,249 mV oder 0,008249 V.

Der durch den Lastwiderstand fließende Strom beträgt

I = Vin / RL I = 31,78 / 1,0313 = 0,03080 A oder 30,80 mA

Jetzt kennen wir den Eingangsstrom, der 0,03080 A oder 30,80 mA beträgt

Lassen Sie uns den Ausgangsstrom herausfinden

I = Vout / RB I = 0,008249 / 678,4 = 0,00001215949A oder 12,1594 uA

Um nun das Windungsverhältnis zu berechnen, müssen wir den Primärstrom durch den Sekundärstrom teilen.

Drehverhältnis n = Primärstrom / Sekundärstrom n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533,1972

Der Stromwandler besteht also aus 2500 Windungen (Rundungswert)

Hinweis! Bitte beachten Sie, dass die Fehler hauptsächlich auf meine sich ständig ändernde Eingangsspannung und Multimetertoleranz zurückzuführen sind.

Berechnung einer geeigneten Lastwiderstandsgröße

Der hier verwendete Stromwandler ist ein aktueller Ausgangstyp. Um den Strom zu messen, muss er in einen Spannungstyp umgewandelt werden. Dieser Artikel auf der openenergymonitor-Website gibt eine großartige Vorstellung davon, wie wir das tun können. Ich werde dem Artikel folgen

Lastwiderstand (Ohm) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * maximaler Primärstrom)

Wo, AREF = Analoge Referenzspannung des ADS1115-Moduls, die auf 4,096 V eingestellt ist.

CT TURNS = Anzahl der Sekundärwindungen, die wir zuvor berechnet haben.

Maximaler Primärstrom = maximaler Primärstrom, der durch den Stromwandler geflossen wird.

Hinweis! Jeder Stromwandler hat eine maximale Stromstärke, die diese Leistung überschreitet. Dies führt zu einer Kernsättigung und letztendlich zu Linearitätsfehlern, die zu Messfehlern führen

Hinweis! Die maximale Nennstromstärke des Haushalts-Energiezählers beträgt 30 A, daher werde ich diesen Wert anstreben.

Lastwiderstand (Ohm) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6 Ω ist kein allgemeiner Wert, deshalb werde ich drei Widerstände in Reihe verwenden, um den Widerstandswert von 120 Ω zu erhalten. Nachdem ich die Widerstände an den Stromwandler angeschlossen hatte, führte ich einige Tests durch, um die maximale Ausgangsspannung des Stromwandlers zu berechnen.

Nach dem Test wird beobachtet, dass, wenn 1 mA Strom durch die Primärwicklung des Stromwandlers eingespeist wird, der Ausgang 0,0488 mV RMS betrug. Damit können wir berechnen, ob 30 A Strom durch den Stromwandler fließt und die Ausgangsspannung 30000 * 0,0488 = 1,465 V beträgt.

Nachdem die Berechnungen abgeschlossen sind, habe ich die ADC- Verstärkung auf 1x Verstärkung eingestellt, was +/- 4,096 V entspricht, was eine Auflösung von 0,125 mV ergibt. Damit können wir den Mindeststrom berechnen, der mit diesem Setup gemessen werden kann. Dies stellte sich als 3 mA heraus, da die ADC-Auflösung auf 0,125 mV eingestellt war.

Erforderliche Komponenten

Schreiben Sie die gesamte Komponente ohne Tabelle

Sl. Nein	Teile	Art	Menge
1	CT	Fenstertyp	1
2	Arduino Nano	Generisch	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	16-Bit-ADC	1
5	LMC7660	IC	1
6	120 Ω, 1%	Widerstand	1
7	10uF	Kondensator	2
8	33uF	Kondensator	1
9	Steckbrett	Generisch	1
10	Überbrückungsdrähte	Generisch	10

Schaltplan

Das folgende Schema zeigt die Anschlussanleitung für die Strommessung mit dem Stromwandler

So sieht die Schaltung auf dem Steckbrett aus.

Aufbau des Strommesskreises

In einem früheren Tutorial habe ich Ihnen gezeigt, wie Sie mit Hilfe des AD736 IC die wahre Effektivspannung genau messen und wie Sie eine Schaltwandlerkondensator-Spannungswandlerschaltung konfigurieren, die aus einer positiven Eingangsspannung eine negative Spannung erzeugt. In diesem Tutorial verwenden wir beide ICs aus diesen Tutorials.

Für diese Demonstration wird die Schaltung mit Hilfe des Schaltplans auf einem lötfreien Steckbrett aufgebaut. Zur besseren Genauigkeit wird auch die Gleichspannung mit Hilfe eines 16-Bit-ADC gemessen. Und da ich die Schaltung auf einem Steckbrett demonstriere, um den Parasiten zu reduzieren, habe ich so viele Überbrückungskabel wie möglich verwendet.

Arduino-Code zur Strommessung

Hier wird Arduino verwendet, um die gemessenen Werte im seriellen Monitorfenster anzuzeigen. Mit einer kleinen Änderung im Code können die Werte jedoch sehr einfach auf einem 16x2-LCD angezeigt werden. Erfahren Sie hier, wie 16x2 LCD mit Arduino verbunden wird.

Den vollständigen Code für den Stromwandler finden Sie am Ende dieses Abschnitts. Hier werden wichtige Teile des Programms erklärt.

Wir beginnen mit der Aufnahme aller erforderlichen Bibliotheksdateien. Die Wire-Bibliothek wird zur Kommunikation zwischen dem Arduino und dem ADS1115-Modul verwendet, und die Adafruit_ADS1015-Bibliothek hilft uns, Daten zu lesen und Anweisungen in das Modul zu schreiben.

#einschließen #einschließen

Definieren Sie als Nächstes den MULTIPLICATION_FACTOR , mit dem der aktuelle Wert aus dem ADC-Wert berechnet wird.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * Faktor zur Berechnung des aktuellen Werts * / Adafruit_ADS1115 ads; / * Verwenden Sie dies für die 16-Bit-Version ADS1115 * /

Der 16-Bit-ADC spuckt 16-Bit-Ganzzahlen aus, sodass die Variable int16_t verwendet wird. Drei weitere Variablen werden verwendet, eine zum Speichern des RAW-Werts für den ADC, eine zum Anzeigen der tatsächlichen Spannung im ADC-Pin und eine zum Anzeigen dieses Spannungswerts auf den aktuellen Wert.

int16_t adc1_raw_value; / * Variable zum Speichern des ADC-Rohwerts * / float Measured_Voltae; / * Variable zum Speichern der gemessenen Spannung * / Erhaltungsstrom; / * Variable zum Speichern des berechneten Stroms * /

Beginnen Sie den Setup-Abschnitt des Codes, indem Sie die serielle Ausgabe mit 9600 Baud aktivieren. Drucken Sie dann die Verstärkung des eingestellten ADC aus. Dies liegt daran, dass eine Spannung, die über dem definierten Wert liegt, das Gerät beschädigen kann.

Stellen Sie nun die ADC-Verstärkung mit ads.setGain (GAIN_ONE) ein. die Methode, mit der die 1-Bit-Auflösung auf 0,125 mV eingestellt wird

Danach wird die ADC- Start- Methode aufgerufen, die alles im Hardwaremodul einrichtet und die Statistik konvertiert.

void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Single-Ended-Messwerte von AIN0..3 abrufen"); // einige Debug-Informationen Serial.println ("ADC-Bereich: +/- 4,096 V (1 Bit = 2 mV / ADS1015, 0,125 mV / ADS1115)"); // Der ADC-Eingangsbereich (oder die Verstärkung) kann über die folgenden // Funktionen geändert werden. Achten Sie jedoch darauf, niemals VDD + max. 0,3 V zu überschreiten oder // die oberen und unteren Grenzen zu überschreiten, wenn Sie den Eingangsbereich einstellen! // Eine falsche Einstellung dieser Werte kann Ihren ADC zerstören! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x Verstärkung +/- 6,144 V 1 Bit = 3 mV 0,1875 mV (Standard) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x Verstärkung +/- 4,096 V 1 Bit = 2 mV 0,125 mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x Verstärkung +/- 2,048 V 1 Bit = 1 mV 0,0625 mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x Verstärkung +/- 1,024 V 1 Bit = 0,5 mV 0,03125 mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8x Verstärkung +/- 0,512 V 1 Bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x Verstärkung +/- 0,256 V 1 Bit = 0,125 mV 0,0078125 mV ads.begin (); }}

Im Schleifenabschnitt lese ich den ADC-Rohwert und speichere ihn zur späteren Verwendung in der zuvor erwähnten Variablen. Konvertieren Sie dann den ADC-Rohwert zur Messung in Spannungswerte, berechnen Sie den aktuellen Wert und zeigen Sie ihn im Fenster des seriellen Monitors an.

void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); gemessenes Volumen = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ADC-Wert:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Gemessene Spannung:"); Serial.println (Measured_Voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Berechneter Strom:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); Verzögerung (500); }}

Hinweis! Wenn Sie nicht über die Bibliothek für das ADS1115-Modul verfügen, müssen Sie die Bibliothek in die Arduino IDE aufnehmen. Sie finden die Bibliothek in diesem GitHub-Repository.

Der vollständige Arduino-Code ist unten angegeben:

#einschließen #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * Faktor zur Berechnung des aktuellen Werts * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * Maximalwert, den ADC erzeugt * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 ads; / * Verwenden Sie dies für die 16-Bit-Version ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * Variable zum Speichern des ADC-Rohwerts * / float Measured_Voltae; / * Variable zum Speichern der gemessenen Spannung * / Erhaltungsstrom; / * Variable zum Speichern des berechneten Stroms * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Single-Ended-Messwerte von AIN0..3 abrufen"); // einige Debug-Informationen Serial.println ("ADC-Bereich: +/- 4,096 V (1 Bit = 2 mV / ADS1015, 0,125 mV / ADS1115)"); // Der ADC-Eingangsbereich (oder die Verstärkung) kann über die folgenden // Funktionen geändert werden. Achten Sie jedoch darauf, dass Sie VDD + max. 0,3 V nicht überschreiten.oder // die oberen und unteren Grenzen überschreiten, wenn Sie den Eingabebereich einstellen! // Eine falsche Einstellung dieser Werte kann Ihren ADC zerstören! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x Verstärkung +/- 6,144 V 1 Bit = 3 mV 0,1875 mV (Standard) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x Verstärkung +/- 4,096 V 1 Bit = 2 mV 0,125 mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x Verstärkung +/- 2,048 V 1 Bit = 1 mV 0,0625 mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x Verstärkung +/- 1,024 V 1 Bit = 0,5 mV 0,03125 mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x Verstärkung +/- 0,512 V 1 Bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x Verstärkung +/- 0,256 V 1 Bit = 0,125 mV 0,0078125 mV ads.begin (); } void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); gemessenes Volumen = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("ADC-Wert:"); Seriennummer.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Gemessene Spannung:"); Serial.print (Measured_Voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Berechneter Strom:"); Serial.print (aktuell, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); Verzögerung (500); }}

Schaltung testen

Werkzeuge zum Testen der Schaltung

1. 2 60W Glühlampe
2. Meco 450B + TRMS Multimeter

Zum Testen der Schaltung wurde das obige Setup verwendet. Der Strom fließt vom Stromwandler zum Multimeter und dann zurück zur Hauptstromleitung.

Wenn Sie sich fragen, was eine FTDI-Karte in diesem Setup tut, lassen Sie mich Ihnen sagen, dass der integrierte USB-Seriell-Konverter nicht funktioniert hat. Daher musste ich einen FTDI-Konverter als USB-Seriell-Konverter verwenden.

Weitere Verbesserungen

Die wenigen mA-Fehler, die Sie im Video (siehe unten) gesehen haben, sind nur darauf zurückzuführen, dass ich die Schaltung in einem Steckbrett hergestellt habe, sodass es viele Erdungsprobleme gab.

Ich hoffe, Ihnen hat dieser Artikel gefallen und Sie haben etwas Neues daraus gelernt. Wenn Sie Zweifel haben, können Sie in den Kommentaren unten nachfragen oder unsere Foren für detaillierte Diskussionen nutzen.