Измерение переменного тока с использованием трансформатора тока и Arduino

Трансформатор тока - это тип инструментального трансформатора, специально разработанный для преобразования переменного тока во вторичной обмотке, и величина создаваемого тока прямо пропорциональна току в первичной обмотке. Этот тип трансформатора тока разработан для невидимого измерения тока в подсистеме высокого напряжения или там, где через систему протекает большой ток. Задача трансформатора тока - преобразовать большую величину тока в меньшую величину, которая может быть легко измерена микроконтроллером или аналоговым измерителем. Ранее мы объясняли измерение тока с помощью трансформатора тока в статье о различных типах датчиков тока.

Здесь мы подробно изучим этот метод измерения тока и подключим трансформатор тока для измерения переменного тока с помощью Arduino. Мы также научимся определять коэффициент трансформации неизвестного трансформатора тока.

Трансформатор тока

Как я уже упоминал ранее, трансформатор тока - это трансформатор, предназначенный для измерения тока. Выше показаны два трансформатора, которые у меня есть в настоящее время, которые называются трансформаторами тока оконного типа или обычно известны как трансформаторы баланса сердечника.

Как работает трансформатор тока?

Основной принцип трансформатора тока такой же, как и у трансформатора напряжения, как и трансформатор напряжения, трансформатор тока также состоит из первичной и вторичной обмоток. Когда переменный электрический ток проходит через первичную обмотку трансформатора, создается переменный магнитный поток, который индуцирует переменный ток во вторичной обмотке в этот момент, вы можете сказать, что он почти такой же, как трансформатор напряжения, если вы думаете, что это разница.

Как правило, трансформатор тока всегда находится в состоянии короткого замыкания с помощью нагрузочного резистора, кроме того, ток, протекающий по вторичной обмотке, зависит только от первичного тока, протекающего по проводнику.

Конструкция трансформатора тока

Чтобы вы лучше понимали, я снял один из своих трансформаторов тока, который вы можете видеть на изображении выше.

На изображении видно, что очень тонкий провод намотан на материал тороидального сердечника, и набор проводов выходит из трансформатора. Первичная обмотка представляет собой только один провод, который подключен последовательно с нагрузкой и несет основной ток, протекающий через нагрузку.

Коэффициент трансформации тока

Поместив провод внутри окна трансформатора тока, мы можем сформировать единую петлю, и соотношение витков станет 1: N.

Как и любые другие трансформаторы, трансформатор тока должен удовлетворять уравнению отношения ампер-виток, которое показано ниже.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Где, TR = коэффициент трансформации

Np = количество витков первичной обмотки

Ns = количество вторичных витков

Ip = ток в первичной обмотке

Is = ток во вторичной обмотке

Чтобы найти вторичный ток, измените уравнение на

Is = Ip x (Np / NS)

Как вы можете видеть на изображении выше, первичная обмотка трансформатора состоит из одной обмотки, а вторичная обмотка трансформатора состоит из тысяч обмоток, если предположить, что через первичную обмотку течет ток 100 А, вторичный ток будет 5 А.. Таким образом, соотношение между первичной и вторичной обмотками становится от 100А до 5А или 20: 1. Итак, можно сказать, что первичный ток в 20 раз выше, чем вторичный ток.

Запись! Обратите внимание, что коэффициент текущей ликвидности отличается от коэффициента оборотов.

Теперь, когда вся основная теория исчерпана, мы можем снова сосредоточиться на вычислении коэффициента трансформации трансформатора тока в руке.

Ошибка трансформатора тока

В каждой цепи есть ошибки. Трансформаторы тока ничем не отличаются; в трансформаторе тока существуют различные ошибки. Некоторые из них описаны ниже

Ошибка соотношения в трансформаторе тока

Первичный ток трансформатора тока не совсем равен вторичному току, умноженному на коэффициент трансформации. Часть тока потребляется сердечником трансформатора, чтобы перевести его в состояние возбуждения.

Погрешность фазового угла в трансформаторе тока

Для идеального ТТ вектор первичного и вторичного тока равен нулю. Но в реальном трансформаторе тока всегда будет разница, потому что первичная обмотка должна подавать ток возбуждения в сердечник, и будет небольшая разность фаз.

Как уменьшить погрешность трансформатора тока?

Всегда необходимо уменьшить количество ошибок в системе, чтобы добиться лучшей производительности. Итак, с помощью следующих шагов можно добиться этого

1. Использование сердечника с высокой проницаемостью с магнитным материалом с низким гистерезисом.
2. Значение нагрузочного резистора должно быть очень близко к расчетному значению.
3. Внутренний импеданс вторичной обмотки можно уменьшить.

Назад Расчет коэффициента трансформации трансформатора тока

Схема тестирования показана на изображении выше, которое я использовал, чтобы вычислить коэффициент поворотов.

Как я уже упоминал ранее, трансформатор тока (ТТ), которым я владею, не имеет какой-либо спецификации или номера детали только потому, что я спас их из сломанного бытового электросчетчика. Итак, на этом этапе нам нужно знать коэффициент поворотов, чтобы правильно установить значение нагрузочного резистора, в противном случае в системе появятся всевозможные проблемы, о которых я подробнее расскажу позже в статье.

С помощью закона Ома соотношение витков можно легко вычислить, но перед этим мне нужно измерить большой резистор 10 Вт, 1 кОм, который действует как нагрузка в цепи, и мне также нужно получить произвольный нагрузочный резистор. выяснить соотношение витков.

Нагрузочный резистор

Нагрузочный резистор

Сводка всех значений компонентов за время тестирования

Входное напряжение Vin = 31,78 В

Сопротивление нагрузки RL = 1,0313 кОм

Сопротивление нагрузке RB = 678,4 Ом

Выходное напряжение Vout = 8,249 мВ или 0,008249 В

Ток, протекающий через нагрузочный резистор, равен

I = Vin / RL I = 31,78 / 1,0313 = 0,03080 A или 30,80 мА

Итак, теперь мы знаем входной ток, который составляет 0,03080 А или 30,80 мА.

Узнаем выходной ток

I = Vout / RB I = 0,008249 / 678,4 = 0,00001215949A или 12,1594 мкА

Теперь, чтобы рассчитать коэффициент поворотов, нам нужно разделить первичный ток на вторичный.

Коэффициент трансформации n = первичный ток / вторичный ток n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533,1972

Таким образом, трансформатор тока состоит из 2500 витков (округленное значение).

Запись! Обратите внимание, что ошибки в основном связаны с постоянно меняющимся входным напряжением и допуском мультиметра.

Расчет подходящего размера нагрузочного резистора

Используемый здесь трансформатор тока является токовым выходом. Итак, чтобы измерить ток, его нужно преобразовать в тип напряжения. Эта статья на веб-сайте openenergymonitor дает отличное представление о том, как мы можем это сделать, поэтому я собираюсь следить за статьей

Нагрузочный резистор (Ом) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * max первичный ток)

Где, AREF = Аналоговый источник опорного напряжения модуля ADS1115, который установлен на 4.096V.

CT TURNS = количество вторичных витков, которое мы рассчитали ранее.

Max Primary Current = максимальный первичный ток, который будет проходить через трансформатор тока.

Запись! Максимальный номинальный ток каждого ТТ, превышающий этот рейтинг, приведет к насыщению сердечника и, в конечном итоге, к ошибкам линейности, которые приведут к ошибке измерения.

Запись! Максимальный номинальный ток бытового счетчика электроэнергии составляет 30 А, поэтому я выбираю это значение.

Нагрузочный резистор (Ом) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ом

120,6 Ом не является обычным значением, поэтому я собираюсь использовать три резистора последовательно, чтобы получить сопротивление резистора 120 Ом. После подключения резисторов к трансформатору тока я провел несколько тестов, чтобы рассчитать максимальное выходное напряжение трансформатора тока.

После испытания было замечено, что если через первичную обмотку трансформатора тока подается ток 1 мА, выходной сигнал составляет 0,0488 мВ RMS. Таким образом, мы можем вычислить, если через трансформатор тока проходит ток 30 А, выходное напряжение будет 30000 * 0,0488 = 1,465 В.

Теперь, когда вычисления выполнены, я установил усиление АЦП на 1x, что составляет +/- 4,096 В, что дает нам полное разрешение 0,125 мВ. Благодаря этому мы сможем рассчитать минимальный ток, который можно измерить с помощью этой установки. Который оказался 3MA б оскольку разрешение АЦП был установлен 0.125mV.

Необходимые компоненты

Напишите весь компонент без таблицы

Sl.No	Запчасти	Тип	Количество
1	CT	Тип окна	1
2	Ардуино Нано	Универсальный	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	16-битный АЦП	1
5	LMC7660	IC	1
6	120 Ом, 1%	Резистор	1
7	10 мкФ	Конденсатор	2
8	33 мкФ	Конденсатор	1
9	Макетная плата	Универсальный	1
10	Перемычки	Универсальный	10

Принципиальная электрическая схема

На схеме ниже показано руководство по подключению для измерения тока с использованием трансформатора тока.

Вот так схема будет выглядеть на макетной плате.

Конструкция схемы измерения тока

В предыдущем учебном пособии я показал вам, как точно измерить истинное среднеквадратичное значение напряжения с помощью микросхемы AD736 и как настроить схему преобразователя напряжения на переключаемых конденсаторах, которая генерирует отрицательное напряжение из входного положительного напряжения, в этом руководстве мы используем обе микросхемы из этих руководств.

Для этой демонстрации схема построена на макетной плате без пайки с помощью схемы; Кроме того, для большей точности напряжение постоянного тока измеряется с помощью 16-битного АЦП. И поскольку я демонстрирую схему на макете, чтобы уменьшить паразитные помехи, я использовал как можно больше соединительных кабелей.

Код Arduino для измерения тока

Здесь Arduino используется для отображения измеренных значений в окне последовательного монитора. Но с небольшой модификацией кода можно очень легко отобразить значения на ЖК-дисплее 16x2. Изучите взаимодействие ЖК-дисплея 16x2 с Arduino здесь.

Полный код трансформатора тока можно найти в конце этого раздела. Здесь объясняются важные части программы.

Начнем с включения всех необходимых файлов библиотек. Библиотека Wire используется для связи между Arduino и модулем ADS1115, а библиотека Adafruit_ADS1015 помогает нам читать данные и записывать инструкции в модуль.

#включают #включают

Затем определите MULTIPLICATION_FACTOR, который используется для вычисления текущего значения из значения АЦП.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * коэффициент для расчета фактического текущего значения * / Adafruit_ADS1115 ads; / * Используйте это для 16-битной версии ADS1115 * /

16-битный АЦП выдает 16-битные целые числа, поэтому используется переменная int16_t . Используются три другие переменные: одна для хранения значения RAW для АЦП, одна для отображения фактического напряжения на выводе АЦП и, наконец, одна для отображения этого значения напряжения в текущее значение.

int16_t adc1_raw_value; / * переменная для хранения сырого значения АЦП * / float измеренное_вольт; / * переменная для хранения измеренного напряжения * / плавающий ток; / * переменная для хранения вычисленного тока * /

Начните раздел настройки кода, включив последовательный выход со скоростью 9600 бод. Затем выведите коэффициент усиления установленного АЦП; Это связано с тем, что напряжение, превышающее заданное значение, безусловно, может повредить устройство.

Теперь установите усиление АЦП с помощью ads.setGain (GAIN_ONE); метод, который устанавливает 1-битное разрешение на 0,125 мВ

После этого вызывается метод ADC begin, который настраивает все в аппаратном модуле и конвертирует статистику.

установка void (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Получение несимметричных показаний от AIN0..3"); // некоторая отладочная информация Serial.println ("Диапазон АЦП: +/- 4,096 В (1 бит = 2 мВ / ADS1015, 0,125 мВ / ADS1115)"); // Входной диапазон АЦП (или усиление) можно изменить с помощью следующих // функций, но будьте осторожны, никогда не превышайте VDD + 0.3V max или // верхний и нижний пределы, если вы настраиваете входной диапазон! // Неправильная установка этих значений может вывести из строя ваш АЦП! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2/3-кратное усиление +/- 6,144 В 1 бит = 3 мВ 0,1875 мВ (по умолчанию) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x усиление +/- 4,096 В 1 бит = 2 мВ 0,125 мВ //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2-кратное усиление +/- 2,048 В 1 бит = 1 мВ 0,0625 мВ // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4-кратное усиление +/- 1,024 В 1 бит = 0,5 мВ 0,03125 мВ // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// 8-кратное усиление +/- 0,512 В 1 бит = 0,25 мВ 0,015625 мВ // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16-кратное усиление +/- 0,256 В 1 бит = 0,125 мВ 0,0078125 мВ ads.begin (); }

В разделе цикла я читаю исходное значение АЦП и сохраняю его в ранее упомянутой переменной для дальнейшего использования. Затем преобразуйте необработанное значение АЦП в значения напряжения для измерения, вычислите текущее значение и отобразите его в окне последовательного монитора.

недействительный цикл (недействительный) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); измеренное_вольт = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Значение АЦП:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print («Измеренное напряжение:»); Serial.println (измеренное_вольт); Serial.println ("V"); Serial.print («Расчетный ток:»); Serial.print (val, 5); Serial.println («А»); Serial.println (""); задержка (500); }

Запись! Если у вас нет библиотеки для модуля ADS1115, вам необходимо включить библиотеку в Arduino IDE, вы можете найти библиотеку в этом репозитории GitHub.

Полный код Arduino приведен ниже:

#включают #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * коэффициент для вычисления фактического текущего значения * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * максимальное значение, которое производит ADC * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 ads; / * Используйте это для 16-битной версии ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * переменная для хранения сырого значения АЦП * / float измеренное_вольт; / * переменная для хранения измеренного напряжения * / плавающий ток; / * переменная для хранения вычисленного тока * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Получение несимметричных показаний от AIN0..3"); // некоторая отладочная информация Serial.println ("Диапазон АЦП: +/- 4,096 В (1 бит = 2 мВ / ADS1015, 0,125 мВ / ADS1115)"); // Входной диапазон АЦП (или усиление) можно изменить с помощью следующих // функций, но будьте осторожны, никогда не превышайте VDD + 0.3V max,или для // превышения верхнего и нижнего пределов, если вы измените диапазон ввода! // Неправильная установка этих значений может вывести из строя ваш АЦП! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2/3-кратное усиление +/- 6,144 В 1 бит = 3 мВ 0,1875 мВ (по умолчанию) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x усиление +/- 4,096 В 1 бит = 2 мВ 0,125 мВ //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2-кратное усиление +/- 2,048 В 1 бит = 1 мВ 0,0625 мВ // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4-кратное усиление +/- 1,024 В 1 бит = 0,5 мВ 0,03125 мВ // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8-кратное усиление +/- 0,512 В 1 бит = 0,25 мВ 0,015625 мВ // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16-кратное усиление +/- 0,256 В 1 бит = 0,125 мВ 0,0078125 мВ ads.begin (); } недействительный цикл (недействительный) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); измеренное_вольт = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Значение АЦП:"); Серийный.println (adc1_raw_value); Serial.print («Измеренное напряжение:»); Serial.print (измеренное_вольт); Serial.println ("V"); Serial.print («Расчетный ток:»); Serial.print (текущий, 5); Serial.println («А»); Serial.println (""); задержка (500); }

Тестирование схемы

Инструменты, используемые для проверки схемы

1. 2 лампы накаливания 60 Вт
2. Мультиметр Meco 450B + TRMS

Для тестирования схемы использовалась указанная выше установка. Ток течет от трансформатора тока к мультиметру, а затем возвращается к силовой линии сети.

Если вам интересно, что делает плата FTDI в этой настройке, позвольте мне сказать вам, что встроенный преобразователь USB в последовательный не работал, поэтому мне пришлось использовать преобразователь FTDI в качестве преобразователя USB в последовательный.

Дальнейшие улучшения

Несколько ошибок мА, которые вы видели в видео (приведенном ниже), вызваны тем, что я сделал схему на макетной плате, поэтому было много проблем с заземлением.

Надеюсь, вам понравилась эта статья и вы узнали из нее что-то новое. Если у вас есть сомнения, вы можете задать вопрос в комментариях ниже или воспользоваться нашим форумом для подробного обсуждения.