Misura la frequenza di rete usando Arduino: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Il 3 aprile, il Primo Ministro dell'India, Shri. Narendra Modi aveva fatto appello agli indiani per spegnere le luci e accendere una lampada (Diya) alle 21:00 del 5 aprile per celebrare la lotta dell'India contro il Corona Virus. Subito dopo l'annuncio, c'è stato un grande caos sui social media che dicevano che ciò avrebbe comportato un blackout completo a causa del guasto della rete elettrica.

Io, essendo uno studente di ingegneria elettrica, volevo vedere l'effetto di un'improvvisa riduzione del carico sulla rete elettrica. Uno dei parametri che viene influenzato è la frequenza. Quindi, ho deciso di realizzare un dispositivo per misurare la frequenza della tensione da una presa di corrente in casa mia. Si prega di notare che per questo piccolo esperimento la precisione del valore misurato non è importante poiché volevo solo osservare i cambiamenti nella frequenza.

In questo Instructable, spiegherò rapidamente come può guastarsi una griglia e poi ti mostrerò come ho misurato la frequenza.

Passaggio 1: perché preoccuparsi?

Una rete elettrica può guastarsi a causa di molti fattori uno dei quali è un'improvvisa riduzione del carico. Cercherò di spiegarlo nel modo più semplice possibile in modo che una persona senza sfondo elettrico possa capirlo.

Cos'è la frequenza? È il numero di volte che un'onda CA si ripete in un secondo. La frequenza in India è 50Hz, il che significa che un'onda CA viene ripetuta 50 volte in un secondo.

In qualsiasi centrale elettrica esiste una turbina che è un dispositivo meccanico rotante che estrae energia dal flusso di fluidi (vapore, acqua, gas, ecc.) e la converte in lavoro utile (energia meccanica). Questa turbina è collegata (accoppiata) a un generatore. Un generatore converte quindi questa energia meccanica in energia elettrica che riceviamo a casa nostra.

Consideriamo una centrale elettrica a vapore per questa spiegazione. Qui, il vapore ad alta pressione viene utilizzato per far ruotare una turbina che a sua volta fa ruotare il generatore e viene generata elettricità. Non discuterò di come funziona un generatore, ma ricorda solo che la frequenza della tensione generata è direttamente correlata alla velocità con cui ruota il generatore. Se la velocità aumenta, aumenta la frequenza e viceversa. Supponiamo che il generatore non sia collegato a nessun carico. Il generatore viene portato in velocità aumentando l'apporto di vapore alla turbina fino a quando la frequenza diventa 50Hz. Il generatore è ora pronto per erogare energia. Non appena il generatore è collegato al carico (o alla rete), la corrente inizia a fluire attraverso il suo avvolgimento e la sua velocità diminuisce e quindi la frequenza. Ma secondo gli standard di regolamento, la frequenza dovrebbe essere all'interno di una banda specifica. In India è +/- 3%, cioè da 48,5Hz a 51,5Hz. Ora, per compensare la ridotta frequenza dovuta ad una diminuzione della velocità, l'immissione di vapore viene aumentata fino a che la frequenza ridiventa 50Hz. Questo processo va avanti. Il carico aumenta, la velocità diminuisce, la frequenza diminuisce, l'immissione di vapore aumenta e il generatore viene portato in velocità. Tutto questo viene fatto automaticamente utilizzando un dispositivo chiamato Governor. Monitora la velocità (o frequenza) del generatore e regola di conseguenza l'immissione di vapore. Poiché la maggior parte della parte è meccanica, sono necessari pochi secondi (cioè un'elevata costante di tempo) affinché le modifiche abbiano effetto.

Ora, consideriamo che l'intero carico sul generatore viene improvvisamente rimosso. Il generatore accelera al di sopra della sua velocità normale poiché in precedenza avevamo aumentato l'ingresso di vapore per compensare l'aumento del carico. Prima che il regolatore possa rilevare e modificare l'ingresso di vapore, il generatore accelera così velocemente che la frequenza supera il limite superiore. Poiché ciò non è consentito secondo gli standard normativi, il generatore interviene (o viene disconnesso) dalla rete per sovrafrequenza.

In India abbiamo One Nation - One Grid, il che significa che tutti i generatori in India sono collegati a un'unica rete. Questo aiuta a inviare energia a qualsiasi parte del paese. Ma c'è uno svantaggio. Un guasto massiccio in una qualsiasi parte del paese può diffondersi rapidamente in altre parti, provocando l'interruzione dell'intera rete. Così, un intero paese resta senza potere!

Passaggio 2: il piano

Il piano è misurare la frequenza della tensione a intervalli specificati.

Un trasformatore con presa centrale viene utilizzato per ridurre la tensione da 230 V CA a 15 V CA.

Il modulo RTC fornisce l'ora effettiva.

Entrambi i dati (tempo e frequenza) vengono quindi archiviati nella scheda Micro SD in due file separati. Al termine del test, i dati possono essere importati in un foglio Excel per generare il grafico.

Verrà utilizzato un display LCD per visualizzare la frequenza.

Attenzione! Avrai a che fare con una tensione di rete CA fatale. Procedi solo se sai cosa stai facendo. L'elettricità non dà una seconda possibilità

Passaggio 3: cose di cui avrai bisogno

1x Arduino Nano

Display LCD 1x 16x2

1x modulo orologio in tempo reale DS3231

1x modulo scheda micro SD

1x trasformatore con presa centrale (15V-0-15V)

2x resistore da 10k

1x resistenza da 1k

1x 39k resistore

1x transistor NPN 2N2222A

1x diodo 1N4007

Passaggio 4: mettere insieme le cose

Lo schema della costruzione è allegato qui. Lo costruirò su una breadboard, ma puoi renderlo più permanente usando una perfboard o creando un PCB personalizzato.

Scegliendo il valore corretto di 'R3' per il tuo trasformatore:

R3 e R4 formano un partitore di tensione e i valori sono scelti in modo tale che il picco della tensione alternata non superi i 5V. Quindi, se si prevede di utilizzare un altro trasformatore con valori nominali diversi, è necessario modificare anche R3. Ricorda che i valori di tensione forniti su un trasformatore sono in RMS. Nel mio caso è 15-0-15.

Usa un multimetro per verificarlo. La tensione misurata sarà per lo più maggiore di 15V. Nel mio caso, era di circa 17,5 V. Il valore di picco sarà 17,5 x sqrt(2) = 24,74 V. Questa tensione è molto più alta della massima tensione Gate-Emitter (6V) del transistor 2N2222A. Possiamo calcolare il valore di R3 usando la formula del divisore di tensione mostrata nell'immagine sopra.

Connessioni per il modulo della scheda SD:

Il modulo utilizza SPI per la comunicazione.

• MISO a D12
• MOSI a D11
• SCK a D13
• CS/SS a D10 (è possibile utilizzare qualsiasi pin per Chip Select)

Assicurati che la scheda SD sia prima formattata come FAT.

Connessioni per modulo RTC

Questo modulo utilizza I2C per la comunicazione.

• SDA in A4
• da SCL a A5

Connessioni per display LCD

• Da RST a D9
• da EN a D8
• D4 a D7
• D5 a D6
• D6 a D5
• D7 a D4
• Da R/W a GND

Passaggio 5: tempo per la codifica

Il codice è stato allegato qui. Scaricalo e aprilo usando Arduino IDE. Prima di caricare, assicurati di installare la libreria DS3231. Ho trovato alcune informazioni utili su questo sito.

Configurazione dell'RTC:

1. Inserire una batteria a bottone di tipo 2032.
2. Aprire DS3231_Serial_Easy dagli esempi come mostrato.
3. Decommenta le 3 righe e inserisci l'ora e la data come mostrato nell'immagine.
4. Carica lo sketch su Arduino e apri il monitor seriale. Imposta la velocità di trasmissione su 115200. Dovresti essere in grado di vedere il tempo che continua ad aggiornarsi ogni 1 secondo.
5. Ora scollega l'Arduino e ricollegalo dopo alcuni secondi. Guarda il monitor seriale. Dovrebbe mostrare in tempo reale.

Fatto! RTC è stato istituito. Questo passaggio deve essere eseguito una sola volta per impostare la data e l'ora.

Passaggio 6: elaborazione dei dati

Una volta terminato il test, rimuovere la scheda micro SD dal modulo e collegarla al computer utilizzando un lettore di schede. Ci saranno due file di testo denominati FREQ.txt e TIME.txt.

Copia il contenuto da questi file e incollalo in un foglio excel in due colonne separate (Time e Freq).

Fare clic su Inserisci> Grafico. Excel dovrebbe controllare automaticamente i dati sul foglio e tracciare il grafico.

Aumentare la risoluzione dell'asse verticale in modo che le fluttuazioni siano chiaramente visibili. In Fogli Google, Personalizza> Asse verticale> Min. = 49,5 e max. = 50,5

Passaggio 7: risultati

Possiamo chiaramente vedere un leggero aumento della frequenza poiché i carichi vengono tagliati intorno alle 21:00 (21:00) e una diminuzione della frequenza intorno alle 21:10 (21:10) quando i carichi vengono riattivati. Nessun danno alla rete in quanto la frequenza è ben all'interno della banda di tolleranza (+/- 3%) cioè da 48,5Hz a 51,5Hz.

Un tweet del ministro di Stato del governo indiano, il signor R K Singh, conferma che i risultati che ho ottenuto erano piuttosto accurati.

Grazie per essere rimasto fedele alla fine. Spero che amiate tutti questo progetto e che oggi abbiate imparato qualcosa di nuovo. Fammi sapere se ne fai uno per te. Iscriviti al mio canale YouTube per altri progetti simili.