Come misurare il fattore di potenza CA utilizzando Arduino: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Ciao a tutti! Questa è la mia terza istruzione, spero che tu la trovi informativa:-) Questa sarà una guida su come eseguire una misurazione di base del fattore di potenza usando un Arduino. Prima di iniziare ci sono alcune cose da tenere a mente:

1. Funziona SOLO con carichi LINEARI (es. motori induttivi, trasformatori, solenoidi)
2. Questo NON funzionerà con NON LINEARI (ad esempio lampadine CFL, alimentatori a commutazione, LED)
3. Sono un ingegnere elettrico e molto competente quando si lavora con il potenziale di rete (es. 230V)

Avvertimento! Se non sei addestrato o non sai come lavorare correttamente con la tensione di rete, ti suggerisco di non procedere con quella parte dell'istruibile e ti mostrerò un metodo sicuro per dimostrare che il circuito funziona.

Questa è una soluzione hardware al problema della misurazione della PF nei carichi lineari. Questo può essere fatto anche puramente attraverso il codice, inclusa la capacità di misurare carichi non lineari, che mirerò a trattare in un altro istruibile.

A beneficio di tutti i principianti che leggono questo, il fattore di potenza è il rapporto tra potenza reale e potenza apparente e può essere calcolato trovando il coseno dell'angolo di fase tra la tensione di alimentazione e la corrente (vedi immagine allegata da Google). Ciò è significativo nelle applicazioni CA poiché la "potenza apparente" (Volt-Ampere) può essere facilmente calcolata utilizzando la tensione moltiplicata per la corrente. Tuttavia, per ottenere la potenza reale o "True Power" (Watt), la potenza apparente deve essere moltiplicata per il fattore di potenza per effettuare una vera misurazione della potenza in Watt. Questo vale solo per carichi che hanno una componente induttiva o capattiva significativa (come un motore). I carichi puramente resistivi come riscaldatori elettrici o lampadine a incandescenza hanno un fattore di potenza di 1.0 (unità) e quindi True Power e Apparent Power sono uguali.

Passaggio 1: progettazione del circuito

Il fattore di potenza può essere calcolato utilizzando un oscilloscopio, misurando la differenza di tempo tra il segnale di tensione e quello di corrente. Questi possono essere misurati in qualsiasi punto dell'onda purché siano campionati nello stesso punto. In questo caso era logico misurare tra punti di attraversamento dello zero (punti nell'onda in cui la tensione attraversava l'asse X).

Ho progettato il seguente circuito in Multisim. Supponendo che la corrente e la tensione al carico siano forme d'onda sinusoidali pure, è possibile misurare il fattore di potenza. Ogni forma d'onda viene alimentata in un rilevatore di attraversamento dello zero (a volte noto come convertitore da seno a onda quadra) che è semplicemente un amplificatore operazionale 741 in modalità comparatore in cui la tensione di confronto è 0V. Quando l'onda sinusoidale è nel ciclo negativo viene generato un impulso CC negativo e quando l'onda sinusoidale è positiva viene generato un impulso CC positivo. Le due onde quadre vengono quindi confrontate utilizzando una porta logica OR esclusiva (XOR), che emetterà un impulso CC alto positivo solo quando le onde quadre non si sovrappongono e 0 V quando si sovrappongono. L'uscita della porta XOR è quindi la differenza di tempo (delta t) tra le due onde dal punto in cui attraversano il punto zero. Questo segnale di differenza può quindi essere temporizzato da un microcontrollore e convertito in fattore di potenza utilizzando il seguente calcolo (assicurati che la tua calcolatrice scientifica sia in gradi e non in radianti):

cos(phi) = f * dt * 360

In cui si:

cos(phi) - il fattore di potenza

f - La frequenza della fornitura misurata

dt - delta t o differenza di tempo tra le onde

360 - una costante usata per dare una risposta in gradi

Nelle immagini vedrai tre tracce simulate dell'oscilloscopio per il circuito. I due segnali di ingresso rappresentano la corrente e la tensione al carico. Ho dato al secondo segnale una differenza di fase di 18 gradi, per dimostrare la teoria. Questo dà un PF di circa 0,95.

Passaggio 2: prototipazione e test

Per il mio prototipo ho messo il progetto del circuito su una breadboard senza saldatura. Dal foglio dati UA741CN e dal foglio dati CD4070CN entrambi i circuiti integrati funzionano con un'alimentazione a 12-15 Vdc, quindi ho alimentato utilizzando due batterie per creare un'alimentazione dual rail +12V, 0V, -12V Volt.

Simulazione di un carico

È possibile simulare un carico utilizzando un generatore di segnale a doppio canale o un generatore di funzioni. Ho usato questa scatola cinese economica e allegra per produrre due onde sinusoidali a 50 Hz a 18 gradi l'una dall'altra e ho alimentato i segnali nel circuito. È possibile visualizzare le forme d'onda risultanti su un oscilloscopio. Nelle immagini sopra puoi vedere le due onde quadre sovrapposte (uscita da ciascun amplificatore operazionale) e le altre tre immagini illustrano l'uscita del gate XOR. Notare come la larghezza dell'impulso di uscita si accorcia al diminuire dell'angolo di fase. Gli esempi sopra mostrano 90, 40, 0 gradi.

Passaggio 3: codice Arduino

Come accennato in precedenza, l'uscita dal circuito di misura è la differenza di tempo tra i due segnali di ingresso (cioè il segnale di corrente e di tensione). Il codice arduino utilizza "pulseIn" per misurare la lunghezza dell'impulso di uscita dal circuito di misurazione in nano secondi e lo utilizza nella formula PF sopra menzionata.

Il codice inizia definendo delle costanti, principalmente per rendere il codice più organizzato e leggibile. Ancora più importante, il codice C (codice arduino) funziona in radianti e non in gradi, quindi è necessaria una conversione da radianti a gradi per calcolare angoli e PF in seguito. Un radiante corrisponde a ca. 57.29577951 gradi. Viene anche memorizzato il numero 360 e il fattore di moltiplicazione 1x10^-6 per convertire i nanosecondi in semplici secondi. Anche la frequenza è definita all'inizio, se stai usando qualcosa di diverso da 50Hz assicurati che questo sia aggiornato all'inizio del codice.

All'interno di "void loop()" ho detto ad Arduino di calcolare l'angolo in base alla formula PF menzionata in precedenza. Alla mia prima iterazione di questo codice, il codice restituirebbe l'angolo e il fattore di potenza corretti, tuttavia tra ogni risultato corretto viene restituito anche un valore basso errato nella console seriale. Ho notato che questo era o ogni due letture o ogni quattro misurazioni. Ho inserito un'istruzione "if" all'interno di un ciclo "for" per memorizzare il valore massimo di ogni quattro letture consecutive. Lo fa confrontando il calcolo con "angle_max" che inizialmente è zero e, se è maggiore, memorizza il nuovo valore all'interno di "angle_max". Questo viene ripetuto per la misurazione PF. Facendo questo in un ciclo "for" significa che vengono sempre restituiti l'angolo corretto e pf, ma se l'angolo misurato cambia (più alto o più basso), quando "for" finisce "angle_max" si azzera per il test successivo, quando " void loop()" si ripete. C'è un ottimo esempio di come funziona sul sito web di Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). La seconda formula "se" impedisce semplicemente che venga restituito un valore maggiore di 360 nel caso in cui venga misurato un valore elevato errato quando il dispositivo in prova viene spento.

Passaggio 4: il test dell'acido

Non tentare quanto segue se non si sa come lavorare in sicurezza con la tensione di rete CA. In caso di dubbi sulla propria sicurezza, provare a simulare i segnali di ingresso con un generatore di forme d'onda a doppio canale.

Su richiesta di un follower, ho realizzato un layout breadboard su Fritzing per dare un'idea migliore del circuito e del circuito di campionamento/rilevamento (ho allegato il file.fzz e un diagramma.png). Il motore in alto rappresenta la ventola da tavolo che ho usato e la bobina di induzione rappresenta il trasformatore di corrente che ho avvolto attorno al conduttore Live. Ho alimentato i circuiti integrati 741 utilizzando due pacchi batterie da 12 V disposti per fornire +12 V CC, 0 V CC (terra) e -12 V CC. Il CD4070 può anche essere alimentato direttamente dalla linea di alimentazione 5V di Arduino.

Per dimostrare che il concetto funziona nella realtà, il circuito è stato costruito su una breadboard senza saldatura. Dalle foto potete vedere la disposizione del circuito. Ho usato una ventola da tavolo come carico induttivo per testare il concetto. Tra l'alimentazione di rete da 230 V e il carico c'è la mia attrezzatura di rilevamento. Ho un trasformatore step-down che trasforma direttamente 230V in 5V per consentire il campionamento della forma d'onda della tensione. Un trasformatore di corrente non invasivo bloccato attorno al conduttore sotto tensione è stato utilizzato per campionare la forma d'onda della corrente (a destra del resistore rivestito di alluminio). Nota che non devi necessariamente conoscere l'ampiezza della corrente o della tensione, solo la forma d'onda per l'amplificatore operazionale per identificare il passaggio per lo zero. Le immagini sopra mostrano le forme d'onda di corrente e tensione effettive dalla ventola e dalla console seriale arduino, che riporta un PF di 0,41 e un angolo di 65 gradi.

Questo principio di funzionamento può essere incorporato in un monitor energetico fatto in casa per effettuare misurazioni reali della potenza. Se sei competente puoi provare a monitorare diversi carichi induttivi e resistivi e determinarne il fattore di potenza. Ed eccolo! un metodo molto semplice per misurare il fattore di potenza.