Измерване на мрежовата честота с помощта на Arduino: 7 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

На 3 април премиерът на Индия Шри. Нарендра Моди е призовал индийците да изключат светлините си и да запалят лампа (Diya) в 21:00 часа на 5 април, за да отбележат борбата на Индия срещу коронавируса. Точно след обявяването в социалните мрежи настъпи голям хаос, според който това ще доведе до пълно спиране на електроенергията поради повреда.

Аз, като студент по електротехника, исках да видя ефекта от внезапно намаляване на натоварването върху електрическата мрежа. Един от параметрите, които се засягат, е честотата. Така че реших да направя устройство за измерване на честотата на напрежението от електрически контакт в къщата ми. Моля, обърнете внимание, че за този малък експеримент точността на измерената стойност не е важна, тъй като просто исках да наблюдавам промените в честотата.

В тази инструкция бързо ще обясня как мрежата може да се провали и след това ще ви покажа как измервах честотата.

Стъпка 1: Защо да се притеснявате?

Електрическата мрежа може да се повреди поради много фактори, един от които е внезапното намаляване на натоварването. Ще се опитам да го обясня по възможно най -простия начин, така че човек без електрическа подготовка да го разбере.

Какво е честота? Това е броят пъти, когато една AC вълна се повтаря за една секунда. Честотата в Индия е 50Hz, което означава, че AC вълната се повтаря 50 пъти за една секунда.

Във всяка електроцентрала има турбина, която е въртящо се механично устройство, което извлича енергия от потока на течности (пара, вода, газ и т.н.) и я превръща в полезна работа (механична енергия). Тази турбина е свързана (свързана) към генератор. След това генератор преобразува тази механична енергия в електрическа енергия, която получаваме в дома си.

Нека разгледаме една парна електроцентрала за това обяснение. Тук парата под високо налягане се използва за завъртане на турбина, която от своя страна върти генератора и се генерира електричество. Няма да обсъждам как работи генераторът, но просто не забравяйте, че честотата на генерираното напрежение е пряко свързана със скоростта, с която генераторът се върти. Ако скоростта се увеличи, честотата се увеличава и обратно. Да приемем, че генераторът не е свързан с никакъв товар. Генераторът се ускорява чрез увеличаване на подаването на пара към турбината, докато честотата стане 50Hz. Генераторът вече е готов да достави енергия. Веднага след като генераторът е свързан към товара (или мрежата), токът започва да тече през намотката му и скоростта му намалява и така честотата. Но според регулаторните стандарти, честотата трябва да бъде в определен диапазон. В Индия това е +/- 3%, т.е. 48,5Hz до 51,5Hz. Сега, за да компенсира намалената честота поради намаляване на скоростта, входната пара се увеличава, докато честотата отново стане 50Hz. Този процес продължава. Натоварването се увеличава, скоростта намалява, честотата намалява, входната пара се увеличава и генераторът се довежда до скорост. Всичко това се извършва автоматично с помощта на устройство, наречено Governor. Той следи скоростта (или честотата) на генератора и съответно регулира подаването на пара. Тъй като по -голямата част от частта е механична, са необходими няколко секунди (т.е. висока времева константа), за да влязат в сила промените.

Сега нека помислим, че цялото натоварване на генератора внезапно се премахва. Генераторът се ускорява над нормалната си скорост, тъй като по -рано бяхме увеличили подаването на пара, за да компенсира увеличения товар. Преди регулаторът да усети и да промени подаването на пара, генераторът се ускорява толкова бързо, че честотата преминава горната си граница. Тъй като това не е разрешено съгласно регулаторните стандарти, генераторът се изключва (или е изключен) от мрежата поради свръхчестота.

В Индия имаме една нация - една мрежа, което означава, че всички генератори в Индия са свързани към една единствена мрежа. Това помага при изпращането на енергия във всяка част на страната. Но има един недостатък. Голяма повреда във всяка една част на страната може бързо да се разпространи в други части, което води до изключване на цялата мрежа. Така цяла държава остава без власт!

Стъпка 2: Планът

Планът е да се измерва честотата на напрежението на определени интервали.

Трансформатор с централно захранване се използва за понижаване на 230V AC до 15V AC.

Модулът RTC предоставя действителното време.

След това и двете данни (време и честота) се съхраняват в Micro SD картата в два отделни файла. След като тестът приключи, данните могат да бъдат импортирани в лист на Excel за генериране на графиката.

За показване на честотата ще се използва LCD дисплей.

Внимавай! Ще се справите с фатално напрежение на мрежовата мрежа. Продължете само ако знаете какво правите. Електричеството не дава втори шанс

Стъпка 3: Неща, от които ще се нуждаете

1x Arduino Nano

1x 16x2 LCD дисплей

1x DS3231 Часовник в реално време

1x модул Micro SD карта

1x централен трансформатор (15V-0-15V)

2x 10k резистор

1x 1k резистор

1x 39k резистор

1x 2N2222A NPN транзистор

1x 1N4007 диод

Стъпка 4: Сглобяване на нещата

Схемата за изграждането е приложена тук. Ще го изградя на макет, но можете да го направите по -постоянен, като използвате перфборд или направите персонализирана печатна платка.

Изборът на правилната стойност на „R3“за вашия трансформатор:

R3 и R4 образуват делител на напрежение и стойностите се избират така, че пикът на променливотоковото напрежение да не надвишава 5V. Така че, ако планирате да използвате друг трансформатор с различни стойности, тогава трябва да промените и R3. Не забравяйте, че номиналните напрежения, дадени на трансформатора, са в RMS. В моя случай е 15-0-15.

Използвайте мултицет, за да го проверите. Измереното напрежение ще бъде предимно по -голямо от 15V. В моя случай беше около 17.5V. Пиковата стойност ще бъде 17,5 x sqrt (2) = 24,74V. Това напрежение е много по-високо от максималното напрежение Gate-Emitter (6V) на 2N2222A транзистор. Можем да изчислим стойността на R3, като използваме формулата на делителя на напрежението, показана на снимката по -горе.

Връзки за модул SD карта:

Модулът използва SPI за комуникация.

• MISO към D12
• MOSI към D11
• SCK към D13
• CS/SS до D10 (Можете да използвате всеки щифт за Chip Select)

Уверете се, че SD картата е първо форматирана като FAT.

Връзки за RTC модул

Този модул използва I2C за комуникация.

• SDA до A4
• SCL до A5

Връзки за LCD дисплей

• RST до D9
• EN до D8
• D4 до D7
• D5 до D6
• D6 до D5
• D7 до D4
• R/W към GND

Стъпка 5: Време за кодиране

Кодът е приложен тук. Изтеглете и го отворете с помощта на Arduino IDE. Преди да качите, уверете се, че сте инсталирали библиотека DS3231. Намерих полезна информация на този уебсайт.

Настройване на RTC:

1. Поставете монетна батерия тип 2032.
2. Отворете DS3231_Serial_Easy от примерите, както е показано.
3. Декомментирайте трите реда и въведете часа и датата, както е показано на снимката.
4. Качете скицата в Arduino и отворете серийния монитор. Задайте скорост на предаване на 115200. Трябва да можете да виждате времето, което се обновява на всеки 1 секунда.
5. Сега изключете Arduino и го включете отново след няколко секунди. Погледнете серийния монитор. Трябва да показва в реално време.

Свършен! RTC е създаден. Тази стъпка трябва да се направи само веднъж, за да зададете датата и часа.

Стъпка 6: Обработка на данните

След като тестът приключи, извадете micro SD картата от модула и я свържете към компютъра си с помощта на четец на карти. Ще има два текстови файла, наречени FREQ.txt и TIME.txt.

Копирайте съдържанието от тези файлове и го поставете в Excel лист в две отделни колони (Time и Freq).

Щракнете върху Вмъкване> Диаграма. Excel трябва автоматично да провери данните на листа и да начертае графиката.

Увеличете разделителната способност на вертикалната ос, така че колебанията да са ясно видими. В Google Sheets Персонализирайте> Вертикална ос> Мин. = 49,5 и макс. = 50,5

Стъпка 7: Резултати

Можем ясно да видим леко увеличаване на честотата, тъй като натоварванията се прекъсват около 21:00 ч. (21:00 ч.) И намаляване на честотата около 21,10 ч. (21:10 ч.), Когато товари се включват отново. Няма вреда за мрежата, тъй като честотата е в границите на допустимия диапазон (+/- 3%), т.е. 48.5Hz до 51.5Hz.

Туит от държавен министър в правителството на Индия, г -н R K Singh потвърждава, че резултатите, които получих, бяха доста точни.

Благодаря, че се придържате към края. Надявам се, че всички обичате този проект и научихте нещо ново днес. Кажете ми, ако направите такъв за себе си. Абонирайте се за канала ми в YouTube за още такива проекти.