- Trasformatore di corrente
- Come funziona l'attuale trasformatore?
- Costruzione del trasformatore di corrente
- Rapporto del trasformatore di corrente
- Errore del trasformatore corrente
- Come ridurre l'errore in un trasformatore di corrente?
- Indietro Calcolo del rapporto di svolta di un trasformatore di corrente
- Il resistore di carico
- La resistenza del carico
- Calcolo di una dimensione adeguata del resistore di carico
- Componenti richiesti
- Schema elettrico
- Costruzione del circuito di misurazione della corrente
- Codice Arduino per la misurazione della corrente
- Testare il circuito
- Ulteriori miglioramenti
Un trasformatore di corrente è un tipo di trasformatore strumentale appositamente progettato per trasformare la corrente alternata nel suo avvolgimento secondario e la quantità di corrente prodotta è direttamente proporzionale alla corrente nell'avvolgimento primario. Questo tipo di trasformatore di corrente è progettato per misurare in modo non invisibile la corrente dal sottosistema ad alta tensione o dove una quantità elevata di corrente scorre attraverso il sistema. Il compito di un trasformatore di corrente è convertire la quantità elevata di corrente in una quantità inferiore di corrente che può essere facilmente misurata da un microcontrollore o da un misuratore analogico. In precedenza abbiamo spiegato la misurazione della corrente utilizzando il trasformatore di corrente in diversi tipi di articolo sulle tecniche di rilevamento della corrente.
Qui impareremo in dettaglio questa tecnica di rilevamento della corrente e collegheremo un trasformatore di corrente per misurare la corrente CA con l'aiuto di un Arduino. Impareremo anche a determinare il rapporto di spire di un trasformatore di corrente sconosciuto.
Trasformatore di corrente
Come ho accennato in precedenza, un trasformatore di corrente è un trasformatore progettato per misurare la corrente. Quanto sopra che mostra due trasformatori che attualmente ho è chiamato trasformatore di corrente a finestra o comunemente noto come trasformatore di bilanciamento del nucleo.
Come funziona l'attuale trasformatore?
Il principio di base del trasformatore di corrente è lo stesso di un trasformatore di tensione, allo stesso modo del trasformatore di tensione anche il trasformatore di corrente è costituito da un avvolgimento primario e da un avvolgimento secondario. Quando una corrente elettrica alternata passa attraverso l'avvolgimento primario del trasformatore, viene prodotto un flusso magnetico alternato, che induce una corrente alternata nell'avvolgimento secondario a questo punto puoi dire che è quasi uguale a un trasformatore di tensione se pensi che questa sia la differenza.
Generalmente, un trasformatore di corrente è sempre in una condizione di cortocircuito con l'assistenza di un resistore di carico, inoltre, la corrente che scorre sull'avvolgimento secondario dipende solo dalla corrente primaria che scorre attraverso il conduttore.
Costruzione del trasformatore di corrente
Per darti una migliore comprensione, ho smontato uno dei miei trasformatori di corrente che puoi vedere nell'immagine sopra.
Si può vedere nell'immagine che un filo molto sottile è avvolto attorno a un materiale del nucleo toroidale e una serie di fili esce dal trasformatore. L'avvolgimento primario è solo un singolo filo che è collegato in serie con il carico e trasporta la corrente di massa che scorre attraverso il carico.
Rapporto del trasformatore di corrente
Posizionando un filo all'interno della finestra del trasformatore di corrente, possiamo formare un unico anello e il rapporto spire diventa 1: N.
Come qualsiasi altro trasformatore, un trasformatore di corrente deve soddisfare l'equazione del rapporto amp-turn che è mostrata di seguito.
TR = Np / Ns = Ip / Is
Dove, TR = rapporto trans
Np = Numero di turni primari
Ns = Numero di giri secondari
Ip = Corrente nell'avvolgimento primario
È = corrente nell'avvolgimento secondario
Per trovare la corrente secondaria, riorganizzare l'equazione su
È = Ip x (Np / NS)
Come puoi vedere nell'immagine sopra, l'avvolgimento primario del trasformatore è costituito da un avvolgimento e l'avvolgimento secondario del trasformatore è costituito da migliaia di avvolgimenti se assumiamo che 100A di corrente fluiscano attraverso l'avvolgimento primario, la corrente secondaria sarà 5A. Quindi, il rapporto tra primario e secondario diventa da 100 A a 5 A o 20: 1. Quindi, si può dire che la corrente primaria è 20 volte superiore a quella della corrente secondaria.
Nota! Si prega di notare che il rapporto attuale non è lo stesso del rapporto spire.
Ora tutta la teoria di base fuori mano, possiamo tornare a concentrarci sul calcolo del rapporto di rotazione del trasformatore di corrente in mano.
Errore del trasformatore corrente
Ogni circuito ha degli errori. I trasformatori di corrente non sono diversi; esistono vari errori in un trasformatore di corrente. Alcuni dei quali sono descritti di seguito
Errore di rapporto nel trasformatore di corrente
La corrente primaria del trasformatore di corrente non è esattamente uguale alla corrente secondaria moltiplicata per il rapporto delle spire. Una parte della corrente viene consumata dal nucleo del trasformatore per portarlo in uno stato di eccitazione.
Errore dell'angolo di fase nel trasformatore di corrente
Per un TA ideale, il vettore di corrente primaria e secondaria è zero. Ma in un vero trasformatore di corrente, ci sarà sempre una differenza perché il primario deve fornire la corrente di eccitazione al nucleo e ci sarà una piccola differenza di fase.
Come ridurre l'errore in un trasformatore di corrente?
È sempre necessario ridurre gli errori in un sistema per ottenere prestazioni migliori. Quindi, seguendo i passaggi seguenti, è possibile ottenerlo
- Utilizzo di un nucleo ad alta permeabilità con materiale magnetico a bassa isteresi.
- Il valore della resistenza di carico deve essere molto vicino al valore calcolato.
- L'impedenza interna del secondario può essere abbassata.
Indietro Calcolo del rapporto di svolta di un trasformatore di corrente
La configurazione del test è stata mostrata nell'immagine sopra che ho usato per calcolare il rapporto delle spire.
Come ho detto prima, il trasformatore di corrente (CT) che possiedo non ha alcuna specifica o numero di parte solo perché li ho recuperati da un contatore elettrico domestico rotto. Quindi, a questo punto, dobbiamo conoscere il rapporto delle spire per impostare correttamente il valore del resistore di carico, altrimenti nel sistema verranno introdotti tutti i tipi di problemi, di cui parlerò più avanti nell'articolo.
Con l'aiuto della legge di ohm, il rapporto delle spire può essere facilmente calcolato, ma prima devo misurare il grande resistore da 10 W, 1K che funge da carico nel circuito e devo anche ottenere un resistore di carico arbitrario per capire il rapporto spire.
Il resistore di carico
La resistenza del carico
Riepilogo di tutti i valori dei componenti durante il periodo di test
Tensione di ingresso Vin = 31,78 V
Resistenza di carico RL = 1,0313 KΩ
Resistenza al carico RB = 678,4 Ω
Tensione di uscita Vout = 8,249 mV o 0,008249 V.
La corrente che scorre attraverso il resistore di carico è
I = Vin / RL I = 31,78 / 1,0313 = 0,03080 A o 30,80 mA
Quindi ora conosciamo la corrente di ingresso, che è 0,03080 A o 30,80 mA
Scopriamo la corrente di uscita
I = Vout / RB I = 0,008249 / 678,4 = 0,00001215949A o 12,1594 uA
Ora, per calcolare il rapporto delle spire, dobbiamo dividere la corrente primaria con la corrente secondaria.
Rapporto spire n = Corrente primaria / Corrente secondaria n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533,1972
Quindi il trasformatore di corrente è composto da 2500 giri (valore arrotondato)
Nota! Si prega di notare che gli errori sono principalmente dovuti alla mia tensione di ingresso in continua evoluzione e alla tolleranza del multimetro.
Calcolo di una dimensione adeguata del resistore di carico
Il TA utilizzato qui è un tipo di uscita in corrente. Quindi, per misurare la corrente, deve essere convertito in un tipo di tensione. Questo articolo, nel sito web di openenergymonitor, dà una grande idea su come possiamo farlo, quindi seguirò l'articolo
Resistenza di carico (ohm) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * corrente primaria massima)
Dove, AREF = Tensione di riferimento analogica del modulo ADS1115 che è impostata a 4,096V.
TURNI CT = Numero di giri secondari, che abbiamo calcolato in precedenza.
Max Primary Current = massima corrente primaria, che sarà fatta passare attraverso il TA.
Nota! Ogni CT ha una corrente nominale massima che supera quella valutazione porterà alla saturazione del nucleo e, infine, a errori di linearità che porteranno a errori di misurazione
Nota! La corrente nominale massima del contatore di energia domestica è 30A, quindi cerco quel valore.
Resistore di carico (ohm) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω
120.6Ω non è un valore comune, ecco perché userò tre resistori in serie per ottenere un valore di resistenza di 120Ω. Dopo aver collegato le resistenze al TA, ho eseguito alcune prove per calcolare la massima tensione di uscita dal TA.
Dopo il test, si osserva che se la corrente di 1mA viene alimentata attraverso il primario del trasformatore di corrente, l'uscita era 0,0488mV RMS. Con ciò, possiamo calcolare se la corrente di 30 A viene fatta passare attraverso il CT la tensione di uscita sarà 30000 * 0,0488 = 1,465 V.
Ora, con i calcoli effettuati, ho impostato il guadagno ADC su 1x guadagno che è +/- 4,096 V, che ci dà una risoluzione a fondo scala di 0,125 mV. Con ciò, saremo in grado di calcolare la corrente minima che può essere misurata con questa configurazione. Che si è rivelato essere 3 mA perché la risoluzione dell'ADC era impostata su 0,125 mV.
Componenti richiesti
Scrivi tutto il componente senza tabella
|
Sl.No |
Parti |
genere |
Quantità |
|
1 |
CT |
Tipo di finestra |
1 |
|
2 |
Arduino Nano |
Generico |
1 |
|
3 |
AD736 |
CIRCUITO INTEGRATO |
1 |
|
4 |
ADS1115 |
ADC a 16 bit |
1 |
|
5 |
LMC7660 |
CIRCUITO INTEGRATO |
1 |
|
6 |
120 Ω, 1% |
Resistore |
1 |
|
7 |
10uF |
Condensatore |
2 |
|
8 |
33uF |
Condensatore |
1 |
|
9 |
Breadboard |
Generico |
1 |
|
10 |
Cavi per ponticelli |
Generico |
10 |
Schema elettrico
Lo schema seguente mostra la guida ai collegamenti per la misurazione della corrente utilizzando il trasformatore di corrente
Ecco come apparirà il circuito sulla breadboard.
Costruzione del circuito di misurazione della corrente
In un precedente tutorial, ti ho mostrato come misurare accuratamente la tensione True RMS con l'aiuto dell'IC AD736 e come configurare un circuito convertitore di tensione a condensatore commutato che genera una tensione negativa da una tensione positiva in ingresso, in questo tutorial, stiamo usando entrambi i circuiti integrati di questi tutorial.
Per questa dimostrazione, il circuito è costruito su un Breadboard senza saldatura, con l'aiuto dello schema; inoltre, la tensione CC viene misurata con l'aiuto di un ADC a 16 bit per una migliore precisione. E mentre sto dimostrando il circuito su una breadboard per ridurre il parassita, ho usato il maggior numero possibile di cavi jumper.
Codice Arduino per la misurazione della corrente
Qui Arduino viene utilizzato per visualizzare i valori misurati nella finestra del monitor seriale. Ma con una piccola modifica nel codice, è possibile visualizzare molto facilmente i valori sull'LCD 16x2. Impara l'interfacciamento di LCD 16x2 con Arduino qui.
Il codice completo per il trasformatore di corrente si trova alla fine di questa sezione. Qui vengono spiegate parti importanti del programma.
Iniziamo includendo tutti i file delle librerie richieste. La libreria Wire viene utilizzata per comunicare tra Arduino e il modulo ADS1115 e la libreria Adafruit_ADS1015 ci aiuta a leggere i dati e scrivere istruzioni sul modulo.
#includere
Quindi, definire il MULTIPLICATION_FACTOR che viene utilizzato per calcolare il valore corrente dal valore ADC.
#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * fattore per calcolare il valore corrente effettivo * / Adafruit_ADS1115 ads; / * Usalo per la versione a 16 bit ADS1115 * /
L'ADC a 16 bit emette interi lunghi a 16 bit, quindi viene utilizzata la variabile int16_t . Vengono utilizzate altre tre variabili, una per memorizzare il valore RAW per l'ADC, una per visualizzare la tensione effettiva nel pin dell'ADC e infine una per visualizzare questo valore di tensione sul valore corrente.
int16_t adc1_raw_value; / * variabile per memorizzare il valore ADC grezzo * / float measure_voltae; / * variabile per memorizzare la tensione misurata * / corrente flottante; / * variabile per memorizzare la corrente calcolata * /
Inizia la sezione di configurazione del codice abilitando l'uscita seriale con 9600 baud. Quindi stampare il guadagno dell'ADC impostato; questo perché una tensione superiore al valore definito può sicuramente danneggiare il dispositivo.
Ora imposta il guadagno ADC con ads.setGain (GAIN_ONE); il metodo che imposta la risoluzione di 1 bit a 0,125 mV
Successivamente, viene chiamato il metodo di inizio ADC che imposta tutto nel modulo hardware e nella conversione delle statistiche.
void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Ottenere letture single-ended da AIN0..3"); // alcune informazioni di debug Serial.println ("Intervallo ADC: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // L'intervallo di ingresso dell'ADC (o guadagno) può essere modificato tramite le seguenti // funzioni, ma fare attenzione a non superare mai VDD + 0,3 V max, o // superare i limiti superiore e inferiore se si regola l'intervallo di ingresso! // L'impostazione errata di questi valori potrebbe distruggere il tuo ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // Guadagno 2 / 3x +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (predefinito) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x guadagno +/- 4,096 V 1 bit = 2 mV 0,125 mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x guadagno +/- 2,048 V 1 bit = 1 mV 0,0625 mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // Guadagno 4x +/- 1,024 V 1 bit = 0,5 mV 0,03125 mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// Guadagno 8x +/- 0,512 V 1 bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // Guadagno 16x +/- 0,256 V 1 bit = 0,125 mV 0,0078125 mV ads.begin (); }
Nella sezione del ciclo , leggo il valore dell'ADC grezzo e lo memorizzo nella variabile menzionata in precedenza per un uso successivo. Quindi convertire il valore ADC grezzo in valori di tensione per la misurazione, calcolare il valore corrente e visualizzarlo nella finestra del monitor seriale.
void loop (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); misurato_voltae = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Valore ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Tensione misurata:"); Serial.println (misurata_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Calculated Current:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); ritardo (500); }
Nota! Se non hai la libreria per il modulo ADS1115, devi includere la libreria nell'IDE di Arduino, puoi trovare la libreria in questo repository GitHub.
Il codice Arduino completo è fornito di seguito:
#includere
Testare il circuito
Strumenti utilizzati per testare il circuito
- 2 lampadine a incandescenza da 60W
- Multimetro Meco 450B + TRMS
Per testare il circuito è stata utilizzata la configurazione di cui sopra. La corrente scorre dal CT al multimetro, quindi torna alla linea di alimentazione principale.
Se ti stai chiedendo cosa fa una scheda FTDI in questa configurazione, lascia che ti dica che il convertitore da USB a seriale integrato non funzionava, quindi ho dovuto usare un convertitore FTDI come convertitore da USB a seriale.
Ulteriori miglioramenti
I pochi errori mA che hai visto nel video (riportato di seguito) sono solo perché ho realizzato il circuito in una breadboard, quindi c'erano molti problemi di massa.
Spero che questo articolo ti sia piaciuto e che abbia imparato qualcosa di nuovo da esso. Se hai qualche dubbio, puoi chiedere nei commenti qui sotto o puoi usare i nostri forum per una discussione dettagliata.