WEB – МОНИТОР ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
|
||
Предлагаю описание простого и недорогого устройства для измерения напряжения, тока и мощности в электрической сети 220В
для потребителей с током потребления не больше 30А с последующим отображением результатов измерения в виде графиков на
WEB странице через компьютерную сеть. Это устройство можно собрать самостоятельно следуя этой инструкции.
Предполагается что ви обладаете навыками макетирования и программирования микроконтроллеров Arduino.
Все компоненты, необходимые для сборки устройства, можно приобрести в интернет-магазине, например arduino.ua. Нам потребуются: |
||
Микроконтроллер ARDUINO NANO
или любой другой подобный микроконтроллер, например ARDUINO UNO, MICRO, MINI |
||
Датчик тока ACS712 30A GY-712 | ||
Ethernet модуль ENC28J60 | ||
Модуль питания TSP-05 220В - 5В 3Вт
или любой другой источник питания 5В для Arduino |
||
Трансформатор 220/12В небольшой мощности
Можно использовать и другие, например 220/24В, 220/9В, 220/6В. Но при этом потребуется подобрать параметры делителя напряжения в схеме. |
||
Четыре резистора 0.25W:
220кОм - 2 шт; 100кОм, 5.6кОм по одной штуке и электролитический конденсатор на 10 мкФ на напряжение не менее 10В. |
||
Соединительные проводники мама-мама и провода ПСВ (ВВГ) 0.5мм2 для коммутации цепи 220 В |
||
Ниже приводится принципиальная схема применительно к сети переменного тока 220В до 30А, 6 кВт полной нагрузки. Этот набор оборудования позволяет мониторить и цепи постоянного тока до 30А с доработкой схемы измерения напряжения. В цепях постоянного тока трансформатор не нужен. Достаточно подобрать параметры делителя напряжения и помнить, что при этом не будет гальванической развязки между силовой и измерительной цепью. Для измерения тока в электрической сети используется датчик ACS712 30A GY-712, который построен на одноименной микросхеме ACS712ELCTR-30A-T фирмы Allegro. Эта микросхема обеспечивает точное измерение постоянного и переменного электрического тока за счет использования эффекта Холла и обеспечивает гальваническую развязку высоковольтной и измерительной части цепи. Ниже показана принципиальная схема включения микросхемы. Измеряемый ток,Ip, протекает от контактов 1, 2 к контактам 3,4. На выходе микросхемы (контакт 7) при Ip=0, напряжение равно половине напряжения питания микросхемы Vout=5/2 = 2.5В. При Ip=+30А (ток протекает в направлении от контактов 1,2 к контактам 3,4) на выходе микросхемы (контакт 7) будет напряжение Vout = 2.5 + 30 * 0.066 = 4.48B. При Ip=-30А (ток протекает в направлении от контактов 3,4 к контактам 1,4) на выходе микросхемы (контакт 7) будет напряжение Vout = 2.5 - 30 * 0.066 = 0.52B. Таким образом, при протекании переменного тока в контролируемой электрической сети, на аналоговом входе А0 микроконтроллера ARDUINO NANO будет напряжение, которое изменяется по синусоиде с частотой, равной частоте в электрической сети. Амплитуда напряжения на входе А0 будет пропорциональна электрическому току (линия А0 на графике внизу). Для измерения напряжения в электрической сети используется обычный трансформатор 220/12В, который подключен через четыре резистора и конденсатор к аналоговому входу А1 микроконтроллера ARDUINO NANO. Эти четыре резистора и конденсатор обеспечивают уменьшение амплитуды колебаний напряжения со смещением до напряжения, равном половине напряжения питания (5/2=2.5В) на входе микроконтроллера. В итоге, на входе А1 при напряжении в электрической сети равном нулю будет напряжение 2.5В. В точке максимума амплитуды сетевого напряжения 220В, напряжение на А1 будет составлять примерно 3.6B. В точке минимума амплитуды сетевого напряжения, напряжение на А1 будет примерно 1.44B. Это напряжение можно подогнать к нужному диапазону путем подбора пары резисторов 100кОм и 5.6кОм. В результате на входе А1 должна быть синусоида, как показано на графике внизу. Если в контролируемой электрической сети ток протекает через активную нагрузку, например электронагреватель или лампу накаливания, то синусоиды А0 и А1 будут совпадать по фазе. Т.е., синусоида тока и напряжения будут переходить через ноль в одно и тоже время, как показано на графике вверху. Если потребителем будет нагрузка с индуктивной составляющей, например, трансформатор или электродвигатель, то синусоиды А0 и А1 не будут совпадать по фазе. Синусоида тока и напряжения будут переходить через ноль в разное время со смещением φ, как показано графике внизу. При этом синусоида тока (А0) будет отставать. В случае, если потребителем будет нагрузка с емкостной составляющей, синусоида А0 будет опережать синусоиду А1, как показано на графике внизу. |
||
В цепях переменного синусоидального тока, по причине постоянного изменения значения напряжения и тока, мощность нельзя вычислить путем простого перемножения напряжения на ток. Поэтому, выделяют сразу три вида электрической мощности: активную, реактивную и полную. | ||
Активная мощность в цепях синусоидального тока | ||
Единица измерения — ватт (обозначение: Вт; международное обозначение: W).
где P - активная мощность, Вт; U - среднеквадратическое напряжение, В; I - среднеквадратический ток, А; φ - угол сдвига фаз напряжения и тока, град. Активная мощность определяет ту часть электрической энергии, которая используется непосредственно на выполнение полезной работы. | ||
Реактивная мощность в цепях синусоидального тока | ||
Единица измерения — вольт-ампер реактивный (обозначение: вар; международное обозначение: var)
где Q - реактивная мощность, вар; U - среднеквадратическое напряжение, В; I - среднеквадратический ток, А; φ - угол сдвига фаз напряжения и тока, град. Реактивная мощность определяет ту часть электрической энергии, которая бесполезно расходуется в электрических сетях. | ||
Полная мощность в цепях синусоидального тока | ||
Единица полной электрической мощности — вольт-ампер (обозначение: ВА; международное обозначение: VA)
где S - полная мощность, ВА; P - активная мощность, Вт; Q - реактивная мощность, вар; Полная мощность соответствует всей энергии, которая расходуется в электрических сетях. | ||
Алгоритм вычисления следующий. Через аналоговые входы А0 и А1 постоянно считываем текущие значения напряжения и тока, возводим их в квадрат и суммируем. С периодичностью в одну секунду, вычисляем среднеквадратичное значение для напряжения и тока. Произведение среднеквадратичного значения напряжения и тока дает величину полной мощности. Ниже приведен листинг программы. Вам потребуется библиотека UIPEthernet. В IDE Arduino 1.8.4 еее можно установить через меню «Скетч»-«Подключить библиотеку» - «Управлять библиотеками» - «Менеджер библиотек» - UIPEthernet. Также можно скачать библиотеку с GitHub по адресу https://github.com/UIPEthernet/UIPEthernet. |
||
|