Измерение частоты сети с помощью Arduino: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

3 апреля премьер-министр Индии Шри. Нарендра Моди призвал индийцев выключить свет и зажечь лампу (Дия) в 21:00 5 апреля, чтобы отметить борьбу Индии с вирусом короны. Сразу после объявления в социальных сетях возник хаос, в котором говорилось, что это приведет к полному отключению электроэнергии из-за отказа электросети.

Я, будучи студентом-электротехником, хотел увидеть эффект внезапного снижения нагрузки на электросеть. Один из затрагиваемых параметров - частота. Итак, я решил сделать у себя дома прибор для измерения частоты напряжения в розетке. Обратите внимание, что для этого небольшого эксперимента точность измеренного значения не важна, так как я просто хотел наблюдать за изменениями частоты.

В этом руководстве я быстро объясню, как сеть может выйти из строя, а затем покажу вам, как я измерял частоту.

Шаг 1. Зачем беспокоиться?

Электрическая сеть может выйти из строя из-за многих факторов, одним из которых является резкое снижение нагрузки. Я постараюсь объяснить это как можно проще, чтобы человек без электрического фона мог это понять.

Что такое частота? Это количество раз, когда волна переменного тока повторяется за одну секунду. Частота в Индии составляет 50 Гц, что означает, что волна переменного тока повторяется 50 раз за одну секунду.

В любой электростанции есть турбина, которая представляет собой вращательное механическое устройство, которое извлекает энергию из потока жидкости (пара, воды, газа и т. Д.) И преобразует ее в полезную работу (механическую энергию). Эта турбина соединена (соединена) с генератором. Затем генератор преобразует эту механическую энергию в электрическую, которую мы получаем у себя дома.

Для этого объяснения рассмотрим паровую электростанцию. Здесь пар высокого давления используется для вращения турбины, которая, в свою очередь, вращает генератор, и вырабатывается электричество. Я не буду обсуждать, как работает генератор, но просто помню, что частота генерируемого напряжения напрямую связана со скоростью вращения генератора. Если скорость увеличивается, частота увеличивается, и наоборот. Предположим, что генератор не подключен к какой-либо нагрузке. Частота вращения генератора увеличивается за счет увеличения подачи пара в турбину до тех пор, пока частота не станет 50 Гц. Теперь генератор готов к подаче электроэнергии. Как только генератор подключается к нагрузке (или сети), через его обмотку начинает течь ток, и его скорость уменьшается, а следовательно, и частота. Но в соответствии со стандартами регулирования частота должна быть в пределах определенного диапазона. В Индии это +/- 3%, то есть от 48,5 Гц до 51,5 Гц. Теперь, чтобы компенсировать пониженную частоту из-за снижения скорости, подачу пара увеличивают до тех пор, пока частота снова не станет 50 Гц. Этот процесс продолжается. Нагрузка увеличивается, скорость уменьшается, частота уменьшается, подача пара увеличивается, и генератор переводится на скорость. Все это делается автоматически с помощью устройства под названием Governor. Он контролирует скорость (или частоту) генератора и соответствующим образом регулирует подачу пара. Поскольку большая часть детали является механической, изменения вступят в силу в течение нескольких секунд (т. Е. Высокой постоянной времени).

Теперь предположим, что вся нагрузка на генератор внезапно снята. Скорость генератора превышает нормальную, поскольку ранее мы увеличили подачу пара, чтобы компенсировать возросшую нагрузку. Прежде чем регулятор сможет определить и изменить подачу пара, генератор разгоняется так быстро, что частота выходит за верхний предел. Поскольку это не разрешено нормативными стандартами, генератор отключается (или отключается) от сети из-за превышения частоты.

В Индии у нас есть одна нация - одна сеть, что означает, что все генераторы в Индии подключены к одной единой сети. Это помогает отправлять электроэнергию в любую часть страны. Но есть один недостаток. Массовый сбой в любой части страны может быстро распространиться на другие части, что приведет к отключению всей энергосистемы. Таким образом, вся страна осталась без власти!

Шаг 2: План

План состоит в том, чтобы измерять частоту напряжения через определенные промежутки времени.

Трансформатор с центральным отводом используется для понижения 230 В переменного тока до 15 В переменного тока.

Модуль RTC показывает фактическое время.

Оба данных (время и частота) затем сохраняются на карте Micro SD в двух отдельных файлах. После завершения теста данные можно импортировать в таблицу Excel для построения графика.

ЖК-дисплей будет использоваться для отображения частоты.

Остерегаться! Вы столкнетесь с фатальным напряжением сети переменного тока. Продолжайте, только если знаете, что делаете. Электричество не дает второго шанса

Шаг 3. Вещи, которые вам понадобятся

1x Arduino Nano

1x 16x2 ЖК-дисплей

1x модуль часов реального времени DS3231

1x модуль карты Micro SD

1x центральный трансформатор с ответвлением (15 В-0-15 В)

2 резистора 10 кОм

1x резистор 1 кОм

1x резистор 39 кОм

1x 2N2222A NPN транзистор

1x 1N4007 диод

Шаг 4: соединяем все вместе

Схема сборки прилагается здесь. Я буду собирать его на макетной плате, но вы можете сделать его более долговечным, используя перфокарт или сделав собственную печатную плату.

Выбор правильного значения R3 для вашего трансформатора:

R3 и R4 образуют делитель напряжения, и значения выбираются таким образом, чтобы пик переменного напряжения не превышал 5 В. Итак, если вы планируете использовать другой трансформатор с другими номиналами, вы также должны изменить R3. Помните, что номинальное напряжение трансформатора указано в среднеквадратичном значении. В моем случае это 15-0-15.

Используйте мультиметр, чтобы проверить это. Измеренное напряжение в большинстве случаев будет больше 15 В. В моем случае это было около 17,5 В. Пиковое значение будет 17,5 x sqrt (2) = 24,74 В. Это напряжение намного выше, чем максимальное напряжение затвор-эмиттер (6 В) транзистора 2N2222A. Мы можем рассчитать значение R3, используя формулу делителя напряжения, показанную на рисунке выше.

Подключения для модуля SD-карты:

Модуль использует SPI для связи.

• MISO в D12
• MOSI в D11
• SCK до D13
• От CS / SS до D10 (вы можете использовать любой контакт для выбора микросхемы)

Убедитесь, что SD-карта сначала отформатирована как FAT.

Подключения для модуля RTC

Этот модуль использует I2C для связи.

• SDA в A4
• SCL в A5

Подключения для ЖК-дисплея

• RST в D9
• EN по D8
• D4 - D7
• D5 - D6
• D6 - D5
• D7 - D4
• R / W к GND

Шаг 5: время писать код

Код был прикреплен сюда. Загрузите и откройте его с помощью Arduino IDE. Перед загрузкой убедитесь, что вы установили библиотеку DS3231. Я нашел полезную информацию на этом сайте.

Настройка RTC:

1. Вставьте плоскую батарейку типа 2032.
2. Откройте DS3231_Serial_Easy из примеров, как показано.
3. Раскомментируйте 3 строки и введите время и дату, как показано на рисунке.
4. Загрузите скетч в Arduino и откройте последовательный монитор. Установите скорость передачи 115200 бод. Вы должны видеть время, которое обновляется каждую 1 секунду.
5. Теперь отключите Arduino и снова подключите его через несколько секунд. Посмотрите на серийный монитор. Он должен отображаться в режиме реального времени.

Выполнено! Создан RTC. Этот шаг нужно сделать только один раз, чтобы установить дату и время.

Шаг 6: Обработка данных

После завершения теста извлеките карту micro SD из модуля и подключите ее к компьютеру с помощью устройства чтения карт. Будет два текстовых файла с именами FREQ.txt и TIME.txt.

Скопируйте содержимое из этих файлов и вставьте его на лист Excel в два отдельных столбца (Time и Freq).

Щелкните Вставить> Диаграмма. Excel должен автоматически проверить данные на листе и построить график.

Увеличьте разрешение по вертикальной оси, чтобы флуктуации были четко видны. В Google Таблицах выберите «Настройка»> «Вертикальная ось»> «Мин. = 49,5 и Макс. = 50,5

Шаг 7: Результаты

Мы ясно видим небольшое увеличение частоты при отключении нагрузки около 21:00 (21:00) и уменьшение частоты около 21:10 (21:10) при повторном включении нагрузки. Никакого вреда для сети, поскольку частота находится в пределах диапазона допуска (+/- 3%), то есть от 48,5 Гц до 51,5 Гц.

Твиттер государственного министра в правительстве Индии г-на Р. К. Сингха подтверждает, что полученные мной результаты были довольно точными.

Спасибо, что придерживались конца. Надеюсь, вам всем понравился этот проект и вы узнали что-то новое сегодня. Дай мне знать, если сделаешь его для себя. Подпишитесь на мой канал на YouTube, чтобы увидеть больше таких проектов.