WEB – МОНІТОР ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРИЧНОЇ
|
|||
Пропоную опис простого та недорогого пристрою для вимірювання напруги, струму та потужності в електричній мережі 220В для споживачів зі струмом споживання не більше 30А з подальшим відображенням результатів вимірювання у вигляді графіків на WEB сторінці через комп'ютерну мережу. Цей пристрій можна зібрати самостійно, дотримуючись цієї інструкції. Передбачається, що ви маєте навички макетування та програмування мікроконтролерів Arduino.
Всі компоненти, необхідні для збирання пристрою, можна придбати в інтернет-магазині, наприклад arduino.ua. Нам знадобляться: |
|||
Мікроконтролер ARDUINO NANO
або будь-який інший подібний мікроконтролер, наприклад ARDUINO UNO, MICRO, MINI |
|||
Датчик струму ACS712 30A GY-712 | |||
Ethernet модуль ENC28J60 | |||
Модуль живлення TSP-05 220В - 5В 3Вт
або будь-яке інше джерело живлення 5В для Arduino |
|||
Трансформатор 220/12В невеликої потужності
Можна використовувати й інші, наприклад 220/24В, 220/9В, 220/6В. Але при цьому потрібно підібрати параметри дільника напруги у схемі. |
|||
Чотири резистори 0.25W:
220кОм - 2 шт; 100кОм, 5.6кОм по одній штуці та електролітичний конденсатор на 10 мкФ на напругу не менше 10В. |
|||
З'єднувальні провідники мама-мама та дроти ПСВ (ВВГ) 0.5мм2 для комутації кола на 220 В |
|||
Нижче наводиться принципова схема стосовно мережі змінного струму 220В до 30А, 6 кВт повного навантаження. Цей набір обладнання також дозволяє моніторити коло постійного струму до 30А з доопрацюванням схеми вимірювання напруги. У колах постійного струму трансформатор не потрібний. Достатньо підібрати параметри дільника напруги та пам'ятати, що при цьому не буде гальванічної розв'язки між силовим та вимірювальним колом, що може становити небезпеку.
Для вимірювання струму в електричній мережі використовується датчик ACS712 30A GY-712, який побудований на однойменній мікросхемі ACS712ELCTR-30A-T фірми Allegro. Ця мікросхема забезпечує точне вимірювання постійного та змінного електричного струму за рахунок використання ефекту Холла і забезпечує гальванічну розв'язку високовольтної та вимірювальної частини кола. Нижче показано важливу схему включення мікросхеми. Вимірюваний струм,Ip, протікає від контактів 1, 2 до контактів 3,4. На виході мікросхеми (контакт 7) при Ip=0, напруга дорівнює половині напруги живлення мікросхеми Vout = 5/2 = 2.5В. При Ip=+30А (струм протікає у напрямку від контактів 1,2 до контактів 3,4) на виході мікросхеми (контакт 7) буде напруга Vout = 2.5 + 30*0.066 = 4.48B. При Ip=-30А (струм протікає у напрямку від контактів 3,4 до контактів 1,4) на виході мікросхеми (контакт 7) буде напруга Vout = 2.5 – 30 * 0.066 = 0.52B. Таким чином, при протіканні змінного струму в контрольованій електричній мережі, на аналоговому вході А0 мікроконтролера ARDUINO NANO буде напруга, яка змінюється за синусоїдою з частотою, що дорівнює частоті в електричній мережі. Амплітуда напруги на вході А0 буде пропорційна електричного струму (лінія А0 на графіку внизу). Для вимірювання напруги в електричній мережі використовується звичайний трансформатор 220/12В, який підключений через чотири резистори та конденсатор до аналогового входу А1 мікроконтролера ARDUINO NANO. Ці чотири резистори та конденсатор забезпечують зменшення амплітуди коливань напруги зі зміщенням до напруги, рівному половині напруги живлення (5/2=2.5В) на вході мікроконтролера. У результаті на вході А1 при напрузі в електричній мережі рівній нулю буде напруга 2.5В. У точці максимуму амплітуди напруги 220В, напруга на А1 складатиме приблизно 3.6B. У точці мінімуму амплітуди напруги, напруга на А1 буде приблизно 1.44B. Цю напругу можна підігнати до потрібного діапазону шляхом підбору пари резисторів 100кОм та 5.6кОм. У результаті на вході А1 має бути синусоїда, як показано на графіку внизу. Якщо в контрольованій електричній мережі струм протікає через активне навантаження, наприклад електронагрівач або лампу розжарювання, синусоїди А0 і А1 будуть збігатися по фазі. Тобто, синусоїда струму і напруги переходитимуть через нуль одночасно, як показано на графіці вгорі. Якщо споживачем буде навантаження з індуктивною складовою, наприклад, трансформатор або електродвигун, синусоїди А0 і А1 не збігатимуться по фазі. Синусоїда струму та напруги переходитимуть через нуль у різний час зі зміщенням φ, як показано графік внизу. При цьому синусоїда струму (А0) відставатиме. У випадку, якщо споживачем буде навантаження з ємнісною складовою, синусоїда А0 випереджатиме синусоїду А1, як показано на графіку внизу. |
|||
У колах змінного синусоїдального струму, внаслідок постійної зміни значення напруги та струму, потужність не можна обчислити шляхом простого множення напруги на струм. Тому виділяють відразу три види електричної потужності: активну, реактивну та повну. | |||
Активна потужність у колах синусоїдального струму | |||
Одиниця виміру - ват (позначення: Вт; міжнародне позначення: W).
де P - активна потужність, Вт; U - середньоквадратична напруга, В; I - середньоквадратичний струм, А; φ - кут зсуву фаз напруги та струму, град. Активна потужність визначає частину електричної енергії, яка використовується безпосередньо на виконування корисної роботи. |
|||
Реактивна потужність у колах синусоїдального струму | |||
Одиниця виміру - вольт-ампер реактивний (позначення: вар; міжнародне позначення: var)
де Q - реактивна потужність, вар; U - середньоквадратична напруга, В; I - середньоквадратичний струм, А; φ - кут зсуву фаз напруги та струму, град. Реактивна потужність визначає ту частину електричної енергії, яка марно витрачається в електричних мережах. |
|||
Повна потужність у колах синусоїдального струму | |||
Одиниця повної електричної потужності - вольт-ампер (позначення: ВА; міжнародне позначення: VA)
де S - повна потужність, ВА; P - активна потужність, Вт; Q - реактивна потужність, вар; Повна потужність відповідає всій енергії, яка витрачається в електричних мережах. |
|||
Алгоритм обчислення наступний. Через аналогові входи А0 і А1 постійно зчитуємо поточні значення напруги та струму, підносимо їх у квадрат і підсумовуємо. З періодичністю в одну секунду обчислюємо середньоквадратичне значення для напруги та струму. Добуток середньоквадратичного значення напруги і струму дає величину повної потужності. Нижче наведено лістинг програми. Вам буде потрібна бібліотека UIPEthernet. В IDE Arduino 1.8.4 її можна встановити через меню "Скетч"-"Підключити бібліотеку" - "Керувати бібліотеками" - "Менеджер бібліотек" - UIPEthernet. Також можна завантажити цю бібліотеку з GitHub за адресою https://github.com/UIPEthernet/UIPEthernet. |
|||
|