Mät nätfrekvens med Arduino: 7 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Den 3 april, Indiens premiärminister, Shri. Narendra Modi hade vädjat till indianer att släcka sina lampor och tända en lampa (Diya) vid 21:00 den 5 april för att markera Indiens kamp mot Corona Virus. Strax efter tillkännagivandet var det stort kaos på sociala medier som sa att detta skulle resultera i en fullständig blackout på grund av fel på elnätet.

Jag, som eltekniker, ville se effekten av en plötslig minskning av belastningen på elnätet. En av parametrarna som påverkas är Frequency. Så jag bestämde mig för att göra en enhet för att mäta spänningsfrekvensen från ett eluttag i mitt hus. Observera att för detta lilla experiment är precision av det uppmätta värdet inte viktigt eftersom jag bara ville observera förändringarna i frekvensen.

I denna instruktionsbok kommer jag snabbt att förklara hur ett nät kan misslyckas och sedan visa dig hur jag mätte frekvensen.

Steg 1: Varför oroa dig?

Ett elnät kan misslyckas på grund av många faktorer varav en är en plötslig minskning av belastningen. Jag ska försöka förklara det på det enklaste sättet så att en person utan elektrisk bakgrund kan förstå det.

Vad är frekvens? Det är antalet gånger en AC -våg upprepas på en sekund. Frekvensen i Indien är 50Hz vilket innebär att en AC -våg upprepas 50 gånger på en sekund.

I alla kraftverk finns det en turbin som är en roterande mekanisk anordning som extraherar energi från vätskeflöde (ånga, vatten, gas, etc) och omvandlar den till användbart arbete (mekanisk energi). Denna turbin är ansluten (kopplad) till en generator. En generator omvandlar sedan denna mekaniska energi till elektrisk energi som vi får hemma hos oss.

Låt oss överväga ett ångkraftverk för denna förklaring. Här används högtrycksånga för att rotera en turbin som i sin tur roterar generatorn och el genereras. Jag kommer inte att diskutera hur en generator fungerar men kom bara ihåg att frekvensen för den genererade spänningen är direkt relaterad till den hastighet med vilken generatorn roterar. Om hastigheten ökar ökar frekvensen och vice versa. Antag att generatorn inte är ansluten till någon belastning. Generatorn sätts i fart genom att öka ånginsatsen till turbinen tills frekvensen blir 50 Hz. Generatorn är nu redo att leverera ström. Så snart generatorn är ansluten till lasten (eller nätet) börjar strömmen flöda genom sin lindning och dess hastighet minskar och därmed frekvensen. Men enligt regleringsstandarder bör frekvensen ligga inom ett specifikt band. I Indien är det +/- 3%, dvs. 48,5 Hz till 51,5 Hz. För att kompensera för den reducerade frekvensen på grund av en minskning av hastigheten ökas ånginsatsen tills frekvensen blir 50Hz igen. Denna process fortsätter. Lasten ökar, hastigheten minskar, frekvensen minskar, ånginmatningen ökar och generatorn bringas till hastighet. Allt detta görs automatiskt med en enhet som heter Governor. Den övervakar generatorns hastighet (eller frekvens) och justerar ånginsatsen därefter. Eftersom det mesta av delen är mekanisk tar det några sekunder (dvs högtidskonstant) innan ändringar träder i kraft.

Låt oss nu överväga att hela belastningen på generatorn plötsligt tas bort. Generatorn går upp över sin normala hastighet eftersom vi tidigare hade ökat ånginsatsen för att kompensera för den ökade belastningen. Innan guvernören kan känna av och ändra ånginsignalen går generatorn så snabbt att frekvensen passerar dess övre gräns. Eftersom detta inte är tillåtet enligt lagstadgade standarder, går generatorn (eller kopplas bort) från nätet på grund av överfrekvens.

I Indien har vi One Nation - One Grid vilket innebär att alla generatorer i Indien är anslutna till ett enda nät. Detta hjälper till att skicka ström till någon del av landet. Men det finns en nackdel. Ett massivt fel i någon del av landet kan snabbt spridas till andra delar vilket resulterar i att hela nätet snubblar. Således lämnas ett helt land utan makt!

Steg 2: Planen

Planen är att mäta spänningsfrekvensen med angivna intervall.

En transformator i mitten används för att trappa ner 230V AC till 15V AC.

RTC -modulen ger den faktiska tiden.

Både data (tid och frekvens) lagras sedan på Micro SD -kortet i två separata filer. När testet är över kan data importeras till ett Excel -ark för att generera diagrammet.

En LCD -skärm används för att visa frekvensen.

Akta sig! Du kommer att hantera dödlig växelspänning. Fortsätt bara om du vet vad du gör. El ger inte en andra chans

Steg 3: Saker du behöver

1x Arduino Nano

1x 16x2 LCD -skärm

1x DS3231 klockmodul i realtid

1x Micro SD -kortmodul

1x mitttappad transformator (15V-0-15V)

2x 10k motstånd

1x 1k motstånd

1x 39k motstånd

1x 2N2222A NPN -transistor

1x 1N4007 -diod

Steg 4: Att sätta ihop saker

Schemat för bygget är bifogat här. Jag kommer att bygga den på en brödbräda men du kan göra den mer permanent genom att använda en perfboard eller göra en anpassad PCB.

Välja rätt värde för 'R3' för din transformator:

R3 och R4 bildar en spänningsdelare och värdena väljs så att AC -spänningens topp inte överstiger 5V. Så om du planerar att använda en annan transformator med olika betyg måste du också ändra R3. Kom ihåg att spänningsvärdena som ges på en transformator är i RMS. I mitt fall är det 15-0-15.

Använd en multimeter för att verifiera den. Den uppmätta spänningen är mestadels större än 15V. I mitt fall var det runt 17,5V. Toppvärdet blir 17,5 x sqrt (2) = 24,74V. Denna spänning är mycket högre än den maximala Gate-Emitter-spänningen (6V) för 2N2222A Transistor. Vi kan beräkna värdet på R3 med hjälp av spänningsdelarformeln som visas i bilden ovan.

Anslutningar för SD -kortmodul:

Modulen använder SPI för kommunikation.

• MISO till D12
• MOSI till D11
• SCK till D13
• CS/SS till D10 (Du kan använda valfri pin för Chip Select)

Se till att SD -kortet först formateras som FAT.

Anslutningar för RTC -modul

Denna modul använder I2C för kommunikation.

• SDA till A4
• SCL till A5

Anslutningar för LCD -skärm

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

Steg 5: Dags för kodning

Koden har bifogats här. Ladda ner och öppna den med Arduino IDE. Innan du laddar upp, se till att du installerar DS3231 Library. Jag hittade lite användbar information på denna webbplats.

Konfigurera RTC:

1. Sätt i ett myntcellsbatteri av 2032-typ.
2. Öppna DS3231_Serial_Easy från exemplen som visas.
3. Avmarkera de 3 raderna och ange tid och datum enligt bilden.
4. Ladda upp skissen till Arduino och öppna seriemonitorn. Ställ in överföringshastigheten till 115200. Du bör kunna se tiden som uppdateras varje 1 sekund.
5. Koppla nu ur Arduino och anslut den igen efter några sekunder. Titta på seriemonitorn. Det ska visa i realtid.

Gjort! RTC har ställts in. Detta steg måste bara göras en gång för att ställa in datum och tid.

Steg 6: Bearbeta data

När testet är klart tar du bort micro SD -kortet från modulen och ansluter det till din dator med en kortläsare. Det kommer att finnas två textfiler som heter FREQ.txt och TIME.txt.

Kopiera innehållet från dessa filer och klistra in det i ett excelark i två separata kolumner (tid och frekvens).

Klicka på Infoga> diagram. Excel bör automatiskt kontrollera data på arket och plotta diagrammet.

Öka upplösningen för den vertikala axeln så att fluktuationerna är tydliga. I Google Kalkylark, Anpassa> Vertikal axel> Min. = 49,5 och max. = 50,5

Steg 7: Resultat

Vi kan tydligt se en liten ökning av frekvensen när laster avbryts runt 21:00 (21:00) och en minskning av frekvensen runt 21:10 (21:10) när laster slås på igen. Inga skador på nätet eftersom frekvensen ligger väl inom toleransbandet (+/- 3%) dvs 48,5 Hz till 51,5 Hz.

En tweet från utrikesminister i Indiens regering, RK Singh bekräftar att de resultat jag fick var ganska korrekta.

Tack för att du håller dig till slutet. Hoppas ni alla älskar det här projektet och lärde er något nytt idag. Låt mig veta om du gör en själv. Prenumerera på min YouTube -kanal för fler sådana projekt.