Zmierz częstotliwość sieci za pomocą Arduino: 7 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

3 kwietnia premier Indii Shri. Narendra Modi zaapelował do Hindusów o wyłączenie świateł i zapalenie lampy (Diya) o godzinie 21:00 5 kwietnia, aby uczcić walkę Indii z wirusem koronowym. Tuż po ogłoszeniu w mediach społecznościowych powstał wielki chaos, mówiący, że spowoduje to całkowite zaciemnienie spowodowane awarią sieci elektrycznej.

Jako student elektrotechniki chciałem zobaczyć efekt nagłego zmniejszenia obciążenia sieci elektrycznej. Jednym z parametrów, na który ma to wpływ, jest Częstotliwość. Postanowiłem więc zrobić urządzenie do pomiaru częstotliwości napięcia z gniazdka w moim domu. Proszę zauważyć, że w tym małym eksperymencie precyzja mierzonej wartości nie jest ważna, ponieważ chciałem tylko obserwować zmiany częstotliwości.

W tej instrukcji szybko wyjaśnię, w jaki sposób siatka może zawieść, a następnie pokażę, jak mierzyłem częstotliwość.

Krok 1: Po co się martwić?

Sieć elektryczna może ulec awarii z powodu wielu czynników, z których jednym jest nagłe zmniejszenie obciążenia. Postaram się to wytłumaczyć w możliwie najprostszy sposób tak, aby zrozumiała to osoba bez przygotowania elektrycznego.

Co to jest częstotliwość? Jest to liczba powtórzeń fali prądu przemiennego w ciągu jednej sekundy. Częstotliwość w Indiach wynosi 50 Hz, co oznacza, że fala AC powtarza się 50 razy w ciągu jednej sekundy.

W każdej elektrowni znajduje się turbina, która jest obrotowym urządzeniem mechanicznym, które pobiera energię z przepływu płynu (para, woda, gaz itp.) i zamienia ją w pracę użyteczną (energia mechaniczna). Turbina ta jest połączona (połączona) z generatorem. Generator następnie zamienia tę energię mechaniczną na energię elektryczną, którą otrzymujemy w naszym domu.

Rozważmy elektrownię parową dla tego wyjaśnienia. Tutaj para pod wysokim ciśnieniem jest używana do obracania turbiny, która z kolei obraca generator i wytwarzana jest energia elektryczna. Nie będę dyskutował o tym, jak działa generator, ale pamiętaj tylko, że częstotliwość generowanego napięcia jest bezpośrednio związana z prędkością, z jaką obraca się generator. Jeśli prędkość wzrasta, wzrasta częstotliwość i na odwrót. Załóżmy, że generator nie jest podłączony do żadnego obciążenia. Generator jest przyspieszany poprzez zwiększanie dopływu pary do turbiny, aż częstotliwość osiągnie 50 Hz. Generator jest teraz gotowy do dostarczania energii. Gdy tylko generator zostanie podłączony do obciążenia (lub sieci), prąd zaczyna płynąć przez jego uzwojenie, a jego prędkość spada, a więc i częstotliwość. Ale zgodnie z normami prawnymi częstotliwość powinna mieścić się w określonym paśmie. W Indiach jest to +/- 3% tj. 48,5 Hz do 51,5 Hz. Teraz, aby skompensować zmniejszoną częstotliwość spowodowaną spadkiem prędkości, dopływ pary jest zwiększany, aż częstotliwość ponownie osiągnie 50 Hz. Ten proces trwa. Zwiększa się obciążenie, zmniejsza się prędkość, maleje częstotliwość, zwiększa się dopływ pary, a generator zostaje uruchomiony. Wszystko to odbywa się automatycznie za pomocą urządzenia o nazwie Governor. Monitoruje prędkość (lub częstotliwość) generatora i odpowiednio dostosowuje dopływ pary. Ponieważ większość części jest mechaniczna, wprowadzenie zmian zajmuje kilka sekund (tj. wysoka stała czasowa).

Rozważmy teraz, że całe obciążenie generatora zostało nagle usunięte. Generator przyspiesza powyżej normalnej prędkości, ponieważ wcześniej zwiększyliśmy dopływ pary, aby skompensować zwiększone obciążenie. Zanim regulator będzie mógł wykryć i zmienić dopływ pary, generator przyspiesza tak szybko, że częstotliwość przekracza górną granicę. Ponieważ nie jest to dozwolone zgodnie z normami regulacyjnymi, generator wyłącza się (lub jest odłączony) od sieci z powodu nadmiernej częstotliwości.

W Indiach mamy One Nation - One Grid, co oznacza, że wszyscy wytwórcy w Indiach są podłączeni do jednej sieci. Pomaga to w wysłaniu władzy do dowolnej części kraju. Ale jest jedna wada. Ogromna usterka w dowolnej części kraju może szybko rozprzestrzenić się na inne części, co powoduje wyłączenie całej sieci. W ten sposób cały kraj pozostaje bez władzy!

Krok 2: Plan

Planowany jest pomiar częstotliwości napięcia w określonych odstępach czasu.

Transformator z odczepem centralnym służy do obniżania napięcia 230 V AC do 15 V AC.

Moduł RTC podaje aktualny czas.

Oba dane (czas i częstotliwość) są następnie przechowywane na karcie Micro SD w dwóch oddzielnych plikach. Po zakończeniu testu dane można zaimportować do arkusza Excel w celu wygenerowania wykresu.

Do pokazania częstotliwości zostanie użyty wyświetlacz LCD.

Strzec się! Będziesz miał do czynienia z fatalnym napięciem sieciowym AC. Kontynuuj tylko wtedy, gdy wiesz, co robisz. Elektryczność nie daje drugiej szansy

Krok 3: Rzeczy, których będziesz potrzebować

1x Arduino Nano

Wyświetlacz LCD 1x16x2

1x moduł zegara czasu rzeczywistego DS3231

1x moduł karty micro sd

1x Transformator z odczepem centralnym (15 V-0-15 V)

Rezystor 2x 10k

1x rezystor 1k

1x Rezystor 39 k

1x2N2222A tranzystor NPN

1x dioda 1N4007;

Krok 4: Łączenie rzeczy

Schemat budowy znajduje się tutaj. Będę budować go na płytce prototypowej, ale możesz go utrwalić, używając płytki perforowanej lub wykonać niestandardową płytkę drukowaną.

Wybór prawidłowej wartości „R3” dla twojego transformatora:

R3 i R4 tworzą dzielnik napięcia, a wartości są tak dobrane, aby szczyt napięcia AC nie przekraczał 5V. Jeśli więc planujesz użyć innego transformatora o różnych wartościach znamionowych, musisz również zmienić R3. Pamiętaj, że napięcia znamionowe podane na transformatorze są w RMS. W moim przypadku jest to 15-0-15.

Użyj multimetru, aby to sprawdzić. Zmierzone napięcie będzie w większości większe niż 15V. W moim przypadku było to około 17,5V. Wartość szczytowa wyniesie 17,5 x sqrt(2) = 24,74V. To napięcie jest znacznie wyższe niż maksymalne napięcie bramki-emitera (6V) tranzystora 2N2222A. Możemy obliczyć wartość R3 korzystając ze wzoru na dzielnik napięcia pokazanego na powyższym obrazku.

Połączenia modułu karty SD:

Moduł wykorzystuje SPI do komunikacji.

• MISO do D12
• MOSI do D11
• SCK do D13
• CS/SS do D10 (możesz użyć dowolnego pinu do wyboru chipa)

Upewnij się, że karta SD jest najpierw sformatowana jako FAT.

Połączenia dla modułu RTC

Ten moduł używa I2C do komunikacji.

• SDA do A4
• SCL do A5

Połączenia wyświetlacza LCD

• RST do D9
• PL do D8
• D4 do D7
• D5 do D6
• D6 do D5
• D7 do D4
• R/W do GND

Krok 5: Czas na kodowanie

Kod został dołączony tutaj. Pobierz i otwórz go za pomocą Arduino IDE. Przed przesłaniem upewnij się, że zainstalowałeś DS3231 Library. Na tej stronie znalazłem kilka przydatnych informacji.

Konfiguracja zegara czasu rzeczywistego:

1. Włóż baterię pastylkową typu 2032.
2. Otwórz DS3231_Serial_Easy z przykładów, jak pokazano.
3. Odkomentuj 3 linie i wprowadź godzinę i datę, jak pokazano na rysunku.
4. Prześlij szkic do Arduino i otwórz monitor szeregowy. Ustaw szybkość transmisji na 115200. Powinieneś widzieć czas, który odświeża się co 1 sekundę.
5. Teraz odłącz Arduino i podłącz go ponownie po kilku sekundach. Spójrz na monitor szeregowy. Powinien pokazywać się w czasie rzeczywistym.

Gotowe! RTC został utworzony. Ten krok należy wykonać tylko raz, aby ustawić datę i godzinę.

Krok 6: Przetwarzanie danych

Po zakończeniu testu wyjmij kartę micro SD z modułu i podłącz ją do komputera za pomocą czytnika kart. Będą dwa pliki tekstowe o nazwach FREQ.txt i TIME.txt.

Skopiuj zawartość z tych plików i wklej ją w arkuszu Excela w dwóch osobnych kolumnach (Time i Freq).

Kliknij Wstaw>Wykres. Excel powinien automatycznie sprawdzić dane na arkuszu i wykreślić wykres.

Zwiększ rozdzielczość osi pionowej, aby fluktuacje były wyraźnie widoczne. W Arkuszach Google, Dostosuj>Oś pionowa>Min. = 49,5 i maks. = 50,5

Krok 7: Wyniki

Wyraźnie widać niewielki wzrost częstotliwości, gdy obciążenia są odcinane około 21:00 (21:00) i spadek częstotliwości około 21:10 (21:10), gdy obciążenia są ponownie włączane. Brak uszkodzeń sieci, ponieważ częstotliwość jest dobrze w zakresie tolerancji (+/- 3%) tj. 48,5 Hz do 51,5 Hz.

Tweet od ministra stanu w rządzie Indii, pana RK Singha, potwierdza, że wyniki, które otrzymałem, były dość dokładne.

Dziękuję za trzymanie się do końca. Mam nadzieję, że wszyscy kochacie ten projekt i nauczyliście się dzisiaj czegoś nowego. Daj mi znać, jeśli zrobisz dla siebie. Subskrybuj mój kanał na YouTube, aby zobaczyć więcej takich projektów.