🔭 ↔️ 🤛🏾 Medición de electricidad. Parte 1. Medida de voltaje y corriente 🤜🏿 👨 🈷️

Introducción

¡Hola a todos! Después del final del ciclo en los sensores, hubo preguntas sobre un plan diferente para medir los parámetros de consumo de los aparatos domésticos y no muy eléctricos. Quién consume cuánto, cómo conectar qué medir, qué sutilezas suceden, etc. Es hora de revelar todas las cartas en esta área.
En esta serie de artículos consideraremos el tema de la medición de los parámetros de la electricidad. Estos parámetros son en realidad un número muy grande, que trataré de contar gradualmente en series pequeñas.
Hasta ahora, los planes son tres series:

Medición de electricidad.
La calidad de la electricidad.
Dispositivos para medir los parámetros de la electricidad.

En el proceso de análisis, resolveremos ciertos problemas prácticos en microcontroladores hasta que se logre un resultado. Por supuesto, la mayor parte de este ciclo se dedicará a medir el voltaje de CA y puede ser útil para que todos los ventiladores controlen los electrodomésticos de su hogar inteligente.
Según los resultados de todo el ciclo, fabricaremos un cierto medidor eléctrico inteligente con acceso a Internet. Los fanáticos muy notorios para controlar los electrodomésticos de su hogar inteligente pueden proporcionar toda la asistencia posible en la implementación de la parte de comunicación sobre la base de, por ejemplo, MajorDomo. Hagamos de OpenSource una casa inteligente mejor, por así decirlo.
En esta serie en dos partes, discutiremos las siguientes preguntas:

Conexión de sensores de corriente y voltaje en dispositivos de CC, así como circuitos de CA monofásicos y trifásicos;
Medición de valores actuales de corriente y voltaje;
Medición del factor de potencia;
Potencia plena, activa y reactiva;
El consumo de energía;

Al abordar encontrará respuestas a las dos primeras preguntas de esta lista. Deliberadamente no toco los problemas de precisión de los indicadores de medición y de esta serie solo estoy contento con los resultados obtenidos con una precisión de más o menos zapatos de bastidor. Ciertamente dedicaré un artículo separado a este tema en la tercera serie.

1. Conexión de sensores

En la última serie sobre sensores de voltaje y corriente, hablé sobre los tipos de sensores, pero no hablé sobre cómo usarlos y dónde colocarlos. Es hora de arreglarlo

Conexión de sensores de CC

Está claro que todo el ciclo se dedicará a los sistemas de corriente alterna, pero también repasaremos rápidamente los circuitos de corriente continua, ya que esto puede sernos útil al desarrollar fuentes de alimentación de corriente continua. Tomemos, por ejemplo, un convertidor de inversión PWM clásico :

Figura 1. Un convertidor de inversión PWM
Nuestro objetivo es proporcionar un voltaje de salida estable. Además, según la información del sensor de corriente, es posible controlar el modo de funcionamiento del inductor L1, evitar su saturación, y también implementar la protección de corriente del convertidor. Y, francamente, no hay opciones particulares para instalar sensores.
Un sensor de voltaje en forma de un divisor resistivo R1-R2, que es el único capaz de trabajar con corriente continua, está instalado en la salida del convertidor. Como regla general, un microcircuito convertidor especializado tiene una entrada de retroalimentación y hace todo lo posible para garantizar que en esta entrada (3) haya un cierto nivel de voltaje prescrito en la documentación del microcircuito. Por ejemplo, 1.25V. Si nuestro voltaje de salida coincide con este nivel, todo está bien, aplicamos directamente el voltaje de salida a esta entrada. Si no, configure el divisor. Si necesitamos proporcionar un voltaje de salida de 5V, entonces el divisor debe proporcionar un factor de división de 4, es decir, por ejemplo, R1 = 30k, R2 = 10k.
Generalmente se instala un sensor de corriente entre la fuente de alimentación y el convertidor y en el chip. A partir de la diferencia de potencial entre los puntos 1 y 2, y con una resistencia conocida, las resistencias Rs pueden determinar el valor actual de la corriente de nuestro inductor. Instalar un sensor de corriente entre las fuentes y la carga no es una buena idea, ya que el condensador del filtro será cortado por la resistencia de los consumidores de corrientes pulsadas. Instalar una resistencia en el espacio del cable común tampoco promete nada bueno: habrá dos niveles de tierra con los que aún es divertido jugar.
Los problemas de caída de voltaje se pueden evitar utilizando sensores de corriente sin contacto, por ejemplo, sensores de pasillo:

Figura 2. Sensor de corriente sin contacto
Sin embargo, hay una forma más complicada de medir la corriente. Después de todo, el voltaje también cae en el transistor y fluye la misma corriente que la inductancia a través de él. Por lo tanto, por la caída de voltaje a través de él, también puede determinar el valor actual de la corriente. Honestamente, si observa la estructura interna de los circuitos convertidores, por ejemplo, de Texas Instruments, este método se encuentra con tanta frecuencia como los anteriores. La precisión de este método ciertamente no es la más alta, pero es suficiente para que funcione el límite actual.

Fig. 3. Transistor como sensor de corriente. Hacemos lo
mismo en otros circuitos de convertidores similares, tanto de refuerzo como de inversión.
Sin embargo, es necesario mencionar por separado los transformadores lineales y de retorno del transformador.

Fig. 4. Conexión de sensores de corriente en convertidores flyback
. También pueden usar resistencia externa o un transistor en su función.
Con esto conectamos los sensores a los convertidores DC / DC. Si tiene sugerencias para otras opciones, con gusto les agregaré un artículo.

1.2 Conexión de sensores a circuitos de CA monofásicos

En los circuitos de CA, tenemos una selección mucho mayor de posibles sensores. Consideremos varias opciones.
El más simple es el uso de un divisor de voltaje resistivo y una derivación de corriente.

Fig. 5. Conexión de sensores de resistencia
Sin embargo, ella tiene un par de desventajas significativas:
En primer lugar, proporcionaremos una amplitud significativa de la señal de la derivación actual, asignando una gran cantidad de potencia, o estaremos satisfechos con la pequeña amplitud de la señal y posteriormente la amplificaremos. Y en segundo lugar, la resistencia crea una diferencia potencial entre el neutro de la red y el neutro del dispositivo. Si el dispositivo está aislado, no importa, si el dispositivo tiene un terminal de conexión a tierra, entonces corremos el riesgo de permanecer sin una señal del sensor de corriente, ya que lo cortocircuitará. Quizás deberías probar sensores que funcionan con otros principios.
Por ejemplo, usamos transformadores de corriente y voltaje, o un sensor de corriente de efecto hall y un transformador de voltaje. Aquí, hay muchas más oportunidades para trabajar con equipos, ya que el cable neutro no tiene pérdidas, y lo más importante: en ambos casos hay un aislamiento galvánico del equipo de medición, que a menudo puede ser útil. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los sensores de corriente y voltaje del transformador tienen una respuesta de frecuencia limitada y si queremos medir la composición armónica de las distorsiones, entonces esto no es un hecho que funcione.

Fig. 6. Conexión del transformador y sensores de corriente y voltaje sin contacto

1.3 Conexión de sensores a circuitos de CA multifásicos

En redes multifase, nuestra capacidad para conectar sensores de corriente es ligeramente menor. Esto se debe al hecho de que la derivación de corriente no se puede utilizar en absoluto, ya que la diferencia de potencial entre las derivaciones de fase fluctuará dentro de cientos de voltios y no conozco ningún controlador general cuyas entradas analógicas puedan soportar tal burla.
Por supuesto, hay una forma de usar derivaciones de corriente: para cada canal es necesario hacer una entrada analógica aislada galvánicamente. Pero es mucho más fácil y confiable usar otros sensores.
En mi analizador de calidad, utilizo divisores de voltaje resistivos y sensores de corriente de efecto hall remotos.

Fig. 7 Sensores de corriente en una red trifásica.
Como se puede ver en la figura, utilizamos una conexión de cuatro hilos. Por supuesto, en lugar de sensores de corriente en el efecto hall, puede tomar transformadores de corriente o bucles Rogowski.
En lugar de divisores resistivos, se pueden usar transformadores de voltaje, tanto para un sistema de cuatro cables como para un sistema de tres cables.
En el último caso, los devanados primarios de los transformadores de voltaje están conectados por un triángulo, y el secundario por una estrella, cuyo punto común es el punto común del circuito de medición

Fig. 8. Uso de transformadores de voltaje en una red trifásica

2 Valor actual de voltaje y corriente

Ha llegado el momento de resolver el problema de medir nuestras señales. El significado práctico para nosotros es principalmente el valor actual de corriente y voltaje.
Déjame recordarte el material del ciclo del sensor. Usando el ADC de nuestro microcontrolador a intervalos regulares, fijaremos el valor de voltaje instantáneo. Por lo tanto, durante el período de medición, tendremos una matriz de datos del nivel del valor de voltaje instantáneo (para la corriente, todo es similar).

Fig. 9. Una serie de valores de voltaje instantáneos
Nuestra tarea es calcular el valor efectivo. Para comenzar, usamos la fórmula integral:

(1)
En un sistema digital, tenemos que limitarnos a un cierto tiempo cuántico, entonces vamos a la suma:

(2)
¿Dónde

está el período de muestreo de nuestra señal?

- el número de muestras para el período de medición. En algún lugar aquí, en un video, empiezo a hablar sobre la igualdad de áreas. Tuve que dormir ese día. =)
En los microcontroladores MSP430FE4252, que se utilizan en medidores eléctricos Mercury monofásicos, se realizan 4096 lecturas para un período de medición de 1, 2 o 4 segundos. En T = 1s y N = 4096 seguiremos confiando. Además, 4096 puntos por segundo nos permitirán utilizar algoritmos rápidos de transformación de Fourier para determinar el espectro armónico hasta 40 armónicos, según lo requerido por GOST. Pero más sobre eso en la próxima serie.
Esbozamos el algoritmo para nuestro programa. Necesitamos asegurar un inicio estable del ADC cada 1/8192 segundos, ya que tenemos dos canales y mediremos estos datos alternativamente. Para hacer esto, configure el temporizador y la señal de interrupción reiniciará automáticamente el ADC. Todos los ADC hacen eso.
Escribiremos el programa futuro en arduino, ya que muchos lo tienen a mano. Hasta ahora tenemos un interés puramente académico.
Con una frecuencia de cuarzo del sistema de 16 MHz y un temporizador de 8 bits (para que la vida no parezca cariño), debemos asegurarnos de que la frecuencia de operación de cualquier interrupción del temporizador sea de 8192 Hz.
Estamos tristes por el hecho de que 16 MHz no está completamente dividido como lo necesitamos y la frecuencia final del temporizador es 8198 Hz. Cerramos los ojos a un error de 0.04% y aún leemos 4096 muestras por canal.
Estamos tristes de que la interrupción por desbordamiento en arduino esté ocupada calculando el tiempo (es responsable de los milis y la demora, por lo que esto dejará de funcionar normalmente), por lo que utilizamos la interrupción en comparación.
Y de repente nos damos cuenta de que la señal nos llega bipolar, y que msp430fe4252 la maneja perfectamente. Estamos contentos con un ADC unipolar, por lo tanto, ensamblamos un convertidor simple de una señal bipolar en uno unipolar en un amplificador operacional:

Figura 10. Un convertidor de una señal bipolar en un unipolar
Además, nuestra tarea es asegurar que nuestra sinusoide oscile en relación con la mitad del voltaje de referencia, luego restaremos la mitad del rango o activaremos la opción en la configuración del ADC y obtener los valores de los signos.
El Arduino tiene un ADC de 10 bits, por lo que restamos la mitad del resultado sin firmar dentro de 0-1023 y obtenemos -512-511.
Verificamos el modelo ensamblado en LTSpiceIV y nos aseguramos de que todo funcione como debería. En el material de video, también verificamos experimentalmente.

Figura 11. Resultado de la simulación. El verde es la señal original, el azul es la salida.

Boceto para Arduino para un canal

void setup()
{
  autoadcsetup();
  DDRD |=(1<<PD2)|(1<<PD3);
  Serial.begin(38400);
}


double urms = 0;
double utemp = 0;
int umoment = 0;
int N = 0;
int flag = 0;
void loop()
{
  if (flag){
    flag = 0;
    Serial.println(urms);
  }
}
int i = 255;

void autoadcsetup(){
  //set up TIMER0 to  4096Hz
  //TIMER0_OVF will be the trigger for ADC
  /*normal mode, prescaler 16
   16MHz / 64 / 61 = 4098 Hz 0.04% to 4096Hz*/
  TCCR0B = (1 << CS01)|(1 << CS00);//timer frequency = clk/64
  OCR0A = 60;//61-1
  TIMSK0 = (1<<OCIE0A);
  //set ADC.
  ADMUX =  (1 << REFS0);//8-bit mode, ADC0 channel, AVVCC as ref
  ADCSRA = (1 << ADEN) | (1 << ADATE) | (1 << ADIE) | (1 << ADPS2);//TUrn ADC On, trigger enable, Interrupt enable, sysclk/16=1MHz_ADC_clk=76kHz conv freq(13ticks per conversion)
  ADCSRB = (1<< ADTS1) | (1<<ADTS0) | (1<<MUX5);//Auto trigger source
}

ISR(TIMER0_COMPA_vect){
  if (PIND & (1<<PD2)){
    PORTD &= ~(1<<PD2);
  }
  else{
    PORTD |=(1<<PD2);
  }
  TCNT0 = 0;

}


ISR(ADC_vect){

  if( ( UCSR0A & (1<<UDRE0)) ){
    umoment = ADCL;//copy result.
    umoment += (ADCH<<8);
    umoment = umoment - 512;
    utemp = utemp + pow((double)(umoment),2)/4096;
    N++;
    if (N == 4095){
      urms = sqrt(utemp)/102;
      N = 0;
      utemp = 0;
      flag = 1;
      if (PIND & (1<<PD3)){
        PORTD &= ~(1<<PD3);
      }
      else{
        PORTD |=(1<<PD3);
      }
    }
  }
}

El programa está escrito en el IDE de Arduino para el microcontrolador ATmega1280. En mi placa de depuración, los primeros 8 canales se enrutan para las necesidades internas de la placa, por lo que se utiliza el canal ADC8. Es posible utilizar este boceto para una placa con ATmega168, sin embargo, debe seleccionar el canal correcto.
Dentro de las interrupciones, contraemos un par de pines de servicio para ver visualmente la frecuencia de digitalización en funcionamiento.
Un par de palabras sobre el origen del coeficiente 102. En el primer arranque, se suministró una señal de varias amplitudes desde el generador, se leyó una indicación del valor de voltaje efectivo desde el osciloscopio, y el valor calculado en unidades absolutas del ADC se tomó de la consola.

Umax, V	Urms, en	Contado
3	2,08	212
2,5	1,73	176
2	1,38	141
1,5	1,03	106
1	0,684	71
0,5	0,358	36
0.25	0,179	diecinueve

Dividiendo los valores de la tercera columna por los valores de la segunda, obtenemos un promedio de 102. Este será nuestro coeficiente de "calibración". Sin embargo, se puede notar que cuando el voltaje disminuye, la precisión cae bruscamente. Esto se debe a la baja sensibilidad de nuestro ADC. De hecho, 10 descargas para cálculos precisos son desastrosamente pequeñas y si es posible medir el voltaje en el enchufe de esta manera, colocar un ADC de 10 bits para medir la corriente consumida por la carga será un delito contra la metrología.

En este punto, nos detendremos. En la siguiente parte, consideraremos las otras tres preguntas de esta serie y procederemos sin problemas a la creación del dispositivo en sí.

El firmware presentado, así como otro firmware para esta serie (ya que grabo materiales de video más rápido que la preparación de artículos), lo encontrará en el repositorio en GitHub: github.com/radiolok/arduino_rms_count
En cuanto al desarrollo del medidor eléctrico, la referencia de TI SimpleLink WiFi CC3200 se tomará como base SmartPlug , cuya noticia el otro día voló a mi correo. Realmente me gusta el microcontrolador CC3200, por lo que desarrollaremos un paquete de refuerzo para el lunchpad existente y nos daremos cuenta de todas las características que nos interesan. No olvide hacer que funcione tan bien en otros microcontroladores.

Los comentarios están invitados. progchip666, para comentarios y adiciones al material, así como smart_alex como anteriormente estaba interesado en medir corriente y voltaje usando Arduino.