Meça a frequência da rede elétrica usando o Arduino: 7 etapas (com imagens)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-23 15:03

Em 3 de abril, o primeiro-ministro da Índia, Shri. Narendra Modi apelou aos indianos para que apagassem suas luzes e acendessem uma lâmpada (Diya) às 21h do dia 5 de abril para marcar a luta da Índia contra o vírus Corona. Logo após o anúncio, houve um grande caos nas redes sociais dizendo que isso resultaria em um apagão total devido a falha na rede elétrica.

Eu, sendo estudante de engenharia elétrica, queria ver o efeito de uma redução repentina de carga na rede elétrica. Um dos parâmetros afetados é a frequência. Então, resolvi fazer um aparelho para medir a frequência de voltagem de uma tomada elétrica da minha casa. Observe que, para este pequeno experimento, a precisão do valor medido não é importante, pois eu apenas queria observar as mudanças na frequência.

Neste Instructable, explicarei rapidamente como uma grade pode falhar e mostrarei como medi a frequência.

Etapa 1: Por que se preocupar?

Uma rede elétrica pode falhar devido a muitos fatores, um dos quais é uma redução repentina de carga. Tentarei explicá-lo da maneira mais simples possível, de modo que uma pessoa sem formação elétrica possa entendê-lo.

O que é frequência? É o número de vezes que uma onda AC se repete em um segundo. A frequência na Índia é 50 Hz, o que significa que uma onda CA é repetida 50 vezes em um segundo.

Em qualquer usina, existe uma turbina que é um dispositivo mecânico rotativo que extrai energia do fluxo do fluido (vapor, água, gás, etc.) e a converte em trabalho útil (energia mecânica). Esta turbina é conectada (acoplada) a um gerador. Um gerador então converte essa energia mecânica em energia elétrica que obtemos em nossa casa.

Vamos considerar uma usina a vapor para esta explicação. Aqui, o vapor de alta pressão é usado para girar uma turbina que, por sua vez, gira o gerador e a eletricidade é gerada. Não vou discutir como funciona um gerador, mas lembre-se de que a frequência da tensão gerada está diretamente relacionada à velocidade na qual o gerador gira. Se a velocidade aumenta, a frequência aumenta e vice-versa. Suponha que o gerador não esteja conectado a nenhuma carga. O gerador é colocado em velocidade aumentando a entrada de vapor para a turbina até que a frequência se torne 50Hz. O gerador agora está pronto para fornecer energia. Assim que o gerador é conectado à carga (ou grade), a corrente passa a fluir pelo seu enrolamento e sua velocidade diminui e, conseqüentemente, a frequência. Mas de acordo com os padrões de regulamentação, a frequência deve estar dentro de uma banda específica. Na Índia, é de +/- 3%, ou seja, 48,5 Hz a 51,5 Hz. Agora, para compensar a frequência reduzida devido à diminuição da velocidade, a entrada de vapor é aumentada até que a frequência volte a ser 50 Hz. Esse processo continua. A carga aumenta, a velocidade diminui, a frequência diminui, a entrada de vapor é aumentada e o gerador é colocado em velocidade. Tudo isso é feito automaticamente usando um dispositivo chamado Governor. Ele monitora a velocidade (ou frequência) do gerador e ajusta a entrada de vapor de acordo. Uma vez que a maior parte da parte é mecânica, leva alguns segundos (ou seja, alta constante de tempo) para que as alterações tenham efeito.

Agora, vamos considerar que toda a carga do gerador é removida repentinamente. O gerador acelera acima de sua velocidade normal, uma vez que aumentamos anteriormente a entrada de vapor para compensar o aumento da carga. Antes que o regulador possa detectar e alterar a entrada de vapor, o gerador acelera tão rápido que a frequência ultrapassa seu limite superior. Uma vez que isso não é permitido de acordo com os padrões regulatórios, o gerador desarma (ou é desconectado) da rede devido à sobrefrequência.

Na Índia, temos One Nation - One Grid, o que significa que todos os geradores na Índia estão conectados a uma única rede. Isso ajuda no envio de energia para qualquer parte do país. Mas existe uma desvantagem. Uma grande falha em qualquer parte do país pode se espalhar rapidamente para outras partes, o que resulta no disparo de toda a rede. Assim, um país inteiro fica sem energia!

Etapa 2: O Plano

O plano é medir a frequência da tensão em intervalos especificados.

Um transformador com derivação central é usado para reduzir 230 Vca para 15 Vca.

O Módulo RTC fornece a hora real.

Ambos os dados (tempo e frequência) são armazenados no cartão Micro SD em dois arquivos separados. Após o término do teste, os dados podem ser importados para uma planilha do Excel para gerar o gráfico.

Um display LCD será usado para mostrar a frequência.

Cuidado! Você estará lidando com uma tensão elétrica CA fatal. Prossiga somente se você souber o que está fazendo. A eletricidade não dá uma segunda chance

Etapa 3: Coisas que você vai precisar

1x Arduino Nano

1x 16x2 display LCD

Módulo de relógio em tempo real 1x DS3231

1x Módulo de Cartão Micro SD

1x transformador central com derivação (15V-0-15V)

2 resistores de 10k

1x 1k resistor

1x resistor 39k

1x 2N2222A NPN Transistor

1x diodo 1N4007

Etapa 4: juntando as coisas

O esquema para a construção está anexado aqui. Eu estarei construindo em uma placa de ensaio, mas você pode torná-la mais permanente usando uma perfboard ou fazer um PCB personalizado.

Escolha do valor correto de 'R3' para o seu transformador:

R3 e R4 formam um divisor de tensão e os valores são escolhidos de forma que o pico da tensão CA não exceda 5V. Portanto, se você está planejando usar outro transformador com classificações diferentes, você também deve alterar o R3. Lembre-se de que as classificações de tensão fornecidas em um transformador são em RMS. No meu caso, é 15-0-15.

Use um multímetro para verificar isso. A tensão medida será maior que 15V. No meu caso, estava em torno de 17,5V. O valor de pico será de 17,5 x sqrt (2) = 24,74V. Esta tensão é muito mais alta do que a tensão máxima do emissor-porta (6V) do transistor 2N2222A. Podemos calcular o valor de R3 usando a fórmula do divisor de tensão mostrada na imagem acima.

Conexões para Módulo de Cartão SD:

O módulo usa SPI para comunicação.

• MISO a D12
• MOSI para D11
• SCK a D13
• CS / SS para D10 (você pode usar qualquer pino para Chip Select)

Certifique-se de que o cartão SD seja primeiro formatado como FAT.

Conexões para Módulo RTC

Este módulo usa I2C para comunicação.

• SDA para A4
• SCL para A5

Conexões para display LCD

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

Etapa 5: Tempo para codificação

O código foi anexado aqui. Baixe e abra-o usando o Arduino IDE. Antes de fazer o upload, certifique-se de instalar a Biblioteca DS3231. Encontrei algumas informações úteis neste site.

Configurando RTC:

1. Insira uma bateria de célula tipo moeda 2032.
2. Abra o DS3231_Serial_Easy a partir dos exemplos, conforme mostrado.
3. Remova o comentário das 3 linhas e insira a hora e a data conforme mostrado na imagem.
4. Faça upload do esboço para o Arduino e abra o monitor serial. Defina a taxa de transmissão para 115200. Você deve ser capaz de ver o tempo que continua sendo atualizado a cada 1 segundo.
5. Agora, desconecte o Arduino e conecte-o novamente após alguns segundos. Olhe para o monitor serial. Deve mostrar em tempo real.

Feito! O RTC foi configurado. Esta etapa deve ser realizada apenas uma vez para definir a data e a hora.

Etapa 6: Processamento de dados

Assim que o teste for concluído, remova o cartão micro SD do módulo e conecte-o ao computador usando um leitor de cartão. Haverá dois arquivos de texto chamados FREQ.txt e TIME.txt.

Copie o conteúdo desses arquivos e cole-o em uma planilha do Excel em duas colunas separadas (Tempo e Freq).

Clique em Inserir> Gráfico. O Excel deve verificar automaticamente os dados da planilha e traçar o gráfico.

Aumente a resolução do eixo vertical para que as flutuações sejam claramente visíveis. No Planilhas Google, Personalizar> Eixo vertical> Min. = 49,5 e máx. = 50,5

Etapa 7: Resultados

Podemos ver claramente um ligeiro aumento na frequência conforme as cargas são interrompidas por volta das 21h (21h) e uma diminuição na frequência por volta das 21h10 (21h10) conforme as cargas são religadas. Nenhum dano à rede, pois a frequência está bem dentro da faixa de tolerância (+/- 3%), ou seja, 48,5 Hz a 51,5 Hz.

Um tweet do Ministro de Estado do Governo da Índia, Sr. R K Singh, confirma que os resultados que obtive foram bastante precisos.

Obrigado por seguir até o fim. Espero que todos vocês amem este projeto e aprendam algo novo hoje. Deixe-me saber se você fizer um para você. Inscreva-se no meu canal no YouTube para mais projetos desse tipo.