Como medir o fator de potência CA usando o Arduino: 4 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Olá a todos! Este é meu terceiro instrutível, espero que você o ache informativo:-) Este será um instrutível sobre como fazer uma medição básica do fator de potência usando um Arduino. Antes de começarmos, há algumas coisas a ter em mente:

1. Isso funcionará SOMENTE com cargas LINEAR (por exemplo, motores indutivos, transformadores, solenóides)
2. Isso NÃO funcionará com NÃO LINEAR (por exemplo, lâmpadas CFL, fontes de alimentação comutadas, LEDs)
3. Eu sou um engenheiro elétrico e muito competente ao trabalhar com potencial de rede (ou seja, 230 V)

Aviso! Se você não foi treinado ou não sabe como trabalhar corretamente com a tensão da rede, sugiro que não prossiga com essa parte do instrutível e vou lhe mostrar um método seguro de provar que o circuito funciona.

Esta é uma solução de hardware para o problema de medição de FP em cargas lineares. Isso também pode ser feito puramente por meio de código, incluindo a capacidade de medir cargas não lineares, que procurarei abordar em outro instrutível.

Para o benefício de qualquer iniciante que esteja lendo isso, o fator de potência é a relação entre a potência real e a potência aparente e pode ser calculado encontrando o cosseno do ângulo de fase entre a tensão de alimentação e a corrente (veja a imagem do Google em anexo). Isso é significativo em aplicações CA, pois a "potência aparente" (volt-amperes) pode ser facilmente calculada usando a tensão multiplicada pela corrente. No entanto, para obter a potência real ou "Potência real" (Watts), a potência aparente deve ser multiplicada pelo fator de potência para fazer uma medição real da potência em Watts. Isso se aplica apenas a cargas que têm um componente indutivo ou capativo significativo (como um motor). Cargas puramente resistivas, como aquecedores elétricos ou lâmpadas incandescentes, têm um fator de potência de 1,0 (unidade) e, portanto, a potência real e a potência aparente são iguais.

Etapa 1: Projeto do circuito

O fator de potência pode ser calculado usando um osciloscópio, medindo a diferença de tempo entre o sinal de tensão e corrente. Eles podem ser medidos em qualquer ponto da onda, desde que sejam amostrados no mesmo lugar. Nesse caso, era lógico medir entre pontos de cruzamento zero (pontos na onda onde a tensão cruzou o eixo X).

Eu projetei o seguinte circuito no Multisim. Supondo que a corrente e a tensão da carga sejam formas de onda sinusoidais puras, o fator de potência pode ser medido. Cada forma de onda é alimentada em um detector de cruzamento zero (às vezes conhecido como conversor de onda senoidal para quadrada), que é simplesmente um amp op 741 no modo comparador, onde a tensão de comparação é 0V. Quando a onda senoidal está no ciclo negativo, um pulso CC negativo é gerado e, quando a onda senoidal é positiva, um pulso CC positivo é gerado. As duas ondas quadradas são comparadas usando uma porta lógica exclusiva OR (XOR), que produzirá um pulso CC alto positivo somente quando as ondas quadradas não se sobrepõem, e 0 V quando elas se sobrepõem. A saída da porta XOR é, portanto, a diferença de tempo (delta t) entre as duas ondas do ponto em que cruzam o ponto zero. Este sinal de diferença pode então ser cronometrado por um microcontrolador e convertido em fator de potência usando o seguinte cálculo (certifique-se de que sua calculadora científica esteja em graus, não em radianos):

cos (phi) = f * dt * 360

Onde:

cos (phi) - o fator de potência

f - A frequência do fornecimento medido

dt - delta t ou diferença de tempo entre as ondas

360 - uma constante usada para dar resposta em graus

Nas fotos, você verá três traços de osciloscópio simulados para o circuito. Os dois sinais de entrada representam a corrente e a tensão da carga. Dei ao segundo sinal uma diferença de fase de 18 graus, para demonstrar a teoria. Isso dá um PF de aproximadamente 0,95.

Etapa 2: Prototipagem e Teste

Para a construção do meu protótipo, coloquei o projeto do circuito em uma placa de ensaio sem solda. A partir da folha de dados UA741CN e folha de dados CD4070CN, ambos os ICs funcionam com uma fonte de 12-15 Vdc, então eu alimentei usando duas baterias para fazer um barramento duplo de + 12V, 0V, -12V Volt.

Simulando uma carga

Você pode simular uma carga usando um gerador de sinal de canal duplo ou gerador de função. Usei esta caixa chinesa barata e alegre para produzir duas ondas senoidais de 50 Hz com 18 graus de diferença e alimentei os sinais no circuito. Você pode ver as formas de onda resultantes em um osciloscópio. Nas fotos acima você pode ver as duas ondas quadradas sobrepostas (saída de cada amp op), e as outras três fotos ilustram a saída da porta XOR. Observe como a largura do pulso de saída diminui com a diminuição do ângulo de fase. Os exemplos acima mostram 90, 40, 0 graus.

Etapa 3: Código Arduino

Como mencionado acima, a saída do circuito de medição é a diferença de tempo entre os dois sinais de entrada (ou seja, a corrente e o sinal de tensão). O código do arduino usa "pulseIn" para medir o comprimento do pulso de saída do circuito de medição em nano segundos e o usa na fórmula PF mencionada acima.

O código começa definindo constantes, principalmente para torná-lo mais organizado e legível. Mais importante ainda, o código C (código arduino) funciona em radianos, não em graus, portanto, uma conversão de radianos em graus é necessária para calcular ângulos e PFs posteriormente. Um radiano é de aprox. 57,29577951 graus. O número 360 também é armazenado e o fator de multiplicação 1x10 ^ -6 para converter nano segundos em segundos simples. A frequência também é definida no início, se você estiver usando algo diferente de 50 Hz, certifique-se de que isso seja atualizado no início do código.

Dentro de "void loop ()", pedi ao Arduino para calcular o ângulo com base na fórmula PF mencionada anteriormente. Na minha primeira iteração desse código, o código retornaria o ângulo e o fator de potência corretos, entretanto, entre cada resultado correto, algum valor baixo incorreto também seria retornado no console serial. Percebi que isso acontecia a cada duas leituras ou a cada quatro medições. Coloquei uma instrução "if" dentro de um loop "for" para armazenar o valor máximo de cada quatro leituras consecutivas. Ele faz isso comparando o cálculo com "ângulo_máx" que é inicialmente zero e, se for maior, armazena o novo valor dentro de "ângulo_máx". Isso é repetido para a medição de FP. Ao fazer isso em um loop "for", significa que o ângulo correto e o pf são sempre retornados, mas se o ângulo medido mudar (mais alto ou mais baixo), quando "for" terminar "angle_max" será zerado para o próximo teste, quando " void loop () "se repete. Há um bom exemplo de como isso funciona no site do Arduino (https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration). A segunda fórmula "se" simplesmente evita que qualquer valor superior a 360 seja retornado no caso de alta errônea sendo medida quando o dispositivo em teste é desligado.

Etapa 4: Teste de ácido

Não tente o seguinte, a menos que saiba como trabalhar com segurança com a tensão de alimentação CA. Se você estiver em dúvida quanto à sua segurança, tente simular os sinais de entrada com um gerador de forma de onda de canal duplo.

A pedido de um seguidor, fiz um layout de breadboard no Fritzing para dar uma ideia melhor do circuito e do circuito de amostragem / detecção (anexei o arquivo.fzz e um diagrama.png). O motor na parte superior representa o ventilador de mesa que usei, e a bobina de indução representa o transformador de corrente que envolvi ao redor do condutor Live. Eu alimentei os 741 ICs usando dois conjuntos de baterias de 12 V dispostos para fornecer +12 VCC, 0 VCC (terra) e -12 VCC. O CD4070 também pode ser alimentado diretamente do barramento de alimentação de 5 V do Arduino.

Para provar que o conceito funciona na realidade, o circuito foi construído em uma placa de ensaio sem solda. Pelas fotos você pode ver o arranjo do circuito. Usei um ventilador de mesa como carga indutiva para testar o conceito. Entre a fonte de alimentação de 230 V e a carga está meu equipamento de detecção. Eu tenho um transformador redutor que transforma 230 V diretamente em 5 V para permitir que a forma de onda de tensão seja amostrada. Um transformador de corrente não invasivo preso em torno do condutor energizado foi usado para amostrar a forma de onda da corrente (à direita do resistor revestido de alumínio). Observe que você não precisa necessariamente saber a amplitude da corrente ou tensão, apenas a forma de onda do amplificador operacional para identificar o cruzamento por zero. As imagens acima mostram as formas de onda reais de corrente e tensão do ventilador e do console serial arduino, que relata um FP de 0,41 e um ângulo de 65 graus.

Este princípio de funcionamento pode ser incorporado em um monitor de energia feito em casa para fazer medições de energia reais. Se for competente, você pode tentar monitorar diferentes cargas indutivas e resistivas e determinar seu fator de potência. E aí está! um método muito simples de medir o fator de potência.