利用電流互感器和Arduino進(jìn)行交流電流測量

電流互感器是一種儀表變壓器，專門設(shè)計用于轉(zhuǎn)換次級繞組中的交流電，產(chǎn)生的電流與初級繞組中的電流成正比。這種類型的電流互感器被設(shè)計為非隱形測量電流從高壓子系統(tǒng)或高電流通過系統(tǒng)的地方。電流互感器的工作是將大電流轉(zhuǎn)換為可以通過微控制器或模擬儀表輕松測量的小電流。我們之前在不同類型的電流傳感技術(shù)文章中解釋了使用電流互感器進(jìn)行電流測量。

在這里，我們將詳細(xì)學(xué)習(xí)這種電流傳感技術(shù)，并在Arduino的幫助下連接電流互感器來測量交流電流。我們還將學(xué)習(xí)確定未知電流互感器的匝比。

電流互感器

正如我前面提到的，電流互感器是設(shè)計用來測量電流的互感器。上面顯示了我目前擁有的兩個變壓器，稱為窗口型電流互感器或通常稱為鐵心平衡互感器。

電流互感器是如何工作的?

電流互感器的基本原理與電壓互感器相同，與電壓互感器一樣，電流互感器也由初級繞組和次級繞組組成。當(dāng)交流電流通過變壓器的初級繞組時，就會產(chǎn)生交流磁通，這在次級繞組中產(chǎn)生交流電流，在這一點(diǎn)上，你可以說它和電壓互感器幾乎是一樣的，如果你認(rèn)為這是不同之處。

一般情況下，電流互感器在負(fù)載電阻的幫助下總是處于短路狀態(tài)，而且，通過次級繞組的電流只取決于通過導(dǎo)體的一次電流。

電流互感器結(jié)構(gòu)

為了讓您更好地理解，我已經(jīng)拆除了我的電流變壓器之一，您可以在上圖中看到。

從圖中可以看出，一根非常細(xì)的導(dǎo)線纏繞在環(huán)形鐵芯材料周圍，一組導(dǎo)線從變壓器中伸出。主繞組只是一根與負(fù)載串聯(lián)的單線，并承載流過負(fù)載的大電流。

電流互感器比

通過在電流互感器的窗口內(nèi)放置一根導(dǎo)線，我們可以形成一個單回路，匝數(shù)比變?yōu)?:N。

像任何其他變壓器一樣，電流互感器必須滿足如下所示的安匝比方程。

在那里,

動比

Np =主圈數(shù)

Ns =二次匝數(shù)

Ip =初級繞組電流

Is =次級繞組電流

要找到次級電流，把方程重新排列成

如上圖所示，變壓器的一次繞組由一個繞組組成，變壓器的二次繞組由數(shù)千個繞組組成，如果我們假設(shè)通過一次繞組的電流為100A，則二次電流為5A。所以主次的比例就變成了100A: 5A或者20:1。因此，可以說一次電流比二次電流大20倍。

注意!請注意，電流比與匝數(shù)比是不一樣的。

現(xiàn)在所有的基本理論都講完了，我們可以把注意力轉(zhuǎn)回到計算電流互感器的匝數(shù)比上來。

電流互感器錯誤

每個電路都有一些錯誤。電流互感器沒有什么不同;電流互感器存在各種誤差。下面描述了其中的一些

電流互感器的比例誤差

電流互感器的一次電流并不完全等于二次電流乘以匝數(shù)比。一部分電流被變壓器的鐵芯消耗，使其達(dá)到勵磁狀態(tài)。

電流互感器相位角誤差

對于理想的CT，初級和次級電流矢量為零。但在實(shí)際的電流互感器中，總是會有一個差，因?yàn)槌跫壉仨毾蜩F心提供勵磁電流，并且會有一個小的相位差。

如何減少電流互感器的誤差?

為了獲得更好的性能，總是有必要減少系統(tǒng)中的錯誤。因此，通過以下步驟，可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)

1.磁芯采用具有高磁導(dǎo)率和低磁滯的磁性材料。

2.負(fù)載電阻值必須非常接近計算值。

3.二次線的內(nèi)部阻抗可以降低。

計算電流互感器的匝數(shù)比

測試設(shè)置已顯示在上面的圖像，我已經(jīng)用它來計算出匝比。

正如我之前提到的，我擁有的電流互感器(CT)沒有任何規(guī)格或零件號，只是因?yàn)槲覐囊粋€壞掉的家用電表中搶救出來的。所以，在這一點(diǎn)上，我們需要知道匝數(shù)比來正確設(shè)置負(fù)載電阻的值，否則，各種各樣的問題將在系統(tǒng)中引入，我將在文章的后面討論更多。

在歐姆定律的幫助下，匝數(shù)比可以很容易地計算出來，但在此之前，我需要測量電路中作為負(fù)載的10W， 1K的大電阻，我還需要得到一個任意負(fù)載電阻來計算匝數(shù)比。

負(fù)載電阻

負(fù)載電阻

測試期間所有組件值的匯總

輸入電壓Vin = 31.78 V

負(fù)載電阻RL = 1.0313 KΩ

抗負(fù)荷RB = 678.4 Ω

輸出電壓Vout = 8.249 mV或0.008249 V

流過負(fù)載電阻的電流為

現(xiàn)在我們知道輸入電流是0.03080A或30.80 mA

我們來計算一下輸出電流

現(xiàn)在，為了計算匝數(shù)比，我們需要將一次電流與二次電流相除。

注意!請注意，誤差主要是由于我不斷變化的輸入電壓和萬用表公差。

計算一個合適的負(fù)載電阻尺寸

這里使用的CT是電流輸出類型。所以為了測量電流，它需要轉(zhuǎn)換成電壓型。openenergymonitor網(wǎng)站上的這篇文章給出了一個關(guān)于如何做到這一點(diǎn)的好主意，所以我將繼續(xù)閱讀這篇文章

在那里,

AREF = ADS1115模塊的模擬參考電壓，設(shè)為4.096V。

CT匝數(shù)= 0。我們之前已經(jīng)計算過了。

最大一次電流=最大一次電流，它將通過CT。

注意!每個CT都有一個最大電流額定值，超過該額定值將導(dǎo)致鐵芯飽和，最終導(dǎo)致線性誤差，從而導(dǎo)致測量誤差

注意!家用電能表的最大額定電流是30A，所以我就用這個值。

120.6Ω不是一個常見的值，這就是為什么我要使用三個電阻串聯(lián)得到120Ω電阻值。在將電阻連接到CT后，我做了一些測試來計算CT的最大輸出電壓。

測試后可以觀察到，如果電流互感器一次饋電1mA，輸出RMS為0.0488mV。由此，我們可以計算出如果30A電流流過CT，輸出電壓將為30000 * 0.0488 = 1.465V。

現(xiàn)在，計算完成后，我將ADC增益設(shè)置為1x增益，即+/- 4.096V，這為我們提供了0.125mV滿量程分辨率。這樣，我們就可以計算出用這個裝置可以測量到的最小電流。結(jié)果是3mA，因?yàn)锳DC分辨率設(shè)置為0.125mV。

組件的要求

編寫不帶表的所有組件

線路圖

下面的原理圖顯示了使用電流互感器進(jìn)行電流測量的連接指南

這就是電路在面包板上的樣子。

電流測量電路結(jié)構(gòu)

在之前的教程中，我向您展示了如何在AD736 IC的幫助下準(zhǔn)確測量True RMS電壓，以及如何配置從輸入正電壓產(chǎn)生負(fù)電壓的開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換電路，在本教程中，我們將使用這些教程中的兩種IC。

對于這個演示，電路是在無焊面包板上構(gòu)建的，在原理圖的幫助下;此外，直流電壓是在16位ADC的幫助下測量的，以獲得更好的精度。當(dāng)我在面包板上演示電路以減少寄生時，我使用了盡可能多的跳線電纜。

Arduino代碼電流測量

這里使用Arduino將測量值顯示到串行監(jiān)視器窗口。但是在代碼中稍加修改，就可以很容易地在16x2 LCD上顯示值。在這里學(xué)習(xí)16x2 LCD與Arduino的接口。

電流互感器的完整代碼可以在本節(jié)末尾找到。這里解釋了程序的重要部分。

我們首先包含所有必需的庫文件。Wire庫用于Arduino和ADS1115模塊之間的通信，Adafruit_ADS1015庫幫助我們讀取數(shù)據(jù)并向模塊寫入指令。

16位ADC輸出16位長整數(shù)，因此使用int16_t變量。使用了另外三個變量，一個用于存儲ADC的RAW值，一個用于顯示ADC引腳中的實(shí)際電壓，最后一個用于顯示該電壓值到電流值。

通過啟用9600波特率的串行輸出來開始代碼的設(shè)置部分。然后打印所設(shè)置的ADC增益;這是因?yàn)殡妷撼^定義值肯定會損壞器件。

現(xiàn)在使用ads.setGain(GAIN_ONE)設(shè)置ADC增益;將1位分辨率設(shè)置為0.125mV的方法

之后，調(diào)用ADC begin方法，該方法設(shè)置硬件模塊中的所有內(nèi)容并統(tǒng)計轉(zhuǎn)換。

在循環(huán)部分，我讀取原始ADC值，并將其存儲到前面提到的變量中以供以后使用。然后將原始ADC值轉(zhuǎn)換為測量的電壓值，并計算電流值并顯示在串行監(jiān)視器窗口中。

注意!如果你沒有ADS1115模塊的庫，你需要在Arduino IDE中包含該庫，你可以在這個GitHub存儲庫中找到該庫。

完整的Arduino代碼如下：

測試電路

用于測試電路的工具

?2個60W白熾燈泡

?Meco 450B+TRMS萬用表

為了測試電路，使用了上述設(shè)置。電流從CT流到萬用表，然后又回到主電源線。

如果你想知道FTDI板在這個設(shè)置中做什么，讓我告訴你板載USB到串行轉(zhuǎn)換器不工作，所以我不得不使用FTDI轉(zhuǎn)換器作為USB到串行轉(zhuǎn)換器。

進(jìn)一步增強(qiáng)

你在視頻中看到的幾個mA誤差(如下所示)只是因?yàn)槲以诿姘迳献隽穗娐罚杂泻芏嘟拥貑栴}。

本文編譯自circuitdigest