Medición de corriente alterna con transformador de corriente y arduino

Un transformador de corriente es un tipo de transformador instrumental especialmente diseñado para transformar corriente alterna en su devanado secundario, y la cantidad de corriente producida es directamente proporcional a la corriente en el devanado primario. Este tipo de transformador de corriente está diseñado para medir de forma no invisible la corriente del subsistema de alto voltaje o cuando una gran cantidad de corriente fluye a través del sistema. El trabajo de un transformador de corriente es convertir la gran cantidad de corriente en una menor cantidad de corriente que se pueda medir fácilmente con un microcontrolador o un medidor analógico. Anteriormente explicamos el artículo sobre la medición de corriente usando el transformador de corriente en diferentes tipos de técnicas de detección de corriente.

Aquí aprenderemos esta técnica de detección de corriente en detalle y conectaremos un transformador de corriente para medir la corriente CA con la ayuda de un Arduino. También aprenderemos a determinar la relación de vueltas de un transformador de corriente desconocido.

Transformador de corriente

Como mencioné anteriormente, un transformador de corriente es un transformador diseñado para medir corriente. Lo anterior que muestra dos transformadores que tengo actualmente se llama transformador de corriente tipo ventana o comúnmente conocido como transformador de equilibrio de núcleo.

¿Cómo funciona el transformador de corriente?

El principio básico del transformador de corriente es el mismo que el de un transformador de tensión, al igual que el transformador de tensión, el transformador de corriente también consta de un devanado primario y un devanado secundario. Cuando una corriente eléctrica alterna pasa a través del devanado primario del transformador, se produce un flujo magnético alterno, que induce una corriente alterna en el devanado secundario en este punto, puede decir que es casi lo mismo que un transformador de voltaje si está pensando que esta es la diferencia..

Generalmente, un transformador de corriente siempre está en una condición de cortocircuito con la ayuda de una resistencia de carga, además, la corriente que fluye en el devanado secundario solo depende de la corriente primaria que fluye a través del conductor.

Construcción del transformador de corriente

Para darle una mejor comprensión, he derribado uno de mis transformadores de corriente que puede ver en la imagen de arriba.

Se puede ver en la imagen que un cable muy delgado está enrollado alrededor de un material de núcleo toroidal y un conjunto de cables están saliendo del transformador. El devanado principal es solo un cable que está conectado en serie con la carga y transporta la corriente en masa que fluye a través de la carga.

Relación de transformador de corriente

Al colocar un cable dentro de la ventana del transformador de corriente, podemos formar un solo bucle y la relación de vueltas se convierte en 1: N.

Como cualquier otro transformador, un transformador de corriente debe satisfacer la ecuación de relación amperio-giro que se muestra a continuación.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Dónde, TR = Relación trans

Np = Número de vueltas primarias

Ns = Número de vueltas secundarias

Ip = Corriente en el devanado primario

Is = Corriente en el devanado secundario

Para encontrar la corriente secundaria, reorganice la ecuación para

Es = Ip x (Np / NS)

Como puede ver en la imagen de arriba, el devanado primario del transformador consta de un devanado y el devanado secundario del transformador consta de miles de devanados si asumimos que 100A de corriente fluyen a través del devanado primario, la corriente secundaria será de 5A. Entonces, la relación entre primario y secundario se convierte en 100A a 5A o 20: 1. Entonces, se puede decir que la corriente primaria es 20 veces mayor que la de la corriente secundaria.

¡Nota! Tenga en cuenta que la relación actual no es la misma que la relación de vueltas.

Ahora con toda la teoría básica fuera del camino, podemos enfocarnos nuevamente en calcular la relación de vueltas del transformador de corriente en la mano.

Error del transformador de corriente

Cada circuito tiene algunos errores. Los transformadores de corriente no son diferentes; existen varios errores en un transformador de corriente. Algunos de los cuales se describen a continuación

Error de relación en el transformador de corriente

La corriente primaria del transformador de corriente no es exactamente igual a la corriente secundaria multiplicada por la relación de vueltas. Una parte de la corriente es consumida por el núcleo del transformador para llevarlo a un estado de excitación.

Error de ángulo de fase en el transformador de corriente

Para un CT ideal, el vector de corriente primario y secundario es cero. Pero en un transformador de corriente real, siempre habrá una diferencia porque el primario tiene que suministrar la corriente de excitación al núcleo y habrá una pequeña diferencia de fase.

¿Cómo reducir el error en un transformador de corriente?

Siempre es necesario reducir los errores en un sistema para lograr un mejor rendimiento. Entonces, siguiendo los pasos a continuación, uno puede lograr eso

1. Utilizando un núcleo de alta permeabilidad con un material magnético de baja histéresis.
2. El valor de la resistencia de carga debe estar muy cerca del valor calculado.
3. La impedancia interna del secundario se puede reducir.

Atrás Cálculo de la relación de vueltas de un transformador de corriente

La configuración de prueba se muestra en la imagen de arriba que he usado para calcular la relación de vueltas.

Como mencioné antes, el Transformador de corriente (CT) que tengo no tiene ninguna especificación o número de pieza solo porque lo rescaté de un medidor eléctrico doméstico roto. Entonces, en este punto, necesitamos saber la relación de vueltas para establecer el valor de la resistencia de carga correctamente; de ​​lo contrario, se introducirán todo tipo de problemas en el sistema, de los que hablaré más adelante en el artículo.

Con la ayuda de la ley de ohmios, la relación de vueltas se puede calcular fácilmente, pero antes de eso, necesito medir la gran resistencia de 10W y 1K que actúa como una carga en el circuito, y también necesito obtener una resistencia de carga arbitraria para calcular la relación de vueltas.

La resistencia de carga

La resistencia de carga

Resumen de todos los valores de los componentes durante el tiempo de prueba

Voltaje de entrada Vin = 31,78 V

Resistencia de carga RL = 1.0313 KΩ

Resistencia a la carga RB = 678,4 Ω

Voltaje de salida Vout = 8.249 mV o 0.008249 V

La corriente que fluye a través de la resistencia de carga es

I = Vin / RL I = 31.78 / 1.0313 = 0.03080A o 30.80 mA

Entonces ahora conocemos la corriente de entrada, que es 0.03080A o 30.80 mA

Averigüemos la corriente de salida.

I = Vout / RB I = 0.008249 / 678.4 = 0.00001215949A o 12.1594 uA

Ahora, para calcular la relación de vueltas, necesitamos dividir la corriente primaria con la corriente secundaria.

Relación de vueltas n = Corriente primaria / Corriente secundaria n = 0.03080 / 0.0000121594 = 2.533.1972

Entonces el transformador de corriente consta de 2500 vueltas (valor redondeado)

¡Nota! Tenga en cuenta que los errores se deben principalmente a mi voltaje de entrada siempre cambiante y la tolerancia del multímetro.

Cálculo de un tamaño de resistencia de carga adecuado

El CT utilizado aquí es un tipo de salida de corriente. Entonces, para medir la corriente, debe convertirse en un tipo de voltaje. Este artículo, en el sitio web de openenergymonitor, da una gran idea sobre cómo podemos hacer eso, así que voy a seguir el artículo.

Resistencia de carga (ohmios) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * corriente primaria máxima)

Dónde, AREF = Voltaje de referencia analógico del módulo ADS1115 que se establece en 4.096V.

CT TURNS = No. de giros secundarios, que hemos calculado previamente.

Corriente primaria máxima = corriente primaria máxima, que fluirá a través del TC.

¡Nota! Cada CT tiene una clasificación de corriente máxima que exceda esa clasificación conducirá a la saturación del núcleo y, en última instancia, a errores de linealidad que conducirán a errores de medición

¡Nota! La clasificación de corriente máxima del medidor de energía doméstico es de 30 A, por lo que voy por ese valor.

Resistencia de carga (ohmios) = (4.096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120.6 Ω

120.6Ω no es un valor común, por eso voy a usar tres resistencias en serie para obtener un valor de resistencia de 120Ω. Después de conectar las resistencias al CT, hice algunas pruebas para calcular el voltaje de salida máximo del CT.

Después de la prueba, se observa que si se alimenta 1 mA de corriente a través del primario del transformador de corriente, la salida fue de 0,0488 mV RMS. Con eso, podemos calcular si la corriente de 30 A fluye a través del CT, el voltaje de salida será 30000 * 0.0488 = 1.465V.

Ahora, con los cálculos hechos, he configurado la ganancia de ADC en 1x ganancia que es +/- 4.096V, lo que nos da una resolución de escala completa de 0.125mV. Con eso, podremos calcular la corriente mínima que se puede medir con esta configuración. Que resultó ser de 3 mA porque la resolución del ADC se estableció en 0,125 mV.

Componentes requeridos

Escribe todo el componente sin tabla

Si. No	Partes	Tipo	Cantidad
1	Connecticut	Tipo de ventana	1
2	Arduino Nano	Genérico	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	ADC de 16 bits	1
5	LMC7660	IC	1
6	120 Ω, 1%	Resistor	1
7	10uF	Condensador	2
8	33uF	Condensador	1
9	Tablero de circuitos	Genérico	1
10	Cables de puente	Genérico	10

Diagrama de circuito

El siguiente esquema muestra la guía de conexión para la medición de corriente utilizando el transformador de corriente.

Así es como se verá el circuito en el tablero.

Construcción del circuito de medición de corriente

En un tutorial anterior, le he mostrado cómo medir con precisión el voltaje RMS verdadero con la ayuda de AD736 IC y cómo configurar un circuito convertidor de voltaje de condensador conmutado que genera un voltaje negativo a partir de un voltaje positivo de entrada, en este tutorial, estamos usando ambos circuitos integrados de estos tutoriales.

Para esta demostración, el circuito se construye en una placa de pruebas sin soldadura, con la ayuda del esquema; Además, el voltaje de CC se mide con la ayuda de un ADC de 16 bits para una mejor precisión. Y como estoy demostrando el circuito en una placa para reducir el parásito, he usado tantos cables de puente como sea posible.

Código Arduino para medición de corriente

Aquí, Arduino se utiliza para mostrar los valores medidos en la ventana del monitor en serie. Pero con una pequeña modificación en el código, se pueden mostrar fácilmente los valores en una pantalla LCD de 16x2. Aprenda la interfaz de LCD 16x2 con Arduino aquí.

El código completo para el transformador de corriente se puede encontrar al final de esta sección. Aquí se explican partes importantes del programa.

Comenzamos por incluir todos los archivos de bibliotecas necesarios. La biblioteca Wire se usa para comunicarse entre Arduino y el módulo ADS1115 y la biblioteca Adafruit_ADS1015 nos ayuda a leer datos y escribir instrucciones en el módulo.

#incluir #incluir

A continuación, defina el MULTIPLICATION_FACTOR que se utiliza para calcular el valor actual a partir del valor ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * factor para calcular el valor actual real * / Adafruit_ADS1115 ads; / * Use esto para la versión de 16 bits ADS1115 * /

El ADC de 16 bits escupe enteros largos de 16 bits, por lo que se utiliza la variable int16_t . Se utilizan otras tres variables, una para almacenar el valor RAW para el ADC, una para mostrar el voltaje real en el pin ADC y finalmente una para mostrar este valor de voltaje al valor actual.

int16_t adc1_raw_value; / * variable para almacenar el valor de ADC sin procesar * / flotador medido_voltae; / * variable para almacenar la tensión medida * / corriente flotante; / * variable para almacenar la corriente calculada * /

Comience la sección de configuración del código habilitando la salida en serie con 9600 baudios. Luego imprima la ganancia del ADC que está configurado; esto se debe a que un voltaje superior al valor definido ciertamente puede dañar el dispositivo.

Ahora configure la ganancia de ADC con ads.setGain (GAIN_ONE); el método que establece la resolución de 1 bit en 0,125 mV

Después de eso, se llama al método de inicio de ADC que configura todo en el módulo de hardware y la conversión de estadísticas.

configuración nula (nula) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Obtención de lecturas de un solo extremo de AIN0..3"); // algo de información de depuración Serial.println ("Rango ADC: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // El rango de entrada de ADC (o ganancia) se puede cambiar a través de las siguientes // funciones, pero tenga cuidado de nunca exceder VDD + 0.3V max, o de // exceder los límites superior e inferior si ajusta el rango de entrada // ¡Establecer estos valores incorrectamente puede destruir su ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x ganancia +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (predeterminado) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x ganancia +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x ganancia +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x ganancia +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// ganancia 8x +/- 0.512V 1 bit = 0.25mV 0.015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // ganancia 16x +/- 0.256V 1 bit = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); }

En la sección de bucle , leo el valor de ADC sin procesar y lo almaceno en la variable mencionada anteriormente para su uso posterior. Luego, convierta el valor de ADC sin procesar en valores de voltaje para medir, calcule el valor actual y muéstrelo a la ventana del monitor en serie.

bucle vacío (vacío) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); voltaje_medido = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Valor ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Voltaje medido:"); Serial.println (voltaje_medido); Serial.println ("V"); Serial.print ("Corriente calculada:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); retraso (500); }

¡Nota! Si no tiene la biblioteca para el módulo ADS1115, debe incluir la biblioteca en el IDE de Arduino, puede encontrar la biblioteca en este repositorio de GitHub.

El código completo de Arduino se proporciona a continuación:

#incluir #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 / * factor para calcular el valor actual real * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * valor máximo que produce ADC * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 ads; / * Use esto para la versión de 16 bits ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * variable para almacenar el valor de ADC sin procesar * / flotar medida_voltae; / * variable para almacenar voltajes medidos * / corriente flotante; / * variable para almacenar la configuración actual calculada * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Obtención de lecturas de un solo extremo de AIN0..3"); // algo de información de depuración Serial.println ("Rango ADC: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // El rango de entrada de ADC (o ganancia) se puede cambiar mediante las siguientes // funciones, pero tenga cuidado de no exceder nunca VDD + 0.3V máx.o para // exceder los límites superior e inferior si ajusta el rango de entrada. // ¡Establecer estos valores incorrectamente puede destruir su ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x ganancia +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (predeterminado) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x ganancia +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x ganancia +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x ganancia +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // ganancia 8x +/- 0.512V 1 bit = 0.25mV 0.015625mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // ganancia 16x +/- 0.256V 1 bit = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin (); } bucle vacío (vacío) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); voltaje_medido = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Valor ADC:"); De serie.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Voltaje medido:"); Serial.print (medida_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Corriente calculada:"); Serial.print (actual, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); retraso (500); }

Probando el circuito

Herramientas utilizadas para probar el circuito

1. 2 bombilla incandescente de 60 W
2. Multímetro Meco 450B + TRMS

Para probar el circuito se utilizó la configuración anterior. La corriente fluye desde el TC al multímetro, luego regresa a la línea de energía principal.

Si se pregunta qué está haciendo una placa FTDI en esta configuración, déjeme decirle que el convertidor de USB a serie integrado no funcionaba, por lo que tuve que usar un convertidor FTDI como convertidor de USB a serie.

Más mejoras

Los pocos errores de mA que vio en el video (que se muestran a continuación) son solo porque hice el circuito en una placa de prueba, por lo que hubo muchos problemas de tierra.

Espero que les haya gustado este artículo y hayan aprendido algo nuevo de él. Si tiene alguna duda, puede preguntar en los comentarios a continuación o puede utilizar nuestros foros para una discusión detallada.