Medição de corrente AC usando transformador de corrente e arduino

Um transformador de corrente é um tipo de transformador instrumental especialmente projetado para transformar a corrente alternada em seu enrolamento secundário, e a quantidade de corrente produzida é diretamente proporcional à corrente no enrolamento primário. Este tipo de transformador de corrente é projetado para medir de forma não invisível a corrente do subsistema de alta tensão ou onde uma grande quantidade de corrente está fluindo através do sistema. O trabalho de um transformador de corrente é converter a alta quantidade de corrente em uma quantidade menor de corrente que pode ser facilmente medida por um microcontrolador ou medidor analógico. Explicamos anteriormente a medição de corrente usando o transformador de corrente em diferentes tipos de artigo de técnicas de detecção de corrente.

Aqui, aprenderemos essa técnica de detecção de corrente em detalhes e conectaremos um transformador de corrente para medir a corrente CA com a ajuda de um Arduino. Também aprenderemos a determinar a relação de espiras de um transformador de corrente desconhecido.

Transformador atual

Como mencionei anteriormente, um transformador de corrente é um transformador projetado para medir a corrente. O que está acima, mostrando dois transformadores que tenho atualmente, é chamado de transformador de corrente do tipo janela ou comumente conhecido como transformador de equilíbrio de núcleo r.

Como funciona o transformador atual?

O princípio básico do transformador de corrente é o mesmo de um transformador de potencial, assim como o transformador de potencial, o transformador de corrente também consiste em um enrolamento primário e um enrolamento secundário. Quando uma corrente elétrica alternada passa pelo enrolamento primário do transformador, um fluxo magnético alternado é produzido, o que induz uma corrente alternada no enrolamento secundário neste ponto, você pode dizer que é quase o mesmo que um transformador de tensão se você está pensando que esta é a diferença.

Geralmente, um transformador de corrente está sempre em condição de curto-circuito com o auxílio de um resistor de carga, além disso, a corrente que flui no enrolamento secundário depende apenas da corrente primária que flui através do condutor.

Construção do transformador atual

Para lhe dar um melhor entendimento, eu desmontei um dos meus transformadores atuais, que você pode ver na imagem acima.

Pode-se ver na imagem que um fio muito fino está enrolado ao redor de um material de núcleo toroidal e um conjunto de fios está saindo do transformador. O enrolamento principal é apenas um único fio conectado em série com a carga e transporta a corrente bruta que flui através da carga.

Razão do transformador atual

Ao colocar um fio dentro da janela do transformador de corrente, podemos formar um único loop e a relação de espiras torna-se 1: N.

Como qualquer outro transformador, um transformador de corrente deve satisfazer a equação da relação amp-volta que é mostrada abaixo.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Onde, TR = Razão Trans

Np = Número de voltas primárias

Ns = número de voltas secundárias

Ip = corrente no enrolamento primário

Is = Corrente no enrolamento secundário

Para encontrar a corrente secundária, reorganize a equação para

Is = Ip x (Np / NS)

Como você pode ver na imagem acima, o enrolamento primário do transformador consiste em um enrolamento e o enrolamento secundário do transformador consiste em milhares de enrolamentos, se assumirmos que 100A de corrente está fluindo através do enrolamento primário, a corrente secundária será 5A. Portanto, a proporção entre o primário e o secundário torna-se 100A a 5A ou 20: 1. Portanto, pode-se dizer que a corrente primária é 20 vezes maior que a corrente secundária.

Nota! Observe que a relação atual não é a mesma que a relação de rotação.

Agora que toda a teoria básica está fora do caminho, podemos voltar nosso foco para o cálculo da relação de espiras do transformador de corrente em mãos.

Erro do transformador atual

Cada circuito tem alguns erros. Os transformadores de corrente não são diferentes; existem vários erros em um transformador de corrente. Alguns dos quais são descritos abaixo

Erro de relação no transformador atual

A corrente primária do transformador de corrente não é exatamente igual à corrente secundária multiplicada pela relação de espiras. Uma parte da corrente é consumida pelo núcleo do transformador para levá-lo a um estado de excitação.

Erro de ângulo de fase no transformador de corrente

Para um TC ideal, o vetor de corrente primário e secundário é zero. Mas em um transformador de corrente real, sempre haverá uma diferença porque o primário tem que fornecer a corrente de excitação ao núcleo e haverá uma pequena diferença de fase.

Como reduzir o erro em um transformador de corrente?

É sempre necessário reduzir os erros em um sistema para obter um melhor desempenho. Então, seguindo as etapas abaixo, pode-se conseguir que

Usando um núcleo com uma alta permeabilidade com um material magnético de baixa histerese.
O valor do resistor de carga deve estar muito próximo do valor calculado.
A impedância interna do secundário pode ser reduzida.

Voltar Calculando a relação de rotação de um transformador de corrente

A configuração do teste foi mostrada na imagem acima, que usei para descobrir a relação de curvas.

Como mencionei antes, o transformador de corrente (CT) que possuo não tem nenhuma especificação ou número de peça só porque eu os resgatei de um medidor elétrico doméstico quebrado. Portanto, neste ponto, precisamos saber a relação de espiras para definir o valor do resistor de carga corretamente, caso contrário, todos os tipos de problemas serão introduzidos no sistema, sobre os quais falarei mais adiante neste artigo.

Com a ajuda da lei do ohm, a relação de espiras pode ser facilmente calculada, mas antes disso, preciso medir o grande resistor de 10W e 1K que está atuando como uma carga no circuito, e também preciso obter um resistor de carga arbitrária para descobrir a relação de espiras.

O resistor de carga

The Burden Resistor

Resumo de todos os valores dos componentes durante o tempo de teste

Tensão de entrada Vin = 31,78 V

Resistência de carga RL = 1,0313 KΩ

Resistência de carga RB = 678,4 Ω

Tensão de saída Vout = 8,249 mV ou 0,008249 V

A corrente que flui através do resistor de carga é

I = Vin / RL I = 31,78 / 1,0313 = 0,03080A ou 30,80 mA

Agora sabemos a corrente de entrada, que é 0,03080A ou 30,80 mA

Vamos descobrir a corrente de saída

I = Vout / RB I = 0,008249 / 678,4 = 0,00001215949A ou 12,1594 uA

Agora, para calcular a relação de espiras, precisamos dividir a corrente primária com a corrente secundária.

Relação de curvas n = corrente primária / corrente secundária n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2,533,1972

Portanto, o transformador de corrente consiste em 2500 voltas (valor de arredondamento)

Nota! Observe que os erros se devem principalmente à minha tensão de entrada em constante mudança e à tolerância do multímetro.

Calculando um Tamanho de Resistor de Carga Adequado

O TC usado aqui é um tipo de saída de corrente. Portanto, para medir a corrente, ela precisa ser convertida em um tipo de tensão. Este artigo, no site openenergymonitor, dá uma ótima ideia sobre como podemos fazer isso, então vou seguir o artigo

Resistor de carga (ohms) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * corrente primária máxima)

Onde, AREF = Tensão de referência analógica do módulo ADS1115 que está definida para 4,096V.

CT TURNS = Nº de voltas secundárias, que calculamos anteriormente.

Corrente primária máxima = corrente primária máxima, que passará pelo TC.

Nota! Cada TC tem uma classificação de corrente máxima excedendo essa classificação levará à saturação do núcleo e, em última instância, erros de linearidade que levarão a erro de medição

Nota! A classificação máxima de corrente do medidor de energia doméstico é 30A, então estou indo para esse valor.

Resistor de carga (ohms) = (4,096 * 2500) / (2√2 * 30) = 120,6 Ω

120,6Ω não é um valor comum, é por isso que vou usar três resistores em série para obter o valor do resistor de 120Ω. Depois de conectar os resistores ao TC, fiz alguns testes para calcular a tensão máxima de saída do TC.

Após o teste, observa-se que se a corrente de 1mA for alimentada através do primário do transformador de corrente, a saída será de 0,0488mV RMS. Com isso, podemos calcular se a corrente de 30A flui através do TC, a tensão de saída será 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Agora, com os cálculos feitos, configurei o ganho ADC para 1x o ganho que é +/- 4,096V, o que nos dá 0,125mV de resolução de escala total. Com isso, poderemos calcular a corrente mínima que pode ser medida com este setup. Que acabou sendo 3mA porque a resolução do ADC foi configurada para 0,125mV.

Componentes necessários

Escreva todo o componente sem tabela

Sim. Não	Peças	Tipo	Quantidade
1	CT	Tipo de janela	1
2	Arduino Nano	Genérico	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	ADC de 16 bits	1
5	LMC7660	IC	1
6	120Ω, 1%	Resistor	1
7	10uF	Capacitor	2
8	33uF	Capacitor	1
9	Tábua de pão	Genérico	1
10	Jumper Wires	Genérico	10

Diagrama de circuito

O esquema abaixo mostra o guia de conexão para medição de corrente usando o transformador de corrente

É assim que o circuito ficará na placa de ensaio.

Construção do circuito de medição de corrente

Em um tutorial anterior, mostrei como medir com precisão a tensão True RMS com a ajuda do IC AD736 e como configurar um circuito conversor de tensão de capacitor chaveado que gera uma tensão negativa a partir de uma tensão positiva de entrada, neste tutorial, estamos usando ambos os ICs desses tutoriais.

Para esta demonstração, o circuito é construído em uma breadboard sem solda, com a ajuda do esquema; além disso, a tensão DC é medida com a ajuda de um ADC de 16 bits para melhor precisão. E enquanto estou demonstrando o circuito em uma placa de ensaio para reduzir o parasita, usei o máximo possível de cabos jumper.

Código Arduino para medição de corrente

Aqui, o Arduino é usado para exibir os valores medidos na janela do monitor serial. Mas com uma pequena modificação no código, pode-se exibir facilmente os valores no LCD 16x2. Aprenda a interface do LCD 16x2 com o Arduino aqui.

O código completo para o transformador de corrente pode ser encontrado no final desta seção. Aqui são explicadas partes importantes do programa.

Começamos incluindo todos os arquivos de bibliotecas necessários. A biblioteca Wire é usada para comunicação entre o Arduino e o módulo ADS1115 e a biblioteca Adafruit_ADS1015 nos ajuda a ler dados e escrever instruções para o módulo.

#incluir #incluir

A seguir, defina o MULTIPLICATION_FACTOR que é usado para calcular o valor atual do valor ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * fator para calcular o valor atual atual * / Adafruit_ADS1115 ads; / * Use isto para a versão ADS1115 de 16 bits * /

O ADC de 16 bits gera inteiros longos de 16 bits, portanto, a variável int16_t é usada. Três outras variáveis são usadas, uma para armazenar o valor RAW para o ADC, uma para exibir a tensão real no pino ADC e finalmente uma para exibir este valor de tensão para o valor atual.

int16_t adc1_raw_value; / * variável para armazenar o valor ADC bruto * / floatamed_voltae; / * variável para armazenar a tensão medida * / corrente flutuante; / * variável para armazenar a corrente calculada * /

Comece a seção de configuração do código habilitando a saída serial com 9600 baud. Em seguida, imprima o ganho do ADC que está configurado; Isso ocorre porque a tensão acima do valor definido pode certamente danificar o dispositivo.

Agora defina o ganho ADC com ads.setGain (GAIN_ONE); o método que define a resolução de 1 bit para 0,125 mV

Depois disso, o método ADC begin é chamado, o que configura tudo no módulo de hardware e na conversão de estatísticas.

configuração de vazio (vazio) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Obtendo leituras de terminação única de AIN0..3"); // algumas informações de depuração Serial.println ("Faixa ADC: +/- 4,096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0,125mV / ADS1115)"); // A faixa de entrada (ou ganho) do ADC pode ser alterada por meio das seguintes // funções, mas tome cuidado para nunca exceder VDD + 0,3 V máx, ou // exceda os limites superior e inferior se você ajustar a faixa de entrada! // Definir esses valores incorretamente pode destruir seu ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // ganho 2 / 3x +/- 6,144V 1 bit = 3mV 0,1875mV (padrão) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x ganho +/- 4,096V 1 bit = 2mV 0,125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // ganho 2x +/- 2,048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // ganho 4x +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// ganho 8x +/- 0,512V 1 bit = 0,25mV 0,015625mV // ads.setGain (GAIN_Steen); // ganho de 16x +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); }

Na seção de loop , li o valor bruto do ADC e o armazenei na variável mencionada anteriormente para uso posterior. Em seguida, converta o valor bruto do ADC em valores de tensão para medição e calcule o valor atual e exiba-o na janela do monitor serial.

loop void (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); med_voltae = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Valor ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Tensão medida:"); Serial.println (medido_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Corrente calculada:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); atraso (500); }

Nota! Se você não tem a biblioteca para o módulo ADS1115, você precisa incluir a biblioteca no Arduino IDE, você pode encontrar a biblioteca neste repositório GitHub.

O código Arduino completo é fornecido abaixo:

#incluir #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * fator para calcular o valor atual real * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * valor máximo que ADC produz * / #define ADC_GAIN 4.096 Adafruit_ADS1115 ads; / * Use para a versão de 16 bits ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * variável para armazenar o valor ADC bruto * / floatamed_voltae; / * variável para armazenar voltae medida * / corrente flutuante; / * variável para armazenar a corrente calculada * / configuração void (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Obtendo leituras de terminação única de AIN0..3"); // algumas informações de depuração Serial.println ("Faixa ADC: +/- 4,096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0,125mV / ADS1115)"); // O intervalo de entrada ADC (ou ganho) pode ser alterado por meio das seguintes // funções, mas tome cuidado para nunca exceder VDD + 0,3 V máx.ou para // exceder os limites superior e inferior se você ajustar a faixa de entrada! // Definir esses valores incorretamente pode destruir seu ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // ganho 2 / 3x +/- 6,144V 1 bit = 3mV 0,1875mV (padrão) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x ganho +/- 4,096V 1 bit = 2mV 0,125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // ganho 2x +/- 2,048V 1 bit = 1mV 0,0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // ganho 4x +/- 1,024V 1 bit = 0,5mV 0,03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // ganho 8x +/- 0,512 V 1 bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_Steen); // ganho de 16x +/- 0,256V 1 bit = 0,125mV 0,0078125mV ads.begin (); } loop void (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); medido_voltae = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Valor ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Tensão medida:"); Serial.print (medido_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Corrente calculada:"); Serial.print (atual, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); atraso (500); }

Testando o circuito

Ferramentas usadas para testar o circuito

2 lâmpadas incandescentes de 60 W
Multímetro Meco 450B + TRMS

Para testar o circuito, a configuração acima foi usada. A corrente está fluindo do TC para o multímetro e, em seguida, está voltando para a linha de alimentação principal.

Se você está se perguntando o que uma placa FTDI está fazendo nesta configuração, deixe-me dizer que o conversor USB para serial integrado não estava funcionando, então eu tive que usar um conversor FTDI como um conversor USB para serial.

Outras melhorias

Os poucos erros de mA que você viu no vídeo (fornecidos abaixo) são apenas porque eu fiz o circuito em uma placa de ensaio, então houve muitos problemas de aterramento.

Espero que tenha gostado deste artigo e aprendido algo novo com ele. Se você tiver alguma dúvida, pode perguntar nos comentários abaixo ou pode usar nossos fóruns para uma discussão detalhada.