Meet de netfrequentie met Arduino: 7 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Op 3 april heeft premier van India, Shri. Narendra Modi had een beroep gedaan op de Indianen om op 5 april om 21:00 uur hun lichten uit te doen en een lamp (Diya) aan te steken ter gelegenheid van India's strijd tegen het Corona Virus. Vlak na de aankondiging ontstond er een grote chaos op sociale media waarin werd gezegd dat dit zou resulteren in een volledige black-out door uitval van het elektriciteitsnet.

Als student elektrotechniek wilde ik het effect zien van een plotselinge vermindering van de belasting op het elektriciteitsnet. Een van de parameters die wordt beïnvloed, is Frequentie. Dus besloot ik een apparaat te maken om de frequentie van de spanning van een stopcontact in mijn huis te meten. Houd er rekening mee dat voor dit kleine experiment de nauwkeurigheid van de gemeten waarde niet belangrijk is, omdat ik alleen de veranderingen in de frequentie wilde observeren.

In deze Instructable zal ik snel uitleggen hoe een net kan falen en je vervolgens laten zien hoe ik de frequentie heb gemeten.

Stap 1: Waarom zorgen maken?

Een elektriciteitsnet kan door vele factoren uitvallen, waaronder een plotselinge vermindering van de belasting. Ik zal proberen het zo eenvoudig mogelijk uit te leggen, zodat een persoon zonder elektrische achtergrond het kan begrijpen.

Wat is Frequentie? Het is het aantal keren dat een AC-golf zich in één seconde herhaalt. De frequentie in India is 50 Hz, wat betekent dat een wisselstroomgolf 50 keer in één seconde wordt herhaald.

In elke energiecentrale is er een turbine die een draaiend mechanisch apparaat is dat energie haalt uit de vloeistofstroom (stoom, water, gas, enz.) en deze omzet in nuttig werk (mechanische energie). Deze turbine is aangesloten (gekoppeld) aan een generator. Een generator zet deze mechanische energie vervolgens om in elektrische energie die we thuis krijgen.

Laten we voor deze uitleg een stoomkrachtcentrale beschouwen. Hier wordt hogedrukstoom gebruikt om een turbine te laten draaien die op zijn beurt de generator laat draaien en elektriciteit wordt opgewekt. Ik zal niet bespreken hoe een generator werkt, maar onthoud dat de frequentie van de gegenereerde spanning direct gerelateerd is aan de snelheid waarmee de generator draait. Als de snelheid toeneemt, neemt de frequentie toe en vice versa. Neem aan dat de generator niet is aangesloten op een belasting. De generator wordt op snelheid gebracht door de stoomtoevoer naar de turbine te verhogen totdat de frequentie 50 Hz wordt. De generator is nu klaar om stroom te leveren. Zodra de generator is aangesloten op de belasting (of het net), begint er stroom door de wikkeling te stromen en neemt de snelheid af en dus de frequentie. Maar volgens de regelgevingsnormen moet de frequentie binnen een specifieke band liggen. In India is het +/- 3%, d.w.z. 48.5Hz tot 51.5Hz. Om nu te compenseren voor de verminderde frequentie als gevolg van een afname van de snelheid, wordt de stoominvoer verhoogd totdat de frequentie weer 50 Hz wordt. Dit proces gaat door. De belasting neemt toe, de snelheid neemt af, de frequentie neemt af, de stoomtoevoer wordt verhoogd en de generator wordt op snelheid gebracht. Dit alles gebeurt automatisch met behulp van een apparaat genaamd Governor. Het bewaakt de snelheid (of frequentie) van de generator en past de stoomtoevoer dienovereenkomstig aan. Aangezien het grootste deel van het onderdeel mechanisch is, duurt het enkele seconden (d.w.z. een hoge tijdconstante) voordat de wijzigingen van kracht worden.

Laten we nu eens bedenken dat de volledige belasting van de generator plotseling wordt verwijderd. De generator versnelt boven zijn normale snelheid, omdat we eerder de stoomtoevoer hadden verhoogd om de verhoogde belasting te compenseren. Voordat de regelaar de stoominvoer kan detecteren en wijzigen, versnelt de generator zo snel dat de frequentie zijn bovengrens overschrijdt. Aangezien dit volgens de wettelijke normen niet is toegestaan, schakelt de generator uit (of wordt losgekoppeld) van het net vanwege overfrequentie.

In India hebben we One Nation - One Grid, wat betekent dat alle generatoren in India zijn aangesloten op één enkel netwerk. Dit helpt bij het sturen van stroom naar elk deel van het land. Maar er is één nadeel. Een enorme storing in een deel van het land kan zich snel uitbreiden naar andere delen, wat resulteert in het uitvallen van het hele net. Zo zit een heel land zonder stroom!

Stap 2: Het plan

Het plan is om de frequentie van de spanning met bepaalde intervallen te meten.

Een centraal getapte transformator wordt gebruikt om 230V AC naar 15V AC te verlagen.

De RTC-module geeft de actuele tijd weer.

Beide gegevens (Tijd en Frequentie) worden vervolgens in twee afzonderlijke bestanden op de Micro SD-kaart opgeslagen. Nadat de test is afgelopen, kunnen de gegevens worden geïmporteerd in een Excel-blad om de grafiek te genereren.

Een LCD-scherm wordt gebruikt om de frequentie weer te geven.

Pas op! U krijgt te maken met fatale AC-netspanning. Ga alleen verder als u weet wat u doet. Elektriciteit geeft geen tweede kans

Stap 3: Dingen die je nodig hebt

1x Arduino Nano

1x 16x2 LCD-scherm

1x DS3231 Realtimeklokmodule

1x Micro SD-kaartmodule

1x Centraal getapte transformator (15V-0-15V)

2x 10k Weerstand

1x 1k Weerstand

1x 39k Weerstand

1x 2N2222A NPN-transistor

1x 1N4007 Diode

Stap 4: dingen samenbrengen

Het schema voor de build is hier bijgevoegd. Ik zal het op een breadboard bouwen, maar je kunt het permanenter maken door een perfboard te gebruiken of een aangepaste PCB te maken.

De juiste waarde van 'R3' kiezen voor uw transformator:

R3 en R4 vormen een spanningsdeler en de waarden zijn zo gekozen dat de piek van de wisselspanning niet hoger is dan 5V. Dus als u van plan bent een andere transformator met andere classificaties te gebruiken, moet u ook R3 wijzigen. Houd er rekening mee dat de spanningswaarden op een transformator in RMS zijn. In mijn geval is het 15-0-15.

Gebruik een multimeter om het te verifiëren. De gemeten spanning zal meestal groter zijn dan 15V. In mijn geval was het ongeveer 17,5V. De piekwaarde zal 17,5 x sqrt(2) = 24,74V zijn. Deze spanning is veel hoger dan de maximale Gate-Emitter-spanning (6V) van 2N2222A Transistor. We kunnen de waarde van R3 berekenen met behulp van de spanningsdelerformule die in de bovenstaande afbeelding wordt weergegeven.

Aansluitingen voor SD-kaartmodule:

De module gebruikt SPI voor communicatie.

• MISO naar D12
• MOSI naar D11
• SCK naar D13
• CS/SS tot D10 (u kunt elke pin gebruiken voor Chip Select)

Zorg ervoor dat de SD-kaart eerst als FAT is geformatteerd.

Aansluitingen voor RTC-module

Deze module gebruikt I2C voor communicatie.

• SDA naar A4
• SCL naar A5

Aansluitingen voor LCD-scherm

• RST naar D9
• NL tot D8
• D4 tot D7
• D5 tot D6
• D6 tot D5
• D7 tot D4
• R/W naar GND

Stap 5: Tijd voor codering

De code is hier bijgevoegd. Download en open het met Arduino IDE. Zorg ervoor dat u DS3231 Library installeert voordat u gaat uploaden. Op deze website heb ik nuttige informatie gevonden.

RTC instellen:

1. Plaats een knoopcelbatterij van het type 2032.
2. Open de DS3231_Serial_Easy uit de voorbeelden zoals weergegeven.
3. Uncommenteer de 3 regels en voer de tijd en datum in zoals weergegeven in de afbeelding.
4. Upload de schets naar Arduino en open de seriële monitor. Stel de baudrate in op 115200. Je zou de tijd moeten kunnen zien die elke seconde ververst.
5. Koppel nu de Arduino los en sluit hem na een paar seconden weer aan. Kijk naar de seriële monitor. Het moet realtime worden weergegeven.

Gedaan! RTC is opgezet. Deze stap hoeft slechts één keer te worden uitgevoerd om de datum en tijd in te stellen.

Stap 6: De gegevens verwerken

Zodra de test is voltooid, verwijdert u de micro SD-kaart uit de module en sluit u deze aan op uw computer met behulp van een kaartlezer. Er zullen twee tekstbestanden zijn met de naam FREQ.txt en TIME.txt.

Kopieer de inhoud van deze bestanden en plak deze in een Excel-sheet in twee aparte kolommen (Tijd en Freq).

Klik op Invoegen > Grafiek. Excel zou automatisch de gegevens op het blad moeten controleren en de grafiek moeten plotten.

Verhoog de resolutie van de verticale as zodat de fluctuaties duidelijk zichtbaar zijn. In Google Spreadsheets, Aanpassen>Verticale as> Min. = 49,5 en Max. = 50,5

Stap 7: Resultaten

We kunnen duidelijk een lichte toename van de frequentie zien, aangezien de belastingen rond 21:00 uur (21:00 uur) worden afgesneden en een afname in de frequentie rond 21:10 uur (21:10 uur) wanneer de belastingen weer worden ingeschakeld. Geen schade aan het net aangezien de frequentie ruim binnen de tolerantieband (+/- 3%) ligt, d.w.z. 48.5Hz tot 51.5Hz.

Een tweet van de minister van Staat in de regering van India, de heer RK Singh, bevestigt dat de resultaten die ik kreeg behoorlijk nauwkeurig waren.

Bedankt voor het vasthouden aan het einde. Ik hoop dat jullie allemaal van dit project houden en vandaag iets nieuws hebben geleerd. Laat het me weten als je er een voor jezelf hebt gemaakt. Abonneer je op mijn YouTube-kanaal voor meer van dergelijke projecten.