Messen Sie die Netzfrequenz mit Arduino - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Am 3. April hat der indische Premierminister Shri. Narendra Modi hatte an die Inder appelliert, am 5. April um 21:00 Uhr ihre Lichter auszuschalten und eine Lampe (Diya) anzuzünden, um Indiens Kampf gegen das Corona-Virus zu markieren. Kurz nach der Ankündigung herrschte in den sozialen Medien ein großes Chaos, dass dies zu einem vollständigen Blackout aufgrund des Ausfalls des Stromnetzes führen würde.

Als Student der Elektrotechnik wollte ich sehen, wie sich eine plötzliche Lastreduzierung auf das Stromnetz auswirkt. Einer der betroffenen Parameter ist die Frequenz. Also beschloss ich, ein Gerät zu bauen, um die Frequenz der Spannung an einer Steckdose in meinem Haus zu messen. Bitte beachten Sie, dass für dieses kleine Experiment die Genauigkeit des Messwertes nicht wichtig ist, da ich nur die Frequenzänderungen beobachten wollte.

In diesem Instructable werde ich schnell erklären, wie ein Gitter ausfallen kann und Ihnen dann zeigen, wie ich die Frequenz gemessen habe.

Schritt 1: Warum sich Sorgen machen?

Ein Stromnetz kann aufgrund vieler Faktoren ausfallen, einer davon ist eine plötzliche Reduzierung der Last. Ich werde versuchen, es so einfach wie möglich zu erklären, so dass eine Person ohne elektrische Kenntnisse es verstehen kann.

Was ist Frequenz? Gibt an, wie oft sich eine Wechselstromwelle in einer Sekunde wiederholt. Die Frequenz in Indien beträgt 50 Hz, was bedeutet, dass eine Wechselstromwelle 50 Mal in einer Sekunde wiederholt wird.

In jedem Kraftwerk gibt es eine Turbine, die ein rotierendes mechanisches Gerät ist, das Energie aus einem Fluidstrom (Dampf, Wasser, Gas usw.) entzieht und in nützliche Arbeit (mechanische Energie) umwandelt. Diese Turbine ist mit einem Generator verbunden (gekoppelt). Ein Generator wandelt diese mechanische Energie dann in elektrische Energie um, die wir zu Hause bekommen.

Betrachten wir für diese Erklärung ein Dampfkraftwerk. Hier wird mit Hochdruckdampf eine Turbine rotiert, die wiederum den Generator dreht und Strom erzeugt. Ich werde nicht diskutieren, wie ein Generator funktioniert, aber denken Sie daran, dass die Frequenz der erzeugten Spannung direkt mit der Drehzahl des Generators zusammenhängt. Steigt die Geschwindigkeit, steigt die Frequenz und umgekehrt. Angenommen, der Generator ist an keine Last angeschlossen. Der Generator wird auf Drehzahl gebracht, indem die Dampfzufuhr zur Turbine erhöht wird, bis die Frequenz 50 Hz beträgt. Der Generator ist nun bereit, Strom zu liefern. Sobald der Generator an die Last (oder das Netz) angeschlossen ist, beginnt Strom durch seine Wicklung zu fließen und seine Drehzahl sinkt und damit die Frequenz. Aber gemäß den Regulierungsstandards sollte die Frequenz innerhalb eines bestimmten Bandes liegen. In Indien sind es +/- 3%, d. h. 48,5 Hz bis 51,5 Hz. Um nun die reduzierte Frequenz aufgrund einer Drehzahlabnahme auszugleichen, wird die Dampfzufuhr erhöht, bis die Frequenz wieder 50Hz beträgt. Dieser Prozess geht weiter. Last steigt, Drehzahl sinkt, Frequenz sinkt, Dampfzufuhr wird erhöht und der Generator wird auf Drehzahl gebracht. All dies geschieht automatisch mit einem Gerät namens Governor. Es überwacht die Drehzahl (oder Frequenz) des Generators und passt die Dampfzufuhr entsprechend an. Da die meisten Teile mechanisch sind, dauert es wenige Sekunden (d. h. eine hohe Zeitkonstante), bis die Änderungen wirksam werden.

Nehmen wir nun an, dass die gesamte Last des Generators plötzlich entfernt wird. Der Generator beschleunigt über seine normale Drehzahl, da wir zuvor die Dampfzufuhr erhöht hatten, um die erhöhte Last auszugleichen. Bevor der Regler die Dampfzufuhr erfassen und ändern kann, beschleunigt der Generator so schnell, dass die Frequenz seine Obergrenze überschreitet. Da dies nach behördlichen Vorgaben nicht zulässig ist, schaltet der Generator aufgrund von Überfrequenz vom Netz ab (bzw. wird vom Netz getrennt).

In Indien haben wir One Nation - One Grid, was bedeutet, dass alle Generatoren in Indien an ein einziges Netz angeschlossen sind. Dies hilft dabei, Strom in jeden Teil des Landes zu senden. Aber es gibt einen Nachteil. Ein massiver Fehler in einem Teil des Landes kann sich schnell auf andere Teile ausbreiten, was zur Auslösung des gesamten Netzes führt. Somit bleibt ein ganzes Land ohne Macht!

Schritt 2: Der Plan

Geplant ist, die Frequenz der Spannung in festgelegten Intervallen zu messen.

Ein Transformator mit Mittelanzapfung wird verwendet, um 230 V AC auf 15 V AC zu reduzieren.

Das RTC-Modul liefert die aktuelle Uhrzeit.

Beide Daten (Zeit und Frequenz) werden dann in zwei separaten Dateien auf der Micro-SD-Karte gespeichert. Nach Abschluss des Tests können die Daten in eine Excel-Tabelle importiert werden, um das Diagramm zu erstellen.

Ein LCD-Display wird verwendet, um die Frequenz anzuzeigen.

In acht nehmen! Sie haben es mit lebensgefährlicher Netzspannung zu tun. Fahren Sie nur fort, wenn Sie wissen, was Sie tun. Strom gibt keine zweite Chance

Schritt 3: Dinge, die Sie brauchen

1x Arduino Nano

1x 16x2 LCD-Display

1x DS3231 Echtzeituhr-Modul

1x Micro-SD-Kartenmodul

1x Mittelanzapfung Transformator (15V-0-15V)

2x 10k Widerstand

1x 1k Widerstand

1x 39k Widerstand

1x 2N2222A NPN-Transistor

1x 1N4007 Diode

Schritt 4: Dinge zusammenfügen

Der Schaltplan für den Aufbau ist hier angehängt. Ich werde es auf einem Steckbrett bauen, aber Sie können es dauerhafter machen, indem Sie ein Perfboard verwenden oder eine benutzerdefinierte Leiterplatte herstellen.

Wählen Sie den richtigen Wert von 'R3' für Ihren Transformator:

R3 und R4 bilden einen Spannungsteiler und die Werte werden so gewählt, dass die Spitze der Wechselspannung 5V nicht überschreitet. Wenn Sie also einen anderen Transformator mit anderen Nennwerten verwenden möchten, müssen Sie auch R3 ändern. Denken Sie daran, dass die auf einem Transformator angegebenen Nennspannungen in RMS angegeben sind. In meinem Fall ist es 15-0-15.

Verwenden Sie ein Multimeter, um dies zu überprüfen. Die gemessene Spannung wird meistens größer als 15V sein. In meinem Fall waren es etwa 17,5 V. Der Spitzenwert beträgt 17,5 x sqrt(2) = 24,74V. Diese Spannung ist viel höher als die maximale Gate-Emitter-Spannung (6V) des 2N2222A Transistors. Wir können den Wert von R3 mit der im Bild oben gezeigten Spannungsteilerformel berechnen.

Anschlüsse für SD-Kartenmodul:

Das Modul verwendet SPI für die Kommunikation.

• MISO zu D12
• MOSI zu D11
• SCK zu D13
• CS/SS bis D10 (Sie können jeden Pin für Chip Select verwenden)

Stellen Sie sicher, dass die SD-Karte zuerst als FAT formatiert wird.

Anschlüsse für RTC-Modul

Dieses Modul verwendet I2C für die Kommunikation.

• SDA auf A4
• SCL bis A5

Anschlüsse für LCD-Display

• RST zu D9
• DE bis D8
• D4 bis D7
• D5 bis D6
• D6 bis D5
• D7 bis D4
• R/W zu GND

Schritt 5: Zeit für die Codierung

Der Code wurde hier angehängt. Laden Sie es herunter und öffnen Sie es mit der Arduino IDE. Stellen Sie vor dem Hochladen sicher, dass Sie die DS3231-Bibliothek installieren. Auf dieser Website habe ich einige nützliche Informationen gefunden.

RTC einrichten:

1. Setzen Sie eine Knopfzellenbatterie vom Typ 2032 ein.
2. Öffnen Sie die DS3231_Serial_Easy aus den Beispielen wie gezeigt.
3. Entkommentieren Sie die 3 Zeilen und geben Sie Uhrzeit und Datum wie im Bild gezeigt ein.
4. Laden Sie die Skizze auf Arduino hoch und öffnen Sie den seriellen Monitor. Stellen Sie die Baudrate auf 115200 ein. Sie sollten die Zeit sehen können, die alle 1 Sek. aktualisiert wird.
5. Ziehen Sie nun den Arduino aus und stecken Sie ihn nach ein paar Sekunden wieder ein. Schauen Sie auf den seriellen Monitor. Es sollte in Echtzeit angezeigt werden.

Fertig! RTC wurde eingerichtet. Dieser Schritt muss nur einmal durchgeführt werden, um Datum und Uhrzeit einzustellen.

Schritt 6: Verarbeitung der Daten

Entfernen Sie nach Abschluss des Tests die Micro-SD-Karte aus dem Modul und verbinden Sie sie mit einem Kartenleser mit Ihrem Computer. Es gibt zwei Textdateien mit den Namen FREQ.txt und TIME.txt.

Kopieren Sie den Inhalt dieser Dateien und fügen Sie ihn in ein Excel-Blatt in zwei separate Spalten (Zeit und Frequenz) ein.

Klicken Sie auf Einfügen>Diagramm. Excel sollte die Daten auf dem Blatt automatisch überprüfen und das Diagramm zeichnen.

Erhöhen Sie die Auflösung der vertikalen Achse, damit die Schwankungen deutlich sichtbar sind. In Google Tabellen, Anpassen>Vertikale Achse>Min. = 49,5 und max. = 50,5

Schritt 7: Ergebnisse

Wir können deutlich einen leichten Anstieg der Frequenz sehen, wenn die Lasten gegen 21:00 Uhr abgeschaltet werden, und eine Abnahme der Frequenz gegen 21:10 Uhr (21:10), wenn die Lasten wieder eingeschaltet werden. Kein Schaden für das Netz, da die Frequenz innerhalb des Toleranzbandes (+/- 3%) liegt, d. h. 48,5 Hz bis 51,5 Hz.

Ein Tweet des Staatsministers der indischen Regierung, Herr R. K. Singh, bestätigt, dass die Ergebnisse, die ich erhalten habe, ziemlich genau waren.

Vielen Dank, dass Sie bis zum Ende durchgehalten haben. Ich hoffe, Sie alle lieben dieses Projekt und haben heute etwas Neues gelernt. Lassen Sie es mich wissen, wenn Sie selbst eine machen. Abonniere meinen YouTube-Kanal für mehr solcher Projekte.