Mesure du courant alternatif à l'aide d'un transformateur de courant et d'un arduino

Un transformateur de courant est un type de transformateur instrumental spécialement conçu pour transformer le courant alternatif dans son enroulement secondaire, et la quantité de courant produite est directement proportionnelle au courant dans l'enroulement primaire. Ce type de transformateur de courant est conçu pour mesurer de manière non invisible le courant du sous-système haute tension ou lorsqu'une grande quantité de courant circule dans le système. Le travail d'un transformateur de courant consiste à convertir la quantité élevée de courant en une quantité de courant inférieure qui peut être facilement mesurée par un microcontrôleur ou un compteur analogique. Nous avons précédemment expliqué la mesure du courant à l'aide du transformateur de courant dans différents types d'article sur les techniques de détection de courant.

Ici, nous allons apprendre cette technique de détection de courant en détail et câbler un transformateur de courant pour mesurer le courant alternatif à l'aide d'un Arduino. Nous apprendrons également à déterminer le rapport de tours d'un transformateur de courant inconnu.

Transformateur de courant

Comme je l'ai mentionné précédemment, un transformateur de courant est un transformateur conçu pour mesurer le courant. Ce qui précède, montrant deux transformateurs que je possède actuellement, est appelé un transformateur de courant de type fenêtre ou communément appelé transformateur d'équilibrage du noyau.

Comment fonctionne le transformateur de courant?

Le principe de base du transformateur de courant est le même que celui d'un transformateur de tension, tout comme le transformateur de tension, le transformateur de courant se compose également d'un enroulement primaire et d'un enroulement secondaire. Lorsqu'un courant électrique alternatif traverse l'enroulement primaire du transformateur, un flux magnétique alternatif est produit, ce qui induit un courant alternatif dans l'enroulement secondaire à ce stade, vous pouvez dire que c'est presque la même chose qu'un transformateur de tension si vous pensez que voici la différence.

En général, un transformateur de courant est toujours dans un état de court-circuit avec l'aide d'une résistance de charge, aussi, le courant circulant sur l'enroulement secondaire ne dépend que du courant primaire circulant dans le conducteur.

Construction de transformateur de courant

Pour vous donner une meilleure compréhension, j'ai démoli l'un de mes transformateurs actuels que vous pouvez voir dans l'image ci-dessus.

On peut voir sur l'image qu'un fil très fin est enroulé autour d'un matériau de noyau toroïdal et qu'un ensemble de fils sort du transformateur. L'enroulement principal est un seul fil qui est connecté en série avec la charge et transporte le courant de masse circulant à travers la charge.

Rapport de transformateur de courant

En plaçant un fil à l'intérieur de la fenêtre du transformateur de courant, nous pouvons former une seule boucle et le rapport de tours devient 1: N.

Comme tous les autres transformateurs, un transformateur de courant doit satisfaire l'équation du rapport ampère-tour qui est indiquée ci-dessous.

TR = Np / Ns = Ip / Is

Où, TR = rapport trans

Np = Nombre de tours principaux

Ns = nombre de tours secondaires

Ip = courant dans l'enroulement primaire

Is = courant dans l'enroulement secondaire

Pour trouver le courant secondaire, réorganisez l'équation en

Est = Ip x (Np / NS)

Comme vous pouvez le voir dans l'image ci-dessus, l'enroulement primaire du transformateur se compose d'un enroulement et l'enroulement secondaire du transformateur se compose de milliers d'enroulements si nous supposons que 100A de courant circule dans l'enroulement primaire, le courant secondaire sera de 5A. Ainsi, le rapport entre le primaire et le secondaire devient 100A à 5A ou 20: 1. Ainsi, on peut dire que le courant primaire est 20 fois supérieur à celui du courant secondaire.

Remarque! Veuillez noter que le rapport actuel n'est pas le même que le rapport de tours.

Maintenant que toute la théorie de base est éliminée, nous pouvons nous concentrer sur le calcul du rapport de rotation du transformateur de courant en main.

Erreur du transformateur de courant

Chaque circuit a des erreurs. Les transformateurs de courant ne sont pas différents; il existe diverses erreurs dans un transformateur de courant. Certains d'entre eux sont décrits ci-dessous

Erreur de rapport dans le transformateur de courant

Le courant primaire du transformateur de courant n'est pas exactement égal au courant secondaire multiplié par le rapport de tours. Une partie du courant est consommée par le noyau du transformateur pour l'amener à un état d'excitation.

Erreur d'angle de phase dans le transformateur de courant

Pour un TC idéal, le vecteur de courant primaire et secondaire est nul. Mais dans un transformateur de courant réel, il y aura toujours une différence car le primaire doit fournir le courant d'excitation au noyau et il y aura une petite différence de phase.

Comment réduire l'erreur dans un transformateur de courant?

Il est toujours nécessaire de réduire les erreurs dans un système pour obtenir de meilleures performances. Donc, par les étapes ci-dessous, on peut y parvenir

1. Utilisation d'un noyau à haute perméabilité avec un matériau magnétique à faible hystérésis.
2. La valeur de la résistance de charge doit être très proche de la valeur calculée.
3. L'impédance interne du secondaire peut être abaissée.

Retour Calcul du rapport de tours d'un transformateur de courant

La configuration du test a été montrée dans l'image ci-dessus que j'ai utilisée pour déterminer le rapport de rotation.

Comme je l'ai mentionné précédemment, le transformateur de courant (CT) que je possède n'a aucune spécification ou numéro de pièce simplement parce que je les ai récupérés d'un compteur électrique domestique cassé. Donc, à ce stade, nous devons connaître le rapport de rotation pour définir correctement la valeur de la résistance de charge, sinon toutes sortes de problèmes seront introduits dans le système, dont je parlerai plus tard dans l'article.

Avec l'aide de la loi de l'ohm, le rapport de rotation peut être facilement déterminé, mais avant cela, je dois mesurer la grande résistance de 10 W, 1K qui agit comme une charge dans le circuit, et j'ai également besoin d'une résistance de charge arbitraire pour déterminer le rapport de rotation.

La résistance de charge

La résistance de charge

Résumé de toutes les valeurs des composants pendant la période de test

Tension d'entrée Vin = 31,78 V

Résistance de charge RL = 1,0313 KΩ

Résistance à la charge RB = 678,4 Ω

Tension de sortie Vout = 8,249 mV ou 0,008249 V

Le courant traversant la résistance de charge est

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

Nous connaissons maintenant le courant d'entrée, qui est de 0,03080A ou 30,80 mA

Découvrons le courant de sortie

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

Maintenant, pour calculer le rapport de tours, nous devons diviser le courant primaire avec le courant secondaire.

Rapport de tours n = courant primaire / courant secondaire n = 0,03080 / 0,0000121594 = 2533,1972

Ainsi, le transformateur de courant se compose de 2500 tours (valeur arrondie)

Remarque! Veuillez noter que les erreurs sont principalement dues à ma tension d'entrée en constante évolution et à ma tolérance du multimètre.

Calcul d'une taille de résistance de charge appropriée

Le TC utilisé ici est un type de sortie courant. Donc, pour mesurer le courant, il doit être converti en un type de tension. Cet article, sur le site Web openenergymonitor, donne une bonne idée de la façon dont nous pouvons le faire, je vais donc suivre l'article

Résistance de charge (ohms) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * courant primaire max)

Où, AREF = tension de référence analogique du module ADS1115 qui est réglée sur 4,096V.

CT TURNS = Nombre de tours secondaires, que nous avons précédemment calculé.

Courant primaire maximum = courant primaire maximum, qui sera acheminé à travers le TC.

Remarque! Chaque TC a un courant nominal maximum dépassant cette valeur nominale conduira à une saturation du noyau et finalement à des erreurs de linéarité qui entraîneront une erreur de mesure

Remarque! Le courant nominal maximal du compteur d'énergie domestique est de 30A, donc je vais pour cette valeur.

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

120,6Ω n'est pas une valeur commune, c'est pourquoi je vais utiliser trois résistances en série pour obtenir une valeur de résistance de 120Ω. Après avoir connecté les résistances au TC, j'ai fait quelques tests pour calculer la tension de sortie maximale du TC.

Après le test, on observe que si un courant de 1 mA est alimenté par le primaire du transformateur de courant, la sortie était de 0,0488 mV RMS. Avec cela, nous pouvons calculer si un courant de 30 A circule à travers le TC, la tension de sortie sera de 30000 * 0,0488 = 1,465V.

Maintenant, une fois les calculs effectués, j'ai réglé le gain ADC sur 1x gain, soit +/- 4,096 V, ce qui nous donne une résolution pleine échelle de 0,125 mV. Avec cela, nous pourrons calculer le courant minimum qui peut être mesuré avec cette configuration. Ce qui s'est avéré être 3 mA car la résolution ADC était réglée sur 0,125 mV.

Composants requis

Ecrire tout le composant sans table

Sl.Non	les pièces	Type	Quantité
1	CT	Type de fenêtre	1
2	Arduino Nano	Générique	1
3	AD736	IC	1
4	ADS1115	ADC 16 bits	1
5	LMC7660	IC	1
6	120Ω, 1%	Résistance	1
sept	10uF	Condensateur	2
8	33uF	Condensateur	1
9	Planche à pain	Générique	1
dix	Fils de cavalier	Générique	dix

Schéma

Le schéma ci-dessous montre le guide de branchement pour la mesure du courant à l'aide du transformateur de courant

Voici à quoi ressemblera le circuit sur la maquette.

Construction du circuit de mesure de courant

Dans un tutoriel précédent, je vous ai montré comment mesurer avec précision la tension True RMS à l'aide de AD736 IC et comment configurer un circuit de convertisseur de tension à condensateur commuté qui génère une tension négative à partir d'une tension d'entrée positive.Dans ce tutoriel, nous utilisons les deux circuits intégrés de ces didacticiels.

Pour cette démonstration, le circuit est construit sur une planche à pain sans soudure, à l'aide du schéma; De plus, la tension continue est mesurée à l'aide d'un ADC 16 bits pour une meilleure précision. Et comme je fais la démonstration du circuit sur une maquette pour réduire les parasites, j'ai utilisé autant de câbles volants que possible.

Code Arduino pour la mesure du courant

Ici, Arduino est utilisé pour afficher les valeurs mesurées dans la fenêtre du moniteur série. Mais avec une petite modification dans le code, on peut très facilement afficher les valeurs sur LCD 16x2. Apprenez ici l'interfaçage de l'écran LCD 16x2 avec Arduino.

Le code complet du transformateur de courant se trouve à la fin de cette section. Ici, des parties importantes du programme sont expliquées.

Nous commençons par inclure tous les fichiers de bibliothèques nécessaires. La bibliothèque Wire est utilisée pour communiquer entre l'Arduino et le module ADS1115 et la bibliothèque Adafruit_ADS1015 nous aide à lire les données et à écrire des instructions sur le module.

#comprendre #comprendre

Ensuite, définissez le MULTIPLICATION_FACTOR qui est utilisé pour calculer la valeur actuelle à partir de la valeur ADC.

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * facteur pour calculer la valeur actuelle réelle * / Adafruit_ADS1115 ads; / * Utilisez ceci pour la version 16 bits ADS1115 * /

L'ADC 16 bits crache des entiers longs de 16 bits de sorte que la variable int16_t est utilisée. Trois autres variables sont utilisées, une pour stocker la valeur RAW pour l'ADC, une pour afficher la tension réelle dans la broche ADC et enfin une pour afficher cette valeur de tension à la valeur actuelle.

int16_t adc1_raw_value; / * variable pour stocker la valeur ADC brute * / float measure_voltae; / * variable pour stocker la tension mesurée * / courant flottant; / * variable pour stocker le courant calculé * /

Commencez la section de configuration du code en activant la sortie série avec 9600 bauds. Puis imprimez le gain de l'ADC qui est réglé; en effet, une tension supérieure à la valeur définie peut certainement endommager l'appareil.

Réglez maintenant le gain ADC avec ads.setGain (GAIN_ONE); la méthode qui définit la résolution 1 bit à 0,125 mV

Après cela, la méthode ADC begin est appelée qui configure tout dans le module matériel et la conversion des statistiques.

void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Obtenir des lectures asymétriques depuis AIN0..3"); // quelques informations de débogage Serial.println ("Plage ADC: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // La plage d'entrée ADC (ou gain) peut être modifiée via les // fonctions suivantes, mais veillez à ne jamais dépasser VDD + 0,3 V max, ou à // dépasser les limites supérieure et inférieure si vous ajustez la plage d'entrée! // La définition incorrecte de ces valeurs peut détruire votre ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // Gain 2 / 3x +/- 6,144V 1 bit = 3mV 0,1875mV (par défaut) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x gain +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x gain +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // gain 4x +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT);// gain 8x +/- 0,512 V 1 bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // gain 16x +/- 0,256 V 1 bit = 0,125 mV 0,0078125 mV ads.begin (); }

Dans la section boucle , je lis la valeur brute de l'ADC et la stocke dans la variable mentionnée précédemment pour une utilisation ultérieure. Ensuite, convertissez la valeur ADC brute en valeurs de tension pour la mesure, calculez la valeur actuelle et affichez-la dans la fenêtre du moniteur série.

boucle vide (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); mesuré_voltae = adc1_raw_value * (4.096 / 32768); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Valeur ADC:"); Serial.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Tension mesurée:"); Serial.println (mesure_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Courant calculé:"); Serial.print (val, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); retard (500); }

Remarque! Si vous ne possédez pas la bibliothèque pour le module ADS1115, vous devez inclure la bibliothèque dans l'IDE Arduino, vous pouvez trouver la bibliothèque dans ce référentiel GitHub.

Le code Arduino complet est donné ci-dessous:

#comprendre #include #define MULTIPLICATION_FACTOR 0,002734 / * facteur pour calculer la valeur actuelle réelle * / #define ADC_MAX_VALUE 32768 / * valeur maximale produite par ADC * / #define ADC_GAIN 4,096 Adafruit_ADS1115 annonces; / * Utilisez ceci pour la version 16 bits ADS1115 * / int16_t adc1_raw_value; / * variable pour stocker la valeur ADC brute * / float Measured_voltae; / * variable pour stocker la tension mesurée * / courant flottant; / * variable pour stocker le courant calculé * / void setup (void) {Serial.begin (9600); Serial.println ("Obtenir des lectures asymétriques à partir de AIN0..3"); // quelques informations de débogage Serial.println ("Plage ADC: +/- 4.096V (1 bit = 2mV / ADS1015, 0.125mV / ADS1115)"); // La plage d'entrée ADC (ou gain) peut être modifiée via les // fonctions suivantes, mais veillez à ne jamais dépasser VDD + 0,3 V max,ou pour // dépasser les limites supérieure et inférieure si vous ajustez la plage d'entrée! // La définition incorrecte de ces valeurs peut détruire votre ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // Gain 2 / 3x +/- 6,144V 1 bit = 3mV 0,1875mV (par défaut) ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x gain +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x gain +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain (GAIN_FOUR); // gain 4x +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // gain 8x +/- 0,512 V 1 bit = 0,25 mV 0,015625 mV // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // gain 16x +/- 0,256 V 1 bit = 0,125 mV 0,0078125 mV ads.begin (); } boucle vide (void) {adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded (1); mesuré_voltae = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE); current = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR; Serial.print ("Valeur ADC:"); En série.println (adc1_raw_value); Serial.print ("Tension mesurée:"); Serial.print (mesure_voltae); Serial.println ("V"); Serial.print ("Courant calculé:"); Serial.print (actuel, 5); Serial.println ("A"); Serial.println (""); retard (500); }

Test du circuit

Outils utilisés pour tester le circuit

1. 2 ampoules à incandescence de 60 W
2. Multimètre Meco 450B + TRMS

Pour tester le circuit, la configuration ci-dessus a été utilisée. Le courant circule du TC vers le multimètre, puis il retourne à la ligne électrique principale.

Si vous vous demandez ce qu'une carte FTDI fait dans cette configuration, laissez-moi vous dire que le convertisseur USB vers série intégré ne fonctionnait pas, j'ai donc dû utiliser un convertisseur FTDI comme convertisseur USB vers série.

Autres améliorations

Les quelques erreurs mA que vous avez vues dans la vidéo (ci-dessous) sont simplement dues au fait que j'ai fait le circuit dans une maquette, il y avait donc de nombreux problèmes de mise à la terre.

J'espère que vous avez aimé cet article et en avez appris quelque chose de nouveau. Si vous avez le moindre doute, vous pouvez demander dans les commentaires ci-dessous ou utiliser nos forums pour une discussion détaillée.