วัดความถี่ Mains โดยใช้ Arduino: 7 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

วันที่ 3 เมษายน นายกรัฐมนตรีอินเดีย ช. Narendra Modi ได้เรียกร้องให้ชาวอินเดียปิดไฟและจุดตะเกียง (Diya) เวลา 21.00 น. ในวันที่ 5 เมษายน เพื่อเฉลิมฉลองการต่อสู้กับ Corona Virus ของอินเดีย หลังจากการประกาศ เกิดความโกลาหลครั้งใหญ่บนโซเชียลมีเดียโดยบอกว่าสิ่งนี้จะส่งผลให้ไฟดับโดยสมบูรณ์เนื่องจากความล้มเหลวของโครงข่ายไฟฟ้า

ฉันเป็นนักศึกษาวิศวกรรมไฟฟ้าต้องการเห็นผลของการลดภาระในโครงข่ายไฟฟ้าอย่างกะทันหัน หนึ่งในพารามิเตอร์ที่ได้รับผลกระทบคือความถี่ ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจสร้างอุปกรณ์วัดความถี่ของแรงดันไฟฟ้าจากปลั๊กไฟในบ้านของฉัน โปรดทราบว่าสำหรับความแม่นยำในการทดสอบเพียงเล็กน้อยของค่าที่วัดได้นั้นไม่สำคัญ เนื่องจากฉันแค่ต้องการสังเกตการเปลี่ยนแปลงของความถี่

ในคำแนะนำนี้ ฉันจะอธิบายอย่างรวดเร็วว่ากริดสามารถล้มเหลวได้อย่างไร แล้วแสดงให้คุณเห็นว่าฉันวัดความถี่อย่างไร

ขั้นตอนที่ 1: ทำไมต้องกังวล

โครงข่ายไฟฟ้าอาจล้มเหลวได้เนื่องจากหลายปัจจัย หนึ่งในนั้นคือโหลดลดลงอย่างกะทันหัน ฉันจะพยายามอธิบายในวิธีที่ง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้บุคคลที่ไม่มีพื้นฐานทางไฟฟ้าสามารถเข้าใจได้

ความถี่คืออะไร? คือจำนวนครั้งที่คลื่น AC เกิดซ้ำในหนึ่งวินาที ความถี่ในอินเดียคือ 50Hz ซึ่งหมายความว่าคลื่น AC ซ้ำ 50 ครั้งในหนึ่งวินาที

ในโรงไฟฟ้าทุกแห่ง มีกังหันซึ่งเป็นอุปกรณ์กลไกแบบหมุนที่ดึงพลังงานจากการไหลของของเหลว (ไอน้ำ น้ำ ก๊าซ ฯลฯ) และแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์ (พลังงานกล) กังหันนี้เชื่อมต่อ (ควบคู่) กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะแปลงพลังงานกลนี้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่เราได้รับที่บ้านของเรา

ให้เราพิจารณาโรงไฟฟ้าไอน้ำสำหรับคำอธิบายนี้ ที่นี่ใช้ไอน้ำแรงดันสูงหมุนกังหันซึ่งจะหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้น ฉันจะไม่พูดถึงวิธีการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แต่จำไว้ว่าความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับความเร็วที่เครื่องกำเนิดกำลังหมุน ถ้าความเร็วเพิ่มขึ้น ความถี่จะเพิ่มขึ้น และในทางกลับกัน สมมติว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไม่ได้เชื่อมต่อกับโหลดใดๆ เครื่องกำเนิดถูกเพิ่มความเร็วโดยการเพิ่มอินพุตไอน้ำไปยังกังหันจนกระทั่งความถี่กลายเป็น 50Hz เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพร้อมที่จะส่งมอบพลังงานแล้ว ทันทีที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชื่อมต่อกับโหลด (หรือกริด) กระแสจะเริ่มไหลผ่านขดลวดและความเร็วจะลดลงและความถี่ แต่ตามมาตรฐานข้อบังคับ ความถี่ควรอยู่ภายในย่านความถี่เฉพาะ ในอินเดีย +/- 3% เช่น 48.5Hz ถึง 51.5Hz ตอนนี้ เพื่อชดเชยความถี่ที่ลดลงเนื่องจากความเร็วที่ลดลง การป้อนไอน้ำจะเพิ่มขึ้นจนกว่าความถี่จะกลายเป็น 50Hz อีกครั้ง กระบวนการนี้ดำเนินต่อไป โหลดเพิ่มขึ้น ความเร็วลดลง ความถี่ลดลง ไอน้ำเข้าเพิ่มขึ้น และเครื่องกำเนิดความเร็ว ทั้งหมดนี้ทำโดยอัตโนมัติโดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า Governor มันตรวจสอบความเร็ว (หรือความถี่) ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและปรับอินพุตไอน้ำให้เหมาะสม เนื่องจากชิ้นส่วนส่วนใหญ่เป็นกลไก จึงต้องใช้เวลาไม่กี่วินาที (เช่น ค่าคงที่เวลาสูง) เพื่อให้การเปลี่ยนแปลงมีผล

ตอนนี้ ให้เราพิจารณาว่าโหลดทั้งหมดบนเครื่องกำเนิดจะถูกลบออกทันที เครื่องกำเนิดมีความเร็วเหนือความเร็วปกติ เนื่องจากก่อนหน้านี้เราได้เพิ่มปริมาณไอน้ำเข้าเพื่อชดเชยภาระที่เพิ่มขึ้น ก่อนที่ผู้ว่าการจะตรวจจับและเปลี่ยนอินพุตไอน้ำ เครื่องกำเนิดจะเร่งความเร็วได้เร็วจนความถี่เกินขีดจำกัดบน เนื่องจากสิ่งนี้ไม่อนุญาตตามมาตรฐานข้อบังคับ เครื่องกำเนิดจะตัดการเชื่อมต่อ (หรือถูกตัดการเชื่อมต่อ) จากกริดเนื่องจากความถี่เกิน

ในอินเดีย เรามี One Nation - One Grid ซึ่งหมายความว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมดในอินเดียเชื่อมต่อกับกริดเดียว ซึ่งช่วยในการส่งพลังงานไปยังส่วนใดส่วนหนึ่งของประเทศ แต่มีข้อเสียอยู่อย่างหนึ่ง ความผิดพลาดครั้งใหญ่ในส่วนใดส่วนหนึ่งของประเทศสามารถแพร่กระจายอย่างรวดเร็วไปยังส่วนอื่น ๆ ซึ่งส่งผลให้เกิดการสะดุดของกริดทั้งหมด ดังนั้นทั้งประเทศจึงไม่มีอำนาจ!

ขั้นตอนที่ 2: แผน

แผนคือการวัดความถี่ของแรงดันไฟฟ้าในช่วงเวลาที่กำหนด

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบแตะกลางใช้เพื่อลดระดับ 230V AC เป็น 15V AC

โมดูล RTC ให้เวลาจริง

ทั้งข้อมูล (เวลาและความถี่) จะถูกเก็บไว้ในการ์ด Micro SD ในไฟล์สองไฟล์แยกกัน หลังจากการทดสอบสิ้นสุดลง ข้อมูลสามารถนำเข้าไปยังแผ่นงาน Excel เพื่อสร้างกราฟได้

จะใช้จอ LCD เพื่อแสดงความถี่

ระวัง! คุณจะต้องรับมือกับแรงดันไฟ AC Mains ที่ร้ายแรง ดำเนินการเฉพาะเมื่อคุณรู้ว่าคุณกำลังทำอะไรอยู่ การไฟฟ้าไม่ให้โอกาสครั้งที่สอง

ขั้นตอนที่ 3: สิ่งที่คุณต้องการ

1x Arduino นาโน

1x 16x2 LCD แสดงผล

1x DS3231 โมดูลนาฬิกาเวลาจริง

1x โมดูลการ์ด Micro SD

1x Center Tapped Transformer (15V-0-15V)

ตัวต้านทาน 2x 10k

ตัวต้านทาน 1x 1k

ตัวต้านทาน 1x39k

1x 2N2222A ทรานซิสเตอร์ NPN

1x 1N4007 ไดโอด

ขั้นตอนที่ 4: รวบรวมสิ่งต่าง ๆ เข้าด้วยกัน

แผนผังสำหรับบิลด์ถูกแนบไว้ที่นี่ ฉันจะสร้างมันบนเขียงหั่นขนม แต่คุณสามารถทำให้มันถาวรมากขึ้นโดยใช้ perfboard หรือสร้าง PCB แบบกำหนดเอง

การเลือกค่าที่ถูกต้องของ 'R3' สำหรับหม้อแปลงของคุณ:

R3 และ R4 สร้างตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าและเลือกค่าเพื่อให้จุดสูงสุดของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับไม่เกิน 5V ดังนั้น หากคุณกำลังวางแผนที่จะใช้หม้อแปลงอื่นที่มีเรตติ้งต่างกัน คุณต้องเปลี่ยน R3 ด้วย โปรดจำไว้ว่าพิกัดแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดบนหม้อแปลงอยู่ใน RMS ในกรณีของฉันคือ 15-0-15

ใช้มัลติมิเตอร์เพื่อตรวจสอบ แรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ส่วนใหญ่จะมากกว่า 15V ในกรณีของฉันคือประมาณ 17.5V ค่าสูงสุดจะเป็น 17.5 x sqrt(2) = 24.74V แรงดันไฟฟ้านี้สูงกว่าแรงดัน Gate-Emitter สูงสุด (6V) ของทรานซิสเตอร์ 2N2222A เราสามารถคำนวณค่าของ R3 โดยใช้สูตรตัวแบ่งแรงดันที่แสดงในภาพด้านบน

การเชื่อมต่อสำหรับโมดูลการ์ด SD:

โมดูลนี้ใช้ SPI เพื่อการสื่อสาร

• MISO ถึง D12
• MOSI เป็น D11
• SCK ถึง D13
• CS/SS ถึง D10 (คุณสามารถใช้พินใดก็ได้สำหรับการเลือกชิป)

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการ์ด SD ได้รับการฟอร์แมตเป็น FAT ก่อน

การเชื่อมต่อสำหรับโมดูล RTC

โมดูลนี้ใช้ I2C สำหรับการสื่อสาร

• SDA เป็น A4
• SCL ถึง A5

การเชื่อมต่อสำหรับจอ LCD

• RST เป็น D9
• EN ถึง D8
• D4 ถึง D7
• D5 ถึง D6
• D6 ถึง D5
• D7 ถึง D4
• R/W เป็น GND

ขั้นตอนที่ 5: เวลาสำหรับการเข้ารหัส

ได้แนบรหัสไว้ที่นี่ ดาวน์โหลดและเปิดโดยใช้ Arduino IDE ก่อนอัปโหลด ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณติดตั้ง DS3231 Library แล้ว ฉันพบข้อมูลที่เป็นประโยชน์ในเว็บไซต์นี้

การตั้งค่า RTC:

1. ใส่แบตเตอรี่เซลล์แบบเหรียญชนิด 2032
2. เปิด DS3231_Serial_Easy จากตัวอย่างตามที่แสดง
3. ยกเลิกการใส่เครื่องหมาย 3 บรรทัด แล้วป้อนเวลาและวันที่ตามภาพ
4. อัปโหลดภาพร่างไปยัง Arduino และเปิดจอภาพแบบอนุกรม ตั้งค่าอัตราบอดเป็น 115200 คุณควรจะเห็นเวลาที่รีเฟรชทุกๆ 1 วินาที
5. ตอนนี้ ถอดปลั๊ก Arduino แล้วเสียบใหม่อีกครั้งหลังจากผ่านไปไม่กี่วินาที ดูจอภาพแบบอนุกรม ควรแสดงตามเวลาจริง

เสร็จแล้ว! RTC ได้รับการจัดตั้งขึ้น ขั้นตอนนี้ต้องทำเพียงครั้งเดียวเพื่อตั้งวันที่และเวลา

ขั้นตอนที่ 6: การประมวลผลข้อมูล

เมื่อการทดสอบเสร็จสิ้น ให้ถอดการ์ด micro SD ออกจากโมดูลและเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ของคุณโดยใช้เครื่องอ่านการ์ด จะมีไฟล์ข้อความสองไฟล์ชื่อ FREQ.txt และ TIME.txt

คัดลอกเนื้อหาจากไฟล์เหล่านี้แล้ววางลงในแผ่นงาน Excel ในสองคอลัมน์แยกกัน (เวลาและความถี่)

คลิกที่แทรก>แผนภูมิ Excel ควรตรวจสอบข้อมูลบนแผ่นงานโดยอัตโนมัติและลงจุดกราฟ

เพิ่มความละเอียดของแกนตั้งเพื่อให้มองเห็นความผันผวนได้ชัดเจน ใน Google ชีต ให้ปรับแต่ง>แกนแนวตั้ง>ขั้นต่ำ = 49.5 และสูงสุด = 50.5

ขั้นตอนที่ 7: ผลลัพธ์

เราเห็นได้ชัดเจนว่าความถี่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเนื่องจากการโหลดจะถูกตัดออกประมาณ 21.00 น. (21:00 น.) และความถี่ลดลงประมาณ 21:10 น. (21:10) เมื่อเปิดโหลดอีกครั้ง ไม่เป็นอันตรายต่อกริดเนื่องจากความถี่อยู่ในแถบพิกัดความเผื่อ (+/- 3%) เช่น 48.5Hz ถึง 51.5Hz

ทวีตจากรัฐมนตรีว่าการกระทรวงการต่างประเทศในรัฐบาลอินเดีย คุณ RK Singh ยืนยันว่าผลลัพธ์ที่ฉันได้รับค่อนข้างแม่นยำ

ขอบคุณที่ติดตามจนจบ หวังว่าทุกคนจะรักโครงการนี้และได้เรียนรู้สิ่งใหม่ในวันนี้ แจ้งให้เราทราบหากคุณสร้างมันขึ้นมาเอง สมัครสมาชิกช่อง YouTube ของฉันสำหรับโครงการดังกล่าวเพิ่มเติม