Đo tần số nguồn bằng Arduino: 7 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Vào ngày 3 tháng 4, Thủ tướng Ấn Độ, Shri. Narendra Modi đã kêu gọi người Ấn Độ tắt đèn và thắp đèn (Diya) vào lúc 9 giờ tối ngày 5 tháng 4 để đánh dấu cuộc chiến chống lại Virus Corona của Ấn Độ. Ngay sau khi thông báo được công bố, đã có sự hỗn loạn lớn trên mạng xã hội khi nói rằng điều này sẽ dẫn đến mất điện hoàn toàn do lưới điện bị hỏng.

Tôi, là một sinh viên kỹ thuật điện, muốn xem tác dụng của việc giảm tải đột ngột trên lưới điện. Một trong những tham số bị ảnh hưởng là Tần suất. Vì vậy, tôi quyết định làm một thiết bị đo tần số điện áp từ ổ cắm điện trong nhà. Xin lưu ý rằng đối với thử nghiệm nhỏ này, độ chính xác của giá trị đo được không quan trọng vì tôi chỉ muốn quan sát những thay đổi trong tần số.

Trong phần Có thể hướng dẫn này, tôi sẽ giải thích nhanh cách lưới có thể bị lỗi và sau đó chỉ cho bạn cách tôi đo tần số.

Bước 1: Tại sao phải lo lắng?

Lưới điện có thể bị hỏng do nhiều yếu tố, một trong số đó là sự giảm tải đột ngột. Tôi sẽ cố gắng giải thích nó theo cách đơn giản nhất có thể để một người không có kiến thức về điện cũng có thể hiểu được.

Tần số là gì? Đó là số lần sóng AC lặp lại trong một giây. Tần số ở Ấn Độ là 50Hz có nghĩa là một sóng AC được lặp lại 50 lần trong một giây.

Trong bất kỳ nhà máy điện nào, đều có một tuabin là một thiết bị cơ học quay để lấy năng lượng từ dòng chất lỏng (hơi, nước, khí, v.v.) và chuyển nó thành công hữu ích (cơ năng). Tuabin này được kết nối (ghép nối) với máy phát điện. Sau đó, một máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ học này thành năng lượng điện mà chúng ta nhận được ở nhà của mình.

Chúng ta hãy xem xét một nhà máy điện hơi nước để giải thích điều này. Tại đây, hơi nước áp suất cao được sử dụng để làm quay tuabin, từ đó làm quay máy phát điện và điện được tạo ra. Tôi sẽ không thảo luận về cách máy phát điện hoạt động mà chỉ cần nhớ rằng tần số của điện áp được tạo ra có liên quan trực tiếp đến tốc độ quay của máy phát điện. Nếu tốc độ tăng, tần số tăng và ngược lại. Giả sử rằng máy phát điện không được kết nối với bất kỳ tải nào. Máy phát điện được đưa đến tốc độ bằng cách tăng đầu vào hơi nước vào tuabin cho đến khi tần số trở thành 50Hz. Máy phát điện hiện đã sẵn sàng cung cấp điện. Ngay sau khi máy phát được kết nối với tải (hoặc lưới), dòng điện bắt đầu chạy qua cuộn dây của nó và tốc độ của nó giảm và do đó tần số. Nhưng theo tiêu chuẩn quy định, tần số phải nằm trong một dải tần cụ thể. Ở Ấn Độ, nó là +/- 3%, tức là 48,5Hz đến 51,5Hz. Bây giờ, để bù cho tần số bị giảm do tốc độ giảm, đầu vào hơi được tăng cho đến khi tần số trở lại 50Hz. Quá trình này tiếp tục. Tải tăng, tốc độ giảm, tần số giảm, đầu vào hơi tăng và máy phát điện được đưa đến tốc độ. Tất cả điều này được thực hiện tự động bằng cách sử dụng một thiết bị có tên là Governor. Nó giám sát tốc độ (hoặc tần số) của máy phát điện và điều chỉnh đầu vào hơi nước cho phù hợp. Vì hầu hết các bộ phận là cơ khí nên mất vài giây (tức là thời gian không đổi) để các thay đổi có hiệu lực.

Bây giờ, chúng ta hãy xem xét rằng toàn bộ tải trên máy phát điện đột ngột bị loại bỏ. Máy phát điện tăng tốc trên tốc độ bình thường vì trước đó chúng tôi đã tăng lượng hơi nước đầu vào để bù lại lượng tải tăng lên. Trước khi bộ điều khiển có thể cảm nhận và thay đổi đầu vào hơi nước, máy phát tăng tốc độ nhanh đến mức tần số vượt qua giới hạn trên của nó. Vì điều này không được phép theo các tiêu chuẩn quy định, các máy phát điện chạy (hoặc bị ngắt kết nối) khỏi lưới điện do tần số quá cao.

Ở Ấn Độ, chúng tôi có One Nation - One Grid, nghĩa là tất cả các máy phát điện ở Ấn Độ đều được kết nối với một lưới điện duy nhất. Điều này giúp gửi điện đến bất kỳ vùng nào của đất nước. Nhưng có một nhược điểm. Một lỗi lớn ở bất kỳ phần nào của đất nước có thể lan nhanh sang các phần khác dẫn đến sự cố toàn bộ lưới điện. Như vậy, cả một đất nước không còn quyền lực!

Bước 2: Kế hoạch

Kế hoạch là đo tần số của điện áp trong những khoảng thời gian xác định.

Một máy biến áp điều chỉnh trung tâm được sử dụng để giảm 230V AC xuống 15V AC.

Mô-đun RTC cung cấp thời gian thực tế.

Sau đó, cả dữ liệu (Thời gian và Tần suất) được lưu trữ trong thẻ Micro SD thành hai tệp riêng biệt. Sau khi thử nghiệm kết thúc, dữ liệu có thể được nhập vào trang tính Excel để tạo biểu đồ.

Màn hình LCD sẽ được sử dụng để hiển thị tần số.

Hãy coi chừng! Bạn sẽ phải đối phó với điện áp nguồn AC nghiêm trọng. Chỉ tiến hành nếu bạn biết mình đang làm gì. Điện không cho cơ hội thứ hai

Bước 3: Những thứ bạn sẽ cần

1x Arduino Nano

Màn hình LCD 1x 16x2

1x Mô-đun đồng hồ thời gian thực DS3231

1x Mô-đun thẻ Micro SD

1x Máy biến áp khai thác trung tâm (15V-0-15V)

Điện trở 2x 10k

Điện trở 1x 1k

Điện trở 1x 39k

1x bóng bán dẫn NPN 2N2222A

1x 1N4007 Diode

Bước 4: Kết hợp mọi thứ lại với nhau

Sơ đồ cho bản dựng được đính kèm ở đây. Tôi sẽ xây dựng nó trên breadboard nhưng bạn có thể làm cho nó lâu dài hơn bằng cách sử dụng perfboard hoặc tạo PCB tùy chỉnh.

Chọn giá trị chính xác của 'R3' cho máy biến áp của bạn:

R3 và R4 tạo thành một bộ phân áp và các giá trị được chọn sao cho đỉnh của điện áp xoay chiều không vượt quá 5V. Vì vậy, nếu bạn đang có ý định sử dụng một máy biến áp khác có xếp hạng khác, thì bạn cũng phải thay đổi R3. Hãy nhớ rằng xếp hạng điện áp được đưa ra trên máy biến áp là RMS. Trong trường hợp của tôi, nó là 15-0-15.

Sử dụng đồng hồ vạn năng để xác minh nó. Điện áp đo được chủ yếu sẽ lớn hơn 15V. Trong trường hợp của tôi, nó là khoảng 17,5V. Giá trị đỉnh sẽ là 17,5 x sqrt (2) = 24,74V. Điện áp này cao hơn điện áp Gate-Emitter tối đa (6V) của Transistor 2N2222A. Chúng ta có thể tính toán giá trị của R3 bằng cách sử dụng công thức phân áp được hiển thị trong hình trên.

Kết nối cho Mô-đun thẻ SD:

Mô-đun sử dụng SPI để giao tiếp.

• MISO đến D12
• MOSI đến D11
• SCK đến D13
• CS / SS đến D10 (Bạn có thể sử dụng bất kỳ chân nào để chọn chip)

Đảm bảo rằng thẻ SD đầu tiên được định dạng là FAT.

Kết nối cho Mô-đun RTC

Mô-đun này sử dụng I2C để giao tiếp.

• SDA sang A4
• SCL đến A5

Kết nối cho màn hình LCD

• RST đến D9
• EN đến D8
• D4 đến D7
• D5 đến D6
• D6 đến D5
• D7 đến D4
• R / W sang GND

Bước 5: Thời gian để mã hóa

Mã đã được đính kèm ở đây. Tải xuống và mở nó bằng Arduino IDE. Trước khi tải lên, hãy đảm bảo bạn cài đặt Thư viện DS3231. Tôi tìm thấy một số thông tin hữu ích trên trang web này.

Thiết lập RTC:

1. Lắp pin đồng xu loại 2032.
2. Mở DS3231_Serial_Easy từ các ví dụ như được hiển thị.
3. Bỏ ghi chú 3 dòng và nhập ngày giờ như trong hình.
4. Tải bản phác thảo lên Arduino và mở màn hình nối tiếp. Đặt tốc độ truyền thành 115200. Bạn sẽ có thể xem thời gian liên tục làm mới sau mỗi 1 giây.
5. Bây giờ, rút phích cắm Arduino và cắm lại sau vài giây. Nhìn vào màn hình nối tiếp. Nó sẽ hiển thị thời gian thực.

Xong! RTC đã được thiết lập. Bước này chỉ được thực hiện một lần để đặt ngày và giờ.

Bước 6: Xử lý dữ liệu

Khi quá trình kiểm tra kết thúc, hãy tháo thẻ micro SD khỏi mô-đun và kết nối nó với máy tính của bạn bằng đầu đọc thẻ. Sẽ có hai tệp văn bản được đặt tên là FREQ.txt và TIME.txt.

Sao chép nội dung từ các tệp này và dán vào trang tính excel theo hai cột riêng biệt (Thời gian và Tần suất).

Nhấp vào Chèn> Biểu đồ. Excel sẽ tự động kiểm tra dữ liệu trên trang tính và vẽ biểu đồ.

Tăng độ phân giải của trục tung để có thể nhìn thấy rõ ràng các dao động. Trong Google Trang tính, Tùy chỉnh> Trục dọc> Tối thiểu = 49,5 và Max. = 50,5

Bước 7: Kết quả

Chúng ta có thể thấy rõ tần suất tăng nhẹ khi tải bị cắt vào khoảng 9:00 tối (21:00) và giảm tần suất vào khoảng 9:10 tối (21:10) khi tải được bật trở lại. Không gây hại cho lưới điện vì tần số nằm trong dải dung sai (+/- 3%), tức là 48,5Hz đến 51,5Hz.

Một tweet từ Bộ trưởng Bộ Ngoại giao trong Chính phủ Ấn Độ, ông R K Singh xác nhận rằng kết quả mà tôi nhận được là khá chính xác.

Cảm ơn bạn đã gắn bó đến cuối cùng. Hy vọng tất cả các bạn yêu thích dự án này và học được điều gì đó mới ngày hôm nay. Hãy cho tôi biết nếu bạn làm một cái cho chính mình. Đăng ký kênh YouTube của tôi để biết thêm các dự án như vậy.