Дисплей для отображения частоты сети электропитания

Дисплей для отображения частоты сети электропитания

Каравкин В.
Прибор предназначен для постоянного измерения параметров электрической сети, — частоты и напряжения, с отображением результатов на двухстрочном жидкокристаллическом дисплее. Прибор очень прост в изготовлении, благодаря применению готового модуля -ARDUINO UNO. Индикатором служит ЖК-дисплей типа 1602А, он стандартный, на основе контроллера HD44780. Обозначение 1602А фактически значит, что он на две строки по 16 символов в строке. Основой прибора служит ARDUINO UNO, это относительно недорогой готовый модуль, — небольшая печатная плата, на которой расположен микроконтроллер ATMEGA328, а так же вся его «обвязка», необходимая для его работы, включая USB-программатор и источник питания.


Прибор питается от электросети и измеряет вышеуказанные параметры. Источник питания одновременно служит и датчиком для получения данных о частоте и напряжении в электросети. Источник питания сделан на основе маломощного готового трансформатора Т1, у которого есть две одинаковые обмотки по 9V переменного напряжения каждая. Одна обмотка служит для получения напряжения питания. Переменное напряжение с неё поступает на выпрямительный мост на диодах VD1-VD4. Конденсатор СЗ сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. На СЗ получается постоянное напряжение около 12V, которое поступает на разъем для подачи питания на плату ARDUINO UNO, на вход имеющегося на этой плате стабилизатора напряжения 5V, которым и питается вся плата и индикатор Н1.
Другая вторичная обмотка трансформатора служит датчиком измерения параметров электросети. Переменное напряжение с неё через R1 поступает на формирователь импульсов с частотой электросети, выполненный на транзисторе VT1 по схеме ключа. Эти импульсы поступают на цифровой порт D10 платы ARDUINO UNO. Переменное напряжение сети измеряется при помощи выпрямителя на диоде VD5 и конденсаторе С2. Величина переменного напряжения в сети определяется по величине постоянного напряжения на этом конденсаторе и через настраиваемый делитель на резисторах R4 и R5 поступает на аналоговый вход А1 платы ARDUINO UNO.
Программа на C++ с подробными комментариями приведена в таблице 1.

Для измерения частоты используется функция pulseIn , которая измеряет в микросекундах длительность положительного либо отрицательного перепада входного импульса. Так что, для того чтобы узнать период нужно сложить длительность положительного и отрицательного полупериодов, а чтобы узнать частоту в герцах нужно 1000000 разделить на вычисленный период.
Измерение длительности периода состоит из двух частей, сначала измеряются длительности положительной и отрицательной полуволны в строках:
Htime=pulseIn(10,HIGH); Ltime=pulseIn(10,LOW);
Затем, происходит вычисление полного периода в строке:
Ttime=Htime+Ltime;
И потом, вычисление частоты в строке:
frequency=1000000/Ttime;
Действие программы по измерению напряжения основано на чтении данных с аналогового входа и расчета результата измерения.
Выход аналогового порта преобразуется АЦП микроконтроллера в цифровую форму. Для получения результата в единицах вольт, нужно его умножить на 5 (на опорное напряжение, то есть, на напряжение питания микроконтроллера) и разделить на 1024.
Для того чтобы можно было измерять напряжение более 5V, вернее, более напряжения питания микроконтроллера, потому что реальное напряжение на выходе 5-вольтового стабилизатора на
плате ARDUINO UNO может отличаться от 5V, и обычно немного ниже, нужно на входе применить обычные резистивные делители.
Здесь это делитель напряжения на резисторах R5 и R4. К тому же играет роль и применение трансформатора, а так же отличие значение постоянного напряжения от переменного. Поэтому добавляется исходный коэффициент деления величиной 0,016.
Чтение данных с аналогового порта происходит в строке:
vout=analogRead(analogInput);
Затем, производится вычисление фактического напряжения с учетом коэффициента деления делителя входного напряжения:
volt=vout*5.0/1024.0/0. 016;
В этой строке число 5.0 — это напряжение на выходе стабилизатора платы ARDUINO UNO. В идеале должно быть 5V, но для точной работы вольтметра это напряжение нужно предварительно измерить. Подключите источник питания напряжением 12V и измерьте достаточно точным вольтметром напряжение +5V на разъеме POWER платы. Что будет, то и вводите в эту строку вместо 5.0, например, если будет 4.85V, строка будет выглядеть так:
volt=vout*4.85/1024.0/0. 016;
Затем, результаты измерений выводятся на ЖК-дисплей. Напряжение вносится в первую строку дисплея, а частота во вторую. Единицы измерения указаны как «V» и «Hz».
Что касается измерения частоты, — налаживание не требуется вообще.
А вот для измерения напряжения нужно откалибровать прибор по образцовому подстройкой резистора R5.
PK 10-2017

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Дисплей для отображения частоты сети электропитания

Идея проекта

Я давно планировал сделать нечто подобное. Идея состоит в том, чтобы на дисплее отобразить частоту сети электропитания. Значение частоты должно быть 50 Гц, однако на самом деле частота колеблется вокруг этого значения в результате изменения питания и энергопотребления.

Если частота падает, то это происходит из-за повышения энергопотребления и/или падения питания. Поэтому генераторы должны работать больше. Это немного снижает их скорость и системам управления необходимо некоторое время, чтобы поднять скорость назад.

Если частота поднимается, то это происходит из-за снижения энергопотребления и/или получения дополнительного питания. Поэтому генераторы должны работать меньше. Это немного увеличивает их скорость и системам управления необходимо некоторое время, чтобы снизить скорость назад.

В связи с этим частота постоянно то увеличивается, то уменьшается. Вы можете посмотреть график в реальном режиме времени последних 60 минут на веб-сайте государственной энергетической системы, и эту же информацию в аналоговом виде на веб-сайте динамического запроса.

Я захотел сделать дисплей, который будет отображать частоту сети электропитания до 3-х цифр после точки. Я буду использовать те же семисегментные дисплейные модули, как и для моих UNIX часов. Поэтому все, что мне нужно сделать, так это разработать схему, которая будет контролировать частоту.

Как контролировать частоту

Существует несколько способов как это сделать. Я выбрал следующий: необходимо подсчитать фиксированное число периодов частоты электропитания и время, в течение которого выполнялся подсчет.

Вот чертеж этой идеи: Синусоидальные колебания отображают сигнал сети электропитания. Высокочастотный сигнал идет параллельно и используется в качестве счетчика. Подсчитанное число после фиксированного количества циклов обратно пропорционально частоте.

Концепция измерения изменяющегося сигнала низкой частоты.

Например, если частота имела точное значение 50.000 Гц, я насчитал 200 периодов, на что потребовалось ровно 4 секунды. Если значение частоты равнялось 50.001 Гц, 200 периодам потребуется только 3.99992 секунд.

Но это совсем небольшая разница! Для точного определения времени необходимо использовать высокостабильный источник временных интервалов. RC-генератор в микроконтроллере не может это сделать. Я буду использовать микроконтроллер ATTINY84, который имеет погрешность только +/- 10%, или +/- 1% после пользовательской калибровки. Также я не могу использовать внешний кварцевый резонатор, не заплатив за высокостабильный резонатор МНОГО денег.

К счастью, есть один класс дешевых (очень дешевых) ИС, которые имеют высокоточные, и высокостабильные встроенные генераторы, и это генераторы импульсов времени. Часы реального времени – интегральная схема DS3231, которую я также использовал в UNIX часах, имеет на выходе частоту 32.768 кГц с погрешностью +/- 2 ppm (миллионная часть). Подсчитывая импульсы таким способом, я смогу очень точно определить время.

Математические вычисления

После небольших математических вычислений я смог выполнить расчет для 100 циклов питания (2 секунды на 50 Гц) и получить необходимую точность.

Формула для преобразования количества циклов в частоту сети электропитания имеет следующий вид:


где N подсчитанное число циклов электропитания и C подсчитанное число циклов на частоте 32768 Гц.

Я преобразовал формулу, добавив множитель 1000x, чтобы использовать только целые числа, поэтому 50.000 Гц будет действительно храниться как 50000. Это намного лучше для выполнения на микроконтроллере.

Поскольку мы используем целочисленные вычисления, то нам необходимо выполнять округление значений. Поэтому окончательная формула выглядит следующим образом:

Например, подсчитанное число 65724 будет равняться частоте 49.857 Гц, хранимой как значение 49857. Подсчитанное число 65723 будет равняться частоте 49.858 Гц, хранимой как значение 49858.

Следовательно, изменение одного числа представляет изменение одной значащей цифры (пересчитанной частоты). Это как раз то, что я и хотел получить.

Значение частоты передается напрямую на дисплей. Отображаемая на дисплее частота обновляется каждые две секунды.

На плате управления также установлены два светодиода для отображения изменения частоты: выше/ниже. Частота сохраняется в кольцевом буфере один раз в минуту. Скользящее среднее значение вычисляется за десять минут и разница между первым и последним значением используется для вычисления тренда. Разница более чем +/- 0.02 Гц считается существенным трендом.

Чтобы найти “наилучший” алгоритм для этого, данные государственной электроэнергетической системы, отображаемые в режиме реального времени, анализировались модулем, использующим библиотеку Python Beautiful Soup. Я только экспериментировал с различными приближенными оценками, пока не получил правильный результат.

Собираем все вместе

Перед разработкой окончательного варианта схемы я проверил код на Arduino с оптоизолированным входом сети электропитания. Электронный проект позаимствован из множества моих предыдущих работ. В него входит:

  • Входное устройство частоты сети из моего проекта Счетчик безопасных дней.
    • (Он срезает AC сигнал напряжением 9 В (от небольшого трансформаторного блока питания) до 5 В шин питания)
  • Соединение дисплея и часов реального времени DS3231 из UNIX часов.
  • Стандартный микроконтроллер ATTINY84 от хост-машины других проектов.
Читайте также  Как рассчитать внутренний диаметр катушки с проводом?

Я смог уменьшить размер платы до размера семисегментного дисплея. Я заказал платы в компании Ragworm, и все заработали с первого раза.

Единственной модификацией, которую я сделал, так это добавил небольшой “радиатор” на стабилизатор питания 5 В. Входное питание для системы величиной 9 В AC подавалось от небольшого адаптера. Поскольку регулятор управляет всеми 5 дисплейными индикаторами, он рассеивает мощность 1 Ватт, хотя сам имеет довольно маленький корпус. Он сильно нагревается, поэтому я добавил радиатор, который сделан из большого количества припоя на кусочке платы. Немного кустарно, но этот радиатор помогает регулятору охлаждаться.

Печатная плата, светодиоды, микроконтроллер, источник питания и “радиатор”.

И наконец, я вырезал лазером корпус (практически это стандартно для каждого моего проекта). Это была адаптация корпуса от UNIX часов. Для светодиодов контроля тренда частоты я использовал восковой карандаш, который расплавил, а затем с помощью лазера выгравировал две стрелки. Получилось совсем неплохо. Думаю, что смогу использовать данную технику в своих будущих проектах.

Собранный дисплей, на котором в данный момент отображается “нисходящий” тренд частоты.

Как измерить напряжение и расход электроэнергии в доме при помощи смартфона

Современные технологии все больше проникают в нашу размеренную повседневную жизнь. При этом облегчается множество задач, на которые ранее нужно было затрачивать огромное количество ресурсов и времени.

Благодаря им, уже можно дистанционно узнавать о расходе электроэнергии в любой момент времени у себя дома, на даче, в квартире. При этом получать всю информацию о напряжении в розетках, подключенной мощности и ее характере. И все это при помощи обыкновенного смартфона.

Достаточно установить в своем распредщите анализатор качества и количества электроэнергии Wibeee и множество параметров электросети станут доступными вам в реальном времени дистанционно.

Измеряемые величины анализатором Wibeee:

    полная мощность. При этом он может раскладывать ее на активную и реактивную составляющие!

С помощью Wibeee вы сможете полностью проанализировать на что, как и в какие часы используется электричество у вас в квартире. А благодаря подключению через Wi-fi и облачному сервису, эта информация будет доступна в любой точке мира.

Все эти данные можно легко записать и хранить в памяти компьютера, облачного сервиса, а затем проанализировать. Доступ к ним обеспечивается через любой планшет, смартфон или ПК.

Для подключения устройства в отличии от других анализаторов не требуется прокладки новых проводов. Все что вам нужно это иметь устойчивый Wifi сигнал. Вы можете сравнивать свое потребление по графикам за разные месяца и сделав соответствующие выводы понять, где и сколько вы теряете и как можно на этом сэкономить электроэнергию.

Больше не нужно будет искать квитанции, перебирать счета и калькулятором скрупулезно высчитывать лишние киловатты. Все это будет у вас под рукой в любой момент времени.

Установка устройства wibeee очень проста и не требует отдельного места на динрейке в электрощите. Для этого даже может не потребоваться отключать напряжение.

    Открутите внешнюю защитную панель с электрощитка, чтобы обеспечить доступ к вводному автомату

Если ноль у вас жестко сидит на корпусе или шинке, а через автомат подключены только фазные проводники, то при таком подключении Wibeee работать не будет!

Далее нужно скачать приложение и установить его на ваш смартфон. Оно доступно как для андроид устройств так и для ios.

    для Android (открыть)

Пройти регистрацию устройства через интернет. После регистрации и окончательной настройки синий светодиод уже не будет моргать, а начнет светиться постоянно и вы начнете получать все данные электрических параметров вашей сети в режиме онлайн.

При этом можно подключать и регистрировать не одно, а несколько устройств Wibeee одновременно. Хоть на отдельные автоматические выключатели, хоть на отдельные объекты. Данный анализатор параметров электросети выпускается как в однофазном так и трехфазном исполнении.

Поэтому его можно использовать не только в домашних условиях, но и в коммерческих целях на промышленных объектах. Объединив отдельные анализаторы в целую сеть, можно создать что-то наподобие АСКУЭ. Всю собираемую информацию вы будете получать в режиме реального времени.

Каким образом Wibeee можно использовать еще в нашей повседневной жизни? Вот несколько примеров:

    находясь на работе или в любом другом месте вы дистанционно по расходу электроэнергии сможете узнать, не забыли ли вы выключить утюг, и стоит ли бежать домой чтобы это проверить.

Самые распространенные модели анализаторов Wibeee рассчитаны на ток до 70А и для их подключения требуется модульный автоматический выключатель на динрейку с максимальным током нагрузки 63А. Существуют также модели для промышленного использования на гораздо большие токи.

Технические параметры устройства Wibeee

    рабочее напряжение 85-265 Вольт

Вот так выглядит информация на дисплее которую передает устройство на ваш компьютер или смартфон:

    расход электроэнергии в текущем месяце и за предыдущий период

Анализатор Wibeee имеет очень гибкие настройки. Для повышения точности измерения напряжения, мощности и расхода энергии имеется функция корректировки.

Для этого нужно войти в панель устройства с правами администратора и ввести изменение в некоторых заводских установках. Вот что можно изменить:

    сечение кабеля через который подключен Wibeee. Если у вас кабель 10мм2, а в параметрах анализатора задан 16мм2, то это будет влиять на точность измерений.

В целом анализатор Wibeee это простой в подключении, относительно не дорогой по цене и очень современный девайс, которые способен значительно облегчить управление вашими счетами за электричество и поможет сэкономить время, нервы и не одну сотню киловатт.

Простое устройство мониторинга энергопотребления

Сейчас все больше и больше людей интересуются темой мониторинга потребляемого электричества.
В некоторых случаях эти знания имеют очень большое значение (например, для вашего загородного дома выделили 8кВт мощности и вам необходимо понять, насколько близко вы находитесь к разрешенному пределу и т.п.).
Есть уже готовые изделия, одно из них уже было героем обзора на Хабре.

Но мы не из тех, кто ищет легких путей и сделаем вот такое устройство:

В руки попал вот такой датчик:

Остальные компоненты будем использовать наиболее доступные и приоритет будем отдавать тем, что уже имеются в наличии.

Замечание: поскольку схема не слишком сложная, я ее целиком приводить не буду, а расскажу только о некоторых особенностях.
Ссылки на все полезные материалы и библиотеки, которые использовались при создании этого приборчика расположены в конце статьи.

Датчик, фото которого приведено выше — неинвазивный датчик тока (до 100А). Выход датчика — токовый.
Напрямую к аналоговому входу ардуинки этот датчик подключать нельзя (точнее можно, но пользы это не принесет никакой).
Чтобы получать адекватые значения измеряемой величины нам необходимо добавить несколько элементов и подключить датчик по следующей схеме:

Обоснование схемы и расчет номиналов элементов приводится по следующей ссылке.

Таким образом, значение тока сможем измерить, но наша цель — измерить потребляемую мощность.
Воспользуемся известной формулой: P=U*I.

И вроде бы как все значения в правой части известны. Но значение напряжения, к сожалению, может колебаться в достаточно больших пределах и по-хорошему следует еще и его измерять для получения более точных результатов.

Учитывая это замечание, сразу можно сказать, что прибор не будет отличаться большой точностью и скорее будет являться некоторым индикатором с возможностью оценки измеряемых значений, но с погрешностью, зависящей еще и от величины напряжения. В случае, если у вас установлен стабилизатор питания — эта погрешность уменьшается.

С подключением датчика разобрались, теперь нужно разобраться с остальными комплектующими.

От моих первых шагов по освоению ардуинки остались микросхема ATmega168 и ЖК-дисплей 12х2 с поддержкой кириллицы — их и будем использовать.

На этапе прототипирования выяснилось, что ATmega168 есть, а вот кварца с парой конденсаторов к нему — нет. Но, как все знают, атмега может спокойно работать на частоте 8МГц с внутренним осциллятором.

Этот режим работы совершенно нормальный, но точность внутреннего осциллятора невысока. Для создаваемого устройства это не критично.

Чтобы включить этот режим работы МК, необходимо поправить фьюзы. Фьюзы можно изменить с помощью среды Arduino, но делается это только в момент прошивки бутлоадера.

Составляющие успешной прошивки:

  1. Ардуинка с прошитым скетчем Arduino ISP
  2. Ардуинка с DIP-панелькой для «подопытного» МК (или беспаечная макетка, где собрана ардуинка с минимальным «обвесом»)
  3. Несколько проводков для соединения ардуинок (или ардуинки и макетки)
  4. Правильная запись для «новой платы» в файле boards.txt

atmega168ic8mhz.name=ATmega168 (internal clock 8MHz)

atmega168ic8mhz.upload.protocol=stk500
atmega168ic8mhz.upload.maximum_size=14336
atmega168ic8mhz.upload.speed=19200
atmega168ic8mhz.upload.using=arduino:arduinoisp

atmega168ic8mhz.bootloader.low_fuses=0xe2
atmega168ic8mhz.bootloader.high_fuses=0xdd
atmega168ic8mhz.bootloader.extended_fuses=0x00
atmega168ic8mhz.bootloader.path=arduino:atmega
atmega168ic8mhz.bootloader.file=ATmegaBOOT_168_pro_8MHz.hex
atmega168ic8mhz.bootloader.unlock_bits=0x3F
atmega168ic8mhz.bootloader.lock_bits=0x0F

atmega168ic8mhz.build.mcu=atmega168
atmega168ic8mhz.build.f_cpu=8000000L
atmega168ic8mhz.build.core=arduino:arduino
atmega168ic8mhz.build.variant=arduino:standard

Внимание, если у вас МК уже с ардуиновским бутлоадером, то обновлять бутлоадер нужно с использованием кварцевого резонатора.

Прошивка прошла успешно, МК заработал на внутреннем осцилляторе.

Теперь надо было подумать, как подключить дисплей и кнопки.

Задачка совсем несложная и можно подключить так, как делается во всех примерах (см.ссылки ниже).

Дисплей подключаем в 4-х битном режиме (для экономии используемых цифровых пинов).
Один из выводов дисплея отвечает за контрастность. Захотелось иметь возможность регулировать контрастность из скетча. Сказано-сделано: подключаем этот вывод к свободному пину с ШИМ (дополнительно ставим электролитический конденсатор на 10мкФ — для сглаживания).

Читайте также  Пульт для включения и выключения света

Поскольку планировалось использовать две кнопки, то самым простым решением было бы повесить каждую кнопку на свой цифровой пин и мониторить их состояние, но это как-то тривиально.

Решил задействовать для кнопок всего один пин (аналоговый).

Схема очень простая — кнопки включаются последовательно друг за другом, параллельно каждой кнопке — свой резистор. Последовательно этой конструкции — еще один резистор. Вся эта цепь включена между «землей» и «питанием». Таким образом получается делитель напряжения.

Особенность схемы (и подобранных резисторов) такова, что позволяет отслеживать нажатие любой из кнопок и «бонусом» — факт нажатия двух кнопок сразу, чем мы и воспользуемся при написании скетча.

Сначала собрал прототип на беспаечной макетной плате:

Написал небольшой скетч, который опрашивал датчик, производил необходимые вычисления и выводил данные на дисплей — все заработало так, как ожидалось.

Единственной неожиданностью оказалось то, что датчик, который не подключен к проводу, ток в котором хотим измерить, дает ненулевые значения — имеется небольшая «постоянная составляющая» (обусловлена неидеальностью элементов между датчиком и аналоговым входом МК). Поэтому решено в скетч добавить простенький механизм «автокалибровки» для ее устранения.

Теперь можно переходить к реализации «в железе».

Печатную плату ради одного устройства делать, имхо, нецелесообразно — решил все сделать на печатной макетной плате навесным монтажом.

Для прибора был приобретен корпус. Выбор был сделан «на глазок» (определяющим был размер дисплея и то, что рядом с ним должно быть две кнопки).

Фото некоторых комплектующих, которые использовались в последующих итерациях:

Для собственного удобства решил сделать устройство из двух плат.

На верхней расположил дисплей, кнопки, разъемы и большую часть «рассыпухи», отсносящуюся к дисплею и датчику.
На нижней плате — микросхема atmega168 в панельке, конденсаторы (по питанию) и разъем для подключения программатора. Эта плата получилась почти пустая.

Для соединения плат решил использовать штыревые разъемы:

Безусловно, все составляющие можно было разместить и на одной плате (микроконтроллер разместить под дисплеем), но не хотелось делать более плотный монтаж, да и оставить «резерв на развитие» — не лишнее (даже если и не понадобится).

«Бутерброд» в сборе:

Видно, что платы имеют «хитрую» конфигурацию — это для того, чтобы не нарушать внутреннее «убранство» приобретенного корпуса. Выступы в корпусе хорошо фиксируют «бутерброд» внутри и не дают свободно болтаться в корпусе.

На этом этапе проекта пришлось сильно думать, как же теперь разметить отверстия под дисплей, кнопки и разъемы, причем сделать это так, чтобы не пришлось делать фальш-панель?

Помогли направляющие и то, что платы были сделаны с минимальным зазором — люфт почти нулевой.

Разметку необходимых отверстий производил изнутри и использовал подручные средства.

Начал с кнопок: взял зубную пасту и намазал «верхушки» толкателей — после этого аккуратно вставил «бутерброд» в корпус по направляющим и добился отпечатка на внутренней стороне корпуса.
Дальше просверлил по полученным меткам отверстия сверлом нужного диаметра. И снова примерил плату — бинго! Кнопки оказались на своих местах.

Аналогично «измазал» рамку дисплея (он еще под упаковочной пленкой был) и повторил манипуляции. Результат можно видеть ниже.

Последняя «примерка», все выглядит сносно:

Сначала не планировал делать разъем для подключения программатора: думал, что сделаю аппаратную часть, напишу всю программную начинку, прошью и все соберу в корпусе, но оказалось, что вывести разъем достаточно просто и это удобнее, чем разбирать устройство для каждой корректировки ПО.

Программирование устройства с помощью программатора на FT232RL:

Прибор в сборе (правда, софт еще не дописан):

Демонстрация работы прибора и его основных возможностей (тут уже «финальная» версия софта):

Прошу прощения за качество — очень неудобно одной рукой держать «камеру», а другой — подключать, нажимать, включать кондиционер и т.п.

Архив со скетчем и необходимой библиотекой доступен по ссылке.

Список покупок

Привожу ссылки, где приобретал комплектующие. Безусловно, можно найти дешевле.

  • ATmega 168 — 145 руб.
  • Датчик тока — 529 руб.
  • Разъем jack 3.5мм — 79 руб. (в наборе три, нужен только один)
  • Резисторы и конденсаторы — 189 руб. (из набора нужно далеко не все)
  • Штыревые разъемы — 319 руб. (опять же из набора нужно далеко не все)
  • Гнездо питания — 20 руб.
  • ЖК-дисплей 16х2 (англо-русский) — 650 руб.
  • Кнопка тактовая (h=13мм) — 19 руб. (2 шт.)
  • Корпус — 88 руб.
  • Макетная плата — 870 руб. (нужна не вся)

Получается больше 2.5 тыс.руб.

Немало, но если брать только нужные элементы (а не наборы) и приобретать в «правильных» местах — можно будет существенно сэкономить (правда, ждать придется дольше).

Дополнительно была использована макетная плата, набор соединительных проводов, программатор, ардуинка (в роли ISP-программатора) и т.п. Поскольку эти вещи были ранее и используются в этом «проекте» только временно — не включил их в стоимость созданного устройства.

Еще нужен блок питания на 5В (стабилизированный) — его тоже не включил в стоимость, поскольку нашел у себя в залежах и даже не представляю, от какого устройства он остался.

В результате: создан еще один девайс, который позволяет вполне адекватно оценить текущее потребление электроэнергии.
Точность прибора невысока, но при включении электропотребителей с известными характеристиками (чайник, духовой шкаф, кондиционер, светильники и т.п.) — значения, выводимые на дисплей, достаточно точно соответствуют заявленным производителем (погрешность примерно на уровне 5-10%).
Устройство отслеживает как максимальные, так и минимальные значения электропотребления (ожидаемо, что самое низкое потребление зафиксированно в ночные часы и у меня составило 0.58кВт — компьютеры, сетевое хранилище, холодильник, всяческие зарядки и несколько устройств в режиме ожидания).

Когда видишь цифры текущего потребления — это заставляет задуматься об эффективности использования электроэнергии и сразу хочется выяснить, за счет чего можно их уменьшить.

Измерение качества электроэнергии

Анализатор качества напряжения HIOKI 3197

В этой статье я подробно расскажу, что такое качество напряжения, и как измерить его характеристики.

Что важно, это будет не теоретическая википедийная статья, а статья, максимально приближенная к реальной жизни.

Это будет возможно сделать благодаря моему партнерству с Инженерной Компанией «Энергопартнер», основная сфера деятельности которой – измерение всевозможных энергетических параметров, в том числе параметров качества электросетей. ИК «Энергопартнер» проводит измерения при помощи Анализатора качества электроэнергии HIOKI 3197.

Без Анализатора качества часто вообще непонятно, что происходит в сети – какие помехи, импульсные перенапряжения и провалы, коэффициент мощности cos φ, и так далее. Приходится действовать наугад, используя свой опыт и эксперименты. А с японцем HIOKI из Нагано всё ясно-понятно.

Если нет анализатора качества – в народе обычно ставят стабилизаторы, но они отнюдь не решают все проблемы, и там не так всё однозначно. Пишу об этом в статьях Про стабилизаторы.

Внешний вид анализатора качества

HIOKI 3197 имеет свой ЖК дисплей 240х320, может записывать данные, которые потом скидываются на компьютер. На компьютер ставится программа, в которой всё можно просматривать и анализировать, выложу скриншоты.

Анализатор качества электросети

В Hioki шунты выглядят так:

Клещи для измерения тока

Клеммы для измерения напряжения:

Клеммы для измерения напряжения

При помощи шунтов и клемм прибор получает полную картину того, что происходит в электросети.

Процесс измерения параметров качества электроэнергии в трехфазной сети

Теперь теория, тесно переплетающаяся с практикой.

Из чего сделана электроэнергия?

  • Генератор (источник) электроэнергии,
  • Линия электропередачи,
  • Нагрузка.

Нас, конечно же, интересует питание нагрузки. Итак, посмотрим, что мы можем измерить и посмотреть реально в питающей сети:

Напряжение

Это – самый важный параметр, определяющий в основном качество и характеристики всей энергосистемы. Будем рассматривать трехфазную систему, не смотря на то, что в быту мы привыкли к одной фазе.

Старый ГОСТ 13109-97 “Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения” гласил, что действующее (или среднеквадратическое, что для синуса одинаково) фазное напряжение в питающей сети должно составлять 220 ±10% = 198…242 В. Однако, новый ГОСТ 29322-2014 “Напряжения стандартные” “повысил” напряжение до 230 В ±10 % = 207…253 В.

При этом разрешено действие напряжения и 220, и 230 В (ГОСТ 29322-2014, Табл.1, Прим. а). Линейные напряжения (между фазами) будут соответственно 380 и 400 В.

И ещё дополнение. Согласно ГОСТу 13109-97 (п.5.2), есть нормально допустимое отклонение (±5%), а есть предельно допустимое (±10%) отклонение напряжения от номинального значения. Но этот ГОСТ с 2014 г. не действует.

Действует ГОСТ 32144-2013, согласно которому номинальное напряжение низковольтной сети – 220/380 В, а “положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10% номинального или согласованного значения напряжения в течение 100% времени интервала в одну неделю” (п.4.2.2).

Также действует ГОСТ Р 50571.5.53–2013, который говорит о номинале 220/380 В (Табл.53А).

Следовательно, поскольку эти ГОСТы действующие, можно сказать, что напряжение должно оставаться в пределах от 198 до 253 В. И понятия “нормальное” и “предельное” отклонение сейчас не используются.

Читайте также  Светодиодная лампа моргает при включенном свете причина

Что реально происходит в электросети, видно на экране анализатора качества электроэнергии Hioki 3197:

Линейные напряжения в трехфазной сети

Напряжение колеблется около среднего уровня 395 В с отклонением 2..3 В за период измерения около 12 минут. Судя по одинаковым провалам на всех фазах, где-то примерно каждые пол минуты на 5-10 секунд включается мощная трехфазная нагрузка. Что бы это могло быть?

Это линейные напряжения, фазные в солидных сетях не измеряются. Но если это нужно, можно легко перевести фазное в линейное напряжение и обратно, используя формулу:

Формула линейного напряжения, зависимость от фазного

Для понимания – Uл = 380 В, Uф = 220 В, а формула “наоборот” будет выглядеть так:

Формула зависимости фазного напряжения от линейного

График, приведенный выше, может записываться в память прибора и длиться до нескольких дней. Таким образом можно проанализировать, как меняется напряжение в течение суток, и подобрать стабилизатор, либо вообще его не ставить.

Кроме того (что очень важно!), можно зафиксировать и посмотреть все “артефакты” на напряжении. Например, скачки напряжения, провалы, пусковые токи, и т.д. Пороги событий устанавливаются в настройках.

Пример экрана, на котором отображены события:

События и деталировка на экране анализатора качества

Когда-то в детстве отец мне купил мой первый тестер – ТЛ-4М, за 40 рублей. Я мерил всё подряд, пока мою голову не посетила “гениальная” идея – измерить ток в розетке. Включил максимальный предел – 3 А, и…

В итоге – выбило пробки, в тестере сгорел шунт, а я понял – что ток измеряется всегда только ЧЕРЕЗ нагрузку. С тех пор средства измерения тока сильно шагнули вперед, и для этого используются только токовые клещи (трансформаторный метод), шунты практически не применяются.

Ток, точнее, его значение, форма и составляющие, значительно зависит от нагрузки. Например, вот как выглядит форма напряжения и тока при работе диммера:

Напряжение в сети и ток ЧЕРЕЗ диммер

Естественно, присутствуют гармоники тока и напряжения, которыми определяется форма.

Гармоники напряжения и тока

Гармоники напряжения и тока можно увидеть в графическом виде, как на скрине выше, так и в виде таблицы – с 1-й до 50-й гармоники. И для однофазной, и для трехфазной сети.

Например, вот такая табличка:

Список гармоник тока и напряжения

Я же обещал, что прибор интересный? Для пытливого ума.

Частота

Все знают, что частота питающего напряжения у нас в розетке равна 50 Гц. Это означает, что 50 раз в секунду всё повторяется. Иначе говоря, длительность периода напряжения равна 20 мс.

Вас когда-нибудь било током? Помните, как трясло тело? Вот – это те самые 50 Гц. Хотя, по моим ощущениям, трясёт с частотой 10-20 Гц. Б-р-р.

Если точнее, то согласно ГОСТ 29322-2014 частота напряжения должна быть 50 ±0,2 Гц. То есть, от 49,8 до 50,2 Гц.

Пожалуй, частота – единственный параметр, на который ничего не влияет. И её стабильность зависит только от работы электростанции.

Вот как график частоты выглядит на экране анализатора качества электроэнергии:

Hioki 3197 – Частота питающей сети

Коэффициент мощности и гармоники

Заключение

У меня накопились десятки скриншотов и часы графиков параметров электроэнергии. Hioki умеет гораздо больше, чем изложено в этой короткой статье. Например, служить в качестве эталонного электросчетчика и строить график потребляемой мощности, измерять коэффициент мощности cos φ и коэффициент реактивной мощности tg φ.

Естественно, всё это рассказать и показать физически невозможно.

Но кому интересно ознакомиться с возможностями прибора полнее – выкладываю инструкцию по эксплуатации:

• Hioki manual / Инструкция по эксплуатации и подробное описание анализатора качества напряжения HIOKI 3197, pdf, 14.56 MB, скачан: 841 раз./

Всем добра, приглашаю, как обычно, к общению в комментариях.

Приборы измерения показателей качества электроэнергии (ПКЭ)

PQM-701Z – Анализатор параметров качества электрической энергии

Анализатор параметров качества электрической энергии измеряет и регистрирует: =/

U (L1, L2, L3, N, PE -5 каналов), I (L1, L2, L3, N -4 канала), частоты 40. 70 Гц; мощности: активной (P), реактивной (Q), мощности искажений (D), полной (S); энергии: активной (EP), реактивной (EQ), полной (ES); коэффициента мощности, гармонических потерь (К-фактор) и многе другое. Рабочая температура -20. +55°C. Габариты: 235×218×122 мм. Масса:

Fluke 1743 – Регистратор качества электроэнергии

Регистратор качества электроэнергии для трехфазной сети. Регистрация до 500 параметров электропитания в течение 85 дней.

Fluke 1744 – Регистратор качества электроэнергии

Регистратор качества электроэнергии для трехфазной сети. Регистрация до 500 параметров электропитания в течение 85 дней.

Fluke 1745 – Регистратор качества электроэнергии

Регистратор качества электроэнергии для трехфазной сети. Регистрация до 500 параметров электропитания в течение 85 дней.

PQM-701 – Анализатор параметров качества электроэнергии

Анализатор качества электрической энергии трехфазный стационарный. Измерение и регистрация:

/- токи (до 3000А) и напряжения, частоты, мощности (активной, реактивной, искажений, полной; энергии (активной, реактивной, полной), коэффициента мощности, гармонических потерь, фликер, несимметрии по току и напряжению, перенапряжений, провалов, прерываний с возможностью сохранения осциллограмм, осциллограмм тока и напряжения для каждого периода усреднения. Температурный диапазон: -20°С…+55°С. Габариты: 235×218×122 мм. Масса:

Fluke 1750 – Трехфазный измеритель и регистратор параметров электроэнергии

Трехфазный измеритель и регистратор параметров электроэнергии позволяет зарегистрировать и устранить трудноуловимые проблемы качества электроэнергии. Захват всех событий без перерывов. Выдающаяся точность и разрешение.

Fluke 1750/B – Анализатор мощности в комплектации Basic

Трёхфазный анализатор мощности Fluke-1750 Three-Phase Basic Power Recorder со всеми стандартными комплектующими кроме 4 токовых пробников 3140R (400 А).

Fluke 437-II – Анализатор качества электроэнергии для 3-х фазной сети

Анализатор энергии и качества энергоснабжения для сети 400 Uw: среднеквадратичное напряжение AC+DC (1…1000 В; ±0,1%), пиковое знач. (1…1400 В, ±5%); действ. значение тока (0,5…2000 А; ±0,5%), пиковое знач. (0…5500 А; ±5%), частота (340-460 Гц), сдвиг фаз (-360° до +0°). Фликер (0,00…20,00; ±5%). Дисбаланс напряжения и тока. Пороговые и предельные значения, а также длительность сигнала программируются для двух частот сигнала. Карта SD 8 ГБ. Метка даты и времени для режима «Тенденция», отображение переходного процесса, монитор системы и регистрация событий. Интерфейсы: мини-USB-B, изолированный USB-порт для ПК, разъем для подключения карты SD за батарей инструмента. Водо- и пылезащищенный корпус.

XL421 – Регистратор тока однофазный (даталоггер)

Регистратор тока однофазный (даталоггер). Измерение силы переменного тока в среднеквадратических значениях (True RMS) 0. 2500 А, разрешение 1 А.Погрешность измерений ±(1,0 % ИВ + 1 е.м.р.) при температуре (23 ± 5) °С и отн. влаж. воздуха не более 60 %. Интервал измерений: 1 с, 6 с, 30 с, 1 мин, 5 мин. Память 1 МБ. Интерфейс RS-232. Питание 2 батареи×1.5 В. Условия эксплуатации: от -20 до 60°С, отн. влаж. воздуха от 0 до 100 % (IP65). Размеры 120×80×43 мм, 0,5 кг. В комплекте клещи токоизмерительные 3000 А (макс. диаметр клещей 174 мм), ПО TOPVIEW2004, RS-232 соединительный кабель, сумка. Двойная изоляция до 600 В кат IV

XL422 – Регистратор тока трехфазный (даталоггер)

Регистратор тока трехфазный (даталоггер). Измерение силы переменного тока в среднеквадратических значениях (True RMS) 0. 2500 А, разрешение 1 А.Погрешность измерений ±(1,0 % ИВ + 1 е.м.р.) при температуре (23 ± 5) °С и отн. влаж. воздуха не более 60 %. Частота: 50 ± 6 Гц; 60 ± 6 Гц. Интервал измерений: 1 с, 6 с, 30 с, 1 мин, 5 мин. Память 1 МБ. Интерфейс RS-232. Питание 2 батареи×1.5 В. Условия эксплуатации: от -20 до 60°С, отн. влаж. воздуха от 0 до 100 % (IP65). Размеры 120×80×43 мм, 0,5 кг. В комплекте клещи токоизмерительные 3000 А (макс. диаметр клещей 174 мм), ПО TOPVIEW2004, RS-232 соединительный кабель, сумка. Двойная изоляция до 600 В кат IV

XL423 – Регистратор напряжения однофазный (даталоггер)

Регистратор напряжения однофазный (даталоггер). Измерение напряжения переменного тока в среднеквадратических значениях (TrueRMS) 0. 600 В, разрешение 0,1 В, погрешность измерений ±(1,0 % ИВ + 1 е.м.р.) при температуре (23 ± 5) °С и отн. влаж. воздуха не более 60 %. Интервал измерений: 1 с, 6 с, 30 с, 1 мин, 5 мин. Память 1 МБ. Интерфейс RS-232. Питание 2 батареи×1.5 В. Условия эксплуатации: от -20 до 60°С, отн. влаж. воздуха от 0 до 100 % (IP65). Размеры 120×80×43 мм, 0,5 кг. В комплекте тестовые провода с зажимами (черный и голубой, 2 шт.), ПО TOPVIEW2004, RS-232 соединительный кабель, сумка. Двойная изоляция до 600 В кат IV

XL424 – Регистратор напряжения трехфазный (даталоггер)

Регистратор напряжения трехфазный (даталоггер). Измерение напряжения переменного тока в среднеквадратических значениях (TrueRMS) 0. 600 В, разрешение 0,1 В, погрешность измерений ±(1,0 % ИВ + 1 е.м.р.) при температуре (23 ± 5) °С и отн. влаж. воздуха не более 60 %. Интервал измерений: 1 с, 6 с, 30 с, 1 мин, 5 мин. Память 1 МБ. Интерфейс RS-232. Питание 2 батареи×1.5 В. Условия эксплуатации: от -20 до 60°С, отн. влаж. воздуха от 0 до 100 % (IP65). Размеры 120×80×43 мм, 0,5 кг. В комплекте тестовые провода с зажимами (черный и голубой, 4 шт.), ПО TOPVIEW2004, RS-232 соединительный кабель, сумка. Двойная изоляция до 600 В кат IV