Mida la frecuencia de la red con Arduino: 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

El 3 de abril, el primer ministro de la India, Shri. Narendra Modi había hecho un llamamiento a los indios para que apagaran sus luces y encendieran una lámpara (Diya) a las 9:00 pm del 5 de abril para marcar la lucha de la India contra el Virus Corona. Justo después del anuncio, hubo un gran caos en las redes sociales diciendo que esto resultaría en un apagón total debido a una falla en la red eléctrica.

Yo, siendo estudiante de ingeniería eléctrica, quería ver el efecto de una reducción repentina de carga en la red eléctrica. Uno de los parámetros que se ve afectado es la frecuencia. Entonces, decidí hacer un dispositivo para medir la frecuencia del voltaje de una toma de corriente en mi casa. Tenga en cuenta que para este pequeño experimento, la precisión del valor medido no es importante, ya que solo quería observar los cambios en la frecuencia.

En este Instructable, explicaré rápidamente cómo una cuadrícula puede fallar y luego le mostraré cómo medí la frecuencia.

Paso 1: ¿Por qué preocuparse?

Una red eléctrica puede fallar debido a muchos factores, uno de los cuales es una reducción repentina de la carga. Intentaré explicarlo de la forma más sencilla posible para que una persona sin antecedentes eléctricos pueda entenderlo.

¿Qué es la frecuencia? Es el número de veces que se repite una onda de CA en un segundo. La frecuencia en la India es de 50 Hz, lo que significa que una onda de CA se repite 50 veces en un segundo.

En cualquier central eléctrica existe una turbina que es un dispositivo mecánico rotatorio que extrae energía del flujo de un fluido (vapor, agua, gas, etc.) y la convierte en trabajo útil (energía mecánica). Esta turbina está conectada (acoplada) a un generador. Luego, un generador convierte esta energía mecánica en energía eléctrica que obtenemos en nuestro hogar.

Consideremos una planta de energía de vapor para esta explicación. Aquí, el vapor de alta presión se utiliza para hacer girar una turbina que a su vez hace girar el generador y se genera electricidad. No discutiré cómo funciona un generador, pero recuerde que la frecuencia del voltaje generado está directamente relacionada con la velocidad a la que gira el generador. Si aumenta la velocidad, aumenta la frecuencia y viceversa. Suponga que el generador no está conectado a ninguna carga. El generador se acelera aumentando la entrada de vapor a la turbina hasta que la frecuencia llega a 50 Hz. El generador ahora está listo para entregar energía. Tan pronto como el generador está conectado a la carga (o red), la corriente comienza a fluir a través de su devanado y su velocidad disminuye y, por lo tanto, la frecuencia. Pero según los estándares de regulación, la frecuencia debe estar dentro de una banda específica. En India es de +/- 3%, es decir, de 48,5 Hz a 51,5 Hz. Ahora, para compensar la frecuencia reducida debido a una disminución de la velocidad, se aumenta la entrada de vapor hasta que la frecuencia vuelve a ser de 50 Hz. Este proceso continúa. La carga aumenta, la velocidad disminuye, la frecuencia disminuye, la entrada de vapor aumenta y el generador se acelera. Todo esto se hace automáticamente mediante un dispositivo llamado Governor. Controla la velocidad (o frecuencia) del generador y ajusta la entrada de vapor en consecuencia. Dado que la mayor parte de la pieza es mecánica, se necesitan unos segundos (es decir, una constante de tiempo alta) para que los cambios surtan efecto.

Ahora, consideremos que de repente se elimina toda la carga del generador. El generador acelera por encima de su velocidad normal, ya que anteriormente habíamos aumentado la entrada de vapor para compensar el aumento de carga. Antes de que el gobernador pueda detectar y cambiar la entrada de vapor, el generador se acelera tan rápido que la frecuencia cruza su límite superior. Dado que esto no está permitido según las normas reglamentarias, el generador se dispara (o se desconecta) de la red debido a una sobrefrecuencia.

En India, tenemos One Nation - One Grid, lo que significa que todos los generadores de India están conectados a una sola red. Esto ayuda a enviar energía a cualquier parte del país. Pero hay una desventaja. Una falla masiva en cualquier parte del país puede extenderse rápidamente a otras partes, lo que resulta en el disparo de toda la red. Por lo tanto, ¡un país entero se queda sin poder!

Paso 2: el plan

El plan es medir la frecuencia del voltaje a intervalos específicos.

Se utiliza un transformador con toma central para reducir 230 V CA a 15 V CA.

El módulo RTC proporciona la hora real.

Ambos datos (tiempo y frecuencia) se almacenan en la tarjeta Micro SD en dos archivos separados. Una vez finalizada la prueba, los datos se pueden importar a una hoja de Excel para generar el gráfico.

Se utilizará una pantalla LCD para mostrar la frecuencia.

¡Tener cuidado! Estará lidiando con un voltaje de red de CA fatal. Proceda solo si sabe lo que está haciendo. ¡La electricidad no da una segunda oportunidad

Paso 3: Cosas que necesitará

1x Arduino Nano

1x pantalla LCD 16x2

1x módulo de reloj en tiempo real DS3231

1x módulo de tarjeta Micro SD

1x transformador de centro roscado (15V-0-15V)

2x resistencia de 10k

1 resistencia de 1 k

1 resistencia de 39 k

1x transistor NPN 2N2222A

1x diodo 1N4007

Paso 4: unir las cosas

El esquema de la construcción se adjunta aquí. Lo construiré en una placa de pruebas, pero puede hacerlo más permanente utilizando una placa de perforación o haciendo una PCB personalizada.

Elegir el valor correcto de 'R3' para su transformador:

R3 y R4 forman un divisor de voltaje y los valores se eligen de manera que el pico del voltaje de CA no exceda los 5V. Por lo tanto, si planea usar otro transformador con diferentes clasificaciones, también debe cambiar R3. Recuerde que las clasificaciones de voltaje dadas en un transformador están en RMS. En mi caso, es 15-0-15.

Usa un multímetro para verificarlo. El voltaje medido será mayoritariamente superior a 15V. En mi caso rondaba los 17,5 V. El valor máximo será 17,5 x sqrt (2) = 24,74V. Este voltaje es mucho más alto que el voltaje máximo de puerta-emisor (6 V) del transistor 2N2222A. Podemos calcular el valor de R3 usando la fórmula del divisor de voltaje que se muestra en la imagen de arriba.

Conexiones para el módulo de tarjeta SD:

El módulo utiliza SPI para la comunicación.

• MISO a D12
• MOSI a D11
• SCK a D13
• CS / SS a D10 (puede usar cualquier pin para Chip Select)

Asegúrese de que la tarjeta SD esté primero formateada como FAT.

Conexiones para el módulo RTC

Este módulo utiliza I2C para la comunicación.

• SDA a A4
• SCL a A5

Conexiones para pantalla LCD

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

Paso 5: tiempo para codificar

El código se ha adjuntado aquí. Descárguelo y ábralo usando Arduino IDE. Antes de cargar, asegúrese de instalar DS3231 Library. Encontré información útil en este sitio web.

Configuración de RTC:

1. Inserte una batería de celda de moneda tipo 2032.
2. Abra DS3231_Serial_Easy de los ejemplos como se muestra.
3. Descomente las 3 líneas e ingrese la hora y la fecha como se muestra en la imagen.
4. Sube el boceto a Arduino y abre el monitor en serie. Establezca la velocidad en baudios en 115200. Debería poder ver el tiempo que se actualiza cada segundo.
5. Ahora, desenchufe el Arduino y vuelva a enchufarlo después de unos segundos. Mira el monitor de serie. Debería mostrarse en tiempo real.

¡Hecho! Se ha configurado RTC. Este paso debe realizarse solo una vez para configurar la fecha y la hora.

Paso 6: procesamiento de los datos

Una vez finalizada la prueba, retire la tarjeta micro SD del módulo y conéctela a su computadora usando un lector de tarjetas. Habrá dos archivos de texto denominados FREQ.txt y TIME.txt.

Copie el contenido de estos archivos y péguelo en una hoja de Excel en dos columnas separadas (Tiempo y Frecuencia).

Haga clic en Insertar> Gráfico. Excel debería verificar automáticamente los datos en la hoja y trazar el gráfico.

Aumente la resolución del eje vertical para que las fluctuaciones sean claramente visibles. En Hojas de cálculo de Google, Personalizar> Eje vertical> Mín. = 49,5 y máx. = 50,5

Paso 7: resultados

Podemos ver claramente un ligero aumento en la frecuencia a medida que las cargas se cortan alrededor de las 9:00 p.m. (21:00) y una disminución en la frecuencia alrededor de las 9:10 p.m. (21:10) a medida que las cargas se vuelven a encender. No daña la red ya que la frecuencia está dentro de la banda de tolerancia (+/- 3%), es decir, de 48,5 Hz a 51,5 Hz.

Un tweet del Ministro de Estado en el Gobierno de la India, Sr. R K Singh, confirma que los resultados que obtuve fueron bastante precisos.

Gracias por perseverar hasta el final. Espero que a todos les guste este proyecto y que hayan aprendido algo nuevo hoy. Avísame si haces uno para ti. Suscríbete a mi canal de YouTube para más proyectos de este tipo.