如何使用電流互感器和Arduino進(jìn)行交流電流測(cè)量

　　電流互感器是一種專門設(shè)計(jì)用于在其次級(jí)繞組中變換交流電的互感器，其產(chǎn)生的電流量與初級(jí)繞組中的電流成正比。這種類型的電流互感器旨在以不可見的方式測(cè)量來自高壓子系統(tǒng)或大量電流流經(jīng)系統(tǒng)的電流。電流互感器的工作是將大量電流轉(zhuǎn)換為可通過微控制器或模擬儀表輕松測(cè)量的較低電流量。在這里，我們將詳細(xì)學(xué)習(xí)這種電流傳感技術(shù)，并在Arduino的幫助下連接一個(gè)電流互感器來測(cè)量交流電流。

　　電流互感器

　　正如我之前提到的，電流互感器是一種用于測(cè)量電流的變壓器。上面顯示的我目前擁有的兩個(gè)變壓器稱為窗式電流互感器或俗稱的鐵心平衡變壓器r。

　　電流互感器如何工作？

　　電流互感器的基本原理與電壓互感器相同，與電壓互感器一樣，電流互感器也由初級(jí)繞組和次級(jí)繞組組成。當(dāng)交流電流通過變壓器的初級(jí)繞組時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交變磁通量，此時(shí)會(huì)在次級(jí)繞組中感應(yīng)出交流電，如果您認(rèn)為這就是區(qū)別，您可以說它與電壓互感器幾乎相同。

　　通常，電流互感器在負(fù)載電阻的幫助下始終處于短路狀態(tài)，而且流過次級(jí)繞組的電流僅取決于流過導(dǎo)體的初級(jí)電流。

　　電流互感器結(jié)構(gòu)

　　為了讓您更好地理解，我已經(jīng)拆除了我的一個(gè)電流互感器，您可以在上圖中看到。

　　從圖中可以看出，一根很細(xì)的電線纏繞在一個(gè)環(huán)形鐵芯材料上，一組電線從變壓器中出來。初級(jí)繞組只是與負(fù)載串聯(lián)連接并承載流過負(fù)載的大電流的單根導(dǎo)線。

　　電流互感器比率

　　通過在電流互感器的窗口內(nèi)放置一根導(dǎo)線，我們可以形成一個(gè)單回路，匝數(shù)比變?yōu)?1:N。

　　與任何其他變壓器一樣，電流互感器必須滿足如下所示的安匝比方程。

　　TR = Np / Ns = Is / Ip

　　在哪里，

　　TR =傳輸比率

　　Np = 初級(jí)匝數(shù)

　　Ns = 次級(jí)匝數(shù)

　　Ip = 初級(jí)繞組中的電流

　　Is = 次級(jí)繞組中的電流

　　要找到次級(jí)電流，請(qǐng)將等式重新排列為

　　是 = Ip x （Np/NS）

　　如上圖所示，變壓器的初級(jí)繞組由一個(gè)繞組組成，變壓器的次級(jí)繞組由數(shù)千個(gè)繞組組成。如果我們假設(shè)100A的電流流過初級(jí)繞組，則次級(jí)電流將為5A 。因此，初級(jí)與次級(jí)之間的比率變?yōu)?100A 到 5A 或 20:1。因此，可以說初級(jí)電流是次級(jí)電流的20倍。

　　筆記！請(qǐng)注意，電流比與匝數(shù)比不同。

　　現(xiàn)在所有的基本理論都結(jié)束了，我們可以將注意力轉(zhuǎn)移到計(jì)算手頭電流互感器的匝數(shù)比上。

　　電流互感器錯(cuò)誤

　　每個(gè)電路都有一些錯(cuò)誤。電流互感器也不例外。電流互感器存在各種錯(cuò)誤。其中一些描述如下

　　電流互感器的比率誤差

　　電流互感器的初級(jí)電流并不完全等于次級(jí)電流乘以匝數(shù)比。一部分電流被變壓器的鐵芯消耗以使其進(jìn)入勵(lì)磁狀態(tài)。

　　電流互感器的相角誤差

　　對(duì)于理想的 CT，初級(jí)和次級(jí)電流矢量為零。但在實(shí)際的電流互感器中，總會(huì)存在差異，因?yàn)槌跫?jí)必須向磁芯提供勵(lì)磁電流，并且會(huì)有很小的相位差。

　　如何減少電流互感器的誤差？

　　始終有必要減少系統(tǒng)中的錯(cuò)誤以實(shí)現(xiàn)更好的性能。因此，通過以下步驟，可以實(shí)現(xiàn)

　　使用具有高磁導(dǎo)率的磁芯和低磁滯磁性材料。

　　負(fù)載電阻值必須非常接近計(jì)算值。

　　可以降低次級(jí)的內(nèi)部阻抗。

　　反向計(jì)算電流互感器的匝數(shù)比?

　　上圖顯示了測(cè)試設(shè)置，我用它來計(jì)算匝數(shù)比。

　　正如我之前提到的，我擁有的電流互感器（CT）沒有任何規(guī)格或部件號(hào)，只是因?yàn)槲沂菑膿p壞的家用電表中搶救出來的。所以，此時(shí)，我們需要知道匝數(shù)比才能正確設(shè)置Burden Resistor的值，否則系統(tǒng)會(huì)引入各種問題，我將在本文后面詳細(xì)討論。

　　在歐姆定律的幫助下，匝數(shù)比可以很容易地計(jì)算出來，但在此之前，我需要測(cè)量作為電路負(fù)載的 10W、1K 大電阻，我還需要得到一個(gè)任意的負(fù)載電阻找出匝數(shù)比。

　　負(fù)載電阻

　　負(fù)擔(dān)電阻

　　測(cè)試期間所有組件值的匯總

　　輸入電壓Vin = 31.78 V

　　負(fù)載電阻RL = 1.0313 KΩ

　　負(fù)載電阻RB = 678.4 Ω

　　輸出電壓Vout = 8.249 mV 或 0.008249 V

　　流過負(fù)載電阻的電流為

　　I = Vin / RL

　　I = 31.78 / 1.0313 = 0.03080A 或 30.80 mA

　　所以現(xiàn)在我們知道輸入電流，即0.03080A 或 30.80 mA

　　讓我們找出輸出電流

　　I = Vout / RB

　　I = 0.008249 / 678.4 = 0.00001215949A 或 12.1594 uA

　　現(xiàn)在，要計(jì)算匝數(shù)比，我們需要將初級(jí)電流除以次級(jí)電流。

　　匝數(shù)比 n = 初級(jí)電流 / 次級(jí)電流

　　n = 0.03080 / 0.0000121594 = 2，533.1972

　　所以電流互感器由2500 匝組成（四舍五入值）

　　筆記！請(qǐng)注意，錯(cuò)誤主要是由于我不斷變化的輸入電壓和萬用表容差造成的。

　　計(jì)算合適的負(fù)載電阻器尺寸

　　此處使用的 CT 為電流輸出型。所以要測(cè)量電流，需要轉(zhuǎn)換成電壓類型。這篇文章，在openenergymonitor網(wǎng)站上，對(duì)我們?nèi)绾巫龅竭@一點(diǎn)提供了一個(gè)很好的想法，所以我將關(guān)注這篇文章

　　負(fù)載電阻（ohms） = （AREF * CT TURNS） / （2√2 * 最大初級(jí)電流）

　　在哪里，

　　AREF = ADS1115 模塊的模擬參考電壓，設(shè)置為 4.096V。

　　CT TURNS = 我們之前計(jì)算的次級(jí)匝數(shù)。

　　最大初級(jí)電流 = 將流過 CT 的最大初級(jí)電流。

　　筆記！每個(gè) CT 的最大額定電流超過該額定值將導(dǎo)致磁芯飽和并最終導(dǎo)致線性誤差，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差

　　筆記！家用電能表的最大額定電流是 30A，所以我選擇這個(gè)值。

　　負(fù)載電阻（ohms） = （4.096 * 2500） / （2√2 * 30） = 120.6 Ω

　　120.6Ω 不是一個(gè)常見的值，這就是為什么我要使用三個(gè)串聯(lián)電阻來獲得 120Ω 的電阻值。將電阻連接到 CT 后，我做了一些測(cè)試來計(jì)算 CT 的最大輸出電壓。

　　測(cè)試后觀察到，如果1mA電流通過電流互感器的初級(jí)，輸出為0.0488mV RMS。有了這個(gè)，我們可以計(jì)算如果 30A 電流流過 CT，輸出電壓將為30000 * 0.0488 = 1.465V。

　　現(xiàn)在，計(jì)算完成后，我將ADC 增益設(shè)置為1x 增益，即+/- 4.096V，這為我們提供了 0.125mV 的滿量程分辨率。這樣，我們將能夠計(jì)算出可以使用此設(shè)置測(cè)量的最小電流。結(jié)果是3mA，因?yàn)?ADC 分辨率設(shè)置為 0.125mV。

　　所需組件

　　寫所有沒有表格的組件

　　電路原理圖

　　下面的示意圖顯示了使用電流互感器進(jìn)行電流測(cè)量的連接指南

　　這就是電路在面包板上的外觀。

　　電流測(cè)量電路結(jié)構(gòu)

　　在之前的教程中，我向您展示了如何借助 AD736 IC 準(zhǔn)確測(cè)量真有效值電壓，以及如何配置開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器電路，該電路從輸入正電壓產(chǎn)生負(fù)電壓，在本教程中，我們使用這些教程中的兩個(gè) IC。

　　在此演示中，電路在原理圖的幫助下構(gòu)建在無焊面包板上；此外，直流電壓是在 16 位 ADC 的幫助下測(cè)量的，以獲得更好的精度。當(dāng)我在面包板上演示電路以減少寄生時(shí)，我使用了盡可能多的跨接電纜。

用于電流測(cè)量的 Arduino 代碼

這里 Arduino 用于將測(cè)量值顯示到串行監(jiān)視器窗口。但是只要對(duì)代碼稍加修改，就可以很容易地在 16x2 LCD 上顯示這些值。在此處了解16x2 LCD 與 Arduino 的接口。

電流互感器的完整代碼可在本節(jié)末尾找到。這里解釋了程序的重要部分。

我們首先包含所有必需的庫(kù)文件。Wire 庫(kù)用于 Arduino 和 ADS1115 模塊之間的通信，Adafruit_ADS1015庫(kù)幫助我們讀取數(shù)據(jù)并將指令寫入模塊。

#include 
#include

接下來，定義用于從 ADC 值計(jì)算當(dāng)前值的MULTIPLICATION_FACTOR 。

#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 /* 計(jì)算實(shí)際電流值的因子 */
Adafruit_ADS1115 廣告；/* 將此用于 16 位版本的 ADS1115 */

16 位 ADC 輸出 16 位長(zhǎng)整數(shù)，因此使用int16_t變量。使用了其他三個(gè)變量，一個(gè)用于存儲(chǔ) ADC 的 RAW 值，一個(gè)用于顯示 ADC 引腳中的實(shí)際電壓，最后一個(gè)用于將該電壓值顯示為當(dāng)前值。

int16_t adc1_raw_value; /* 存儲(chǔ)原始 ADC 值的變量*/
浮動(dòng)測(cè)量電壓；/* 存儲(chǔ)測(cè)量電壓的變量*/
浮動(dòng)電流；/* 存儲(chǔ)計(jì)算電流的變量*/

通過啟用 9600 波特的串行輸出來開始代碼的設(shè)置部分。然后打印設(shè)置的ADC的增益；這是因?yàn)槌^定義值的電壓肯定會(huì)損壞設(shè)備。

現(xiàn)在使用ads.setGain(GAIN_ONE);設(shè)置 ADC 增益；?將 1 位分辨率設(shè)置為??0.125mV的方法

之后，調(diào)用 ADC開始方法，該方法設(shè)置硬件模塊中的所有內(nèi)容并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)換。

無效設(shè)置（無效）
{
  序列號(hào).開始（9600）；
  Serial.println("從 AIN0..3 獲取單端讀數(shù)"); //一些調(diào)試信息
  Serial.println("ADC 范圍：+/- 4.096V (1 bit = 2mV/ADS1015, 0.125mV/ADS1115)");
  // ADC輸入范圍（或增益）可以通過以下方式改變
  // 功能，但注意不要超過 VDD +0.3V 最大值，或
  // 如果調(diào)整輸入范圍，則超出上限和下限！
  // 錯(cuò)誤地設(shè)置這些值可能會(huì)破壞您的 ADC！
  // ADS1015 ADS1115
  // ------- -------
  // ads.setGain(GAIN_TWOTHIRDS); // 2/3x 增益 +/- 6.144V 1 位 = 3mV 0.1875mV（默認(rèn)）
     ads.setGain(GAIN_ONE); // 1x 增益 +/- 4.096V 1 位 = 2mV 0.125mV
  //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x 增益 +/- 2.048V 1 位 = 1mV 0.0625mV
  // ads.setGain(GAIN_FOUR); // 4x 增益 +/- 1.024V 1 位 = 0.5mV 0.03125mV
  // ads.setGain(GAIN_EIGHT); // 8x 增益 +/- 0.512V 1 位 = 0.25mV 0.015625mV
  // ads.setGain(GAIN_SIXTEEN); // 16x 增益 +/- 0.256V 1 位 = 0.125mV 0.0078125mV
  ads.begin();
}

在循環(huán)部分，我讀取原始 ADC 值并將其存儲(chǔ)到前面提到的變量中以供以后使用。然后將原始 ADC 值轉(zhuǎn)換為電壓值進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算電流值并顯示到串行監(jiān)視器窗口。

無效循環(huán)（無效）
{
  adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded(1);
  測(cè)量電壓 = adc1_raw_value * (4.096 / 32768)；
  當(dāng)前 = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR；
  Serial.print("ADC 值："); Serial.println(adc1_raw_value);
  Serial.print("測(cè)量電壓："); Serial.println(measured_voltae);Serial.println("V");
  Serial.print("計(jì)算電流："); 序列號(hào).print(val,5); Serial.println("A");
  序列號(hào).println(" ");
  延遲（500）；
}

筆記！如果您沒有 ADS1115 模塊的庫(kù)，則需要在 Arduino IDE 中包含該庫(kù)，您可以在此GitHub 存儲(chǔ)庫(kù)中找到該庫(kù)。

完整的Arduino代碼如下：

#include 
#include 
#define MULTIPLICATION_FACTOR 0.002734 /* 計(jì)算實(shí)際電流值的因子 */
#define ADC_MAX_VALUE 32768 /* ADC 產(chǎn)生的最大值*/
#define ADC_GAIN 4.096
Adafruit_ADS1115 廣告；/* 將此用于 16 位版本的 ADS1115 */
int16_t adc1_raw_value; /* 存儲(chǔ)原始 ADC 值的變量*/
浮動(dòng)測(cè)量電壓；/* 存儲(chǔ)測(cè)量電壓的變量*/
浮動(dòng)電流；/* 存儲(chǔ)計(jì)算電流的變量*/
無效設(shè)置（無效）
{
  序列號(hào).開始（9600）；
  Serial.println("從 AIN0..3 獲取單端讀數(shù)"); //一些調(diào)試信息
  Serial.println("ADC 范圍：+/- 4.096V (1 bit = 2mV/ADS1015, 0.125mV/ADS1115)");
  // ADC輸入范圍（或增益）可以通過以下方式改變
  // 功能，但注意不要超過 VDD +0.3V 最大值，或
  // 如果調(diào)整輸入范圍，則超出上限和下限！
  // 錯(cuò)誤地設(shè)置這些值可能會(huì)破壞您的 ADC！
  // ADS1015 ADS1115
  // ------- -------
  // ads.setGain(GAIN_TWOTHIRDS); // 2/3x 增益 +/- 6.144V 1 位 = 3mV 0.1875mV（默認(rèn)）
     ads.setGain(GAIN_ONE); // 1x 增益 +/- 4.096V 1 位 = 2mV 0.125mV
  //ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x 增益 +/- 2.048V 1 位 = 1mV 0.0625mV
  // ads.setGain(GAIN_FOUR); // 4x 增益 +/- 1.024V 1 位 = 0.5mV 0.03125mV
  // ads.setGain(GAIN_EIGHT); // 8x 增益 +/- 0.512V 1 位 = 0.25mV 0.015625mV
  // ads.setGain(GAIN_SIXTEEN); // 16x 增益 +/- 0.256V 1 位 = 0.125mV 0.0078125mV
  ads.begin();
}
無效循環(huán)（無效）
{
  adc1_raw_value = ads.readADC_SingleEnded(1);
  測(cè)量電壓 = adc1_raw_value * (ADC_GAIN / ADC_MAX_VALUE)；
  當(dāng)前 = adc1_raw_value * MULTIPLICATION_FACTOR；
  Serial.print("ADC 值："); Serial.println(adc1_raw_value);
  Serial.print("測(cè)量電壓："); Serial.print(measured_voltae);Serial.println("V");
  Serial.print("計(jì)算電流："); Serial.print(current,5); Serial.println("A");
  序列號(hào).println(" ");
  延遲（500）；
}

　　測(cè)試電路