Mesurer la fréquence du secteur à l'aide d'Arduino : 7 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Le 3 avril, le Premier ministre indien, Shri. Narendra Modi avait appelé les Indiens à éteindre leurs lumières et à allumer une lampe (Diya) à 21h00 le 5 avril pour marquer la lutte de l'Inde contre le virus Corona. Juste après l'annonce, il y avait un grand chaos sur les réseaux sociaux disant que cela entraînerait une panne totale en raison d'une défaillance du réseau électrique.

Moi, étant étudiant en génie électrique, je voulais voir l'effet d'une réduction soudaine de la charge sur le réseau électrique. L'un des paramètres qui est affecté est la fréquence. J'ai donc décidé de fabriquer un appareil pour mesurer la fréquence de tension d'une prise de courant dans ma maison. Veuillez noter que pour cette petite expérience, la précision de la valeur mesurée n'est pas importante car je voulais juste observer les changements de fréquence.

Dans ce Instructable, je vais expliquer rapidement comment une grille peut échouer, puis vous montrer comment j'ai mesuré la fréquence.

Étape 1: Pourquoi s'inquiéter ?

Un réseau électrique peut tomber en panne en raison de nombreux facteurs, dont une réduction soudaine de la charge. Je vais essayer de l'expliquer de la manière la plus simple possible afin qu'une personne sans formation en électricité puisse le comprendre.

Qu'est-ce que la fréquence ? C'est le nombre de fois qu'une onde AC se répète en une seconde. La fréquence en Inde est de 50 Hz, ce qui signifie qu'une onde AC est répétée 50 fois en une seconde.

Dans toute centrale électrique, il existe une turbine qui est un dispositif mécanique rotatif qui extrait l'énergie du flux de fluide (vapeur, eau, gaz, etc.) et la convertit en travail utile (énergie mécanique). Cette turbine est connectée (couplée) à un générateur. Un générateur convertit ensuite cette énergie mécanique en énergie électrique que nous obtenons chez nous.

Considérons une centrale à vapeur pour cette explication. Ici, de la vapeur à haute pression est utilisée pour faire tourner une turbine qui à son tour fait tourner le générateur et de l'électricité est générée. Je ne discuterai pas du fonctionnement d'un générateur, mais rappelez-vous simplement que la fréquence de la tension générée est directement liée à la vitesse à laquelle le générateur tourne. Si la vitesse augmente, la fréquence augmente et vice versa. Supposons que le générateur n'est connecté à aucune charge. Le générateur est mis en vitesse en augmentant l'entrée de vapeur dans la turbine jusqu'à ce que la fréquence atteigne 50 Hz. Le générateur est maintenant prêt à fournir de l'énergie. Dès que le générateur est connecté à la charge (ou au réseau), le courant commence à circuler dans son enroulement et sa vitesse diminue et donc la fréquence. Mais selon les normes réglementaires, la fréquence doit se situer dans une bande spécifique. En Inde, il est de +/- 3% soit 48,5 Hz à 51,5 Hz. Maintenant, pour compenser la fréquence réduite due à une diminution de la vitesse, l'entrée de vapeur est augmentée jusqu'à ce que la fréquence redevienne 50 Hz. Ce processus se poursuit. La charge augmente, la vitesse diminue, la fréquence diminue, l'apport de vapeur augmente et le générateur est mis en vitesse. Tout cela se fait automatiquement à l'aide d'un appareil appelé Governor. Il surveille la vitesse (ou la fréquence) du générateur et ajuste l'entrée de vapeur en conséquence. Étant donné que la majeure partie de la pièce est mécanique, il faut quelques secondes (c'est-à-dire une constante de temps élevée) pour que les modifications prennent effet.

Considérons maintenant que toute la charge sur le générateur est soudainement supprimée. Le générateur accélère au-dessus de sa vitesse normale puisque nous avions auparavant augmenté l'entrée de vapeur pour compenser l'augmentation de la charge. Avant que le régulateur puisse détecter et modifier l'entrée de vapeur, le générateur accélère si vite que la fréquence dépasse sa limite supérieure. Comme cela n'est pas autorisé selon les normes réglementaires, le générateur se déclenche (ou est déconnecté) du réseau en raison d'une surfréquence.

En Inde, nous avons One Nation - One Grid, ce qui signifie que tous les générateurs en Inde sont connectés à un seul réseau. Cela aide à envoyer de l'électricité dans n'importe quelle partie du pays. Mais il y a un inconvénient. Une panne massive dans n'importe quelle partie du pays peut se propager rapidement à d'autres parties, ce qui entraîne le déclenchement de l'ensemble du réseau. Ainsi, tout un pays se retrouve sans pouvoir !

Étape 2: le plan

Le plan est de mesurer la fréquence de la tension à des intervalles spécifiés.

Un transformateur à prise centrale est utilisé pour abaisser le 230V AC à 15V AC.

Le module RTC fournit l'heure réelle.

Les deux données (heure et fréquence) sont ensuite stockées sur la carte Micro SD dans deux fichiers distincts. Une fois le test terminé, les données peuvent être importées dans une feuille Excel pour générer le graphique.

Un écran LCD sera utilisé pour afficher la fréquence.

Il faut se méfier! Vous serez confronté à une tension secteur CA fatale. Ne procédez que si vous savez ce que vous faites. L'électricité ne donne pas de seconde chance

Étape 3: Choses dont vous aurez besoin

1x Arduino Nano

1x écran LCD 16x2

1x module d'horloge temps réel DS3231

1x module de carte micro SD

1x transformateur à prise centrale (15V-0-15V)

2x 10k Résistance

1x résistance 1k

1x résistance 39k

1x 2N2222A NPN Transistor

1x 1N4007 Diode

Étape 4: Mettre les choses ensemble

Le schéma de la construction est joint ici. Je vais le construire sur une maquette, mais vous pouvez le rendre plus permanent en utilisant un perfboard ou en créant un PCB personnalisé.

Choisir la bonne valeur de « R3 » pour votre transformateur:

R3 et R4 forment un diviseur de tension et les valeurs sont choisies de telle sorte que le pic de la tension alternative ne dépasse pas 5V. Donc, si vous envisagez d'utiliser un autre transformateur avec des valeurs différentes, vous devez également changer R3. N'oubliez pas que les tensions nominales données sur un transformateur sont en RMS. Dans mon cas, c'est 15-0-15.

Utilisez un multimètre pour le vérifier. La tension mesurée sera majoritairement supérieure à 15V. Dans mon cas, c'était autour de 17,5V. La valeur de crête sera 17,5 x sqrt(2) = 24,74V. Cette tension est bien supérieure à la tension maximale de la grille-émetteur (6V) du transistor 2N2222A. Nous pouvons calculer la valeur de R3 en utilisant la formule du diviseur de tension montrée dans l'image ci-dessus.

Connexions pour le module de carte SD:

Le module utilise SPI pour la communication.

• MISO à D12
• MOSI à D11
• SCK à D13
• CS/SS à D10 (vous pouvez utiliser n'importe quelle broche pour Chip Select)

Assurez-vous que la carte SD est d'abord formatée en FAT.

Connexions pour module RTC

Ce module utilise I2C pour la communication.

• SDA vers A4
• SCL à A5

Connexions pour écran LCD

• RST à D9
• FR à D8
• J4 à J7
• D5 à D6
• D6 à D5
• J7 à J4
• R/W à GND

Étape 5: Le temps du codage

Le code a été joint ici. Téléchargez-le et ouvrez-le en utilisant Arduino IDE. Avant de télécharger, assurez-vous d'installer la bibliothèque DS3231. J'ai trouvé des informations utiles sur ce site.

Configuration du RTC:

1. Insérez une pile bouton de type 2032.
2. Ouvrez le DS3231_Serial_Easy à partir des exemples, comme indiqué.
3. Décommentez les 3 lignes et entrez l'heure et la date comme indiqué sur l'image.
4. Téléchargez le croquis sur Arduino et ouvrez le moniteur série. Réglez le débit en bauds sur 115200. Vous devriez pouvoir voir le temps qui continue de s'actualiser toutes les 1 seconde.
5. Maintenant, débranchez l'Arduino et rebranchez-le après quelques secondes. Regardez le moniteur série. Il devrait s'afficher en temps réel.

Terminé! Le RTC a été mis en place. Cette étape ne doit être effectuée qu'une seule fois pour régler la date et l'heure.

Étape 6: Traitement des données

Une fois le test terminé, retirez la carte micro SD du module et connectez-la à votre ordinateur à l'aide d'un lecteur de carte. Il y aura deux fichiers texte nommés FREQ.txt et TIME.txt.

Copiez le contenu de ces fichiers et collez-le dans une feuille Excel dans deux colonnes distinctes (Time et Freq).

Cliquez sur Insertion > Graphique. Excel devrait vérifier automatiquement les données sur la feuille et tracer le graphique.

Augmentez la résolution de l'axe vertical pour que les fluctuations soient clairement visibles. Dans Google Sheets, Personnaliser> Axe vertical> Min. = 49,5 et Max. = 50,5

Étape 7: Résultats

On voit clairement une légère augmentation de la fréquence lorsque les charges sont coupées vers 21h00 (21h00) et une diminution de la fréquence vers 21h10 (21h10) lorsque les charges sont rallumées. Aucun dommage au réseau car la fréquence est bien dans la bande de tolérance (+/- 3%) c'est-à-dire de 48,5 Hz à 51,5 Hz.

Un tweet du ministre d'État du gouvernement indien, M. R K Singh, confirme que les résultats que j'ai obtenus étaient assez précis.

Merci d'être resté jusqu'au bout. J'espère que vous aimez tous ce projet et que vous avez appris quelque chose de nouveau aujourd'hui. Faites-moi savoir si vous en faites un pour vous-même. Abonnez-vous à ma chaîne YouTube pour plus de projets de ce type.