Scelta operazionale per misuratore di potenza di un carico trifase.

Salve a tutti, mi sono appena iscritto al forum e, come da titolo, presento un problema, che spero non sia troppo complicato. Premetto che sono un elettrotecnico, quindi non ho problemi a gestire la 230/380V anche con 10/15A, ma con i componenti elettronici non ci gioco molto e non conosco i vari trucchi del mestiere e di come si evitano i problemi più gravi.

Sto realizzando un misuratore di potenze (P, Q ed S) di un carico trifase di cui non conosco nulla, se non che le tre fasi sono una terna equilibrata di tensioni fino a 230V circa ed il carico, che potrebbe essere tranquillamente squilibrato, non assorbe più di 5A nominali. Ho già realizzato una bozza di circuito (che su workbench funziona) con degli operazionali ed una resistenza corazzata.

In poche parole la fase passa nella resistenza corazzata da 0.1 ohm e con un operazionale, adatto la tensione ai capi del resistore a la tensione a cui lavora l'ingresso analogico di Arduino Uno rev.3 per sapere la corrente che passa nella resistenza corazzata. Un secondo operazionale misura la differenza di potenziale tra la fase ed il neutro, adattandola sempre ad un ingrasso analogico di Arduino per sapere la tensione di alimentazione del carico. In parallelo altri due operazionali svolgono lo stesso lavoro ma invece che trasformare le sinusoidali di lavoro in due che Arduino possa leggere, le trasformano in onde quadre che Arduino leggera sui pin digitali e calcolerà lo sfasamento fra di loro.

In poche parole devo capire che operazionali prendere, tenendo conto che lavorano solo a 50Hz ma devo avere la possibilità di campionare con precisione in ogni singolo istante (circa a 9kHz, la campionatura standard per Arduino), che deve lavorare tra circa 0 e 0.06V minimo oppure 0 e 0.7V massimo (per la corrente), che deve lavorare tra 0 e 350V oppure 0 e 180V (per la tensione) (le tensioni indicate sono di picco e non medie).

Cercando in giro non ho saputo capirci nulla, ho letto che i valori importanti sono il cmrr, l'offset e il GBW (non so che siano...) ma non so quali scegliere.

Se ci riesco domani vi allego il disegno del circuito. Grazie in anticipo.

PS: dite che mi conviene mettere un filtro sulle tensioni misurate? Se si quale e come?

Ti invitiamo a presentarti (dicci quali conoscenze hai di elettronica e di programmazione) qui: Presentazioni e a leggere il regolamento: Regolamento - qui una serie di schede by xxxPighi per i collegamenti elettronici vari: ABC - Arduino Basic Connections - qui le pinout delle varie schede by xxxPighi: Pinout - qui una serie di link [u]generali[/u] utili: Link Utili

Ti conviene adottare dei trasformatori amperometrici (TA) o meglio dei sensori ad effetto Hall per la misura delle correnti delle tre fasi, ad esempio l’Allegro ACS756 che incorpora anche la compensazione di temperatura ed un filtro.

Per la tensione, invece, puoi usare un semplice trasformatore ad esempio 24V 3VA dotato di opportuno partitore al 1%.

Specifica meglio cosa intendi per carico squilibrato, ci sono molte possibilità, la prima è che tutti e 3 i rami siano dello stesso tipo di carico, (resistivo, capacitivo o induttivo), la seconda è che possono essere di 2 o 3 tipi diversi.
Nel secondo caso oltre a mettere dei TA per ogni ramo come ti è stato suggerito, devi mettere un trasformatorino per ramo per misurare la tensione, in modo da poter misurare gli sfasamenti tra tensione e corrente su ciascun ramo, nel primo caso ti basta un solo trasformatorino per misurare la tensione sapendo che lo sfasamento è identico in tutti e tre i rami.
Detto questo, per gli operazionali non ci sono problemi particolari per quei parametri che hai citato, a 50Hz ce la fanno tutti senza problemi, la differenza sostanziale nel tuo caso (per quanto riguarda la scelta dell’operazionale) sta nella predisposizione dell’operazionale a lavorare con alimentazione singola o duale, dato che devi portare la lettura di zero Volt a metà scala di lettura dell’ingresso analogico.
Vedo molto più lavoro nel software in questo progetto.

Qui ci sono i circuiti che fino ad ora ho solo testato in un simulatore con successo. Sono solo per una fase, quindi da costruire tre volte:

https://plus.google.com/u/0/115561799369721290087/posts/TUddorBYtYJ?pid=6089709277529770210&oid=115561799369721290087

Per Cyberhs ti rispondo subito che le pinze amperometriche come anche il trasformatore con annesso partitore di tensione mi sfasano le sinusoidali misurate rispetto a quelle di lavoro. Se ciò accadesse in maniera identica, per entrambe le sinusoidali non sarebbe un problema, ma dato che non è cosi sarei costretto a rifasare sia le pinze che il trasformatore, con un lavoro che non è complicato, ma è sufficientemente lungo.

I sensori ad effetto di hall (non ho la più pallida idea di come funzionano, ma credo sia più o meno come le pinze amperometriche) non so se mi sfasano la corrente, non so nulla, ma credo siano da tenere da conto.

Per Triac60 il programma lo ho già fatto, e sembra funzionare, aa se dovesse avere qualche intoppo farò un post a parte.
Il carico è ignoto, potrebbe essere puramente ohmnico, come puramente induttivo o capacitivo, ed allo stesso tempo potrebbe essere diverso da ramo a ramo. Quindi gia sappiamo che toccherà leggere corrente, tensione e fattore di potenza (cosφ) per ogni ramo.
Ora io la sinusoide che gli operazionali devono gestire la faccio sommare ad una tensione in continua per spostare un centro della sinusoidale da 0V a 2,5V.
Per l’alimentazione duale o singola non saprei che dire, non so neanche la differenza…

Nei disegni comunque si può notare l’uso dei buffer per risparmiare piedini di Arduino che dovranno leggere sia il valore analogico per vedere la corrente e la tensione, che il tempo di sfasamento delle onde quadre per misurare il cosφ.

PS: il cosφ è la cosa più importante perché verrà usato dai miei compagni di classe per rifasare il carico e quindi deve essere più preciso possibile (motivo per cui ho scartato il trasformatore e la pinza amperometrica).

CMRR http://www.peduto.it/OPERAZIONALI/esercitazionen%C2%B03.html

Offset degli operazionali http://www.vincenzov.net/tutorial/elettronica-di-base/appunti-classe-quarta/amplificatore-operazionale-reale-VOS.htm

Gain Band Width http://www.vincenzov.net/tutorial/elettronica-di-base/appunti-classe-quarta/amplificatore-operazionale-reale-GBW.htm

Esistevano tempo fa dei sensori Hall (non li ho più visti in giro) all'apparenza del tutto simile a un transistor con un foro al centro entro cui far passare un cavo/filo elettrico per poter misurare il campo magnetico come un TA, è una valida alternativa.

Il cos phi credo che sia la cosa più importante e se hai gia fatto il software sei gia a un buon punto.

Per quanto riguarda l'alimentazione duale o singola, dal tuo schema vedo che hai usato una singola, ricavando la massa virtuale con 2 resistenze, è chiaro che lo schema non è farina del tuo sacco altrimenti questa domanda non l'avresti fatta, la cosa importante è che tu capisca, in caso contrario ci sarà qualcuno che ti risponderà.

Fatti dire da un perito in elettrotecnica che sei un pessimo elettrotecnico.

Se vuoi mettere 3 shunt sulle 3 fasi per misurare la corrente usando 3 operazionali quanto é la tensione minima (considerando una disposizione simmetrica e la massa del alimentazione dei operazionali abbia potenziale del neutro.) che devono reggere gli operazionali?

Prendo lo schema che hai dato:

Il primo operazionale ha un partitore R1 e R2 verso massa: Considerando di aver 320V di picco su ogni fase, al entrata + del operazionale ci sono quanti volt??? sííí: Vf'/(R1+R2)*R2 ovvero 320V/(7K+25K)*25K = 250V picco. Visto che quando l' operazionale é in equilibrio, regola l' uscita in modo da avere ca la stessa tensione su entrambie le entrate, e ha la stessa tensione anche sull entrata - .

Per il secondo vale la stessa cosa. Quanto é la tensione su un Shund di 0,1Ohm a 5A? Giusto 0,5V per la precisione 0,72V picco. Tu vuoi riuscire a misurare una differenza di 0,72V facendo una conversione a 10 Bit di una tensione di 640V e poi la differenza? La risoluzione di un ADC di arduino é di 1/1023 e percui ca 0,6V? La tua tensione di misura é ca uguale a 1 ADC percui non misurabile. Per misurare la tensione del Shund é meglio misurare la tensione ai suoi capi e non la tensione di fase prima e dopo lo shund.

Per gli altri 2 operazionali vale: Non riesco a capire se la resistenza é R4 o R5. Ma indipendentemente da questo la resistenza di entrata di un quansiasi operazionale é maggiore di 10M Ohm fino ad arrivare a qualche GOhm e oltre. 1kOhm o 3,5MOhm o 1,8MOhm non fanno differenza. Hai sempre tensioni non bene definite sopra i 100V fino ad arrivare poco sotto alla tensione della fase.

Usa 1) Dei trasformatori di corrente con un shund sul secondario. La tensione é in fase con la corrente sul primario. Se non lo credi chiedilo al Tuo professore di Elettrotecnica in un momento dove é di buon umore. Io avrei incassato un 4 se avrei osato chiederlo perché lui considerava una cosa che dovevo sapere visto le sue lezioni. Anche dei Sensori di corrente ad effetto di hall vanno bene.

2) usa dei trasformatori di tensione per misurare la tensione con un piccolo carico resistivo.

Per controllare la precisione del sfasamento basta che attacchi un utenza resistiva (stufetta senza ventola) anche solo su una fase e vedrai subito cosa Ti da il circuito. Se 1 o qualcosa di diverso.

Ciao Uwe

Uwefed ho sempre qualche problema a far notare ciò che io ritengo un errore a chi ha un esperienza certamente maggiore della mia, ma la tensione che il primo operazionale deve misurare è la tensione ai capi della resistenza corazzata da 0.1ohm, quindi una tensione che raggiunge massimo i 7V di picco e non 320V. Forse avrò capito male e molto probabilmente hai ragione tu, ma questo circuito l'ho già testato su workbench e funzionava... Ora non so se funzionava per culo o nella realtà è destinato a non funzionare proprio, ma non vedo motivo per cui non dovrebbe funzionare.

Triac60 mi spiace deluderti ma lo schema che ho riportato è tutto farina del mio sacco, ma a parte questo la domanda sull'alimentazione l'ho posta perché non so quale siano i benefici di un' alimentazione singola o dual ne tanto meno la differenza. Ciò deriva dal fatto che è la prima volta che progetto un circuito (da montare e che funzioni) con degli operazionali reali e non ideali.

Guardando su wikipedia ho notato che anche il sensore ad effetto di hall funziona circa come una pinza amperometrica, quindi (questo è il punto dove qualcuno con più esperienza di me mi corregge) dovrebbe sfasare anche se di un minimo la sinusoidale misurata da quella di lavoro. Quindi per avere un cosφ più preciso possibile credo che tornerò alla resistenza di potenza corazzata...

PS: questo post è stato aperto principalmente per capire quale operazionale scegliere, io ho già un ne5532p. Potrebbe andar bene? Dovrei prendere un tipo diverso di operazionale?

IAmArx96: Uwefed ho sempre qualche problema a far notare ciò che io ritengo un errore a chi ha un esperienza certamente maggiore della mia, ma la tensione che il primo operazionale deve misurare è la tensione ai capi della resistenza corazzata da 0.1ohm, quindi una tensione che raggiunge massimo i 7V di picco e non 320V.

Sí. la tensione sulla resistenza é piccola e non sono 7V ma 0,7V con una corrente di 5Aeff (5A*0,1Ohm *SQR(2)) ma quella tensione ha il potenziale della fase. Se vuoi misurare su tutti le 3 fasi hai 3 tensioni di 0,7V max che si trovano a potenziali di 320 V picco rispetto al neutro.

IAmArx96: Forse avrò capito male e molto probabilmente hai ragione tu, ma questo circuito l'ho già testato su workbench e funzionava... Ora non so se funzionava per culo o nella realtà è destinato a non funzionare proprio, ma non vedo motivo per cui non dovrebbe funzionare.

Il circuito funziona se usi dei operazionali che reggono 400V tra entrate e alimentazione. Ma trovali e poi pagali.

IAmArx96: PS: questo post è stato aperto principalmente per capire quale operazionale scegliere, io ho già un ne5532p. Potrebbe andar bene? Dovrei prendere un tipo diverso di operazionale?

Con che tensione alimenti l' operazionale?

Ciao Uwe

Uwefed in linea teorica più o meno tutti gli operazionali reggono i 400V anche perchè la corrente (che è quella che fa danno) viene smorzata dalle resistenze. Comunque qui sto chiedendo che operazionali utilizzare per fare questo lavoro quindi non so a quanto vanno alimentati, ma credo intorno ai 6/7V, e qui si ritorna al punto, che operazionale devo comprare?

Se è farina del tuo sacco non mi deludi affatto, anzi ti faccio i miei complimenti. Gli operazionali non possono essere alimentati a 400V, anche con correnti ridottissime vanno in fumo, e cosi molti altri componenti elettronici. Puoi alimentare gli operazionali anche a 5V, provane qualcuno adatto a funzionare con tensione singola, come il LM358, costa pochissimo e se lo friggi non è una gran perdita.

Triac60 grazie per avermi suggerito già un operazionale, ma io non li devo alimentare a 400V, non sono in vena di mandare in fumo operazionali a go-go. Gli operazionali in questione devono misurare tensioni fino a 350/400V di picco, più o meno, e riportare la tensione letta in proporzione ad Arduino tra 0 e 5V.

up

Visto che il topic è morto, rispondo solo per chi ci capiterà in futuro.

Sono andato in laboratorio ed ho testato la prima parte del circuito, quella che riporta la tensione e la corrente, con successo.

Il risultato è promettente, funziona ma con dei difetti. Il primo è che ho calcolato male le R1 (e di conseguenza anche le altre resistenze dell'operazionale per la lettura della corrente) e le R3. Sono arrivato a tale conclusione perché le resistenze del primo operazionale si sono scaldate molto (ricalcolando dopo ho scoperto che dissipavano quasi 10W mentre io ho usato quelle da 1/4W), mentre la sinusoidale prodotta risulta oscillare tra 0 e 4V, poiché la tensione a vuoto risulta non 2,5V ma 1,5V prova che R3 è calcolata male.

Per il mio progetto ho deciso di adoperare solo la semi-onda positiva, per semplicità (poiché elimino R3 e non la devo ricalcolare) e per aumentare la precisione di lettura di Arduino, che passa da 9bit di prima a tutti e 10bit a disposizione.

Ho testato anche l'onda quadra (a parte senza i buffer), ma ho fuso l'operazionale. Questa non me la aspettavo... Ciò deriva dal fatto che l'operazionale che ho testato ha un impedenza di ingresso molto bassa, 300kohm, un po' pochino...

Ripeterò l'esperimento con le dovute correzioni e con un LM358 invece del NE5332p che ho utilizato durante la prova svolta.

Con questo concludo, saluto e ringrazio tutti, siete stati davvero utili.

E' un argomento interessante almeno per me, puoi postare i risultati, e se posso ancora darti una mano lo faccio volentieri. Ritengo che lavorare direttamente con quelle tensioni sia abbastanza critico, io metterei 3 piccoli trasformatorini per portare le tensioni e quindi le correnti a livelli accettabili dagli operazionali, riducendo inoltre enormemente le dissipazioni di potenza con resistenze corazzate ecc.

Triac60 guarda ho fatto oggi stesso un altra prova di laboratorio con gli operazionali lm358 che in teoria ha una resistenza interna decisamente più alta ma non è andata come speravo, infatti la tensione di uscita non rispecchia minimamente quella teorizzata anche con workbench. Infatti mi ritrovo sempre un onda quadra anche con una tensione minima, ci deve essere qualche disturbo che non so minimamente da cosa sia derivato, o forse sono semplicemente gli operazionali che non possono farcela a leggere una tensione così alta.

Il prossimo esperimento vedrà il circuito cambiato, se pur di poco. Infatti gli operazionali avranno prima un ponte di wheatstone per non avere più una tensione così elevata.

Vi farò sapere presto.