При создании умного дома нужно знать, как обстоит дело с энергопотреблением. Это важно, потому что весь дом, включая отопление, работает на электричестве. Кроме того, планировалось установить фотоэлектрические солнечные панели и полезно знать, сколько энергии вносится и потребляется из сети 220 В. Напряжение и ток часто сдвигаются по фазе, но их формы сигналов далеки от математических синусов. Независимо от формы напряжения и формы волны, мощность определяется по формуле P = U х I, и результат может быть как положительным, так и отрицательным. Чтобы определить обмен энергией (потребление или отдача), все что нужно сделать, это сложить dE = P х I х dt. При достаточно коротком времени dt (быстрая выборка) получается довольно точный результат.
Схема ваттметра требует подключения к трехфазной сети и трансформаторы тока должны быть установлены на кабелях основного источника питания. Несмотря на простоту электросхемы не рекомендуем применять эту систему людям, не имеющим опыта работы с сетевым 3-х фазным напряжением.
Схема трехфазного ваттметра
Блок питания является наиболее большой частью – он подает ток на ESP12, MCP3208, а также формирует опорные напряжения VREF и VREF2. VREF2 составляет половину напряжения VREF и позволяет сдвигать формы волны от делителя и трансформатора в положительный диапазон напряжения. Схема не имеет гальванической развязки от сети. Сетевое напряжение измеряется делителем 660 кОм (два резистора 330 кОм) и резистором 3,9 кОм. Ток измеряется путем контроля напряжения на 33R резисторе, закорачивающем трансформатор тока. Резисторы делителя должны составлять 1 Вт – причём речь идет не о рассеиваемой мощности, а о возможности работы при высоких напряжениях.
В качестве электролитических конденсаторов используются танталовые. Диод "D" – любой выпрямительный. Микросхема AMS1117 – стабилизатор миниатюрный. Модуль ESP12 имеет два поляризационных резистора GPIO15 и CH_PD (эти резисторы не показаны на схеме). В сети есть простой рисунок соединений этого адаптера.
Программа под Arduino составляет чуть более 100 строк кода. Обратите внимание на используемую библиотеку WiFiManager. Работа библиотеки заключается в том, что в случае первого запуска или при отсутствии сети WiFi программа переходит в режим AP и запускает свой веб-сервер. Просто подключитесь к точке доступа (желательно с мобильного телефона) и запустите страницу конфигурации из ESP (адрес: 192.168.4.1). На сайте выбираем нашу WiFi сеть и предоставляем пароль. За этой конфигурацией следует перезапуск ESP, который обычно подключается к нашей сети.
- При старте светодиод загорается на 1 с, что означает, что запуск прошел успешно.
- После подключения к сети WiFi идут две короткие вспышки – с этого момента схема должна работать правильно.
- Мигание также сигнализирует об отправке информации на сервер.
Процедура loop () дает правильное измерение и периодическую отправку данных. Тут суммируется обмен энергией за 5 с циклов, после чего средняя мощность будет отправляться на сервер в течение этого периода. Можно измерять и с более короткими интервалами, но 5 с является оптимальным из-за частоты отправки данных. Эти данные должны быть не только отправлены, но и сохранены сервером.
На первом этапе следует измерение VREF2 опорного напряжения. Это значение будет затем вычтено из измеренных напряжений. Поскольку одним из измеренных значений является напряжение сети, решено также измерить эффективное значение напряжения. Измерение максимального отклонения от теоретического опорного напряжения VREF2 облегчает анализ работы схемы и полезно во время запуска. Отправляется на сервер количество измерений, отклонение VREF2, время измерения и средняя мощности в каждой фазе и средние эффективные напряжения. Среднее количество измерений за период 5 с составляет 28500, что дает 114 измерений всех значений за один период. Чтобы получить этот результат, изменена тактовая частота ESP с 80 МГц до 160 МГц. ESP не рассчитывает мощность и напряжение в ваттах напрямую – это делается сервером, который запрограммирован на PHP. Алгоритм преобразования в отдельном файле.
Все результаты сохраняются на стороне сервера вместе со временем измерения. Поскольку измеряется средняя мощность, расчет обмена энергией (получение / отдача) основано на этих временах. Можно рассчитать по тарифам – PHP-скрипт может устанавливать тариф на основе времени, дня недели и даты. Скрипт PHP подсчитывает энергию для дневного и ночного тарифа отдельно. Благодаря надежности и скорости работы сервер должен работать в локальной сети.
Схема ваттметра собрана на универсальной монтажной плате. Соединения были удалены между фазами L1, L2, L3 и N, чтобы увеличить расстояния. Также удалены некоторые точки пайки снизу, как показано на фото.
Сначала была идея использовать ATMEGA8, но его аналого-цифровой преобразователь работает слишком медленно. Ключевые элементы устройства: трансформаторы MCP3208, MCP1541, AZ-1000. Трансформаторы должны быть как минимум на 40 А и маленькие. Размер имеет значение, потому что кабели питания подключены непосредственно к УЗО, что оставляет мало места между ними. Силовые кабели имеют 16 мм2 – поэтому отверстие в трансформаторе должно быть достаточно большим. Трансформатор AZ-1000 отвечал всем этим условиям. Существуют также версии с передаточным числом 750 и 500, так что вы можете сделать устройство с меньшей мощностью. При подключении обратите особое внимание где подключен провод «N». Порядок выводов напряжения и трансформаторов также важен – в противном случае будет измерено напряжение одной фазы, а ток другой.
Мощность будет измерена правильно если измеряем мгновенное U и мгновенный I. Каждое из этих значений может быть положительным или отрицательным. Их сумма также будет положительной или отрицательной. Если нет сдвига, у нас с U всегда один и тот же знак, и итог всегда будет положительным. При сдвиге напряжения и тока произведение будет один раз положительным и отрицательным, но сумма U х I х dt будет правильной. Особый случай – сдвиг на 90 градусов – тогда сумма будет равна нулю – то, что мы добавим, будет вычтено. Это показано на рисунке ниже:
Если черный график показывает напряжение и ток красного цвета, то произведение значений представляет собой синюю форму волны. Алгоритм расчета энергии состоит в сложении области выше и ниже графика – как видите она будет равна нулю.
Здесь не нужно синхронизировать измерение с пересечением нуля. Достаточно если измерение будет длиться кратно 20 мс. Например 5 секунд или 250 периодов. При 250 периодах измерения даже не имеет значения, где мы начинаем или где оно заканчивается. Данная библиотека также линейно интерполирует считываемое напряжение и предыдущее напряжение, чтобы сбалансировать разницу во времени между измерением тока и напряжения. Недостатком библиотеки является деление результата на количество образцов. Это важно, потому что ESP может задержать цикл из-за необходимости контролировать связь WiFi.
После установки солнечных панелей получился двунаправленный счетчик электроэнергии, но результаты значительно отличались от однонаправленных и вскоре удалось обнаружить причину – измеритель должен балансировать энергию между фазами. Поэтому пришлось отключить балансировку в вычислениях и результаты снова оказались такими же точными. Теперь сохраняется мощность в каждой фазе, а не общая.