¿Cuál es la forma más económica de medir digitalmente la tensión de red, la corriente y el factor de potencia de 240 V?

Estoy buscando capturar y analizar las medidas de la energía de la red que uso por circuito.

He encontrado algunos productos de consumo que ofrecen monitoreo de energía de powerpoint como Kill-A-Watt, pero la conectividad de la PC debe piratearse en dispositivos como estos, y aunque las unidades más avanzadas ofrecen USB incorporado, no estoy al tanto de nada. listo para usar que viene con controladores/soporte para FreeBSD.

Mis intentos de encontrar monitores de energía de bricolaje a través de Google han fallado estrepitosamente, ya que no estoy del todo seguro de qué buscar, pero encontré un PDF particularmente interesante sobre monitoreo de energía , que describe una variedad de diferentes monitoreos de energía basados ​​en software. Técnicas y cómo implementarlas.

Una de las cosas que destaca este PDF es la relación entre el voltaje, la corriente y el factor de potencia, y el hecho de que no se puede calcular con precisión el uso de energía (vataje) sin voltaje y corriente, y que también se debe tener en cuenta el factor de potencia. Por lo general, busco una solución de medición que rastree el voltaje, la corriente y el PF.

Kill-A-Watt parecería ser el punto de partida más efectivo y simple para medir el voltaje y la corriente (y, por lo tanto, PF), pero me preocupa usar este dispositivo por un par de razones:

  • Existen varias variantes del diseño del circuito Kill-A-Watt , aparentemente de diferentes OEM contratados. Las instrucciones de piratería solo parecen estar disponibles para una variante.
  • Los PCB no utilizan un convertidor o transformador de voltaje completo, por lo que todos los componentes funcionan con un potencial de 240 V. Describiría mi experiencia con la electrónica como "extremadamente rudimentaria", por lo que considero que modificar un dispositivo como este está fuera del alcance de lo que sería una buena idea para mí.
  • Los diseños enumerados son para la versión estadounidense de Kill-A-Watt, pero estoy en Australia. El diseño australiano es completamente diferente (cerramiento completamente diferente, etc.) y completamente indocumentado. Entiendo que Kill-A-Watt probablemente manejará 240 V ya que EE. UU. usa un sistema dividido 120/240, pero aún así.
  • Al leer este hilo de discusión del foro , tengo la impresión de que no solo el diseño del dispositivo Kill-A-Watt en sí no es especialmente avanzado, sino que el truco de monitoreo de voltaje/corriente en sí podría realizarse de forma independiente sin Kill-A-Watt en el primer lugar.

Con estas consideraciones en mente, estoy buscando una forma económica de rastrear el consumo de energía de mis computadoras y otros periféricos en tiempo real.

Tengo una esquina en la que puedo meter un buen pie cuadrado de equipo, por lo que la solución no necesita ser compacta. Mis únicos requisitos son que el sistema realice un seguimiento de la corriente, el voltaje y el factor de potencia, y que sea moderadamente fácil de construir (describiría mis habilidades de soldadura como aceptables).

El diseño de software no es en absoluto un problema, y ​​un diseño basado en un microcontrolador estaría bien. De hecho, una de las cosas que me gustan del truco de KAW es que (como se señaló en una de las publicaciones en el hilo que vinculé anteriormente) el sistema captura la corriente y el voltaje del circuito 17 lecturas por segundo (para el cálculo de PF). Esto es muy bueno, y haría buenos gráficos :)

un mciro con adc, algo de aislamiento y divisor de voltaje y una derivación debería ser todo lo que necesita, más o menos lo mismo que encuentra en todos esos dispositivos.
Si le gustan los microcontroladores, hay una nota de diseño de Atmel que hace un medidor de potencia usando un AVR de 8 bits, el chip está activo, por lo que deberá aislar el canal de comunicaciones.
creo que es este: atmel.com/images/…
Y para que funcione con FreeBSD, necesitaría una interfaz de chip USB que sea compatible con ese sistema operativo. Estoy bastante seguro de que tienen una lista en alguna parte.
@PlasmaHH , @Jasen : Interesante. Al leer las respuestas que han aparecido desde que se publicaron sus comentarios, parece estar de acuerdo en que esta es la dirección básica en la que debo ir. @RespawnedFluff : FreeBSD ciertamente es compatible con las soluciones de conversión USB/serie de FTDI, que es la dirección probable en la que iré. . Si desarrollo firmware para un dispositivo USB nativo, no sospecho que escribir el controlador apropiado para él no sería demasiado complicado.
Consulte la sección "Agregado" al final de mi respuesta.

Respuestas (2)

Solía ​​diseñar medidores de electricidad, así que soy parcial. Solo hay una forma de medir la potencia (digitalmente) y es muestrear simultáneamente las formas de onda de voltaje y corriente a una velocidad razonablemente alta, como 1kSps o superior. Multiplica las muestras v e i para obtener muestras de potencia instantáneas. Luego promedia estas muestras de energía para obtener la potencia promedio real, es decir, el tipo de energía que se le factura: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Si necesita medir la potencia trifásica, consulte este enlace para el método de dos vatímetros

Ninguno de los anteriores tiene que tener en cuenta el factor de potencia porque PF es solo un buen número retrospectivo que puede usarse para reducir la corriente de un sitio y así evitar que se le facture por exceder los límites de potencia reactiva. En un hogar, esta parte adicional de la facturación no se aplica hasta donde yo sé y en el Reino Unido solo se animó a los usuarios de 100 kW y más a usar la corrección FP para evitar el cargo adicional de los proveedores de electricidad.

Permítanme reiterar

EL FACTOR DE POTENCIA NO TIENE NADA QUE VER CON LA MEDICIÓN DE POTENCIA ADECUADA Y PRECISA.

¿Por qué necesita muestrear a 1kSps? Escuché que alguien dice - razón - para evitar errores de alias de nyquist. sí, el voltaje suele ser una onda sinusoidal bastante sin distorsiones con armónicos mínimos pero no la corriente. Solo piense en la corriente que toma un puente rectificador, el condensador de suavizado y la carga: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

El condensador de suavizado de la fuente de alimentación solo se recarga en la parte superior del ciclo de voltaje y, en gran medida, el resto del tiempo no se toma corriente de la fuente de CA. Es por estas circunstancias que se necesita realizar un muestreo de alta velocidad bastante riguroso.

Luego, pregúntese, dada la mala forma de la corriente en los hogares, ¿el voltaje RMS, la corriente RMS y tratar de evaluar un factor de potencia significativo tienen algún sentido para la potencia?

No, por supuesto que no, por lo que cualquier dispositivo que no mida la potencia promediando el resultado de la multiplicación instantánea de voltaje y corriente es un fraude.

Por lo tanto, mida y calcule la potencia correctamente y, en el camino, puede calcular el voltaje RMS y la corriente RMS; luego, puede dividir los números RMS en el número de potencia para obtener una medida real del factor de potencia PERO, no necesita saber PF en absoluto si desea consultar sus facturas.

Muchas gracias por esta respuesta. Además de comprender casi toda la teoría relevante para el monitoreo de energía, ¡los temas relacionados como la electricidad sucia ahora también tienen mucho más sentido para mí! Podría perseguir el factor de potencia y la medición de voltaje y corriente RMS, pero ahora entiendo que no tiene que ser mi primera prioridad. :D
¡Genial y podría agregar que el artículo escrito sobre el monitoreo de energía fue escrito por un imbécil que no entiende SFA sobre la medición de energía!
@Andyaka ¿Puede mirar la sección "Agregado" al final de mi respuesta y avisar si ve algún problema con mi solución de súper bajo costo para 8 canales? SI la alimentación es una fase desde un punto único q tiene, por ejemplo, 8 sentidos de corriente R y los lee directamente con uC. De manera similar, use un divisor V único referenciado al mismo punto y use el mismo V para todos los canales.
El muestreo de kilohercios no es necesario. puede muestrear a 10,001 por segundo y obtener lecturas de factor de potencia perfectamente buenas: las formas de onda de potencia son repetitivas y siempre que muestree todas las partes de la forma de onda, puede crear una imagen de "tiempo equivalente" del uso de energía. necesitará un ancho de banda de kilohercios, pero la frecuencia de muestreo puede ser menor.
@Jasen, por favor, no seas ingenuo. Lo que está sugiriendo es un submuestreo y es muy poco probable que pase por alto las condiciones transitorias que duran solo varios ciclos de CA. Mala, mala idea amigo.
@RussellMcMahon me parece bien: una referencia de voltaje y todas las derivaciones de corriente se desconectan del mismo lugar.
@Andy, si está interesado en la potencia promedio, los transitorios cortos contribuyen poco al resultado general.
@Jasen, por lo que submuestrea a 10.001 Hz y la frecuencia de la red se desplaza a 50.001 Hz. ¿Dime qué sucede?
eso no será un gran problema hasta que se acerque a 50.005 Hz, pero sí, veo que la frecuencia de muestreo debería ajustarse para garantizar que se capture una distribución uniforme de las fases,
¡Sí, quise decir 50.005 Hz!
FWIW, necesito medir 8-9 canales simultáneamente, por lo que sería económicamente razonable encontrar algo con 8-9 líneas ADC de 1kHz+. Mi única pregunta es, ¿el muestreo de 1,0000 kHz es la frecuencia correcta o el valor ideal es mayor o menor?
@ i336, como con cualquier conversión analógica, debe obedecer a nyquist y esto significa tener en cuenta los armónicos en la forma de onda actual para evitar el alias. En el peor de los casos, es probable que el electrodoméstico sea una computadora o un televisor. Intente investigar un poco para obtener imágenes de la corriente, luego use Excel para multiplicar con una muestra de ondas sinusoidales y vea qué tan bajo puede llegar con el muestreo antes de obtener errores de potencia inaceptables.
@Andyaka: Oh, está bien ... lo que podría hacer es buscar un µC con líneas ADC de 5-10 kHz (o más, si es posible) y hacer que la frecuencia de muestreo del firmware sea configurable. Esto me permitirá ver los gráficos de la corriente (¿supongo que a eso te refieres con "imágenes"? No estoy seguro) ya que no tengo equipo de análisis aquí, y también ajustar todo al mismo tiempo. :D
Puede obtener "imágenes" lo suficientemente decentes ejecutando una simulación de un puente rectificador impulsado por CA y una tapa de suavizado con una carga potente. Si tiene LTSpice, incluso puede hacer un análisis de espectro de esa salida y decidir cuántos armónicos debe considerar.

Más adelante: tengo muchas referencias que puedo desenterrar. Estoy en Nueva Zelanda.

El sistema de tweetawatt de ADAFruit se puede utilizar conceptualmente con cualquier medidor de potencia.
Esencialmente, aceptan la entrada del sensor de voltaje y el sensor de corriente del medidor y toman prestado el voltaje de la fuente de alimentación para el módulo XBEE y luego envían la señal a través de XBEE para que la procese el sistema remoto: PC o lo que sea.

La página 25 del manual Tweet-a-Watt tiene el diagrama de circuito muy simple de lo que hacen. Los medidores de potencia escalan el voltaje de la red a un valor pequeño (a menudo, un rango de alrededor de 0,2 V RMS para circuitos integrados de medidor de energía de entrada de convertidor Sigma Delta sofisticados y unos pocos voltios para unidades de proceso en microcontrolador) y la corriente se representa de manera similar, a menudo a través de un transformador de corriente.
Si está preparado para jugar y acepta los problemas de seguridad, puede ver qué entradas quiere el tweet-a-watt y escalar la red eléctrica usted mismo.

Considero (después de analizar mucho el tema) que el método general más efectivo es usar un "IC de medidor de energía" con una interfaz aislada. Algunas personas han hecho el trabajo por usted para algunos de los medidores comerciales disponibles que usan circuitos integrados conocidos y varios de los medidores comerciales usan circuitos integrados para los cuales hay hojas de datos disponibles.

Un hombre proporcionó detalles extensos de su solución ion el año pasado y apareció en Hackaday y en otros lugares. Puedo proporcionar más detalles más adelante, pero una búsqueda en la web debería encontrarlo. Tomó las salidas del IIC y las aisló ópticamente y usó un ESP8266 para enviarlas para su análisis remoto. No sabía el IC utilizado y le envié un mensaje diciéndole lo que se utilizó, pero nunca escuché nada. Puedo proporcionar esa información "pronto".

La ventaja de usar un dispositivo que utiliza un IC de "medidor de energía" es que se han desarrollado para el mercado comercial de medidores de electricidad y son muy superiores en operación básica a la mayoría de los sistemas menos integrados. Los circuitos integrados suelen utilizar convertidores ADC delta-sigma con precisiones y resoluciones mucho más allá de la precisión de las referencias que se utilizan habitualmente. Tienen una capacidad de salida de datos mejor que +/- 0,1 % (mucho mejor en algunos casos) con referencias adecuadamente precisas. Proporcionan tensión y corriente RMS, potencia real (instantánea y promediada en el tiempo), energía sumada (kWh), potencia reactiva (kVA), factor de potencia y más. A menudo proporcionan tanto datos numéricos como pulsos de energía adecuados para controlar pantallas de medidores mecánicos. Si se utiliza un dispositivo comercial como interfaz para un sistema de bricolaje, todo lo que se necesita es la PCB de alimentación, ya que la pantalla LCD y la PCB del procesador son redundantes. Como tales medidores se venden por, digamos, $A18, los tableros de alimentación por sí solos probablemente cuesten menos de $5 ex China. Estos tienen el IC del medidor de energía, el divisor de voltaje, la derivación de corriente, los componentes de calibración y la fuente de alimentación fuera de línea (a menudo un condensador en serie desagradable pero viable (letalmente peligroso si no está aislado)).

El "Proyecto de medidor de energía" es conocido por Google (y mis registros en su momento) y proporciona una versión de lo anterior.

Esta NO es solo una lista de compras, pero podría usarse de esa manera. El objetivo es señalar cómo estos medidores se pueden utilizar para fines de bricolaje.

Jaycar en Australia vende una serie de medidores de potencia que usan dicho IC y hay hojas de datos disponibles. Mi intención es desarrollar una interfaz aislada ópticamente para los medidores Jaycar y otros que usan los mismos circuitos integrados o similares, pero está en la lista "alguna vez", por lo que tener a alguien interesado en hacerlo puede conducir a resultados más rápidos :-).

Si quiere resultados mañana y no le importa pagar $A179 ($160-90 con una tarjeta "comercial"), este medidor con interfaz USB, transformador de corriente y software probablemente haga exactamente lo que desea.ingrese la descripción de la imagen aquí

Este medidor de potencia Jaycar cuesta $ 27 australianos en 1 / s y algo así como $ A18 en volumen modesto cuando pregunté hace algunos meses. De vez en cuando los hacen especiales. Tengo una hoja de datos para el IC utilizado (puede ser lógica Cirrus) y esto es lo que pretendo apuntar inicialmente para la interfaz.

Estos medidores Jaycar son más bonitos y caros, pero no necesariamente mejores para su propósito. CREO que este es el proyecto para el que se han publicado los detalles y el código en Hackaday.

Le invitamos a ponerse en contacto conmigo fuera de la lista por correo electrónico (detalles en mi perfil). Facebook no es un buen método de contacto inicial.

AGREGADO:

¿Qué precisión quieres?
IMPORTANTE: ¿están todos en una fase y alimentados desde el mismo punto de alimentación (fusible o enchufe de pared o ...?). Si es así, probablemente pueda medir el voltaje una vez y la corriente x N y compartir la V para V x I.
Además, si todas las alimentaciones provienen de un punto común, puede usar sensores en serie resistivos desde ese punto y hacer flotar el sistema de medición con ese punto como común, por lo que debe usar circuitos extremadamente mínimos. Los ADC a bordo de un uC probablemente estén bien para su propósito, por lo que necesitaría decir 8 x I sense, un divisor V, fuente de alimentación centrada en el punto común y un solo canal de salida aislado si lo hace por su cuenta. Esto no es trivial, pero tampoco es muy difícil técnicamente. Si no puede pagar, por ejemplo, los medidores Jaycar, incluso los CT separados por canal se vuelven molestos. Si realmente impulsó el esquema anterior, podría hacer el lote por $ 15- $ 30 en partes.

Esto es muy interesante. Algunas cosas: 1), cuando dices "escala la corriente tú mismo", esta es la parte de la que no estoy seguro: ¿cómo logras esto realmente? derivaciones actuales? ¿Bobinas de detección? ¿Y cómo se mide el voltaje? 2), a la luz de la respuesta de Andy, también conocido como quien mencionó el muestreo a 1kSps, junto con el hecho de que no necesito ni quiero una solución inalámbrica, no creo que el diseño de Tweet-A-Watt sea para mí, y que probablemente crearé mi propio sistema (no sospecho que será difícil). (continuación)
(continuación:) 3), necesito rastrear ocho circuitos a la vez. ¿De verdad crees que usar uno de los medidores Jaycar ($144-$216 solo por los medidores, y luego todas las piezas y el tiempo para modificar cada uno de ellos) sería la forma más económica de hacer esto? (Tengo un presupuesto casi nulo tal como está :P)
no necesita muestreo de kilohercios, haga un muestreo de tiempo equivalente
Guau, los bits adicionales que agregó hacen que se reflexione seriamente. Sí, todos los circuitos provienen del mismo suministro residencial, solo pasan por diferentes MCB y RCD. Y puedo ver lo que quieres decir con que no es trivial, pero una vez que tenga el diseño y una idea de lo que estoy haciendo, debería estar absolutamente bien. Probablemente no iré rápido, pero sabré lo que estoy haciendo. :D
@ i336_ Colocaría las resistencias de detección en el punto de conexión común o lo más cerca posible, tal vez sujeto a problemas regulatorios. Si puede hacer una entrada de corriente diferencial verdadera, hará que el requisito sea un poco menos estricto: los voltajes de resistencia de sentido aún deben estar dentro de la distancia de voltaje de modo común desde el punto común. .
Parpadea Bien... tal vez no estoy seguro de lo que estoy haciendo ahora :P De hecho, estoy planeando instalar algunos circuitos nuevos y mi objetivo es tener los nuevos puntos de alimentación directamente debajo del tablero de distribución. Dicho esto, me mudaré pronto y puede que me encuentre en circunstancias significativamente diferentes después de la mudanza (todavía no tengo idea).
¿Cuál es la forma más económica de medir digitalmente la tensión de red, la corriente y el factor de potencia de 240 V?
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