如何使用电流互感器和Arduino检测和测量交流电流

智能电力监控在中小型工业、多层建筑等领域日益普及，以提高能源效率。我们之前已经建立了一个智能电能表，可以测量电力并在线报告使用情况。虽然这种类型的系统广泛用于电能表，但另一种最常用的测量电流的技术是使用电流互感器(CT)。CT可以检测和测量机器和其他交流电器中的交流电流，以监测电流消耗，从而监测机器或交流电器的健康状况。

在这个项目中，我们将借助电流互感器(CT)来测量交流电流的值。该系统还包括用于信号调理的整流器和放大电路。我们使用了一个16x2的液晶显示器和一个显示器来显示电流的测量值。有很多方法可以测量交流电流，如电感传感器，霍尔效应传感器等，但我们在这个项目中使用电流互感器。使用这个项目，我们将能够测量0.1安培- 5安培的交流电流。

交流电流测量的需要

短路引起的火灾事故给财产和人员造成了巨大的损失。据孟买首席消防官员称，在过去三年中，孟买80%的火灾是由短路引起的。通过对交流电流的实时测量，可以通过立即检测短路来防止短路造成的损害。交流电流测量在工业自动化以及系统的计量和保护中也非常有用。它还可用于电能质量分析和能源管理系统。

交流测量用电流互感器

使用电流互感器测量交流电流是一种非常安全的方法，因为在测量电路和交流载流导线之间没有物理连接。因此，电流互感器在工业上被用于测量高交流电流值。电流互感器在工业中用于商业计量、记录、电流传感、监测和控制。电流互感器用于监测整个电网的高压线路。在工业中，ct通常被称为电流传感器。

HWCT-5A/5mA电流互感器

电流互感器(CT)是一种电流测量装置，用于安全地再现低电平电流，以准确地表示测量或保护的高电平电流。ct是由一个磁芯和围绕磁芯的次级绕组组成的闭环仪器。在本教程中，我们将使用HWCT-5A/5mA电流互感器，如下所示。

电流互感器是如何工作的?

根据法拉第安培定律，“如果一个磁场围绕着一个闭合的线圈进行积分，那么这个积分的值就等于被线圈包围的净电流”。

CT的初级绕组，主回路有带我们要测量的电流的导线穿过铁芯的中心。承载主电流的初级绕组称为单回路或绕组。导线产生磁场，驱动次级绕组上的电流，次级绕组用作CT的输出。

电流互感器电流比的计算

次级绕组上的电流与流过铁芯中心的电流成正比。假设CT的电流比为5A:5mA，这意味着初级电路上的5安培将在次级绕组上产生5毫安的电流。

电流互感器是变压器的一种，它必须满足安匝比方程。

在那里,

Np =初级绕组匝数

Ns =次级绕组匝数

Ip =初级绕组电流

s =次级绕组电流

Ns的计算：

若给定CT电流比为5A:5mA，则

负载电阻与电流互感器的作用

电流互感器负载电阻是一种跨接在电流互感器二次绕组上的电阻。负载电阻用于电流互感器在开路状态下的保护。电流互感器的二次绕组应始终处于闭合状态，以避免二次端子产生高电压。二次绕组端子可能因连接松动而断开，电缆故障，焊接故障，并在二次绕组端子上建立高电压。因此，负载电阻是用来避免这种类型的故障。它也用于在次级绕组上产生一些电压。

负荷阻力计算

以下计算可用于确定CT的合适负载电阻。在这里，我们没有考虑CT二次绕组的阻抗。考虑二次绕组的阻抗，可以得到更准确的负载电阻值。

交流电流测量所需组件

执行此项目所需的以下组件-

交流电流测量电路框图

下面的原理图显示了使用电流互感器测量电流的框图。

使用Arduino测量交流电流的电路图

下面的原理图显示了使用电流互感器测量电流的电路图。

在上述电路中，我们使用16 * 2 LCD，但在项目中我们使用I2C LCD显示。对于I2C液晶显示器，只需连接即可。

Arduiono Gnd - I2C Gnd

Arduino 5V - I2C Vcc

引脚A4 - I2C SDA

引脚A5 - I2C SCL

在上述电路图中，我们使用交流电压源作为次级绕组电压。这是如何整流器和放大器电路看起来像面包板。

正如我们在这个电路中看到的，一根红色的电线穿过电流互感器，我们要测量通过这条电线的电流值。20k + 2k电阻和齐纳二极管与CT并联。该电阻为CT的负载电阻(22k)，齐纳二极管提高了电路的安全性。在这里，我们还连接了一个肖特基二极管，它将作为半波整流器。

电流测量电路是如何工作的?

首先，灯泡的两个端子都连接到变压器的两个端子上，灯泡的一根导线穿过电流互感器中间的孔，这条导线作为电流互感器的初级绕组。

由于初级绕组中的交流电流，次级绕组也感应到交流电压。现在把这个交流电压转换成直流电压，送到半波整流器，半波整流器正半周正偏，负半周反偏。图中Vi为输入正弦波脉冲，Vo为输出正弦波脉冲。

一个电解电容器被添加到有波整流器的输出，只接收直流电压。这个电容器只转发电路中的直流电压。从整流电路得到的输出电压的幅度很小，所以我们使用放大器。我们使用了10k和1k反馈电阻值的非反相运算放大器。

我们知道，非反相运算放大器的输出为：

在那里,

反馈电阻值(10k)

R1 = 1k

Vout =运放输出电压

Vin -施加于运放非反相端的电压。

把所有的值代入方程后

11是这个运放的闭环增益。现在，将放大后的输出电压发送到Arduino，然后在LCD屏幕上接收一次绕组电流的值。

Arduino交流电流测量代码

完整的代码在本文档的末尾给出。在这里，我们将解释arduino代码的一些重要部分。

运算放大器的输出是模拟电压值，该模拟值通过arduino内置的ADC转换为数字值。arduino上的ADC是一个10位ADC。它可以检测1024个离散的模拟电平。ADC使用下面的公式将模拟电压值转换为ADC读数。

用上面写的相同公式在串行监视器中打印电压值。

上述公式用于在串行监视器中打印电压值。

要将电压转换成电流，需要除以一个常数10.680，这个常数来自电路计算。

为了在LCD显示器上打印初级绕组电流值，使用了wire.h， LiquidCrystal_I2C库。

将LCD地址设置为0 * 27，用于16个字符和2行显示。

代码:

交流电流测量电路输出

当自耦变压器的电压发生变化时，初级绕组中的电流值也会发生变化，我们用数字万用表来测量。

在LCD屏幕上也可以看到初级绕组电流值的变化。如下图所示，实际电流值和测量电流值几乎相同。

测量较小的电流值(小于0.2 a)显示测量电流值在小数点后第二位的波动。这是因为交流电流的值很小，但如果我们测量的电流值很大(超过0.5A)，则不会出现波动。在这里，我们使用金属膜电阻，但我们可以得到更准确的结果，使用精密金属膜电阻。

本文编译自iotdesignpro