Medición de corriente alterna con toroide

El sensor que tengo es un toroide que entrega un porporcional de 0 a 100 mA alterna para medición de corriente de carga 0 a 100 A.



¿Cómo puedo hacer para medir la corriente alterna?

Gracias

el sensor es un toroide 0 a 100mA alterna

Hubiéramos empezado por ahí jeje.

Un toroide entrega una salida en corriente alterna, proporcional a la entrada.

Es decir, tenés voltaje y corriente a la salida que debés acondicionar antes de leer, no es una relación directa, es una onda.

¿Qué datos tenés del toroide? ¿Algún circuito recomendado por el fabricante?.

Aquí están las especificaciones:
https://www.eltoroide.com.ar/sensor-corriente-alterna.html

Adjunto en PDF la hoja de datos.

Gracias

aquí están las especificaciones
https://www.eltoroide.com.ar/sensor-corriente-alterna.html
Gracias

Bien, si te fijás en las especificaciones del fabricante, ver siguiente imagen:



Tenés varias cuestiones a tener en cuenta, no es tan directo como leer una entrada según planteamiento original ya que es un sensor particular.

Lo primero, es que la resistencia de carga debe ser lo más baja posible para no saturar el toroide, su salida no puede superar los 5 VAC (RMS), caso contrario se satura el núcleo y pierde linealidad la medición.

En el gráfico 1, el resistor R=100 ohms, para 10 AMP de carga, la salida es 10 mA, y la tensión resultante es 1 VAC (RMS). Si la carga es 100 AMP, la salida es 100 mA y la tensión resultante es 10 VAC (RMS) y se te satura el nucleo.

¿En qué rango vas a leer corriente?. De esa forma podés seleccionar la resistencia que mejor se adapte.

Para rango 0-100 AMP de carga, lo mejor es R=47 Ohms / 2Watt / 1% tolerancia..

Entonces, para 100 AMP, tenés 100 mA, por lo tanto la salida es 4.7 VAC (RMS), abajo de la saturación del nucleo.

Pero ojo, esto teórico, según el fabricante. Por ahí se satura antes si el sensor no es de la calidad esperada y requiere una resistencia menor.  Luego vas a tener que contrastar de alguna manera con un amperimetro.

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Segundo, en el gráfico 1 tenes una tensión de salida alterna. Tenés tensión positiva y negativa.

Esto quiere decir que cuando leas tensión con el PLC, vas a leer una tensión instantánea, o indirectamente la corriente instantánea de la carga. Pero no la RMS o eficaz.

¿Vos qué necesitas leer? ¿Corriente eficaz RMS (Root Mean Square)?.

En ese caso hay que realizar un muestreo de varios ciclos de la onda y hacer un calculo según la ecuación de corriente RMS para una señal alterna sinusoidal.

Te recuerdo la fórmula (tiempo continuo):



Y para el tiempo discreto (programación):



Donde N es la cantidad de muestras en un tiempo múltiplo del periodo de la señal de entrada.

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Fíjate definir cual es el rango de corriente que necesitas leer realmente (limites de tu sistema), si necesitas corriente RMS, y si finalmente necesitas calcular la potencia entregada (ya que luego necesitarás conocer la tensión RMS, eso es fácil si sabés la tensión aplicada).

Luego avísame cuando definas lo que te consulto, así veo como te guío para seguir, ya que si bien esta tarea de investigación escapa un poco al uso en si del PLC, más que nada para que no trabajemos el doble 

Saludos!

 :)Hola, el generador trifásico (380V-80KVa), alimenta una carga de dos transformadores de media tensión conectados como amplificadores(entrada 380, salida 13.2 Kv, potencia 40 Kva), cuando activamos uno el otro se apaga. Dos reguladores(SCR) realizan el swicheo y manejan la potencia mediante el PLC.
La corriente de trabajo debería no superar los 40000/(400*1.73)=57.8 A. Esta corriente es variable dependiendo de las condiciones de trabajo (humedad en el suelo). por eso el rango debería estar entre 0 a 60 A. pero superado los 55A durante un pequeño tiempo debería apagarse.
La corriente medida se utiliza para detectar cuando se produce algún problema a la salida y se incrementa el consumo, osea la corriente aplicada a la salida(cortocicuito, etc).
La medición de Tensión (400V) la utilizo para verificar que el generador este en régimen y así habilitar el trabajo de los trafos.
Ademas teniendo la corriente y la tensión puedo calcular el consumo de energía aproximado.   
Gracias.

Hola, el generador trifásico (380V-80KVa), alimenta una carga de dos transformadores de media tensión conectados como amplificadores(entrada 380, salida 13.2 Kv, potencia 40 Kva), cuando activamos uno el otro se apaga. Dos reguladores(SCR) realizan el swicheo y manejan la potencia mediante el PLC.

Los cálculos de corriente generalmente se hacen suponiendo una onda sinusoidal en la mayoría de los casos y con carga resistiva. Como vos tenes un switcheo, y según me comentabas en otros post, utilizás diferentes tiempos ON/OFF, sumado a una alta carga inductiva (transformador), dudo que la forma de onda de corriente resultante vaya a ser una sinusoidal pura, y debería tener muchos picos de corriente difícilmente predecibles.

Desconozco como realmente sería un cálculo de corriente certero para una aplicación así, es tarea de un experto en electricidad teórica.

Pero, para no quedarnos en la nada, imagino que podemos tomar un promedio o valor eficaz del valor leído (promedio es diferente a valor eficaz) en el toroide para darnos una idea proporcional de la corriente que circula.

Tomando esta suposición, podemos simplificar el problema, pero como digo, los cálculos 100% correctos escapan ya al análisis que puedo darte como soporte.

NOTA 21/May/2018:
La formula True RMS mencionada con anterioridad permite calcular el valor RMS o eficaz de cualquier tipo de señal, desestimar este párrafo ya que NO ES CORRECTO. Ver siguientes mensajes.

La corriente de trabajo debería no superar los 40000/(400*1.73)=57.8 A. Esta corriente es variable dependiendo de las condiciones de trabajo (humedad en el suelo). por eso el rango debería estar entre 0 a 60 A. pero superado los 55A durante un pequeño tiempo debería apagarse.

Ok, creo entonces que el resistor de 47 ohms que te sugerí arriba seria suficiente. ya que cubriria bien el rango 0-100A. Por las dudas también comprá un resistor de 56 ohms, en caso de que se necesite mayor exactitud (cubriría el rango 0-89A, pero mejor resolución).

Ambos resistores de 1% y de potencia mínima 1 watt o mayor.

La corriente medida se utiliza para detectar cuando se produce algún problema a la salida y se incrementa el consumo, osea la corriente aplicada a la salida(cortocicuito, etc).
La medición de Tensión (400V) la utilizo para verificar que el generador este en régimen y así habilitar el trabajo de los trafos.
Ademas teniendo la corriente y la tensión puedo calcular el consumo de energía aproximado.   

Ok, entonces deduzco que lo que necesitas es corriente eficaz (RMS).

Por ello el algoritmo para procesar la señal debe emplear la formula que te pasé arriba.

También el periodo de muestro a tomar tiene que ser múltiplo de la frecuencia de switcheo que vas a utilizar en los SCR.

Dame unos días así te paso un ejemplo (ya que requiere análisis) que aplique dicho algoritmo para interpretar corriente RMS a partir de una señal alterna sinusoidal del toroide (base de nuestra suposición). Así te sirve de guía para que luego adaptes o mejores.

Te aviso por este medio cuando tenga el ejemplo.

Saludos

NOTA 21/May/2018:
En el siguiente mensaje se comparten dos ejemplos para el PLC empleando la formula True RMS, que permite calcular el valor eficaz de cualquier tipo de señal, independiente de su forma.

Buenas tardes Eduardo.

Adjunto dos proyectos en StxLadder que ejemplifican la medición de voltaje - corriente True RMS (valor eficaz) utilizando un toroide conectado en entrada analógica.

• Proyecto TrueRMS.zip: cálculo  de valor eficaz mediante lectura y retardo, solo para fines de didácticos y entender uso de formula.
• Proyecto TrueRmsSampler.zip:  cálculo  de valor eficaz mediante el uso de samplers, más eficiente y permite al PLC realizar otras operaciones sin perder velocidad de repuesta.

Ambos proyectos están explicados mediante comentarios e introducción en archivo info.txt (leer antes de utilizar) ubicado en carpeta "Documentos" del "Explorador de Proyecto" de StxLadder.

PRUEBAS

Conectar el toroide mencionado en "Toroide_Sensor.pdf" con resistor 47 ohms en paralelo a entrada VIN4.

Si la medición de corriente es para línea 50 Hz, colocar en constante "RMS_Period" el valor del periodo en milisegundos, es decir 20.

Cargar al PLC y conectarse con VirtualHMI.

Colocar una carga que pase por el toriode (ejemplo lampara) y ver la corriente medida en VirtualHMI.




Opcional: Sí no se tiene un toroide, se puede simular medición colocando un generador de señal sinusoidal en entrada VIN4 con +/- 1V pico. El VirtualHMI debería leer "Tensión de entrada: 0.7 [V]", que es el valor eficaz que podría medir con un voltimetro AC.

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ACERCA DEL VALOR TRUE RMS

True RMS es un termino que significa el valor eficaz de una señal sin importar su forma, puede ser alterna sinusoidal, triangular, cuadrada o continua.

El valor eficaz, se define como el valor de continua (DC) equivalente de una señal de alterna (AC).

Por ejemplo, si una señal de 20 VDC (continua) entrega 20 Watt a un resistor, se necesitará una señal de 20 VAC RMS (valor eficaz) para disipar la misma energía en el resistor.

La formula para el calculo True RMS en tiempo continuo es:



La formula True RMS para tiempo discreto, es la que utilizaremos para el cálculo y es la siguiente:



Como vemos, el valor resultante "i" (que puede ser corriente, voltaje, etc) es la sumatoria del cuadrado de N muestras de valor instantáneo de la señal i(n). Luego dicho valor se divide por N (número de muestras) y al resultante se le aplica la raíz cuadrada. En este punto, obtenemos el valor True RMS de la señal.

Si todos los valores i(n) son iguales (señal continua), el valor de la formula resulta i=i(n), es decir el valor eficaz se convierte en el valor de continua.

Si la señal de entrada es una sinusoidal pura, el valor RMS nos queda i= i(pico) * 1/RaizCuadrada(2) = i(pico) * 0.707

Para señales diferentes o distorsionadas, la formula genera al valor correcto también, por lo tanto es aplicable a cualquier tipo de señal.

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Tener en cuenta que el toroide utilizado tiene una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 20 KHz (según fabricante), por lo tanto, si la señal de entrada es menor a 20 Hz, no funcionará correctamente el sensado de corriente.

Hola Boris, para calcular la corriente TrueRms del toroide conectado a la entrada analógica 4, usando el proyecto TrueRmsSampler.zip, se llena el buffer y llama a OnVin4BufFull la cual usa funciones para calculo(GetVoltagesum y GetVoltageRms). Si deseo calcular la corriente TrueRms de tres toroides conectados en tres entradas (4, 5, 6) sus respectivos buffers llamaran a   OnVin4BufFull, OnVin5BufFull y OnVin6BufFull. ¿puedo usar las mismas funciones (GetVoltagesum y GetVoltageRms) en las tres OnVinXBufFull o se superpondrán los datos en las Variable.

Gracias Eduardo.

Hola Boris, para calcular la corriente TrueRms del toroide conectado a la entrada analógica 4, usando el proyecto TrueRmsSampler.zip, se llena el buffer y llama a OnVin4BufFull la cual usa funciones para calculo(GetVoltagesum y GetVoltageRms). Si deseo calcular la corriente TrueRms de tres toroides conectados en tres entradas (4, 5, 6) sus respectivos buffers llamaran a   OnVin4BufFull, OnVin5BufFull y OnVin6BufFull. ¿puedo usar las mismas funciones (GetVoltagesum y GetVoltageRms) en las tres OnVinXBufFull o se superpondrán los datos en las Variable.

Buenas tardes Eduardo.

En principio si mal no veo, si podrías re-utilizar las funciones GetVoltageSum() y GetVoltageRMS(), ya que si te fijás por dentro de cada función no se utilizan variables globales o que estén fuera de la función, por lo tanto solo depende de sus argumentos.

Lo único, es que deberías crear para cada canal un nuevo set de variables globales del mismo tipo para almacenar los datos de cada canal, esto es:

Samples[] (array de 127 elementos), SamplesNumber, I_RMS, Sum y V_RMS.

Podes darle un nombre más representativo con el número de canal por ejemplo: Samples5, Sum5, SamplesNumber5, etc.

Cada una de estas variables, luego las conectas como argumentos a las funciones reutilizadas, de la misma forma que el ejemplo.

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NOTA:

La función GetVoltageSum(), tiene una linea que depende del número de canal:

SampleVoltage = VinToVoltage(4, IN3, 8)

Que en este caso es "4", pero como solo se usa para convertir un valor en memoria a voltaje, no es necesario cambiarlo, siempre y cuando se utilice los canales 4,5,6,7 y 8, ya que comparten las mismas características.

Por otro lado, en diagrama Inicio.sld, recordá establecer el rango y activar el sampler para los otros canales a utilizar, tal como hace el ejemplo para el canal 4.

Saludos!

FOTOS DEL PLC CON SENSORES PARA MEDICIÓN DE CORRIENTE

Notar como el toroide (color negro, modelo RSR-1000) para medición de CA, se coloca sobre un solo cable (ver cable blanco con enchufe) de la carga y la salida eléctrica del toroide se conecta a la entrada VIN4 del PLC con un resistor de 47 ohms en paralelo para generar una tensión eléctrica proporcional a la corriente que circula por la carga.





EXTRA: TOROIDE ESPECIAL PARA MEDICIÓN DE TENSION

El siguiente toroide permite medir voltage en rango 0-400 VCA con una salida proporcional de 1 VCA.



Para más información de los toroides utilizados, ver la página del fabricante "El Toroide" en el siguiente link:

http://www.eltoroide.com.ar

Actualizamos versión del programa de ejemplo del PLC para medición de corriente en el archivo adjunto de este POST.

Se agregó el siguiente código en archivo GetVoltageSum.sfc :

   // Si voltaje es muy pequeño, redondear a 0 para no tener
   // lectura de ruido cuando no hay carga conectada.
   if(SampleVoltage > -0.04 && SampleVoltage < 0.04)
   {
      SampleVoltage = 0.0
   }
Básicamente este agregado, permite que la tensión/corriente de salida sea cero, cuando no hay carga, ya que fuerza a todos los valores de tensión muestreados entre -0.04V y 0.04V a ser cero, ya que los consideramos ruido.

No es necesario para el programa esta mejora, solo para el caso de que necesite un valor de 0 exacto cuando no exista carga o corriente medida por el toroide.

Saludos!

Hola Boris, con la medición de corriente y tensión calculo la potencia para utilizar como entrada de un PID ](como te comente en el tema de "Control de Reguladores"), El problema es que los valores medidos de "V" y "I" fluctúan demasiado y la potencia es muy variable.
Uso seis Sampler On con  una frecuencia de muestreo de 1000 Hz para los canales 3-4-5 para tensión y 6-7-8 para corriente. Leo las 127 muestras y aplico la formula para calculo RMS.
Mi pregunta es si necesitaré aumentar la frecuencia de muestreo. o que otra alternativa tengo para estabilizar los valores medidos.
Saludos.
La potencia la calculo con el evento On Time 2 y el PID con On Time 1 cada 127 ms.
No pude conseguir resistores 47 ohms - 1w - 1%, solo conseguí al 5%.

Buenas tardes Eduardo.

Hola Boris, con la medición de corriente y tensión calculo la potencia para utilizar como entrada de un PID ](como te comente en el tema de "Control de Reguladores"), El problema es que los valores medidos de "V" y "I" fluctúan demasiado y la potencia es muy variable.
Uso seis Sampler On con  una frecuencia de muestreo de 1000 Hz para los canales 3-4-5 para tensión y 6-7-8 para corriente. Leo las 127 muestras y aplico la formula para calculo RMS.
Mi pregunta es si necesitaré aumentar la frecuencia de muestreo. o que otra alternativa tengo para estabilizar los valores medidos.

Probablemente la señal de V-I que estés midiendo esté muy deformada, ¿la viste en el osciloscopio?.

¿Qué frecuencia tiene la señal de voltaje generada por los reguladores?.

Creo que lo que podés hacer es en la función "GetVoltageRMS.sfc" es aumentar el número de muestras utilizadas para el cálculo:

// Si el número de muestras es igual o mayor a 5 ciclos de señal,
// realizar el cúlculo de valor True RMS.

if((IN2 / IN3) >= 5)
{
    // ....
}

Colocar un valor mayor, por ejemplo 10:

if((IN2 / IN3) >= 5)
Para que tome más muestras y mejore el promedio.
Esto va a hacer más lenta la medición.

Los mismo que si la frecuencia de la señal V que estás midiendo, es menor a 50 Hz, podés bajar la frecuencia
de los samplers, en vez de 1KHz, usar 500 Hz, para que las muestras estén más espaciadas.
Va a hacer más lenta la medición.

En principio serian esos los pasos inmediatos por software.

Lo otro es dejar todo tal cual está, y los valores RMS que vas obteniendo de V e I, ir sumandolos en una variable, por ejemplo 10 veces, y luego cuando sabés que tenés 10 sumas, dividís por 10, entonces sacás el promedio.

De nuevo, esto consume más tiempo, porque debés esperar hasta tener las 10 muestras finales.

Depende de la velocidad de repuesta que necesites en el sistema.

Te recomiendo ir visualizando en VirtualHMI los valores de tensión y corriente RMS que obtenés, de acuerdo a cada opción que cambiés, para ver sus efectos y resultados.

Finalmente, las entradas analógicas del PLC leen los valores de tensiones tal cual están, es decir, si hay un pico o ruido, leen el ruido. Por lo que podés filtrar por software como te expliqué, o en otro caso utilizar un filtro por hardware para que la señal entre filtrada.

No pude conseguir resistores 47 ohms - 1w - 1%, solo conseguí al 5%.

El resistor del 1% es para mejorar la exatitud, es decir, que tanto se acerca a lo real lo que medís, pero no mejora el error de un ruido o las variaciones del voltaje.

Saludos!