Projekt vorgestellt: Strommessung im Haushalt bis 30A mit Arduino

[avr_racer]

Schwierig ist es nicht, einfach zu jedem Zeitpunkt Strom mal Spannung. Die blaue Kurve zeigt es.

Das nennt sich SCHEINLESITUNG!

Für mich sieht das nach Gleichrichter und DC Zwischenkreis aus. Solange die Amplitude der Wechselspannung kleiner als diese Spannung ist, fließt kein Strom. Ab dann wird der Zwischenkreiskondensator aufgeladen. Wenn dann die Eingangsspannung wieder unter die Zwischenkreisspannung fällt, endet der Strom. Typisches Schaltnetzteil ohne PFC.

Nix mit Gleichrichter, wäre da einer enthalten würden die negativen Anteile positiv sein wie die erste Halbwelle. Es ist ein vollwertiger reiner Wechselstromverbraucher ansich, der einfach, wie White_Fox schon sagt, durch eine Phasenanschnittssteuerung gedimmt wird.
https://de.wikipedia.org/wiki/Gleichrichter
https://de.wikipedia.org/wiki/Phasenanschnittsteuerung

Ob man da sinnvoll von "cos φ " sprechen kann, würd ich bezweifeln. Mathematisch macht das eigentlich nur bei Sinuskurven Sinn und der Strom ist offensichtlich weit entfernt von einem Sinus. Crestfaktor ist denke ich der bessere Begriff.

MfG Klebwax

mmhhh ist doch von mir recht einfach beschrieben worden warum nutzt man einen englischen Begriff wenn man des Deutschen mächtig ist aber nicht diese auseinanderhalten kann.

ABER Scheitelfaktor und cos PHI beziehen sich auf unterschiedliche Beziehungen
Scheitelfaktor bezieht sich auf ein und die selbe Sinusart zB.:
Strom und Strom ODER
Spannung und Spanung ODER
Leistung und Leistung ODER ... ODER... ODER

Phasenverschiebung bezieht sich auf zwei UNTERSCHIEDLICHE physikalische GRÖßEN zueinander zB.:
Spannung und Strom oder
Strom und Leistung oder
Leistung und Spannung

https://de.wikipedia.org/wiki/Scheitelfaktor

Zum Bild dort ist eher keine Phasenverschiebung zu sehen da der Strom grundsätzlich in seiner Grundschwingung trotzdem in Phase ist aber nur zu einer gewissen Zeit in Phase zum fließen kommt!!!

Ich bitte dies zu verstehn sonst ist jegliche weitere Diskussion sinnlos oder man macht daraus eine Grundlagenerklärung!

[influencer]

hiho

mal wieder eine naive nachfrage:
betrifft das 'gleichzeitig messen' problem.
es ist doch anzunehmen das die spannung konstant bleibt, oder ?
wuerde es da nicht reichen die spannung einmal auszumessen, die frequenz mit dem takt des arduino abzugleichen um anschliessend aus der ermittelten kurve die zeitgleichen spannungswerte zu den gemessenen stromwerten 'vorherzusagen' statt zu versuchen die gleichzeitig zu messen ?
bzw. wie 'konstant' ist die netzspannung aus Eurer erfahrung ? wuerde es reichen die z.b. alle 1min neu nachzumessen ?

[White_Fox]

Da hab ich dich doch ganz vergessen, influencer...

hiho

mal wieder eine naive nachfrage:
betrifft das 'gleichzeitig messen' problem.
es ist doch anzunehmen das die spannung konstant bleibt, oder ?
wuerde es da nicht reichen die spannung einmal auszumessen, die frequenz mit dem takt des arduino abzugleichen um anschliessend aus der ermittelten kurve die zeitgleichen spannungswerte zu den gemessenen stromwerten 'vorherzusagen' statt zu versuchen die gleichzeitig zu messen ?
bzw. wie 'konstant' ist die netzspannung aus Eurer erfahrung ? wuerde es reichen die z.b. alle 1min neu nachzumessen ?

Außer bei Sonderfällen (z.B. Sicherung schaltet ab) kannst du die Spannung als konstant annehmen. Die ist in Frequenz und Amplitude sehr konstant, alle 10min einmal messen würde mehr als ausreichen.

Zu dieser Idee hatte ich auch schon etwas geschrieben. Ich habe es dann allerdings wieder verworfen, weil du trotzdem noch eine zeitliche Referenz wie z.B. den Spannungsnulldurchgang brauchst. Anders bekommst du die Phasenverschiebung nicht. Und wenn du den AD-Wandler da raushalten willst brauchst du eine andere Form von "Startsignal". Z.B. einen Differenzverstärker, den du binär auswertest (auf Flankenwechsel triggern).

[influencer]

Zu dieser Idee hatte ich auch schon etwas geschrieben. Ich habe es dann allerdings wieder verworfen, weil du trotzdem noch eine zeitliche Referenz wie z.B. den Spannungsnulldurchgang brauchst. Anders bekommst du die Phasenverschiebung nicht.

auf 'zeitliche referenz' bezog sich das 'mit dem takt des arduino abzugleichen', was es dafuer braucht (wovon ich eine keine ahnung habe!) eine hochaufloesende clock auf dem arduino, z.b. sowas wie clock-counter (clocks since running).
dann koennte man (nach ermittlung der 0-durchgaenge) eine spannungskurve im ram konstruieren die mir zu jedem clock-zeitpunkt die spannung vorhersagt die da jetzt gemessen wuerde (wenn sich die spannung seit ermittlung der kurve nicht geaendert hat).
wenn man jetzt einen strom misst und dazu den dann gueltigen clock-count mitspeichert, kann man aus der spannungsvorhersage (aufgrund der periodizitaet) die zu diesem clockcount (modulo clockcounts/periode) vorhandene spannung raten und haette dann spannung und strom zum exakt gleichen zeitpunkt (so 'gleich' wie in den grenzen der clock und der abtastrate der spannung mgl).

die spannung sollte man wohl immernoch periodisch vor/nach den stroemen mitmessen. und sobald der gemessene wert zu sehr vom erwarteten (aus der aufgezeichneten kurve von davor) abweicht, muesste spannung neu vermessen / vorhersagekurve neu bestimmt werden.

[White_Fox]

Das kann man theoretisch machen.
Praktisch würde ich aber eher schätzen, daß du dir damit größere Fehler in die Messung ziehst als wenn du einfach Strom und Spannung parallel mißt. Wie ich vorher schon schrieb-der Fehler, den du bei 50Hz machst, kannst du vernachlässigen.

[Klebwax]

Das kann man theoretisch machen.
Praktisch würde ich aber eher schätzen, daß du dir damit größere Fehler in die Messung ziehst als wenn du einfach Strom und Spannung parallel mißt. Wie ich vorher schon schrieb-der Fehler, den du bei 50Hz machst, kannst du vernachlässigen.

Das sehe ich auch so. Wenn aber entweder der Trafo zur Spannungsmessung oder der Stromtrafo die Phase schiebt, muß man das korrigieren. Oben ist beschrieben, daß bei einer ohmschen Last (Glühbirne) auf dem Scope eine Phasenverschiebung von ca. 22° zu sehen ist. Dies ist sicher nicht real, das kann nur aus der Messschaltung kommen. Das korrigiert man, indem man Strom und Spannung ca. 1,2ms nacheinander misst.

MfG Klebwax

[avr_racer]

Das sehe ich auch so. Wenn aber entweder der Trafo zur Spannungsmessung oder der Stromtrafo die Phase schiebt, muß man das korrigieren. Oben ist beschrieben, daß bei einer ohmschen Last (Glühbirne) auf dem Scope eine Phasenverschiebung von ca. 22° zu sehen ist. Dies ist sicher nicht real, das kann nur aus der Messschaltung kommen. Das korrigiert man, indem man Strom und Spannung ca. 1,2ms nacheinander misst.

MfG Klebwax

Habe mir nochmal die Auszüge der Stromlaufpläne angeschaut + Datenblatt ZMCT118F schwierig da verlässliche Infos zu finden...

http://www.zeming-e.com/English/prodviewtype5-290.html echt mau das Datenblatt zu mal hier bei 5A pri. ein Winkel von <=15° bei 50Ohm der Alpha-Variante und <=60° der Beta-Variante möglich sind und keine Aussage über das Verhalten sekundärseitig bei 30A pri. Somit würde ich mal mit den Widerständen experimentieren ohne weitere Beschaltung also nur Messpule und Widerstand + Oszi unter Glühlampenlast wie sich der Phasenwinkel ändert.

Hast du die A oder B-Variante falls Aufdruck vorhanden ?

Ich habe 3 Verbraucher zum testen:
1. eine alte Glühlampe mit der Aufschrift 60W
2. eine alte Leuchtstofflampe 36W mit konventionellem Vorschaltgerät und Starter
3. meine Waschmaschine(mit "Frequenzumrichter")

Die Glühlampe habe ich zum Vergleich mit dem Oszi gemessen; natürlich gleiche Messwandler wie in der Arduinomessung, d.h. Spannungsmessung mit Trafo und Strommessung mit Stromwandler.
Dann habe ich die Werte für je 20mS in Excel exportiert.

2_Leistungsmessung.zip

Vielen Dank für das einstellen der Daten. Bei der Leuchtstoffröhre würde es bei einen Datensatz passen danach verschiebt sich es weiter nach hinten...

Mal ein weitere Frage zu der Eingangsbeschaltung des ADC und der Strommessspule hast du dir das so ausgedacht oder gabs da eine verlässliche Quelle ?

Das wundert mich nicht wirklich. Die meissten Verbraucher im Haushalt sind heutzutage nicht mehr rein ohmisch. Schaltnetzteile, elektronische Vorschaltgeräte, eigentlich alle Netzteile mit Gleichspannungszwischenkreis ziehen Strom nur im Spannungsmaximum. Das flacht die Spannung in der Spitze ab. Alle Phasenanschnittsteuerungen ziehen keinen Strom am Anfang einer Halbwelle, da ist dann die Spannung höher. Ob das die wirkliche Erlärung ist, weiß ich aber nicht.

Bei den 36W der Leuchtstoffröhre hätte ich eher ein Problem. Das wird, genauso wie deren Helligkeit, von der Temperatur im inneren der Röhre abhängen. Und bei einem Frequenzumrichter hätte noch größere Probleme.

Kannst du mal die Kurven von den beiden zeigen?

MfG Klebwax

Das mit den Gleichspannungszwischkreis... es hängt immer davon ab wie stark der Zwischkreis entladen wird wo dann die neue Welle die Spannung des ZWK übersteigt. Das gute daran ist das Umrichter dieser Bauart zum Netz fast mit cos PHI 0,97-0,99 betrachtet werden können. Gibt ne neue EU-Norm/Verordnung ab wann Steurerungen Pflicht sind https://www.js-technik.de/die-wirkun...en-ie1/ie2/ie3
Schaltnetzteile haben getaktete Primärspulen zu 90% und eine aktive PFC.

Phasenanschnitt ist ja dann aber immer noch in Phase mit Strom und Spannungen, dass was reinballert ist genau das Knallharte Einschaltmoment was zu Problemen führt..

Wietere Kruven sind auch in der gleichen Tabelle enthalten

[stfan1409]

Ich habe 3 Verbraucher zum testen:
1. eine alte Glühlampe mit der Aufschrift 60W
2. eine alte Leuchtstofflampe 36W mit konventionellem Vorschaltgerät und Starter
3. meine Waschmaschine(mit "Frequenzumrichter")

Die Glühlampe habe ich zum Vergleich mit dem Oszi gemessen; natürlich gleiche Messwandler wie in der Arduinomessung, d.h. Spannungsmessung mit Trafo und Strommessung mit Stromwandler.
Dann habe ich die Werte für je 20mS in Excel exportiert.

2_Leistungsmessung.zip

[Klebwax]

Sehr schöne Daten.

Ich hab da mal rein geschaut. Die Spannung geht so bei Messung 78 durch Null, der Strom bei Messung 92. Die Physik verlangt aber bei einer ohmschen Last (Glühbirne), daß das gleichzeitig passiert. Ich würde das so korrigieren: der Spannungswert der Messung 78 wird mit dem Stromwert der Messung 92 multipliziert, der von 79 mit 93 usw. Damit wird der Phasenfehler, den die Messaufnehmer haben, ausgeglichen. In der Praxis braucht man einen Buffer von 14 Messwerten um die Verzögerung live mitzurechnen.

MfG Klebwax

P.S. Was mir noch einfällt, der Stromtrafo braucht einen Bürdewiderstand. Und dem Spannungstrafo würd ich auch einen Lastwiderstand spendieren, der ein paar Milliampere fließen läßt.

[Klebwax]

Das nennt sich SCHEINLESITUNG!

Und da die Blindleistung 0 ist, ist es auch die Wirkleistung.

Nix mit Gleichrichter, wäre da einer enthalten würden die negativen Anteile positiv sein wie die erste Halbwelle. Es ist ein vollwertiger reiner Wechselstromverbraucher ansich, der einfach, wie White_Fox schon sagt, durch eine Phasenanschnittssteuerung gedimmt wird.
https://de.wikipedia.org/wiki/Gleichrichter
https://de.wikipedia.org/wiki/Phasenanschnittsteuerung

Hier wird der Strom vor dem Gleichrichter gemessen, in deinem Link sind die Bilder hinter dem Gleichrichter gezeigt. Der geht natürlich nur in einer Richtung . Ein Brückengleichrichter macht aus jedem Verbraucher einen "vollwertiger reinen Wechselstromverbraucher".
Aber gut, bau mal eine Energiesparlampe auseinander und schau dir das darin verwendete elektronische Vorschaltgerät an.

Zum Bild dort ist eher keine Phasenverschiebung zu sehen da der Strom grundsätzlich in seiner Grundschwingung trotzdem in Phase ist aber nur zu einer gewissen Zeit in Phase zum fließen kommt!!!

Daher macht auch der Cosinus des Phasenwinkels PHI keinen wirklichen Sinn. PHI ist 0, der Cosinus also 1. Mit dem Phasenwinkel PHI zu rechnen macht nur Sinn, wenn der Strom auch ein Sinus ist. Und bezogen auf das ursprünliche Thema macht es auch keinnen Sinn, einen Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung zu ermitteln, wenn man davon ausgehen muß, daß der Strom kein Sinus ist.

Also nochmal: Um die Leistung zu messen möglichst gleichzeitig Strom und Spannung bestimmen und multiplizieren. Da wird es positive Werte (Scheinleistung, damit das Wort mal vorkommt) und auch negative Werte (Blindleistung damit auch dieses Wort mal erwänt wird) geben. Integriere ich das auf, erhalte ich die Leistung (dir zuliebe Wirkleistung).

MfG Klebwax