이번 3학년 2학기 설계는 데이터 전송 기능을 가진 디지털 단상 교류 전력계 설계입니다.
여기서의 데이터 전송 기능이란 아두이노를 이용하여 모니터에 전력계 정보를 출력함을 의미합니다.
위와 같이 사양, 필수 기능, 부가기능 설계 목표가 주어졌습니다.
예비 제안서의 내용은 위 결선도로 대체하겠습니다.
해당 전력계의 원리는 PT, CT(ACS712)를 이용하여 아두이노에서 측정 가능한 전압 range로 변환하고 아날로그를 디지털로 전환, 여러 데이터를 평균을 내어 전력을 산출하는 것입니다.
외함은 3D 프린터를 이용하여 최대한 Compact하고 Light하게 제작하였으며 Vrms, Irms, Ipeak, 피상전력, 유효전력, 무효전력을 출력하였다.
또한 아두이노의 Interrupt를 이용하여 60Hz로 순시값을 얻어 1초에 한번 정확한 주기로 평균을 구하는데 성공하였다.
코딩을 이용하여 인터럽트의 주기를 직접적으로 확인하였고, 인터럽트 내에서 Interrupt Service Routine이 안정적으로 실행되고 있음을 오실로스코프를 통하여 확인하였다.
부가 기능의 디지털 신호처리의 일환으로 전류의 노이즈를 줄일 수 있는 Moving Average Filter를 사용하였다.
Moving Average Filter는 노이즈가 생기는 데이터에 사용하면 유용한데, M개의 순시값을 뽑아 평균을 내고 이를 반복적으로 실행함을 뜻한다.
해당 디지털 전력계에는 특이한 방법으로 유효, 무효전력을 구하였다.
전류와 전압의 위상차를 이용하여 두 값의 곱이 양,음 여부에 따라 따로 데이터를 합산하도록 하였다.
또한 이러한 방법을 사용하면 위상차 또한 정확하게 얻을 수 있음을 알 수 있다.
위 전력계의 성능을 검증하기 위하여 여러 부하들을 사용해 보았는데, 그 중 헤어드라이기의 경우 약풍에서 반파의 특성을 가짐을 확인하였다.
오실로스코프로 파형을 확인하고 예상값을 얻은 결과 약풍(반파)의 Irms는 3.5A를 얻어야 하지만, 히오키 전력계(학교 실험실에서 사용하는 전력계)의 측정값은 2.8A로 예상값과 측정값이 다름을 확인하였다.
히오키 전력계에서 Irms 측정값이 달랐던 이유는 히오키 전력계가 AC 전용이기 때문이다.
히오키 전력계에는 한계가 있다고 판단하였고, AC+DC 클램프와 히오키 DC 클램프를 비교하여 오실로스코프로 데이터를 측정하였다.
위와 같이 두개의 AC+DC 클램프와 히오키 DC 클램프를 비교하였는데 반파일 경우 히오키 DC 클램프에서 2A 가량 Shift 되었음을 확인할 수 있었다.
실험실에서 사용하는 Hioki 9660의 AC 클램프의 스펙이다.
위는 비교군으로 사용하였던 AP011 AC+DC 클램프이다.
아두이노 전력계에 사용한 ACS712 또한 홀센서를 사용하여 전류를 측정하는 원리이기에 아두이노에서 얻은 전류값에 신뢰성이 생겼다.
위와 같이 Hioki 9660에서는 반파를 측정할 수 없어 2.8A,
AC+DC 클램프와 아두이노 전력계는 3.5A로 측정값이 일치함을 확인 할 수 있었다.
이번 설계의 핵심적인 결론으로써 아두이노의 Interrupt를 이용하여 정확한 주기를 얻음,
기존 Hioki 전력계의 한계(정현파만 측정 가능함)를 보완한 전력계를 설계함이 되겠습니다.
이번 설계에서 제작한 아두이노를 이용한 전력계의 스펙입니다.
위 설계 또한 A+의 점수를 받았습니다.
아두이노 코딩과 결과보고서(논문식), 3D 프린팅 파일 및 기타 자료들은 아래 해피캠퍼스에서 얻을 수 있습니다.
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