Un semplicissimo Energy Meter con Arduino

La maggior parte dei progetti di energy meter che si possono trovare in rete sembrano tutti un pò troppo complicati per una semplice applicazione domestica. Per misurazioni accurate è necessario monitorare sia la tensione di alimentazione che la corrente, ma per un semplice monitoraggio domestico che fornisce stime dei costi, può bastare anche la sola corrente. Un semplice misuratore realizzato con Arduino potrebbe misurare la corrente di alimentazione di casa attraverso un CT (trasformatore di corrente) e, attraverso un paio di calcoli, fornire la corrente e la potenza consumate.

Introduzione

Questo articolo descrive in dettaglio come costruire un semplice monitor energetico su una breadboard, che può essere utilizzato per misurare quanta energia elettrica si consuma in casa. Misurando soltanto la corrente ed utilizzando un valore fisso presunto per la tensione è possibile calcolare la potenza apparente. Sebbene non sia accurato come un monitor che misura la tensione e la corrente, è un metodo comunemente utilizzato nei monitor di energia per l'intera casa disponibili in commercio per motivi di semplicità e costo.

Ecco di seguito un elenco dei componenti di cui si necessita per completare questo progetto. Uno schermo LCD opzionale è ovviamente utile se si prevede di installare o utilizzare permanentemente il misuratore, tuttavia è possibile semplicemente utilizzare l'interfaccia seriale di Arduino per visualizzare le informazioni.

  • Una scheda Arduino (va bene la classica Uno)
  • un sensore CT (consigliato SCT-013-000)
  • 1 resistore di carico R3 = 33 Ω
  • 2 resistori di pari valore R1 = R2 = 10 kΩ
  • 1 condensatore C1 = 10 μF
  • 1 breadboard

Per prima cosa occorre assemblare i componenti sulla breadboard affinché il sensore di corrente produca un segnale tale da essere rilevato da Arduino. Arduino Uno ha solo ingressi di tensione analogici il cui intervallo di tensione va da 0 a 5 V in corrente continua, quindi è necessario convertire l'uscita di corrente del CT in un riferimento di tensione e quindi scalare il riferimento di tensione in un intervallo 0-5 V.

Il circuito base del progetto con i collegamenti è mostrato nella Figura 1.

Figura 1: schema circuitale del misuratore di corrente

Dopo aver collegato tutti i componenti, è necessario collegare il sensore a ciò che si desidera monitorare. Occorre mettere il CT attorno a uno dei cavi di alimentazione, preferibilmente il cavo "sotto tensione". Occorre metterlo solo intorno ad un cavo o non funzionerà. Inoltre, non può essere collegato attorno al filo di terra (filo giallo-verde) poiché l'energia non viene assorbita attraverso questo cavo.

Attenzione: collegando il misuratore di potenza alla rete di casa occorre assicurarsi che l'alimentazione sia spenta prima di fare qualsiasi cosa nella scatola di rete. Non rimuovere cavi o viti, e magari sarebbe opportuno chiedere aiuto ad un elettricista certificato per installare il CT.

Alcune nozioni

Alcune nozioni di elettrotecnica prima di cominciare potrebbero essere utili per capire meglio il progetto. Nella corrente alternata (AC) la tensione e la corrente oscillano in modo sinusoidale 50 volte al secondo (50 Hz). Ad ogni istante avremo un valore diverso di potenza. Abbiamo bisogno di un valore che sia la media della potenza istantanea, che chiamiamo potenza reale o attiva. La potenza reale è definita come la potenza utilizzata da un dispositivo per produrre un lavoro utile. I valori positivi della potenza rappresentano quella parte che va dall'alimentatore al carico, mentre quelli negativi rappresentano la parte che ritorna all'alimentazione dal carico. La potenza che è stata effettivamente utilizzata dal carico, ovvero la potenza in avanti meno quella che ritorna, è la potenza reale. La potenza immaginaria o reattiva è una misura della potenza che va avanti e indietro tra il carico e l'alimentazione, non facendo alcun lavoro utile.

Un'altra misura utile della potenza è la potenza apparente, che è il prodotto della tensione RMS e della corrente RMS. Per carichi puramente resistivi, la potenza reale è uguale alla potenza apparente. Ma per tutti gli altri carichi, la potenza reale è inferiore alla potenza apparente. La potenza apparente è una misura della potenza reale e reattiva, ma non è una somma delle due, poiché la somma delle due non tiene conto delle differenze di fase.

Per la misurazione dell'energia domestica, è probabile che la potenza reale sia il valore più utile, poiché ci dice quanta energia consumano effettivamente tutti gli elettrodomestici e che incide nel calcolo della bolletta.

Il trasformatore di corrente CT

I trasformatori di corrente (CT) sono sensori che misurano la corrente alternata (AC). Sono particolarmente utili per misurare il consumo o la generazione di elettricità. Come qualsiasi altro trasformatore, un trasformatore di corrente ha un avvolgimento primario, un nucleo magnetico e un avvolgimento secondario. Nel caso di monitoraggio dell'intero edificio, l'avvolgimento primario è il filo sotto tensione o il neutro (NON entrambi!) che entra nell'edificio e viene fatto passare attraverso l'apertura del CT. L'avvolgimento secondario è costituito da molte spire di filo sottile alloggiate all'interno del trasformatore.

Esistono due tipi di trasformatori di corrente (CT), funzionano esattamente allo stesso modo, la differenza è nella loro costruzione:

1. Il trasformatore di corrente ad anello, nel quale il nucleo è solido e il cavo su cui si desidera inserirlo deve essere scollegato per installare il CT. Pertanto, viene utilizzato solo dove è pratico, sicuro e legale scollegare il circuito. Il suo vantaggio è una maggiore precisione.

2. Il trasformatore di corrente split-core, dove il nucleo è costituito da due parti tenute insieme da clip o viti. Le due parti vengono semplicemente posizionate attorno al cavo e assemblate. Non è necessario disconnettere nulla. A condizione che il trasformatore di corrente abbia un carico collegato, può essere installato su un cavo sotto tensione, isolato e che trasporta corrente.

La corrente alternata che scorre nel primario produce un campo magnetico nel nucleo, che induce una corrente nel circuito dell'avvolgimento secondario. La corrente nell'avvolgimento secondario è proporzionale alla corrente che scorre nell'avvolgimento primario:

I2 = RCT x I1 dove RCT = N1/N2

La formula indica che la corrente nel secondario (I2) è pari al prodotto tra RCT e la corrente che scorre nel primario (I1). Dove RCT è il rapporto tra il numero di avvolgimenti del primario (N1) e il numero di avvolgimenti del secondario (N2). Un CT con "uscita in corrente" deve essere utilizzato con un resistore di carico. Il resistore di carico completa o chiude il circuito secondario. Il valore di carico è scelto per fornire una tensione proporzionale alla corrente secondaria. Il valore del carico deve essere sufficientemente basso per prevenire la saturazione del nucleo del CT. [...]

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