Arduino过压欠压保护系统

本电路的主要目标是设计和开发基于Arduino的智能过压和欠压保护系统，以保护设备免受损坏。如今，家庭和工业中交流电源电压波动频繁。由于重负载突然中断、雷电、开关脉冲等原因可能会造成异常过压、欠压，在这些情况下很容易损坏敏感电子部件。最好有一个跳闸系统，如 MCB 或 MCCB 来保护设备。但我们在这里构建了一个先进的系统，可以根据用户的选择智能控制整个房子的电力供应。是的，我们可以根据需要设置所需的最大和最小电压。

当今市场上，各种类型的智能过压和欠压保护系统已经问世。但这些成本有点高。我们的项目旨在仅使用 Arduino 和电压传感器以低成本保护电气设备免受过压和欠压的影响。这里我们使用ZMPT101B电压传感器，它比其他传感器更准确，而且性价比更高。它可以检测任何高于 230V AC 且低于 190V AC（预定义值）的电压。如果电压超出预定义值的限制，则会向 Arduino 发送信号。然后它立即使断路器（此处为继电器模块）跳闸。然后断路器将负载与主电源隔离。

在当今的电力系统中，随着电力电子技术的发展和电子元件的高灵敏度，电压质量成为一个重要因素。电压质量涵盖了广泛的电压扰动以及电压幅度或波形相对于最大值的波动。电网的日常运行可能会导致电压质量中断。此外，电压不规则是行业和国内用户面临的主要问题，并且经常损坏敏感电子设备。

什么是过电压？

“过电压”一词自 1907 年开始使用。根据 IEEE 标准，过电压定义为“一相与地之间或两相之间的电压，其峰值超过最大系统电压的相应峰值”。我们还可以将其定义为电路中的电压高于其设计上限，这将导致损坏或短路。另外，当电源电压上升到设备额定电压以上时。过压可能是由公用事业公司电源调节不良、变压器尺寸过大、电路负载不均匀或变化、接线错误以及电气绝缘或隔离故障引起的。我们可以通过三种基本方式将其分开：

• 内部过压
• 外部过压
• 暂时过电压

什么是欠电压？

欠电压定义为当施加的电压下降至额定电压的 90% 或更低时。欠压状况是由公用设施变压器尺寸过小或过载造成的。在高峰需求期间，所需功率超出变压器的容量，导致电压下降。

实验电路演示

电路原理图

所需组件

• Arduino 纳米
• ZMPT101B 电压传感器
• 16×2液晶显示屏
• I2C模块
• 5V继电器模块
• Hi-Link 5V AC-DC 转换器
• 维罗板
• 电线

关于过压、欠压保护系统部分

Arduino

对于紧凑型构建，我选择了 Arduino Nano，尽管使用了 Arduino UNO。Arduino Nano 是一款小型、灵活的微控制器板，使用 Atmega328p 芯片。它还可以用作 UNO 的替代品。这两个板的所有功能都是相同的。其PCB尺寸为18×45毫米。时钟速度为16Mhz。其输入电压为5-12V。该板上有 30 个引脚，包括电源、数据、模拟和串行引脚。

ZMPT101B 电压传感器

这里使用 9V AC 降压变压器作为电压传感器。但我们可以使用 ZMPT101B 单相电压传感器进行精确传感。它消除了杂乱的电线连接。但为了降低成本，我们使用这种方法。变压器提供高交流电压和低交流电压之间的绝缘。9V变压器输出端已连接到分压电路，使该电压达到0-5V。因此，无需任何高压操作即可进行电压测量。该传感器可测量高达 270V 的交流电源电压。

用于 LCD 显示的 16×2 I2C 模块

16×2 LCD I2C模块内置PCF8574 I2C芯片，可将I2C串行数据转换为并行数据以供LCD显示。这些模块当前提供的默认 I2C 地址为 0x27 或 0x3F。此外，它还有一个内置的对比度调节电位器。

过压和欠压保护系统框图

过压、欠压保护系统的运行

我们家常用的交流电源电压是230V。由于电压根据设备负载而波动，可能会有所不同。但公差应该是+2%。如果增加超过 2% 或反之亦然，附加负载可能会损坏。为了避免这个问题，我们开发了过欠压保护器。当电源电压超过规定限值时，继电器动作并将负载与电路隔离。检测到波动电压后，输出电压的模拟信号被馈送到Arduino。该电压未经调节，因此会随着输入电压的变化而变化。

Arduino Nano 有 5 个模拟输入引脚和 13 个数字引脚。它有一个内置的模拟数字转换器。因此，可以同时连接五个不同的负载。第 13 针包含 LED 指示。Arduino 接受 5 至 12 伏的输入电压，并提供高达 5V 的输出。给 Arduino 一个带有容差的预设值。Arduino 将预设值与 A0 处的模拟读取值进行比较。如果在限制范围内，继电器将不工作。如果它不在限制范围内，Arduino 会检查它是否属于逆特性或确定特性。给定特性的动作时间为5秒，即故障发生5秒后继电器动作。若属于反特性，则脱扣时间按下式计算：

T= t/((V/V _s )-1)

其中 T = 跳闸时间
t = 时间倍数
V = A0 处的电压
V _s = 源电压

当跳闸时间设置为零时，继电器动作，电路立即跳闸。当工作在反特性或正特性时，如果电压回到额定电压，则继电器将再次进入复位模式。

过压、欠压保护系统的应用

• 该系统在电机负载中非常有效。它可以保护电机免受过压影响。

• 它可以保护家用电器免受突然的电压损坏。

• 在一些电力波动较大的地区，它可以起到保护作用。

电压校准方法

首先，我们需要将以下代码上传到Arduino。然后我们需要从 Arduino IDE 的工具菜单中打开串行绘图仪。