王云鶴

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一種簡便可靠的交流電壓掉電檢測方法

王云鶴

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

針對現(xiàn)有幾種交流電壓掉電檢測方案的不足，本文提出了一種簡便可靠的分段式交流電壓掉電檢測方法。詳細(xì)分析了該掉電檢測方法的原理，并進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后還將其應(yīng)用于一臺UPS設(shè)備進(jìn)行了切換實(shí)驗(yàn)。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性。

掉電檢測 不間斷電源(UPS) 旁路切換

0 引言

信息技術(shù)的飛速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及，使得用電設(shè)備對供電可靠性的要求越來越高。要保證供電的可靠性，必須保證能夠?qū)涣麟妷旱姆颠M(jìn)行快速的檢測。

目前，對交流電壓幅值檢測的方法有多種。有基于RC充電電壓來判斷交流電壓掉電情況，即：先對電網(wǎng)電壓進(jìn)行分壓，再進(jìn)行濾波，然后再經(jīng)過RC充電電路；當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，電容上有一個恒定的電壓值，當(dāng)電容上的電壓超出或者跌落出該值的一定范圍之后，就認(rèn)為電網(wǎng)已發(fā)生故障。該方法硬件實(shí)現(xiàn)簡單，但對RC的充放電時(shí)間要求精確，對硬件參數(shù)的漂移很敏感，影響了掉電檢測可靠性與快速性。也有基于自動控制理論的方法，即：以市電信號作為給定，以輸出電壓幅值與鎖相后的正弦乘積作為反饋，給定減反饋后的偏差乘上一個加速因子后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，便可對其輸出的幅值進(jìn)行快速判斷。該方法的不足之處是原理相對復(fù)雜，同時(shí)對參考正弦與市電的鎖相情況密切相關(guān)，實(shí)際上很難得到理想的效果。本文提出了一種簡便可靠的分段式交流電壓掉電檢測方法，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 掉電檢測原理分析

1.1 原理描述

圖1所示中，第一個通道表示頻率為50 Hz、有效值為220 V的正弦波經(jīng)過全波整流后所得的波形，記為波形1。第四個通道表示比較電壓V，它與波形1的交點(diǎn)分別為a、d、e；第五個通道表示比較電壓V，它與波形1的交點(diǎn)分別為b、c；第二個通道表示半周正弦波與比較電壓V比較后的電平，記為波形2；第三個通道表示半周正弦波與比較電壓V比較后的電平，記為波形3。

當(dāng)半波正弦電壓經(jīng)過a點(diǎn)時(shí)，波形2會有一個下降沿；當(dāng)半波正弦波上升到b點(diǎn)時(shí)，波形3會有一個下降沿；當(dāng)半波正弦波經(jīng)過c點(diǎn)時(shí)，波形3會有一個上升沿；當(dāng)半波正弦波經(jīng)過d點(diǎn)時(shí)，波形2會有一個上升沿。

圖1 掉電檢測原理分析圖

掉電的判別方法：當(dāng)檢測到波形2的下降沿后，經(jīng)過t(a點(diǎn)到c點(diǎn)的時(shí)間)的時(shí)間仍然沒有檢測到波形3的下降沿，則說明在ac段內(nèi)市電掉電；當(dāng)檢測到波形3的上升沿時(shí)，在不到t(c點(diǎn)到d點(diǎn)的時(shí)間)的時(shí)間內(nèi)就檢測到波形2的上升沿，則說明在cd段市電掉電；當(dāng)檢測到波形2的上升沿時(shí)，若經(jīng)過t(d點(diǎn)到e點(diǎn)的時(shí)間)的時(shí)間仍然未能檢測到波形2的下降沿，則說明在de段市電掉電?；谏鲜隼碚摲治?，將半周正弦波分成了ac、cd、de三段，市電幅值在任意一段中發(fā)生故障均可快速檢測出來。

1.2 比較電壓的選取

上節(jié)中分析了市電幅值的檢測原理，但并未給出比較電壓V以及V的具體數(shù)值，而這兩個比較點(diǎn)的選取至關(guān)重要。波形4對應(yīng)的比較電壓V的選取會直接應(yīng)到檢測的快速性；波形5對應(yīng)的比較電壓V的選取會影響欠壓判斷的可靠性。

對于220 V的交流電壓，當(dāng)考慮±15%的允許波動范圍時(shí)，其電壓幅值最低為

為準(zhǔn)確的判斷市電是否有欠壓情況，將比較電壓V選為264 V。

掉電檢測的關(guān)鍵是要快速準(zhǔn)確，本文采用的方法是三段式分析法，要想保證任意區(qū)段下的掉電均能較快的檢測出來，理想的方法是將a到e這10 ms等分成ac、cd、de三段。需說明的是，此時(shí)假設(shè)市電電壓處于臨界欠壓情況，即b點(diǎn)與c點(diǎn)是重合的。于是有

為了快速檢測各段的市電幅值情況，故取比較電壓V選為130 V。

2 掉電檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為掉電檢測的系統(tǒng)示意圖，其輸入為220 V的市電，輸出為兩路互補(bǔ)的控制信號。

圖2 掉電檢測系統(tǒng)框圖

先通過電壓互感器對市電進(jìn)行檢測，然后經(jīng)差分放大電路對其進(jìn)行變比調(diào)整，再經(jīng)過精密整流電路進(jìn)行全波整流，將整流后的電壓信號分別送入比較值不同的兩個比較器，再將兩路比較器的輸出信號送入MDU進(jìn)行處理，最終通過IO口發(fā)出兩路互補(bǔ)的信號用于控制晶閘管的切換。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1電壓檢測及其放大電路

圖3 市電采集與放大

圖4 比較電路

本實(shí)驗(yàn)中采用天瑞公司生產(chǎn)的TR1102-1C電壓互感器對市電電壓進(jìn)行檢測，其原副邊變比為220 V：3.53 V。為了提高檢測精度，將互感器的輸出電壓經(jīng)差分電路對其進(jìn)行放大，放大比例為620 K/220 K。

2.2.2全波精密整流電路

將上述差分電路輸出的正弦電壓信號Usys_f送入該全波精密整流電路，可以得到一個頻率100 Hz的由正弦波正半周組成的電壓信號Usys_h，該電路的幅值增益為1。

2.2.3比較電路

由分段式掉電檢測的原理可知，其關(guān)鍵在于兩個電壓比較點(diǎn)的設(shè)定。通過計(jì)算分析，264 V的市電電壓應(yīng)該對應(yīng)12 V的電壓比較點(diǎn)，130 V的市電電壓對應(yīng)5.9 V的電壓比較點(diǎn)，COMP1與COMP2分別表示這兩個比較器的輸出電平信號。

通過以上硬件電路處理，得到了反映市電幅值情況的電平信號COMP1與COMP2。將這兩個信號分別送至PIC18F4680單片機(jī)的外部中斷INT0以及外部中斷INT2兩個引腳上，經(jīng)過單片機(jī)處理后，利用IO口發(fā)出CON1與CON2兩路控制信號。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的軟件部分主要包括主程序、定時(shí)器0中斷程序、外部中斷INT0程序以及外部中斷INT2程序。其中，定時(shí)器0中斷主要用于計(jì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)中將定時(shí)器周期設(shè)為100ms，并且每次中斷時(shí)都設(shè)置一個定時(shí)標(biāo)志。外部中斷INT0以及INT2既可以是上升沿觸發(fā)，也可以是下降沿觸發(fā)，他們分別用于記錄COMP1與COMP2的電平變化情況，并置相應(yīng)的邊沿標(biāo)志。主程序部分先對系統(tǒng)初始化，然后根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)志判斷市電情況并發(fā)出相應(yīng)的控制信號。下面分別給出了主程序、INT0中斷以及INT2中斷的程序流程圖。

圖5 全波精密整流

圖6 主函數(shù)流程圖

圖7 中斷INT0流程圖

圖8 中斷INT0流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述原理分析以及軟硬件設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)對其掉電檢測的快速性與可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，最后還將其應(yīng)用于一臺單相UPS進(jìn)行掉電檢測及切換實(shí)驗(yàn)，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如下。

如圖9 (a)、(b)、(c)、(d)所示，分別記錄了市電正常、市電ac段掉電、市電cd段掉電以及市電de段掉電的波形。圖中，CH1表示市電整流后波形，CH2表示比較輸出信號COMP1，CH3表示比較輸出信號COMP2，CH4表示切換控制信號CON1。圖9(b)、(c)、(d)中的時(shí)間光標(biāo)增量表示從市電掉電到發(fā)出控制切換信號所需的時(shí)間，它們分別為3 ms、4.5 ms以及4.6 ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不論市電何時(shí)掉電，通過該方法均能夠快準(zhǔn)確的對其進(jìn)行檢測。

如圖10所示，記錄了將該檢測方法用于一臺UPS進(jìn)行了掉電檢測及切換實(shí)驗(yàn)波形。CH1表示輸出電壓波形，CH2表示市電電壓波形，CH3表示晶閘管切換控制信號的波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在市電掉電后，該UPS系統(tǒng)僅用了6.5 ms的時(shí)間完成了市電的檢測以及晶閘管的切換過程，保證了負(fù)載的不間斷供電。

4 結(jié)論

本文提出了一種簡便可靠的分段式掉電檢測方法，并進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后還將其應(yīng)用于一臺UPS設(shè)備進(jìn)行了切換實(shí)驗(yàn)。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能快速可靠的完成掉電檢測過程，可將其應(yīng)用于UPS等系統(tǒng)中。

圖10 UPS切換實(shí)驗(yàn)波形

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A Convenient and Reliable Detection Method for AC Power Failure

Wang Yunhe

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

TM93

A

1003-4862（2013）10-0016-04

2013-05-31

王云鶴（1975-），男，碩士，高級工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)及設(shè)備。