熊 凱，許正望

（1. 武漢加多寶飲料有限公司，武漢 430056；2. 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068）

一種電網(wǎng)電壓同步檢測(cè)電路

熊 凱1，許正望2

（1. 武漢加多寶飲料有限公司，武漢 430056；2. 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068）

針對(duì)電網(wǎng)同步電壓檢測(cè)中的問(wèn)題，參考其他學(xué)者提出的光耦檢測(cè)電路，分析了檢測(cè)電路功耗和檢測(cè)精確度之間矛盾，提出了以恒流二極管代替限流電阻的解決方案，以一組典型數(shù)據(jù)為例，計(jì)算了改進(jìn)電路的功耗和檢測(cè)精度，證明改進(jìn)電路的性能較原有方案更好。

同步檢測(cè) 光耦 恒流二極管

0 引言

很多電力電子系統(tǒng)中，需要對(duì)電網(wǎng)電壓的相位進(jìn)行檢測(cè)，并以檢測(cè)的結(jié)果為參考進(jìn)行相應(yīng)的控制或處理。比如，晶閘管系統(tǒng)的觸發(fā)需要參考電網(wǎng)電壓確定觸發(fā)延遲時(shí)間[1]，兩個(gè)或兩個(gè)以上電網(wǎng)并網(wǎng)需保證各個(gè)電網(wǎng)相位一致，諸如此類(lèi)。

由于檢測(cè)的目的是使得控制或處理與電網(wǎng)保持某種同步，這種對(duì)電網(wǎng)電壓相位的檢測(cè)也稱(chēng)為同步檢測(cè)。正因?yàn)橥綑z測(cè)很重要，錯(cuò)誤的檢測(cè)可能導(dǎo)致電源短路而發(fā)生嚴(yán)重的事故，不夠精確的檢測(cè)則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能大幅度下降。前人對(duì)同步檢測(cè)進(jìn)行了較多的研究?？紤]到被檢測(cè)的電網(wǎng)電壓一般較高，而檢測(cè)和控制電路的電壓則比較低，為保安全和減少對(duì)低壓電路的干擾，一般使用同步變壓器將電網(wǎng)的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓后進(jìn)行檢測(cè)[2,3]。這種方案除了同步變壓器體積大、成本高外，它使得被測(cè)信號(hào)在過(guò)零處變得比較平緩，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)的靈敏度下降。文獻(xiàn)[2]提出使用光耦代替同步變壓器，保持高壓和低壓部分隔離，也保留了被測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，成本、體積較原有方案降低，而檢測(cè)的靈敏度較原方案上升。

在參考使用文獻(xiàn)[2]提出的光耦檢測(cè)電路的過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)該方案還存在一些不足，在分析后采取了一些改進(jìn)措施，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用效果較好。

1 光耦檢測(cè)電路的分析

文獻(xiàn)[2]提出的光耦檢測(cè)電路如圖1所示，采用這種電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于取消了成本高、笨重的同步變壓器，檢測(cè)的精度也有一定提高，可應(yīng)用于一些需要同步檢測(cè)的場(chǎng)合。

該電路使用光耦隔離被檢測(cè)高壓電路和后面的控制電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓較高的時(shí)候，該電壓加在限流電阻R和光耦輸入端LED上，該LED中產(chǎn)生電流并發(fā)光使光耦輸出端的三極管導(dǎo)通，從而在輸出端輸出低電平，該電平的變化時(shí)刻可以反應(yīng)電壓的過(guò)零時(shí)刻，而通過(guò)電壓過(guò)零時(shí)刻可以推知電網(wǎng)電壓的相位，從而準(zhǔn)確進(jìn)行相關(guān)的控制和處理。

圖1 光耦型同步檢測(cè)電路

文獻(xiàn)[2]實(shí)際測(cè)試該電路的輸出電平變化時(shí)刻大約滯后電壓過(guò)零時(shí)刻100 μs，其原因在于光耦輸出端電平變化與流過(guò)輸入端LED的電流大小有關(guān)，而該電流又與電網(wǎng)電壓大小有關(guān)。在電壓過(guò)零附近電壓較低，電流就較??；而當(dāng)滯后約100 μs后電壓較高則電流也較高，從而使檢測(cè)電路輸出電平為低，導(dǎo)致檢測(cè)延遲的原理如圖2所示。

圖2 檢測(cè)延遲原理

如圖1和圖2，若光耦LED電流小于門(mén)限It時(shí)輸出高電平、電流大于門(mén)限It時(shí)電路輸出低電平，忽略L(fǎng)ED正向壓降，則門(mén)限電壓

又因?yàn)橄嚯妷喊凑乙?guī)律變化，則由于Vt導(dǎo)致檢測(cè)電路狀態(tài)變化相對(duì)于電壓過(guò)零點(diǎn)的延遲時(shí)間Td與光耦門(mén)限電流It之間的關(guān)系為：其中A為相電壓幅值，按文獻(xiàn)[2]中延遲時(shí)間100 μs及TLP521典型輸入端門(mén)限電流5 mA可以計(jì)算相電壓幅度：

由于35020 V計(jì)算值遠(yuǎn)超TLP521隔離電壓值，按220 V相電壓代入式（2）計(jì)算，則光耦門(mén)限電流：

該值相對(duì)于TLP521的典型數(shù)據(jù)又顯得過(guò)小，可能文獻(xiàn)[2]數(shù)據(jù)有誤。為方便后續(xù)分析，姑且假設(shè)相電壓為2200 V，而光耦輸入端門(mén)限電流為0.3 mA，同步檢測(cè)延遲時(shí)間仍保持為100 μs。

經(jīng)過(guò)分析，該電路仍存在一些不足，導(dǎo)致檢測(cè)的精度不是特別高，也就是輸出電平變化時(shí)刻較電壓過(guò)零的時(shí)刻延遲100 μs仍過(guò)大。根據(jù)式(2)可知，延遲時(shí)間Td隨著限流電阻R的增大而增大，因此電路中R取值220 K顯得過(guò)大，使得電壓必須達(dá)到比較大才能在光耦輸入端LED中產(chǎn)生足夠的電流。如果減小該電阻的阻值，可以在LED中產(chǎn)生足夠的電流而無(wú)須過(guò)高的電壓。但是，簡(jiǎn)單地減小限流電阻的值又產(chǎn)生另外一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)電壓上升到較大甚至到峰值的時(shí)候電流會(huì)過(guò)大，導(dǎo)致限流電阻上消耗的功率過(guò)大，光耦輸入端LED可能燒毀。

比如，相電壓為2200 V，電阻R取值為10 K，忽略光耦輸入端LED和二極管D上的壓降，將R=10 K和It=0.3 mA代入式（2）計(jì)算，得Td=4.3 μs，檢測(cè)誤差只有前述的約1/20，精度大幅度提高。

不過(guò)，電阻R上消耗的功率P=U2/R= 22002/10000=484 W，其值過(guò)大，使得電路沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，即使增大一些電阻值，消耗的功率也會(huì)很大，使得電阻占的空間過(guò)大，而且涉及到散熱問(wèn)題。另外，流過(guò)LED的電流峰值II= 2200×1.414/10000=3.1 A，該電流過(guò)大可能燒毀LED。

2 光耦檢測(cè)電路改進(jìn)

根據(jù)上述分析，在光耦檢測(cè)電路中使用大的限流電阻則電路檢測(cè)精度不高，在檢測(cè)精度要求較高的場(chǎng)合不能滿(mǎn)足要求。使用較小的限流電阻會(huì)導(dǎo)致功耗過(guò)大和電流過(guò)大的問(wèn)題。使用電阻值隨電壓上升而上升的恒流二極管則可避免這個(gè)問(wèn)題，恒流二極管的典型特性曲線(xiàn)如圖3所示[4]。

當(dāng)加到恒流二極管上的電壓較低時(shí)通過(guò)它的電流較小，它呈現(xiàn)出比較小的電阻值，通過(guò)恒流二極管的電流隨著電壓的上升會(huì)較快地上升；當(dāng)電壓上升到一個(gè)轉(zhuǎn)折電壓后，恒流二極管就呈現(xiàn)出阻值自動(dòng)改變的特點(diǎn)，通過(guò)它的電流會(huì)一直保持恒定（如圖3中較平的一段），并不隨電壓的變化而變化；當(dāng)電壓繼續(xù)上升，恒流二極管則發(fā)生過(guò)壓擊穿，電流急劇上升。

圖3 典型恒流二極管V-I特性

使用恒流二極管取代限流電阻后的同步檢測(cè)電路，由于恒流二極管在低電壓時(shí)表現(xiàn)出較小的電阻，使檢測(cè)電路靈敏性得到保證，而當(dāng)電壓增大到一定程度則電流被限制在一定值（比如略超過(guò)光耦轉(zhuǎn)換狀態(tài)的電流值），相當(dāng)于電流恒定而阻值隨電壓升高而變大。由于電流很小，其消耗的功率也很小。計(jì)算如下。

假設(shè)交流相電壓為2200 V，影響狀態(tài)轉(zhuǎn)換的光耦輸入端的LED工作電流為0.3 mA，忽略L(fǎng)ED的正向壓降，另外假定恒流二極管的恒流值為0.5 mA，其進(jìn)入恒流的轉(zhuǎn)換電壓值為10 V，則

當(dāng)相電壓為10 V時(shí)，通過(guò)恒流二極管的電流即達(dá)到0.5 mA，超過(guò)光耦的狀態(tài)轉(zhuǎn)換門(mén)限，在此之前檢測(cè)電路輸出狀態(tài)已發(fā)生轉(zhuǎn)換。即使按10 V時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)換計(jì)算，將It×R=10 V代入式(2)，可得Td=10 μs，也較文獻(xiàn)[2]中電路的延遲值要小很多，表明同步電壓過(guò)零檢測(cè)的靈敏度提高很多。

當(dāng)電壓超過(guò)10 V后，恒流二極管的電流一直維持在0.5 mA，包括恒流二極管在內(nèi)整個(gè)回路上消耗的功率僅為P=UI=2200 V×0.5 mA=1.1 W，該功率消耗也很小。

3 結(jié)論

使用具有變阻特性的恒流二極管代替限流電阻后，同步電壓檢測(cè)電路的檢測(cè)精度可以達(dá)到比較高的程度，同時(shí)電路消耗功率仍保持在低位，在同步檢測(cè)精度要求比較高的場(chǎng)合可以得到應(yīng)用。

值得注意的是，目前恒流二極管的耐壓值一般只有100 V，使用多個(gè)恒流二極管串聯(lián)可以提高整體耐壓值，這種串聯(lián)非常方便，不需要均壓手段，整體的耐壓值為各個(gè)串聯(lián)恒流二極管的耐壓值之和。由于要考慮恒流二極管承受最大電壓而不超出其耐壓范圍，在相電壓2200 V的系統(tǒng)中需要使用至少32只100 V的恒流二極管串聯(lián)，若考慮電網(wǎng)電壓的波動(dòng)則還需增加恒流二極管的數(shù)目。

本文僅從檢測(cè)電路本身的功耗和延遲的角度進(jìn)行分析，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)、不平衡、諧波含量多的情況下，電路可能存在檢測(cè)準(zhǔn)確性不夠的問(wèn)題，需要配合其他一些手段消除這些影響[5,6]。

[1] 馬小亮. 大功率交-交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù)（3版）[M]. 北京∶ 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[2] 王金艷, 劉晶維. 三相交流電壓相位同步檢測(cè)電路[J]. 電測(cè)與儀表, 2001, (4).

[3] 王慶華, 方赦, 夏興國(guó). 電網(wǎng)電壓過(guò)零檢測(cè)及倍頻電路的研究與實(shí)現(xiàn)[J], 江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, (6).

[4] 張曉東. 接線(xiàn)簡(jiǎn)便的恒流二極管[J]. 無(wú)線(xiàn)電, 2011, (10).

[5] 周林等. 一種基于參考頻率電網(wǎng)同步信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, (9).

[6] 陳益廣等. 電網(wǎng)電壓不平衡下電壓同步信號(hào)的檢測(cè)[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2013, (3).

A Synchronization Detecting Circuit of the Grid Voltage

Xiong Kai1, Xu Zhengwang2

(1. Wuhan Branch of Jiaduobao Beverage Co., Ltd., Wuhan 430056, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Hubei University of technology, Wuhan 430068, China)

Aimed at the problem of the detecting of the synchronous grid voltage, consulting the optocoupler detecting circuit proposed by other scholars, the contradictory between the circuit dissipation and the detecting definition is analyzed, and a solution is proposed that the current limiting resistor is replaced by a constant current diode. The circuit dissipation and the detecting definition are calculated according to a group of typical data. The result shows that the circuit has better performances than the former circuits.

the synchronization detecting; optocoulper; the constant current diode

TM131

A

1003-4862（2015）06-0026-03

2015-03-26

熊凱（1972-），男，學(xué)士，工程師。研究方向：電氣自動(dòng)化設(shè)備維護(hù)工作。