一种简便可靠的交流电压掉电检测方法

2013-05-05王云鹤

船电技术 2013年10期

王云鹤

一种简便可靠的交流电压掉电检测方法

王云鹤

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

针对现有几种交流电压掉电检测方案的不足，本文提出了一种简便可靠的分段式交流电压掉电检测方法。详细分析了该掉电检测方法的原理，并进行了软硬件设计以及实验验证，最后还将其应用于一台UPS设备进行了切换实验。理论分析与实验结果表明了该方法的有效性。

掉电检测不间断电源(UPS) 旁路切换

0 引言

信息技术的飞速发展以及计算机应用的日益普及，使得用电设备对供电可靠性的要求越来越高。要保证供电的可靠性，必须保证能够对交流电压的幅值进行快速的检测。

目前，对交流电压幅值检测的方法有多种。有基于RC充电电压来判断交流电压掉电情况，即：先对电网电压进行分压，再进行滤波，然后再经过RC充电电路；当电网电压正常时，电容上有一个恒定的电压值，当电容上的电压超出或者跌落出该值的一定范围之后，就认为电网已发生故障。该方法硬件实现简单，但对RC的充放电时间要求精确，对硬件参数的漂移很敏感，影响了掉电检测可靠性与快速性。也有基于自动控制理论的方法，即：以市电信号作为给定，以输出电压幅值与锁相后的正弦乘积作为反馈，给定减反馈后的偏差乘上一个加速因子后经过PI调节，便可对其输出的幅值进行快速判断。该方法的不足之处是原理相对复杂，同时对参考正弦与市电的锁相情况密切相关，实际上很难得到理想的效果。本文提出了一种简便可靠的分段式交流电压掉电检测方法，并通过实验进行了验证。

1 掉电检测原理分析

1.1 原理描述

图1所示中，第一个通道表示频率为50 Hz、有效值为220 V的正弦波经过全波整流后所得的波形，记为波形1。第四个通道表示比较电压V，它与波形1的交点分别为a、d、e；第五个通道表示比较电压V，它与波形1的交点分别为b、c；第二个通道表示半周正弦波与比较电压V比较后的电平，记为波形2；第三个通道表示半周正弦波与比较电压V比较后的电平，记为波形3。

当半波正弦电压经过a点时，波形2会有一个下降沿；当半波正弦波上升到b点时，波形3会有一个下降沿；当半波正弦波经过c点时，波形3会有一个上升沿；当半波正弦波经过d点时，波形2会有一个上升沿。

图1 掉电检测原理分析图

掉电的判别方法：当检测到波形2的下降沿后，经过t(a点到c点的时间)的时间仍然没有检测到波形3的下降沿，则说明在ac段内市电掉电；当检测到波形3的上升沿时，在不到t(c点到d点的时间)的时间内就检测到波形2的上升沿，则说明在cd段市电掉电；当检测到波形2的上升沿时，若经过t(d点到e点的时间)的时间仍然未能检测到波形2的下降沿，则说明在de段市电掉电。基于上述理论分析，将半周正弦波分成了ac、cd、de三段，市电幅值在任意一段中发生故障均可快速检测出来。

1.2 比较电压的选取

上节中分析了市电幅值的检测原理，但并未给出比较电压V以及V的具体数值，而这两个比较点的选取至关重要。波形4对应的比较电压V的选取会直接应到检测的快速性；波形5对应的比较电压V的选取会影响欠压判断的可靠性。

对于220 V的交流电压，当考虑±15%的允许波动范围时，其电压幅值最低为

为准确的判断市电是否有欠压情况，将比较电压V选为264 V。

掉电检测的关键是要快速准确，本文采用的方法是三段式分析法，要想保证任意区段下的掉电均能较快的检测出来，理想的方法是将a到e这10 ms等分成ac、cd、de三段。需说明的是，此时假设市电电压处于临界欠压情况，即b点与c点是重合的。于是有

为了快速检测各段的市电幅值情况，故取比较电压V选为130 V。

2 掉电检测系统

2.1 系统设计

图2为掉电检测的系统示意图，其输入为220 V的市电，输出为两路互补的控制信号。

图2 掉电检测系统框图

先通过电压互感器对市电进行检测，然后经差分放大电路对其进行变比调整，再经过精密整流电路进行全波整流，将整流后的电压信号分别送入比较值不同的两个比较器，再将两路比较器的输出信号送入MDU进行处理，最终通过IO口发出两路互补的信号用于控制晶闸管的切换。

2.2 硬件电路设计

2.2.1电压检测及其放大电路

图3 市电采集与放大

图4 比较电路

本实验中采用天瑞公司生产的TR1102-1C电压互感器对市电电压进行检测，其原副边变比为220 V：3.53 V。为了提高检测精度，将互感器的输出电压经差分电路对其进行放大，放大比例为620 K/220 K。

2.2.2全波精密整流电路

将上述差分电路输出的正弦电压信号Usys_f送入该全波精密整流电路，可以得到一个频率100 Hz的由正弦波正半周组成的电压信号Usys_h，该电路的幅值增益为1。

2.2.3比较电路

由分段式掉电检测的原理可知，其关键在于两个电压比较点的设定。通过计算分析，264 V的市电电压应该对应12 V的电压比较点，130 V的市电电压对应5.9 V的电压比较点，COMP1与COMP2分别表示这两个比较器的输出电平信号。

通过以上硬件电路处理，得到了反映市电幅值情况的电平信号COMP1与COMP2。将这两个信号分别送至PIC18F4680单片机的外部中断INT0以及外部中断INT2两个引脚上，经过单片机处理后，利用IO口发出CON1与CON2两路控制信号。

2.3 软件设计

单片机的软件部分主要包括主程序、定时器0中断程序、外部中断INT0程序以及外部中断INT2程序。其中，定时器0中断主要用于计时，实验中将定时器周期设为100ms，并且每次中断时都设置一个定时标志。外部中断INT0以及INT2既可以是上升沿触发，也可以是下降沿触发，他们分别用于记录COMP1与COMP2的电平变化情况，并置相应的边沿标志。主程序部分先对系统初始化，然后根据相应的标志判断市电情况并发出相应的控制信号。下面分别给出了主程序、INT0中断以及INT2中断的程序流程图。

图5 全波精密整流

图6 主函数流程图

图7 中断INT0流程图

图8 中断INT0流程图

3 实验结果

基于上述原理分析以及软硬件设计，通过实验对其掉电检测的快速性与可靠性进行了验证，最后还将其应用于一台单相UPS进行掉电检测及切换实验，具体的实验结果记录如下。

如图9 (a)、(b)、(c)、(d)所示，分别记录了市电正常、市电ac段掉电、市电cd段掉电以及市电de段掉电的波形。图中，CH1表示市电整流后波形，CH2表示比较输出信号COMP1，CH3表示比较输出信号COMP2，CH4表示切换控制信号CON1。图9(b)、(c)、(d)中的时间光标增量表示从市电掉电到发出控制切换信号所需的时间，它们分别为3 ms、4.5 ms以及4.6 ms。实验结果表明，不论市电何时掉电，通过该方法均能够快准确的对其进行检测。