晶闸管变流设备电源精确过零检测技术*

姚正武

(江苏联合职业技术学院南京工程分院,南京 211135)



晶闸管变流设备电源精确过零检测技术*

姚正武*

(江苏联合职业技术学院南京工程分院,南京 211135)

研究低压交变电压过零脉冲的生成电路在于克服相关专利技术因采用降压变压器、整流或光耦器件、较复杂电子电路等,而使得电路在过零检测的精确性等方面存在的不足。通过分析设计交变电压过零检测环节、微分环节、脉冲整形和输出环节等,采用自建电路并检测各环节波形,可知电路过零脉冲误差低于0.5 μs,功耗低于9.4 mW。故与现有技术相比电路具有诸多优点,可应用于晶闸管变流设备的定相和触发控制、交流电源的检测等方面。

电工;过零脉冲生成;脉冲波形测量;限幅;过零检测;微分环节;同步

当前有关低压交流电源过零检测的专利技术中,电路因采用了降压变压器、整流器件、光耦器件或较复杂电路等,使得过零检测的准确性和在工程实际应用价值方面存在着较多的不足。本文将通过创新设计和实验论证一种低压交变电压过零脉冲的生成电路来解决存在的问题,并进一步推广分析在晶闸管变流设备等方面的应用意义。

1 电路设计分析

精确的低压交变电压过零脉冲生成电路系统工作原理如图1(a)所示。输入的低压交变电压ui经交变电压过零检测环节在输出端A点生成随ui交变变化的方波信号[1],方波的周期与ui周期相同。该方波信号输入微分环节,在输出端B点生成前沿很陡、后沿有一定宽度的正负尖脉冲信号[2],该信号周期与输入的方波信号同。B点的正负尖脉冲信号经脉冲整形和输出环节滤掉负尖脉冲,并把正尖脉冲整形成有一定宽度的与TTL电平相适应的负脉冲信号输出。

图1 低压交变电压过零脉冲生成电路原理图

该电路系统由交变电压过零检测环节、微分环节、脉冲整形和输出环节等组成。交变电压过零检测环节由电阻R01、R02、二极管D01、D02、运放A1、电阻R03、电源+vcc组成。微分环节主要由C01、R04、运放A2等组成。脉冲整形和输出环节主要由三极管V1、电阻R05、R06等组成。系统组成电路原理图如图1(b)所示。

1.1 交变电压过零检测环节设计原理

运放A1采用电压比较器,当交变电压ui处于正方向时,若ui值大于等于二极管D01的导通电压VON时,D01导通,在运放A1同相和反相输入端之间由于二极管D01的限幅作用而被钳位为VON,保护了运放A1的输入端,在A点运放A1输出高电平(若运放A1采用单电源+vcc,则该高电平值与电源+vcc接近);若ui值小于二极管D01的导通电压VON但大于运放输入端的失调电压Δui时,D01正向阻断,在运放A1同相和反相输入端之间电压等于ui值,在A点A1仍然输出高电平;当ui值小于失调电压Δui时,由于ui值很小,与交变电压ui由正及负的理论零点非常接近,故认为此时过零,A点出现高电平向低电平的跳变[3]。

当交变电压ui处于负方向时,同理由于二极管D02的限幅作用,而使得运放输入端电压被钳位为-VON以下,在A点运放A1输出低电平(若运放A1采用单电源+vcc,接地端接地,则该低电平值接近于零)。

电阻R03作为电压比较器输出的上拉电阻,一般可取10 kΩ以下。电阻R01与R02取值相等,其值由ui最大值和二极管D01(或D02,两者相同)正向导通电流和泄漏电流确定。二极管D01或D02的耐压值,则根据交变电压ui幅值来选用。由于受到电子二极管和运放A1绝缘耐压水平的影响,本电路一般适用于1 kV以下的低压交变电压过零检测。若交变电压ui是周期性对称交流电压,A点的波形则如图2(a)所示,图中T1是高电平宽度。

图2 A、B两点电压波形图

该环节在应用中需注意以下8个细节问题:

(1)分压电阻R01与R02取值相等,且不宜过大或过小,其值由ui最大值和二极管D01(或D02,两者相同)正向导通电流和泄漏电流确定。阻值过大会使二极管正向压降过低,二极管导通困难,阻值过低,会使二极管正向导通电流过大,使分压电阻功耗过大和二极管损坏。若按本文试验电路,ui是220 V市电交流电,二极管为IN4007(或IN4148),电阻R01与R02取值270 kΩ。

(2)分压电阻R01与R02分别串接在交变电压ui两端,且不应采用阻容电路取代,以免过零点后移,导致过零检测准确度下降,与交变电压ui不同步。

(3)两个二极管D01、D02选型相同,且按一个损坏,另一个额定电压要能承受电路最大反向峰值电压的2倍～3倍选择。按本文试验电路,二极管选型为IN4007(额定电压为1 000 V,额定正向工作电流为1 A)。

(4)运放A1作为电压比较器,应选用输入端失调电压比较小的运放,以免对交变电压ui过零点检测的精确度下降。若按本文试验电路,A1选用LM393,其输入端失调电压为2 mV。

(5)运放A1的同相或反相输入端必须接地,与本系统电路采取共地连接,以免输出端A点不能产生与交变电压ui同步的标准方波波形。

(6)运放A1的输出端A点必须接上拉电阻R03,一般可取10 kΩ以下。

(7)运放A1工作电源与输出端电源+vcc相同,取+5 V,且为稳压电源,以下各环节同。

(8)受系统电路板和元器件绝缘强度以及电子二极管承压能力所限,交变电压ui幅值不能过高,本电路一般适用于1 kV以下的低压交变电压过零检测。

1.2 微分环节设计原理

运放A2反相和同相输入端因“虚短”而接地,因“虚断”可视作电流为零而开路[4],这样微分电路与V1基极电阻R05、基极和发射极PN结内阻rbe构成C01充放电回路,其等效电路如图2(b)所示,图中理想二极管VD代表V1基极和发射极之间PN结导通方向,内阻rbe值由所选三极管V1定。图2(b)中所示,当uA从低电平跳转到高电平时,C01充电,就构成了一阶零状态响应电路,此时C01两端电压uC将近似按式(1)e指数规律变化,B点电压uB也将近似按式(2)e指数规律变化[5]。式中τ为时间常数,其表达式如式(3)所示,只要合理选择C01、R04、R05等参数值,使τ≪T1,一般T1可选10τ以上,则可生成如图2(c)所示的尖脉冲[6]。

(1)

(2)

τ=(R04+R05+rbe)C01

(3)

该环节在工程应用中需注意以下3个细节问题:

(1)合理选择C01、R04、R05等参数值,使时间常数τ≪T1,一般T1可选10τ以上。按本文试验电路,交变电压ui为市电,C01选用E222M(2 200pF),R04、R05分别取值15kΩ、30kΩ,三极管S9013基极和发射极PN结内阻rbe(一般为几百欧到几千欧)取5kΩ,则τ=110μs≪T1=10 000μs(10ms)。

(2)选用C01、R04、R05等器件时,参数值不宜过大或过小。过大则使τ≤T1的条件不满足,微分电路生成不了与图2(c)所示的尖脉冲,过小则使尖脉冲后沿的宽度太小,使下一环节生成的负脉冲不利于检测和应用。

(3)运放A2的同相输入端必须接地,工作电源取+5V。

1.3 脉冲整形和输出环节设计原理

B点所形成的尖脉冲如果达到三极管V1基极和发射极之间的导通电压,则V1导通,从C点输出低电平,此值接近V1饱和导通压降,一般为0.3V,根据图2(b)所示正尖脉冲前沿极陡,后沿有一定宽度的情况,三极管V1输出应该迅速由高电平跳变到低电平,产生一个很陡的下降沿,然后保持低电平,直到正尖脉冲后沿下降到低于V1基极和发射极之间的导通电压,三极管V1截止,输出重新恢复到高电平,输出脉冲如图3所示。因V1基极和发射极之间正向阻断过程中正向漏电流下降到零存在一个过程,如图4所示虚线向左部分[7],故V1集电极输出uo在由低电平重新恢复到高电平的上升沿不再很陡,存在一个过程,如图3所示脉冲的上升沿。

图3 三极管V1输出的低电平脉冲波形图

在B点的负尖脉冲反映的是交变电压ui由正向转往负向变化的过零时刻,由于NPN型三极管的输入性质,故被三极管V1“过滤”掉了。若要生成ui由正向转往负向变化的过零脉冲,则只要在ui输入端再增加一块如图1所示的电路,只不过运放A1的同相和反相输入端互换位置即可,此电路输出的如图3所示的低电平脉冲便是ui由正及负的过零脉冲。

图4 三极管V1输入特性曲线

若vcc电源是+5V,则C点uo输出的低电平脉冲便与TTL电平匹配,则C点可直接接单片机中断输入口或数字电路等,以便检测ui正负交替变化的零点[8]。

该环节在工程应用中需注意以下3个细节问题:

(1)三极管S9013的基极电阻R05在与微分环节相配合情况下,不宜选择过大,以免三极管基极电流过小而不能导通。

(2)三极管S9013集电极电源电压+vcc取+5V,以确保输出的负脉冲能与TTL电平相适应,方便直接接单片机I/O口或数字逻辑电路。

(3)三极管选用时,要注意选用的三极管集电极电流足够大,具有一定的负载能力,以满足后续单片机I/O口或数字逻辑电路的驱动要求。若不满足要求时,可选择两个三极管复合使用。

2 电路实验

选用交流220V市电作为低频交变电压接入,R01与R02取值为270kΩ,二极管D01和D02选用IN4148,运放A1和A2选用LM393,电阻R03～R06分别取值2kΩ、15kΩ、30kΩ和1kΩ,微分电容C01选用E222M,三极管V1选用S9013,VCC电源和运放LM393选用+5V电源。

根据上述参数,用UTD-1025C示波表测得图1电路ui波形、A点的方波波形分别如图5(a)、图5(b)所示。图5(b)所示:A点方波波形(上方)由示波表A通道测得,界面保存时记录的波形参数正脉宽为10.23ms,峰峰值5.12V,频率为49.96Hz。图5(b)所示,下方由B通道测得的波形就是图1电路中B点的对应的正尖脉冲波形,界面保存时记录的波形参数正脉宽为2.84ms,峰峰值4.80V,频率为50.02Hz,如图5(c)所示。图1电路B点波形,采用示波表AC耦合方式时,测得的正负尖脉冲波形如图5(d)所示。图1电路C点生成的脉冲波形,如图5(e)所示(下方,由示波表B通道测得),界面保存时记录的脉冲波形参数下降沿为480.0ns,幅度值5.04V,负脉宽为170.2μs。当图1电路电阻R05分别取值为20kΩ、10kΩ时,由示波表测得负脉宽分别为155.2μs、132.8μs。

R05取值为10kΩ时,图1电路+5V电源用万用表测得正常工作电流为1.87mA,故该电路正常工作情况下,实际功耗约为9.4mW。根据波形测量分析,C点所产生脉冲的下降沿宽度约为480ns,考虑正弦波在过零检测环节失真电压2mV,约20.5ns的误差[9],则过零脉冲与正弦波实际零点之间的误差要低于500ns,即0.5μs。

图5 电路各点波形及其相关波形参数显示图

3 与现有典型的过零检测电路比较分析

通过网络检索相关论文和专利可知,交流电过零检测电路从形式上大致可归纳为如图6所示的3种常见类型。图6(a)方案把市电经电源变压器BT降为10 V后通过电阻R1限流后一正一反分别接在TLP521-2两个光耦输入端。过零脉冲信号出现比理论零点提前了约727 μs。另外由于采用了电源变压器,使得功耗、空间体积、成本都有所增加[9],故此方案从精确度和工程应用价值上都不足本电路。图6(b)方案,市电通过变压器降压,经整流电路ZL(图中为半波整流电路,也有采用桥式整流电路)整流后,施加在采样电阻R1上,过零脉冲信号出现比理论零点提前了约158 μs[9]。另外由于采样电阻R1功耗和电源变压器影响使得过零检测电路性价比也比不上本电路。图6(c)方案不采用变压器,而使市电直接接入过零检测电路,通过限流限幅电阻R1、R2后施加在反向串联的两个稳压管DW1和DW2两端,过零转换信号要比市电理论零点提前约59 μs[9]。另外由于R1、R2、DW1、DW2和R3功耗均较大,使得检测电路正常工作时功耗比较大[10]。

图6 典型的交流电过零检测电路

4 应用简析

4.1 晶闸管变流装置移相或过零触发控制

在晶闸管整流、有源逆变、调压等变流电路中,往往要采用触发电路产生与电源电压同步的控制角可调的触发脉冲,所采用的触发电路往往需要较多的电子元器件或集成块、较复杂的电子电路、整流变压器、同步变压器、电源变压器等,另外电子器件性能参数变化较大,这就使得触发电路在应用的准确性、操作的便捷性、产品集成化等方面存在不足[11]。若触发电路采用本案例的电路,则可以准确测量出过零脉冲,然后利用单片机进行检测并从过零时刻起按照时间关系进行计算,生成相应控制角的触发脉冲,不仅实现了精确的移相控制,而且使得触发脉冲的移相范围增宽[12]。

在晶闸管调功电路中,准确的过零脉冲的检测对实现精确过零触发,提高电路的调功性能,减少对电网电源的谐波污染,有着十分重要的应用价值[13]。

4.2 简化了低压晶闸管变流装置同步定相电路

在晶闸管变流装置中要实现整流和有源逆变,往往采用三相整流变压器、三相同步变压器按照变流电路的相位要求进行定相技术接线,然后三相同步电压还要通过较复杂的触发电路产生三相符合要求的触发脉冲[14]。但是通过本文精确的过零脉冲生成电路生成过零脉冲通过单片机检测后,分别由软件编程通过时间控制产生与各相晶闸管相适应的触发脉冲,避免了三相之间同步的技术难度,简化了装置同步定相电路,降低了电路成本和功耗。

4.3 其他应用

在电网电能质量分析时,我们可以通过本文过零脉冲生成电路对单相或三相对称电源生成精确的过零脉冲,通过单片机对过零脉冲周期、相位分析判断单相或三相对称电源不对称度。另外,可利用三相对称电源的过零脉冲,通过单片机等分析判断三相之间的相位关系,实现相序检测。也可以通过周期判断,来完成对低压低频交变电源或信号源频率的自适应控制或干扰情况检测等[15]。

5 结论

通过上述论证分析,本文研究的这种过零脉冲生成电路,不仅过零检测的准确性高、功耗低、应用范围广,而且电路结构简单、性价比高、便于集成嵌入应用和规模化生产,有着较高的工程应用价值和实际意义。

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姚正武(1969-),男,汉族,江苏扬州人,江苏联合职业技术学院南京工程分院,副教授、高级技师、电气工程师,研究方向为电力电子技术、嵌入式智能控制、电气照明、电机与电器、自动化技术,yzw12181218@163.com。

ThyristorConverterEquipmentSupplyAccurateZeroCrossingDetectionTechnology*

YAOZhengwu*

(The Nanking Engineering Branch of Jiangsu United Occupation Technical College,Nanjing 211135,China)

It aims to conquer the shortcomings in zero detection accuracy of some related patents etc.to study the low-voltage alternating voltage zero crossing pulse generation circuit because these related patents adopted some step-down transformers,rectifier devices or optical couplers as well as some of more complex circuits. It can be known that the circuit can make the error of zero crossing pulse less than 0.5 μ s,circuit power consumption less than 9.4 mW by some ways to analysis and design the zero crossing detection circuit,differential circuit,shaping and output pulse circuit,to make the circuit and detect each part wave. So,the circuit has more advantages than some circuits of the existing patents and can be widely used in thyristor phase-shifting or zero crossing triggering and the phasing technology,AC power detection etc.

electrical engineering;zero crossing pulse generation;pulse wave measurement;amplitude limit;zero crossing detection;differential circuit;synchronous

项目来源:校企合作项目

2014-07-14修改日期:2014-08-12

TM935.4;TM131;TN707;TN710

:A

:1005-9490(2014)06-1256-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.048