CN101598749B

CN101598749B - 三相无中线交流过零检测装置

Info

Publication number: CN101598749B
Application number: CN2009101081753A
Authority: CN
Inventors: 刘辉; 魏滢
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: CN101598749A

Abstract

本发明公开了一种三相无中线交流过零检测装置。该装置包括：三个光电耦合器，所述光电耦合器包括发光二极管和对应的三极管，所述发光二极管的阳极分别与一火线相连接，所述三极管的发射极接地，所述发光二极管的阴极相连接。采用本发明三相无中线交流过零检测装置，克服了现有技术必须依靠零线进行过零点检测的缺点。

Description

三相无中线交流过零检测装置

技术领域

本发明涉及过零检测电路技术领域，尤其涉及一种三相无中线交流过零检测装置。

背景技术

电路中的过零检测技术，在很多应用场合都会用到，比如电源功率因素校正电路中电压的过零点用来产生基准信号或者控制信号，三相交流电网中准确的相序判断需要以过零信息为输入。一个准确的过零点信息对保证对象的可靠运行起着至关重要的作用。

当前使用的过零检测方法，一般基于有中线配置的电路中。比如单相交流输入或者三相四线(三根火线和一根零线，零线又称为中线)制交流电网，这种应用场合电压过零检测相对比较容易，以火线和零线为输入，经过运算放大器或者光耦隔离产生过零信号进行后续处理即可。比如2008年9月10日公告的专利号为CN200720172697.6的实用新型和2009年1月7日公告的专利号为CN200820044398.9的实用新型就是基于有中线配置的电路来实现过零检测的。

然而，上述过零检测方法存在必须依靠零线进行过零点检测的缺点，不适合在没有配置零线的电路的运用，影响了过零检测方法的使用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术必须依靠零线进行过零点检测的缺点等问题，提出了一种解决该问题的三相无中线交流过零检测装置。

本发明三相无中线交流过零检测装置，包括三个光电耦合器，所述光电耦合器包括发光二极管和对应的三极管，所述发光二极管的阳极通过分压电路分别与一火线相连接，所述三极管的发射极接地，其中，所述发光二极管的阴极相连接；还包括智能处理单元，所述智能处理单元与所述三极管的集电极相连接，用于接收和处理集电极输出的信号，并对输出所述集电极输出的信号的上升沿和下降沿信号补偿所述光电耦合器的死区时间，将所述上升沿信号右移所述死区时间，将所述下降沿信号左移所述死区时间。

进一步地，在所述装置中，所述智能处理单元为数字信号处理器、微处理器或者单片机之一。

进一步地，在所述装置中，所述分压电路包括一端连接火线，另一端连接所述发光二极管的阳极的电阻。

进一步地，在所述装置中，还包括滤波电路，所述三极管的集电极与发射极之间并联所述滤波电路。

进一步地，在所述装置中，所述三极管的集电极用于接收一直流参考电压。

与现有技术相比较，采用本发明三相无中线交流过零检测装置，克服了现有技术必须依靠零线进行过零点检测的缺点，实现了对三相三线无零线制式电网电压的过零检测技术的突破，而且，对电网不平衡的情形同样适用。另外，本发明三相无中线交流过零检测装置实现了交流电与直流电的电气隔离，有效屏蔽了电路中的各种高低频干扰信号，增强了电路运行的可靠性。

附图说明

图1是本发明三相无中线交流过零检测装置模块示意图；

图2是本发明三相无中线交流过零检测装置的火线电压与过零输出信号的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明三相无中线交流过零检测装置进行说明。

请参阅图1，其是本发明三相无中线交流过零检测装置模块示意图。

本发明过零检测装置，包括：三个光电耦合器U1、U2、U3，三个二极管D1、D2、D3，一个智能处理单元、六个起分压作用的电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6和三个起滤波作用的电容C1、C2、C3。其中，三个光电耦合器U1、U2、U3分别包括一发光二极管和一三极管。三个光电耦合器U1、U2、U3为同一型号，三个二极管D1、D2、D3为同一型号，电阻R1、R2、R3为同一型号，电阻R4、R5、R6为同一型号，所述智能处理单元用于接收和处理三个光电耦合器U1、U2、U3的三极管的集电极输出的信号，并输出该集电极输出的信号的上升沿和下降沿信号，智能处理单元可以为数字信号处理器、微处理器或者单片机。

本发明过零检测装置所包括的模块组成三个线路，为具有对称关系的线路一、线路二和线路三，具体如下所述：

线路一：电阻R1一端连接火线a，另一端连接光电耦合器U1的发光二极管的阳极。光电耦合器U1的发光二极管的阴极连接其他光电耦合器U2、U3的发光二极管的阴极。二极管D1与光电耦合器U1的发光二极管反向并联。光电耦合器U1的三极管的集电极连接智能处理单元，发射极接地。电阻R4一端连接参考电压Vcc，另一端连接光电耦合器U1的三极管的集电极。电容C1并联于光电耦合器U1的三极管的集电极和发射极。

线路二：电阻R2一端连接火线b，另一端连接光电耦合器U2的发光二极管的阳极。光电耦合器U2的发光二极管的阴极连接其他光电耦合器U1、U3的发光二极管的阴极。二极管D2与光电耦合器U2的发光二极管反向并联。光电耦合器U2的三极管的集电极连接智能处理单元，发射极接地。电阻R5一端连接参考电压Vcc，另一端连接光电耦合器U2的三极管的集电极。电容C2并联于光电耦合器U2的三极管的集电极和发射极。

线路三：电阻R3一端连接火线c，另一端连接光电耦合器U3的发光二极管的阳极。光电耦合器U3的发光二极管的阴极连接其他光电耦合器U1、U2的发光二极管的阴极。二极管D3与光电耦合器U3的发光二极管反向并联。光电耦合器U3的三极管的集电极连接智能处理单元，发射极接地。电阻R6一端连接参考电压Vcc，另一端连接光电耦合器U3的三极管的集电极。电容C3并联于光电耦合器U3的三极管的集电极和发射极。

目前，工业中使用的三相三线制交流电网，三根火线a、b和c相位上互差120度，幅值大小相同。

由于线路一、线路二和线路三为对称关系，所以以线路一为例来说明线路一中各元件的作用。

当忽略三个光电耦合器U1、U2、U3的发光二极管的压降，假设三个光电耦合器U1、U2、U3的发光二极管的阴极电位为v_x，三根火线a、b和c电压瞬时值分别为v_a、v_b、v_c，三根火线a、b和c电压峰值分别为V_a、V_b、V_c。由过零检测装置所包括的模块组成三个线路，可得：

\frac{v_{a} - v_{x}}{R_{1}} + \frac{v_{b} - v_{x}}{R_{2}} + \frac{v_{c} - v_{x}}{R_{3}} = 0

由于R₁＝R₂＝R₃，

可得：

v_{x} = \frac{v_{a} + v_{b} + v_{c}}{3}

另外，当三相电网平衡时，即V_a＝V_b＝V_c＝V时，

v_a+v_b+v_C＝V_asin(ωt)+V_bsin(ωt-2π/3)+V_csin(ωt+2π/3)

＝Vsin(ωt)+Vsin(ωt-2π/3)+Vsin(ωt+2π/3)＝0；

可得：

v_{x} = \frac{v_{a} + v_{b} + v_{c}}{3} = 0

由Vx＝0，可推知：当三相电网平衡时，直接相连的三个光电耦合器U1、U2、U3的发光二极管的阴极与零线基本等电位。

根据上述推导，加在三个光电耦合器U1、U2、U3的发光二极管的阳极和阴极上的电压即为某一相相电压，过零检测装置的三个线路即可等效成三个独立的单相过零检测电路。

以线路一为例，当某一相电位大于零时，该相对应的光电耦合器U1的发光二极管动作，该动作的发光二极管对应的三极管的集电极输出一低电平信号，集电极输出的信号定义为过零输出信号，记为Sig_A；当该相电位小于零时，光电耦合器的发光二极管工作在反相输入状态，对应的三极管处于截止区，由于参考电压Vcc的存在，这时过零输出信号Sig_A被上拉至直流电源，得到高电平信号。

请参阅图2，其是本发明三相无中线交流过零检测装置的火线电压与过零输出信号的波形示意图。其中，图2(a)为火线a电压Va与过零输出信号Sig_A的波形示意图。

该过零输出信号Sig_A被传送到智能处理单元进行处理，得到该t时刻对应的过零检测信号跳变信息CAP_A，如图2(b)所示。

然而，上述集电极输出的信号，即过零输出信号Sig_A，是在理想情况下得到的计算值，实际中使用的光电耦合器U1，驱动电流过小时，光电耦合器U1的发光二极管并不工作。这种情况称为光电耦合器U1存在死区时间Δt。该Δt为火线a交流电压Va周期T的一半与t的差值，即Δt＝T/2-t。为了消除光电耦合器U1的死区时间Δt的影响，在智能处理单元对过零输出信号Sig_A的处理结果中，补偿死区时间Δt。此时，分两种情况，第一种情况是火线a交流电压Va由正变为负时，将t+Δt时刻集电极输出的信号当作过零输出信号Sig_A′，交由智能处理单元进行处理；第二种情况是火线a交流电压Va负向过零时，将t+Δt+T/2时刻集电极输出的信号当作过零输出信号Sig_A′，交由智能处理单元进行处理。

经过补偿后的过零输出信号Sig_A′被传送到智能处理单元进行处理，对跳变信息CAP_A的上升沿和下降沿补偿所述光电耦合器的死区时间，将上升沿信号右移该死区时间，将下降沿信号左移该死区时间，得到过零检测信号Zero_A，如图2(b)所示。

同理，线路二和线路三也可分别输出过零检测信号Zero_B、Zero_C。

另外，上述过程是基于三相电网平衡时得出的，但工业中实际使用的电网，并不能做到三相电压完全对称。

首先，计算三相电网平衡时，线路一、线路二和线路三的三根火线a、b和c电压瞬时值v_a、v_b、v_c过零点的时刻t_a、t_b、t_c。

通过v_a＝Vsin(ωt)＝0；

v_b＝Vsin(ωt-2π/3)＝0；

v_c＝Vsin(ωt+2π/3)＝0，得到：

t_a＝10n；

t_{b} = \frac{10}{3} + 10 n;

t_{c} = - \frac{10}{3} + 10 n;

其中，n＝1、2、3....，t_a、t_b、t_c单位为ms。

当三相电网不平衡时，也即

并不为零，而是一个偏离了零点的正弦波动值，考虑三相电网最大有10％的不平衡度，假设线路一火线a电压峰值V_a正向偏差10％，线路三火线c电压峰值V_c负向偏差10％，即V_a＝110％V，V_b＝V，V_C＝90％V。

此时

v_{x} = \frac{v_{a} + v_{b} + v_{c}}{3} = \frac{0.2 V \sin (ωt) + 0.1 V \sin (ωt - 2 π / 3)}{3} .

再分别计算v_a-v_x＝0，v_b-v_x＝0，v_c-v_x＝0，分别得到对应的过零点时间t_an、t_bn、t_cn，如下所示：

t_an＝0.089+10n；t_bn＝3.15+10n；t_cn＝-3.24+10n

于是，得到三相电网过零点偏差如下：

\frac{| t_{a} - t_{an} |}{10} \times 100 % = 0.89 %;

\frac{| t_{b} - t_{bn} |}{10} \times 100 % = 1.8 %;

\frac{| t_{c} - t_{cn} |}{10} \times 100 % = 0.93 %

可以看出，即使电网电压有着最大10％的不平衡度时，过零检测信号的偏差也在2％以内，满足一般工业设计要求。

以上仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三相无中线交流过零检测装置，包括三个光电耦合器，所述光电耦合器包括发光二极管和对应的三极管，所述发光二极管的阳极通过分压电路分别与一火线相连接，所述三极管的发射极接地，其特征在于，所述发光二极管的阴极相连接；还包括智能处理单元，所述智能处理单元与所述三极管的集电极相连接，用于接收和处理集电极输出的信号，并对输出所述集电极输出的信号的上升沿和下降沿信号补偿所述光电耦合器的死区时间，将所述上升沿信号右移所述死区时间，将所述下降沿信号左移所述死区时间。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述智能处理单元为数字信号处理器、微处理器或者单片机之一。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分压电路包括一端连接火线，另一端连接所述发光二极管的阳极的电阻。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括滤波电路，所述三极管的集电极与发射极之间并联所述滤波电路。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三极管的集电极用于接收一直流参考电压。