CN104181383A - 一种三相电网电压同步检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三相电网电压同步检测电路，包括有：一三相电网电压接口，其用于连接三相电网电压；三分压电路，其分别连接于所述三相电网电压接口的输出侧，用于对其对应的相电压进行分压；三电压调理电路，其分别与所述分压电路连接，用于对经过所述分压电路分压的电网电压进行放大或缩小，并对该电网电压的纹波干扰进行滤波；三电压转换电路，其分别连接于所述电压调理电路的输出侧，用于将所述电压调理电路输出的交流电转换为直流电；所述三电压转换电路的输出侧分别与一ADC模块的三个ADC接口连接，以将其输出的直流电进行模数转换后实现三相电网电压锁相控制。本发明电路结构简单，成本低，具有较好的抗干扰性。

Description

一种三相电网电压同步检测电路

技术领域

本发明涉及电信号检测技术领域，尤其涉及一种三相电网电压同步检测电路。

背景技术

在太阳能、风能等发电领域，变频器电能回馈到电网领域，四象限变频器领域等，都必需对电网电压进行锁相环控制，从而使得逆变器的电压与电网电压同步，减少对电网电压的污染。现有的高性能电网电压锁相环技术主要是采用处理器对电网三相电压进行采样，然后对采样的电网电压值进行运算，从而实现软件锁相环，三相电网电压的同步检测电路是实现电网电压软件锁相环的基础电路，对电网电压软件锁相环的精确性非常重要。

传统的电网电压同步检测往往是采用独立的电压霍尔传感器，然而，电压霍尔传感器体积大、发热量大、接线复杂，而且成本较高。

发明内容

本发明在于解决现有三相电网电压同步检测电路接线复杂、发热量大且成本较高的技术问题，提供一种电路结构简单、成本较低的三相电网电压同步检测电路。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案。一种三相电网电压同步检测电路，包括有：一三相电网电压接口，其用于连接三相电网电压；三分压电路，其分别连接于所述三相电网电压接口的输出侧，用于对其对应的相电压进行分压；三电压调理电路，其分别与所述分压电路连接，用于对经过所述分压电路分压的电网电压进行放大或缩小，并对该电网电压的纹波干扰进行滤波；三电压转换电路，其分别连接于所述电压调理电路的输出侧，用于将所述电压调理电路输出的交流电转换为直流电；所述三电压转换电路的输出侧分别与一ADC模块的三个ADC接口连接，以将其输出的直流电进行模数转换后实现三相电网电压锁相控制。

其进一步技术方案为，所述三相电网电压接口与每一所述分压电路之间设有一第一滤波电路，所述第一滤波电路用于滤除该相电网电压中的高次谐波。

其进一步技术方案为，每一相的所述分压电路与所述电压调理电路之间设有一第一保护电路，所述第一保护电路用于电网电压分压后对电网中的脉冲干扰和电网电压异常过压进行电压钳位。

其进一步技术方案为，每一相的所述电压调理电路与所述电压转换电路之间设有一第二滤波电路，所述第二滤波电路用于对经过所述电压调理电路调理后的交流电进行高次谐波滤波。

其进一步技术方案为，每一相的所述电压转换电路与ADC模块之间设有一第二保护电路，所述第二保护电路用于对经过所述电压转换电路转换后的直流电进行电压钳位，以保护ADC模块。

其进一步技术方案为，每一相的所述分压电路包括多个分压电阻，所述分压电阻串联后一自由端与所述三相电网电压接口的输出侧连接，其另一自由端与地连接，其分压输出端与所述第一保护电路连接。

其进一步技术方案为，所述电压调理电路为一运算放大器，其同相输入端通过一输入电阻与所述第一保护电路连接，其反相输入端通过一平衡电阻与地连接，其输出端通过一输出电阻与所述第二滤波电路连接，所述输出电阻与所述第二滤波电路的连接端通过并联的一反馈电阻与一反馈电容而与所述运算放大器的反相输入端连接，所述运算放大器的电源端分别连接于供电电源的+VDD端子及-VDD端子，其中，+VDD端子及-VDD端子输出电压等于运算放大器的工作电压。

其进一步技术方案为，所述电压转换电路包括第一电阻与第二电阻，所述第一电阻与所述第二电阻串联连接，所述第一电阻的自由端与所述电压调理电路连接，所述第二电阻的自由端与供电电源的+VCC端子连接，所述第一电阻与所述第二电阻的连接端与所述第二保护电路连接，其中，供电电源的+VCC端子输出电压等于ADC模块的供电电压。

其进一步技术方案为，所述第二滤波电路包括第三滤波电容及第四滤波电容，所述第三滤波电容与所述第四滤波电容分别连接于所述第一电阻的两端，所述第三滤波电容与所述第四滤波电容的另一端分别与地连接，形成“π”形滤波电路。

其进一步技术方案为，所述第一保护电路包括第一快恢复二极管与第二快恢复二极管，所述第一快恢复二极管的阴极与供电电源的+VDD端子连接，其阳极与所述第二快恢复二极管的阴极连接，所述第二快恢复二极管的阳极与供电电源的-VDD端子连接，所述第一快恢复二极管的阳极分别与所述分压电路及所述电压调理电路连接；所述第二保护电路包括第三快恢复二极管与第四快恢复二极管，所述第三快恢复二极管的阴极与供电电源的+VCC端子连接，其阳极与所述第四快恢复二极管的阴极连接，所述第四快恢复二极管的阳极与地连接，所述第三快恢复二极管的阳极分别与所述电压转换电路及ADC模块连接。

本发明的有益技术效果在于：该三相电网电压同步检测电路将采集到的三相电网电压进行分压，然后对分压后的相电压进行放大或缩小，由电压转换电路将交流电转换为直流电，且电压转换电路输出的直流电可以直接输出到控制电路的ADC接口，从而完成三相电网电压的锁相控制，电路结构简单、成本较低。

附图说明

图1为本发明三相电网电压同步检测电路的电路框图。

图2为本发明一实施例三相电网电压同步检测电路的电路原理图。

具体实施方式

为阐述本发明的思想及目的，下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

参考图1所示，本发明提供的三相电网电压同步检测电路包括有：一三相电网电压接口10，该三相电网电压接口10用于连接三相交流电网，该三相电网电压接口10输出A相、B相及C相三相交流电压；三分压电路20，其分别连接于三相电网电压接口10的输出侧，用于对其对应的相电压进行分压；三电压调理电路30，其分别与三分压电路20连接，用于对经过分压电路20分压的电网电压进行放大或缩小，并对该电网电压的纹波干扰进行滤波；三电压转换电路40，其分别连接于电压调理电路30的输出侧，用于将电压调理电路30输出的交流电转换为直流电；三电压转换电路40的输出侧分别与一ADC模块50的三个ADC接口连接，以将其输出的直流电进行模数转换后实现三相电网电压锁相控制。

工作中，通过三相电网电压接口10获取三相电网的A相、B相及C相三相交流电压，每一相的相电压经过分压电路20分压后输出合适的交流电压值，然后通过电压调理电路30对该交流电压进行放大或缩小，并对该交流电压的纹波干扰进行滤波，最后由电压转换电路40将交流电压转换为直流电压输出给控制电路的ADC模块50进行模数转换，进而实现三相电网电压同步控制。该三相电网电压同步检测电路结构简单，成本较低。

优选的，一些实施例中，三相电网电压接口10与每一分压电路20之间设有一第一滤波电路60，该第一滤波电路60用于滤除该相电网电压中的高次谐波。

优选的，每一相的分压电路20与电压调理电路30之间设有一第一保护电路70，该第一保护电路70用于电网电压分压后对电网中的脉冲干扰和电网电压异常过压进行电压钳位。

优选的，每一相的电压调理电路30与电压转换电路40之间设有一第二滤波电路80，该第二滤波电路80用于对经过电压调理电路30调理后的交流电进行高次谐波滤波。

优选的，每一相的电压转换电路40与控制电路的ADC模块50之间设有一第二保护电路90，该第二保护电路90用于对经过电压转换电路40转换后的直流电进行电压钳位，以保护控制电路的ADC模块50。

结合图2所示，为本发明一优选实施例的三相电网电压同步检测电路的电路原理图，其仅作为本发明的一个具体个例，并不作为对本发明的限制。

该三相电网电压同步检测电路的电路包括A相电压检测支路、B相电压检测支路及C相电压检测支路，该三相电压检测支路的电路结构相同，相同位置的电阻、电容等元器件型号相同。

三相电网电压接口10可以连接220V的交流电、380V的交流电、480V的交流电、690V的交流电及1140V的交流电或其他数值的交流电，其包括A相电压端口、B相电压端口及C相电压端口，用于获取并输出三相电网电压的A相、B相及C相交流电压。

分压电路20包括多个分压电阻，该分压电阻串联后一自由端与三相电网电压接口10的对应输出端连接，其另一自由端与地连接，其分压输出端与第一保护电路70连接。A相、B相、C相三相电压由各自的分压电阻分压后共地，构成一个“Y”形结构的电路，其中，分压电阻的数量由电网电压的等级决定，比如380V电网电压可由2个以上分压电阻进行分压，480V的电网电压可由3个以上的分压电阻进行分压。A相支路上的分压电路20包括顺次串联连接的分压电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，其中，分压电阻R1与三相电网电压接口10的A相电压端口连接，分压电阻R6与地连接，分压电阻R5与分压电阻R6的连接端与A相支路的第一保护电路70连接；B相支路上的分压电路20包括顺次串联连接的分压电阻R13、R14、R15、R16、R17、R18，其中，分压电阻R13与三相电网电压接口10的B相电压端口连接，分压电阻R18与地连接，分压电阻R17与分压电阻R18的连接端与B相支路的第一保护电路70连接；C相支路上的分压电路20包括顺次串联连接的分压电阻R25、R26、R27、R28、R29、R30，其中，分压电阻R25与三相电网电压接口10的C相电压端口连接，分压电阻R30与地连接，分压电阻R29与分压电阻R30的连接端与C相支路的第一保护电路70连接。

第一滤波电路60设于三相电网电压接口10与分压电路20之间。A相支路上的第一滤波电路60包括第一滤波电容C1及第二滤波电容C2，第一滤波电容C1与第二滤波电容C2分别连接于分压电阻R5的两端，第一滤波电容C1与第二滤波电容C2的另一端与地连接，因而，第一滤波电容C1、第二滤波电容C2及分压电阻R5形成“π”形滤波电路以滤除A相电网电压中的高次谐波；B相支路上的第一滤波电路60包括第一滤波电容C6及第二滤波电容C7，第一滤波电容C6与第二滤波电容C7分别连接于分压电阻R17的两端，第一滤波电容C6与第二滤波电容C7的另一端与地连接，因而，第一滤波电容C6、第二滤波电容C7及分压电阻R17形成“π”形滤波电路以滤除B相电网电压中的高次谐波；C相支路上的第一滤波电路60包括第一滤波电容C11及第二滤波电容C12，第一滤波电容C11与第二滤波电容C12分别连接于分压电阻R29的两端，第一滤波电容C11与第二滤波电容C12的另一端与地连接，因而，第一滤波电容C11、第二滤波电容C12及分压电阻R29形成“π”形滤波电路以滤除C相电网电压中的高次谐波。

第一保护电路70设于分压电路20与电压调理电路30之间，其包括第一快恢复二极管与第二快恢复二极管，该第一快恢复二极管的阴极与供电电源的+VDD端子连接，其阳极与第二快恢复二极管的阴极连接，第二快恢复二极管的阳极与供电电源的-VDD端子连接，第一快恢复二极管的阳极分别与分压电路20及电压调理电路30连接。通过第一保护电路70的钳位作用，将输入到电压调理电路30的电压钳位在需要的电压范围之间，从而对后面的电压调理电路30起到保护作用。具体的，A相支路上的第一保护电路70包括第一快恢复二极管D1及第二快恢复二极管D2；B相支路上的第一保护电路70包括第一快恢复二极管D5及第二快恢复二极管D6；C相支路上的第一保护电路70包括第一快恢复二极管D9及第二快恢复二极管D10。其中，+VDD端子及-VDD端子输出电压等于下述运算放大器的工作电压。

电压调理电路30为运算放大器，其同相输入端通过一输入电阻与第一保护电路70连接，其反相输入端通过一平衡电阻与地连接，其输出端通过一输出电阻与第二滤波电路80连接，输出电阻与第二滤波电路80的连接端通过并联的一反馈电阻与一反馈电容而与运算放大器的反相输入端连接，运算放大器的电源端分别连接于供电电源的+VDD端子及-VDD端子，反馈电阻与运算放大器形成深度负反馈放大电路，提高运算放大器增益的稳定性，在反馈电阻上并联反馈电容，进一步对相电压的纹波干扰进行滤波，形成一阶有源低通滤波器。其中，+VDD端子及-VDD端子输出电压等于运算放大器的工作电压。具体的，A相支路上的电压调理电路30包括运算放大器U1，其电源端分别连接于供电电源的+VDD端子及-VDD端子，+VDD端子输出的正电压值及-VDD端子输出的负电压值数值相等，算放大器U1的同相输入端通过输入电阻R7与A相支路上的第一保护电路70连接，其反相输入端通过平衡电阻R8与地连接，其输出端通过输出电阻R9与A相支路上的第二滤波电路80连接，输出电阻R9与该第二滤波电路80的连接端通过并联的反馈电阻R10与反馈电容C3而与运算放大器U1的反相输入端连接；B相支路上的电压调理电路30包括运算放大器U2，其电源端分别连接于供电电源的+VDD端子及-VDD端子，+VDD端子输出的正电压值及-VDD端子输出的负电压值数值相等，算放大器U2的同相输入端通过输入电阻R22与B相支路上的第一保护电路70连接，其反相输入端通过平衡电阻R20与地连接，其输出端通过输出电阻R21与B相支路上的第二滤波电路80连接，输出电阻R21与该第二滤波电路80的连接端通过并联的反馈电阻R19与反馈电容C8而与运算放大器U2的反相输入端连接；C相支路上的电压调理电路30包括运算放大器U3，其电源端分别连接于供电电源的+VDD端子及-VDD端子，+VDD端子输出的正电压值及-VDD端子输出的负电压值数值相等，算放大器U3的同相输入端通过输入电阻R34与C相支路上的第一保护电路70连接，其反相输入端通过平衡电阻R32与地连接，其输出端通过输出电阻R33与C相支路上的第二滤波电路80连接，输出电阻R33与该第二滤波电路80的连接端通过并联的反馈电阻R31与反馈电容C13而与运算放大器U3的反相输入端连接。

第二滤波电路80包括第三滤波电容及第四滤波电容，该第三滤波电容与第四滤波电容分别连接于第一电阻的两端，第三滤波电容与第四滤波电容的另一端分别与地连接，形成“π”形滤波电路，用于滤除电压调理电路30输出的相电压的高次谐波。具体的，A相支路上的第二滤波电路80包括第三滤波电容C4及第四滤波电容C5，其分别连接于第一电阻R11的两端；B相支路上的第二滤波电路80包括第三滤波电容C9及第四滤波电容C10，其分别连接于第一电阻R23的两端；C相支路上的第二滤波电路80包括第三滤波电容C14及第四滤波电容C15，其分别连接于第一电阻R35的两端。

电压转换电路40将交流电转换为直流电，其包括第一电阻与第二电阻，该第一电阻与第二电阻串联连接，第一电阻的自由端与电压调理电路30连接，第二电阻的自由端与供电电源的+VCC端子连接，第一电阻与第二电阻的连接端与第二保护电路90连接，其中，供电电源的+VCC端子输出电压等于ADC模块50的供电电压。具体的，A相支路上的电压转换电路40包括第一电阻R11与第二电阻R12，第一电阻R11的自由端与A相支路上的电压调理电路30连接，第二电阻R12的自由端与供电电源的+VCC端子连接，第一电阻R11与第二电阻R12的连接端与A相支路上的第二保护电路90连接；B相支路上的电压转换电路40包括第一电阻R23与第二电阻R24，第一电阻R23的自由端与B相支路上的电压调理电路30连接，第二电阻R24的自由端与供电电源的+VCC端子连接，第一电阻R23与第二电阻R24的连接端与B相支路上的第二保护电路90连接；C相支路上的电压转换电路40包括第一电阻R35与第二电阻R36，第一电阻R35的自由端与C相支路上的电压调理电路30连接，第二电阻R36的自由端与供电电源的+VCC端子连接，第一电阻R35与第二电阻R36的连接端与C相支路上的第二保护电路90连接。优选的，第一电阻R11/R23/R35及第二电阻R12/R24/R36六个电阻取相同的阻值。

第二保护电路90包括第三快恢复二极管与第四快恢复二极管，该第三快恢复二极管的阴极与供电电源的+VCC端子连接，其阳极与第四快恢复二极管的阴极连接，第四快恢复二极管的阳极与地连接，第三快恢复二极管的阳极分别与电压转换电路40及控制电路的ADC模块50连接。第三快恢复二极管与第四快恢复二极管将电压转换电路40输出的直流电压钳位在0至供电电源的+VCC端子输出的电压值之间，供电电源的+VCC端子输出的电压值等于控制电路的ADC模块50的最大输入电压，以防止ADC模块50烧坏。具体的，A相支路上的第二保护电路90包括第三快恢复二极管D3与第四快恢复二极管D4；B相支路上的第二保护电路90包括第三快恢复二极管D7与第四快恢复二极管D8；C相支路上的第二保护电路90包括第三快恢复二极管D11与第四快恢复二极管D12。

三相电网电压接口10连接三相电网电压，每一相的第一滤波电路60对该相电压进行滤波，然后由其对应的分压电路20对该相电压进行分压，分压后的电压由其对应的第一保护电路70将电压钳位在供电电源的-VDD端子输出电压与供电电源的+VDD端子输出电压之间，从而对后级电压调理电路30起到保护的作用，电压调理电路30对第一保护电路70输出的电压进行放大并滤除纹波干扰，由于A相、B相、C相三相电压相电压的分压电阻构成“Y”形接法，中间点与电路共地，因而电压调理电路30输出的电压是与其对应的相电压同步的交流电压，电压调理电路30输出的交流电压经过第二滤波电路80滤除高次谐波后由电压转换电路40将交流电转换为直流电，保证正常的相电压信号高于对地电压，然后由第二保护电路90将直流电钳位在0至供电电源的+VCC端子输出电压之间，而供电电源的+VCC端子输出电压值取控制电路的ADC模块50的供电电压，因而，经过本实施例三相电网电压同步检测电路处理后的相电压可以直接输出到太阳能、风能、变频器电能回馈及四象限变频器的控制电路的ADC模块50，而不必再经过运放调理，减少系统电路的复杂度与成本，而且具备完善的保护措施，极大地减少电网的异常电压干扰对控制电路的干扰和损坏电子元器件。

下面通过公式推理可以得知，由第一电阻与第二电阻组成的电压转换电路40的处理后的电压为直流电压。

以A相支路为例说明。经过电压调理电路30输出的电压为Vi，供电电源+VCC端子输出的电压为Vcc，第一电阻R11与第二电阻R12相等。

A相电网电压同步检测电路处理后的输出电压为Va为：

$\mathrm{Va}=\mathrm{Vi}\frac{R_{12}}{R_{11}+R_{12}}+V_{\mathrm{cc}}\frac{R_{11}}{R_{11}+R_{12}}$

由于R₁₁＝R₁₂，所以由于电压值V_a是输入控制电路的ADC接口的电压，V_cc取控制电路的ADC接口的最大输入电压，有：0≤V_a≤V_cc

因此：-V_cc≤V_i≤V_cc

得出，只要保证电压调理电路30输出的电压为Vi取值为-V_cc≤V_i≤V_cc的范围，就可以把电压调理电路30输出的交流电压变成直流电压，由此，B相和C相与A相推理同理，此处不再详述。

综上所述，本发明电路结构简单，成本低，具有较好的抗干扰性。

以上对本发明进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的结构原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种三相电网电压同步检测电路，其特征在于，包括有：

一三相电网电压接口，其用于连接三相电网电压；

三分压电路，其分别连接于所述三相电网电压接口的输出侧，用于对其对应的相电压进行分压；

三电压调理电路，其分别与所述分压电路连接，用于对经过所述分压电路分压的电网电压进行放大或缩小，并对该电网电压的纹波干扰进行滤波；

三电压转换电路，其分别连接于所述电压调理电路的输出侧，用于将所述电压调理电路输出的交流电转换为直流电；

所述三电压转换电路的输出侧分别与一ADC模块的三个ADC接口连接，以将其输出的直流电进行模数转换后实现三相电网电压锁相控制。

2.如权利要求1所述的三相电网电压同步检测电路，其特征在于，所述三相电网电压接口与每一所述分压电路之间设有一第一滤波电路，所述第一滤波电路用于滤除该相电网电压中的高次谐波。

3.如权利要求1或2所述的三相电网电压同步检测电路，其特征在于，每一相的所述分压电路与所述电压调理电路之间设有一第一保护电路，所述第一保护电路用于电网电压分压后对电网中的脉冲干扰和电网电压异常过压进行电压钳位。

4.如权利要求3所述的三相电网电压同步检测电路，其特征在于，每一相的所述电压调理电路与所述电压转换电路之间设有一第二滤波电路，所述第二滤波电路用于对经过所述电压调理电路调理后的交流电进行高次谐波滤波。

5.如权利要求4所述的三相电网电压同步检测电路，其特征在于，每一相的所述电压转换电路与ADC模块之间设有一第二保护电路，所述第二保护电路用于对经过所述电压转换电路转换后的直流电进行电压钳位，以保护ADC模块。

6.如权利要求5所述的三相电网电压同步检测电路，其特征在于，每一相的所述分压电路包括多个分压电阻，所述分压电阻串联后一自由端与所述三相电网电压接口的输出侧连接，其另一自由端与地连接，其分压输出端与所述第一保护电路连接。

7.如权利要求6所述的三相电网电压同步检测电路，其特征在于，所述电压调理电路为一运算放大器，其同相输入端通过一输入电阻与所述第一保护电路连接，其反相输入端通过一平衡电阻与地连接，其输出端通过一输出电阻与所述第二滤波电路连接，所述输出电阻与所述第二滤波电路的连接端通过并联的一反馈电阻与一反馈电容而与所述运算放大器的反相输入端连接，所述运算放大器的电源端分别连接于供电电源的+VDD端子及-VDD端子，其中，+VDD端子及-VDD端子输出电压等于运算放大器的工作电压。

8.如权利要求7所述的三相电网电压同步检测电路，其特征在于，所述电压转换电路包括第一电阻与第二电阻，所述第一电阻与所述第二电阻串联连接，所述第一电阻的自由端与所述电压调理电路连接，所述第二电阻的自由端与供电电源的+VCC端子连接，所述第一电阻与所述第二电阻的连接端与所述第二保护电路连接，其中，供电电源的+VCC端子输出电压等于ADC模块的供电电压。

9.如权利要求8所述的三相电网电压同步检测电路，其特征在于，所述第二滤波电路包括第三滤波电容及第四滤波电容，所述第三滤波电容与所述第四滤波电容分别连接于所述第一电阻的两端，所述第三滤波电容与所述第四滤波电容的另一端分别与地连接，形成“π”形滤波电路。

10.如权利要求9所述的三相电网电压同步检测电路，其特征在于，所述第一保护电路包括第一快恢复二极管与第二快恢复二极管，所述第一快恢复二极管的阴极与供电电源的+VDD端子连接，其阳极与所述第二快恢复二极管的阴极连接，所述第二快恢复二极管的阳极与供电电源的-VDD端子连接，所述第一快恢复二极管的阳极分别与所述分压电路及所述电压调理电路连接；所述第二保护电路包括第三快恢复二极管与第四快恢复二极管，所述第三快恢复二极管的阴极与供电电源的+VCC端子连接，其阳极与所述第四快恢复二极管的阴极连接，所述第四快恢复二极管的阳极与地连接，所述第三快恢复二极管的阳极分别与所述电压转换电路及ADC模块连接。