CN107807273A - 一种过零点检测电路 - Google Patents

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韩璐
闫红华
郭光吉
曹建梅
蒋同军
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STATE GRID SHANDONG ELECTRIC POWER COMPANY, SHOUGUANG POWER SUPPLY Co.
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    • G01R19/175—Indicating the instants of passage of current or voltage through a given value, e.g. passage through zero

Abstract

本发明公开了一种过零点检测电路，用于电网电压的过零点检测，所述过零点检测电路包括：电量变换单元、保护单元、滤波单元、方波生成单元及波形整形单元，其中：电量变换单元将外部电压信号Uin变换为低电压信号；保护单元滤除低电压信号中的电磁干扰，得到信号UA；滤波单元滤除信号UA中的谐波含量得到信号UA1；方波生成单元基于信号UA1生成以过零点为基准的方波信号UA2；波形整形单元对于方波信号UA2进行波形整形，得到过零点方波信号，即输出信号Uo。本发明检测电路简单，集成化程度高，占板面积小，可靠性高、抗干扰能力强、应用范围广。

Description

一种过零点检测电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种过零点检测电路。
背景技术
随着社会的发展，电能已在各个行业普遍采用。但随之而来的是，一些非线性电力设备如电弧炉、电力机车、电焊机等的应用对电网造成了无功冲击和谐波污染。为此，通常需要通过电能质量治理设备如有源电力滤波器(APF)、静止无功发生器(SVG)、静止无功补偿器(SVC)对其进行有效的治理，但这些设备都需要准确的过零点检测才能够工作。另外，利用过零点时刻控制电力设备中的开关、继电器、可控硅等工作，可大大减少功耗、发热、开关电弧等现象，延长设备的使用寿命。
为此，相关专业技术人员研究并发明了各种不同的电网电压过零点检测电路，但这些电路大多存在以下缺陷：
1、滤除谐波能力差。在谐波含量高的电网，无法有效滤除谐波，造成电压在一个周期内多次过零，导致电能质量治理设备无法正常工作；
2、抗干扰能力差。外部电路带来的过压、静电、高频干扰等现象，不仅使整形出的过零点方波电路发生畸变，还会导致后续电路器件性能下降、寿命降低甚至永久损坏；
3、电路复杂，成本高。
发明内容
本发明针对现有技术中过零点检测电路的不足，提供了一种新的过零点检测电路。为实现此目的，本发明的技术方案如下：
一种过零点检测电路，所述过零点检测电路包括：电量变换单元、保护单元、滤波单元、方波生成单元及波形整形单元，其中：
所述电量变换单元用于将外部电压信号Uin变换为低电压信号；
所述保护单元与所述电量变换单元连接，用于滤除所述低电压信号中的电磁干扰，得到信号UA；
所述滤波单元与所述保护单元连接，用于滤除信号UA中的谐波含量得到信号UA1；
所述方波生成单元与所述滤波单元连接，用于基于信号UA1生成以过零点为基准的方波信号UA2；
所述波形整形单元与所述方波生成单元连接，用于对于方波信号UA2进行波形整形，得到过零点方波信号，即输出信号Uo。
可选地，所述低电压信号与外部电压信号Uin同相位、同频率。
可选地，所述电量变换单元采用电压输出型高精度电压互感器。
可选地，所述保护单元包括两个串联的磁珠及与磁珠并联的稳压管。
可选地，所述滤波单元包含直接相连的两级滤波电路，每级滤波电路均包含依次连接的低通滤波电路、高通滤波电路和电压跟随电路。
可选地，所述滤波单元包括：一级低通滤波电路、一级高通滤波电路、一级电压跟随电路、二级低通滤波电路、二级高通滤波电路和二级电压跟随电路，其中：
所述一级低通滤波电路包括第一电阻R1和第一电容C1，所述第一电阻R1的第一端口接入信号UA，第二端口与第一电容C1的第一端口连接，第一电容C1的第二端口接地；
所述一级高通滤波电路包括第二电阻R2和第二电容C2，所述第二电容C2的第一端口与第一电阻R1的第二端口、第一电容C1的第一端口连接，第二端口与第二电阻R2的第一端口连接，第二电阻R2的第二端口接地；
所述一级电压跟随电路包括第一芯片U1，所述第一芯片U1的第三端口与第二电容C2的第二端口、第二电阻R2的第一端口连接，接入输入信号，第一端口与第二端口连接并生成输出信号UA′，第八端口和第四端口分别接正、负电源；
所述二级低通滤波电路包括第三电阻R3和第三电容C3，所述第三电阻R3的第一端口接入信号UA′，第二端口与第三电容C3的第一端口连接，第一电容C3的第二端口接地；
所述二级高通滤波电路包括第四电阻R4和第四电容C4，所述第四电容C4的第一端口与第三电阻R3的第二端口、第三电容C3的第一端口连接，第二端口与第四电阻R4的第一端口连接，第四电阻R4的第二端口接地；
所述二级电压跟随电路包括第二芯片U2，所述第二芯片U2的第三端口与第四电容C4的第二端口、第四电阻R4的第一端口连接，第一端口和第二端口连接并生成输出信号UA1，第八端口和第四端口分别接正、负电源。
可选地，所述方波生成单元利用轨到轨输出的、单极性电源供电的高速运放生成以过零点为基准的方波信号。
可选地，所述方波生成单元包括第三芯片U3，所述第三芯片U3的第三端口接入输入信号UA1，第二端口接地，第一端口输出所生成的信号UA2。
可选地，所述波形整形单元利用非门的滞回比较特性，消除方波信号中的毛刺，通过两级高速非门电路对于方波信号进行波形整形，得到过零点方波信号，即输出信号Uo。
可选地，所述波形整形单元包括第四芯片U4和第五芯片U5，所述第四芯片U4的输入端口接入信号UA2，所述第五芯片U5的输入端口与第四芯片U4的输出端口连接，第五芯片U5的输出端口生成信号Uo。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明电路采用变压器对内外部电路进行电隔离，并通过磁珠、稳压管等器件对外部干扰进行防护，可避免内部电路因遭受外部输入带来的干扰而造成的器件工作异常、性能下降甚至损坏等现象，提高了运行的可靠性；
本发明采用高速运放而非通常应用的电压比较器生成方波，在提供响应速度的同时，可克服电压比较器对毛刺敏感的缺点，进一步提高可靠性；
本发明采用高通滤波、低通滤波相结合的二级滤波模式，在保证信号相位与滤波前相比基本不变的同时，可有效滤除谐波成分，可在谐波含量高的场合应用，拓宽了应用范围；
本发明巧妙利用高速非门电路的滞回比较特性，避免了使用分离器件搭建的该功能电路带来的复杂度，简化了电路设计，减少了占用面积、降低了成本。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的过零点检测电路的总体框图。
图2是根据本发明一实施例的过零点检测电路的总体原理示意图。
图3是根据本发明一实施例的电量变换单元和保护单元的原理示意图。
图4是根据本发明一实施例的滤波单元的原理示意图。
图5是根据本发明一实施例的方波生成单元和波形整形单元的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是根据本发明一实施例的过零点检测电路的总体框图，图2是根据本发明一实施例的过零点检测电路的总体原理示意图，图2中，PT1表示电压输出型高精度电压互感器，如图1和图2所示，所述过零点检测电路包括电量变换单元、保护单元、滤波单元、方波生成单元及波形整形单元，其中：
所述电量变换单元用于将外部电压信号Uin变换为低电压信号，所述低电压信号与外部电压信号Uin同相位、同频率，是电子元器件可承受的电压信号；
所述保护单元与所述电量变换单元连接，用于滤除所述低电压信号中的电磁干扰，得到信号UA；
所述滤波单元与所述保护单元连接，用于滤除信号UA中的谐波含量得到信号UA1，避免高含量的谐波造成电网电压多次过零的现象；
所述方波生成单元与所述滤波单元连接，用于基于信号UA1生成以过零点为基准的方波信号UA2；
所述波形整形单元与所述方波生成单元连接，用于对于方波信号UA2进行波形整形，滤除方波信号中的毛刺，得到过零点方波信号，即输出信号Uo。
图3是根据本发明一实施例的电量变换单元和保护单元的原理示意图，如图3所示，在本发明一实施例中，所述电量变换单元采用电压输出型高精度电压互感器，将外部电压信号Uin变换为电子元器件可承受的低电压信号。
在本发明一实施例中，所述保护单元包括两个串联的磁珠L1、L2及与磁珠并联的稳压管Z1。其中，磁珠可以为铁氧体磁珠。通过在信号线上串联铁氧体磁珠的方式可以滤除电压信号中的电磁干扰，并通过在信号线上并联稳压管的方式，可以防止产生信号过压，对后续电路进行过电流和过电压保护。
在本发明一实施例中，所述滤波单元包含直接相连的两级滤波电路，且每级滤波电路均包含依次连接的低通滤波电路、高通滤波电路和电压跟随电路。
图4是根据本发明一实施例的滤波单元的原理示意图，如图4所示，所述滤波单元包括：一级低通滤波电路、一级高通滤波电路、一级电压跟随电路、二级低通滤波电路、二级高通滤波电路和二级电压跟随电路，其中：
所述一级低通滤波电路包括第一电阻R1和第一电容C1，所述第一电阻R1的第一端口接入信号UA，第二端口与第一电容C1的第一端口连接，第一电容C1的第二端口接地；
所述一级高通滤波电路包括第二电阻R2和第二电容C2，所述第二电容C2的第一端口与第一电阻R1的第二端口、第一电容C1的第一端口连接，第二端口与第二电阻R2的第一端口连接，第二电阻R2的第二端口接地；
所述一级电压跟随电路包括第一芯片U1，所述第一芯片U1的第三端口(即同相输入端)与第二电容C2的第二端口、第二电阻R2的第一端口连接，接入输入信号，第一端口(即输出端)与第二端口(即反相输入端)连接并生成输出信号UA′，第八端口(即正电源端)和第四端口(即负电源端)分别接正、负电源；
所述二级低通滤波电路包括第三电阻R3和第三电容C3，所述第三电阻R3的第一端口接入信号UA′，第二端口与第三电容C3的第一端口连接，第一电容C3的第二端口接地；
所述二级高通滤波电路包括第四电阻R4和第四电容C4，所述第四电容C4的第一端口与第三电阻R3的第二端口、第三电容C3的第一端口连接，第二端口与第四电阻R4的第一端口连接，第四电阻R4的第二端口接地；
所述二级电压跟随电路包括第二芯片U2，所述第二芯片U2的第三端口(即同相输入端)与第四电容C4的第二端口、第四电阻R4的第一端口连接，第一端口(即输出端)和第二端口(即反相输入端)连接并生成输出信号UA1，第八端口(即正电源端)和第四端口(即负电源端)分别接正、负电源。其中，第一电阻R1、第三电阻R3的阻值可以为2kΩ；第二电阻R2、第四电阻R4的阻值可以为4kΩ，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4的容值可以为1uF；所述正电源可以为+12V，负电源可以为-12V。其中，第一芯片U1、第二芯片U2为运算放大器。
在本发明一实施例中，所述方波生成单元利用轨到轨输出的、单极性电源供电的高速运放，将输入信号与信号地分别连接到运放“+”端(即同相输入端)、“-”端(即反相输入端)进行比较，从而生成以过零点为基准的方波信号。在本发明一实施例中，所述波形整形单元利用非门的滞回比较特性，有效消除方波信号中的毛刺，并通过两级高速非门电路对于方波信号进行波形整形，使最后整形出的信号与原信号相比无相位差别。
图5是根据本发明一实施例的方波生成单元和波形整形单元的原理示意图，如图5所示，所述方波生成单元包括第三芯片U3，所述第三芯片U3的第三端口(即同相输入端)接入输入信号UA1，第二端口(即反相输入端)接地，第一端口(即输出端)输出所生成的信号UA2。
所述波形整形单元包括第四芯片U4和第五芯片U5，所述第四芯片U4的输入端口接入信号UA2，所述第五芯片U5的输入端口与第四芯片U4的输出端口连接，第五芯片U5的输出端口生成信号Uo。
其中，第三芯片U3、第四芯片U4和第五芯片U5为运算放大器。
实施例1：
如图3中所示，电量变换单元采用变比为120V/3.53V、一二次侧角差小于5′的高精度电压互感器。通过所述高精度电压互感器，将输入电压信号UIN处理为同频率的低压信号。该低压信号经过串联的磁珠L1、L2及并联的稳压管Z1，形成信号UA。电压互感器二次侧非同名端经过磁珠隔离后连接至信号地，这样就以信号地为参考，将输入的双端信号变为单端信号，减少了后续电路处理的复杂度。
如图4中所示，在所述滤波单元中，信号UA经第一电阻R1、第一电容C1组成的一级低通滤波电路和第二电容C2、第二电阻R2组成的一级高通滤波电路后通过由运放组成的一级电压跟随电路后输出信号UA′，信号UA′再经第三电阻R3、第三电容C3组成的下一级低通滤波电路和第四电阻R4、第四电容C4组成的下一级高通滤波电路后通过下一级电压跟随电路输出信号UA1。所述滤波单元中的两级电压跟随电路完全相同，使用±12V双极性电源为运放U1、U2供电，运放U1、U2的输入范围至少应为-5V～+5V；第一电阻R1、第一电容C1与第三电阻R3、第三电容C3组成的两级低通滤波电路完全相同，在该实施例中，第一电阻R1为2kΩ，第一电容C1为1uF，则低通滤波电路的截止频率为fL＝80Hz；第二电阻R2、第二电容C2与第四电阻R4、第四电容C4组成的两级高通滤波电路完全相同，第二电阻R2为4kΩ，第二电容C2为1uF，则高通滤波电路的截止频率为fH＝40Hz。经过两级滤波电路后，可保证输出信号UA1与输入信号UA基本无相位差异，且5次谐波衰减为原来的9％，有效滤除了谐波含量。
如图4所示，滤波输出之后的信号UA1输入到运放U3的“+”同相输入端，运放的“-”反相输入端接信号地。运放U3采用高速轨到轨的运放OPA2374，使用单极性5V电源为运放U3供电。利用运放的特性，在UA1>0时，输出信号为“1”(5V电平)，在UA1<0时，输出信号为“0”(0V电平)，这样就实现了过零点的检测，从而输出方波信号UA2。然后再利用非门电路的滞回比较特性，对UA2的方波信号进行整形，滤除含有的毛刺，输出洁净的方波信号UO，为保证输出信号UO与输入信号UIN相位同步，采用两级非门电路，且非门芯片U4、U5采用高速非门芯片SN74AHC14。
本发明电路采用变压器对内外部电路进行电隔离，并通过磁珠、稳压管等器件对外部干扰进行防护，可避免内部电路因遭受外部输入带来的干扰而造成的器件工作异常、性能下降甚至损坏等现象，提高了运行的可靠性；本发明采用高速运放而非通常应用的电压比较器生成方波，在提供响应速度的同时，可克服电压比较器对毛刺敏感的缺点，进一步提高可靠性；本发明采用高通滤波、低通滤波相结合的二级滤波模式，在保证信号相位与滤波前相比基本不变的同时，可有效滤除谐波成分，可在谐波含量高的场合应用，拓宽了应用范围；本发明巧妙利用高速非门电路的滞回比较特性，避免了使用分离器件搭建的该功能电路带来的复杂度，简化了电路设计，减少了占用面积、降低了成本。
综上，本发明检测电路简单，集成化程度高，占板面积小，可靠性高、抗干扰能力强、应用范围广。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种过零点检测电路，其特征在于，所述过零点检测电路包括：电量变换单元、保护单元、滤波单元、方波生成单元及波形整形单元，其中：
所述电量变换单元用于将外部电压信号Uin变换为低电压信号；
所述保护单元与所述电量变换单元连接，用于滤除所述低电压信号中的电磁干扰，得到信号UA；
所述滤波单元与所述保护单元连接，用于滤除信号UA中的谐波含量得到信号UA1；
所述方波生成单元与所述滤波单元连接，用于基于信号UA1生成以过零点为基准的方波信号UA2；
所述波形整形单元与所述方波生成单元连接，用于对于方波信号UA2进行波形整形，得到过零点方波信号，即输出信号Uo。
2.根据权利要求1所述的过零点检测电路，其特征在于，所述低电压信号与外部电压信号Uin同相位、同频率。
3.根据权利要求1所述的过零点检测电路，其特征在于，所述电量变换单元采用电压输出型高精度电压互感器。
4.根据权利要求1所述的过零点检测电路，其特征在于，所述保护单元包括两个串联的磁珠及与磁珠并联的稳压管。
5.根据权利要求1所述的过零点检测电路，其特征在于，所述滤波单元包含直接相连的两级滤波电路，每级滤波电路均包含依次连接的低通滤波电路、高通滤波电路和电压跟随电路。
6.根据权利要求5所述的过零点检测电路，其特征在于，所述滤波单元包括：一级低通滤波电路、一级高通滤波电路、一级电压跟随电路、二级低通滤波电路、二级高通滤波电路和二级电压跟随电路，其中：
所述一级低通滤波电路包括第一电阻R1和第一电容C1，所述第一电阻R1的第一端口接入信号UA，第二端口与第一电容C1的第一端口连接，第一电容C1的第二端口接地；
所述一级高通滤波电路包括第二电阻R2和第二电容C2，所述第二电容C2的第一端口与第一电阻R1的第二端口、第一电容C1的第一端口连接，第二端口与第二电阻R2的第一端口连接，第二电阻R2的第二端口接地；
所述一级电压跟随电路包括第一芯片U1，所述第一芯片U1的第三端口与第二电容C2的第二端口、第二电阻R2的第一端口连接，接入输入信号，第一端口与第二端口连接并生成输出信号UA′，第八端口和第四端口分别接正、负电源；
所述二级低通滤波电路包括第三电阻R3和第三电容C3，所述第三电阻R3的第一端口接入信号UA′，第二端口与第三电容C3的第一端口连接，第一电容C3的第二端口接地；
所述二级高通滤波电路包括第四电阻R4和第四电容C4，所述第四电容C4的第一端口与第三电阻R3的第二端口、第三电容C3的第一端口连接，第二端口与第四电阻R4的第一端口连接，第四电阻R4的第二端口接地；
所述二级电压跟随电路包括第二芯片U2，所述第二芯片U2的第三端口与第四电容C4的第二端口、第四电阻R4的第一端口连接，第一端口和第二端口连接并生成输出信号UA1，第八端口和第四端口分别接正、负电源。
7.根据权利要求1所述的过零点检测电路，其特征在于，所述方波生成单元利用轨到轨输出的、单极性电源供电的高速运放生成以过零点为基准的方波信号。
8.根据权利要求7所述的过零点检测电路，其特征在于，所述方波生成单元包括第三芯片U3，所述第三芯片U3的第三端口接入输入信号UA1，第二端口接地，第一端口输出所生成的信号UA2。
9.根据权利要求1所述的过零点检测电路，其特征在于，所述波形整形单元利用非门的滞回比较特性，消除方波信号中的毛刺，通过两级高速非门电路对于方波信号进行波形整形，得到过零点方波信号，即输出信号Uo。
10.根据权利要求9所述的过零点检测电路，其特征在于，所述波形整形单元包括第四芯片U4和第五芯片U5，所述第四芯片U4的输入端口接入信号UA2，所述第五芯片U5的输入端口与第四芯片U4的输出端口连接，第五芯片U5的输出端口生成信号Uo。
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