CN113740595A - 一种基于互感器单相交流电压检测保护电路 - Google Patents

一种基于互感器单相交流电压检测保护电路 Download PDF

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Abstract

一种基于互感器单相交流电压检测保护电路，包括微控制器、基准电压电路、限流电路、电流电压转换电路、滤波电路、电压放大电路、波形变换电路；微控制器对经限流电路限流、并经电流电压转换电路转换、然后经滤波电路滤波、再经电压放大电路放大后的单相交流电压进行采集并抽样得到单相交流电压的抽样数据，计算实时单相交流电压，以与预设过压值、欠压值比较，高于过压值或低于欠压值时，控制外部继电器驱动电路关断电源；波形变换电路转换方波输出，微控制器采集方波以检测实时频率和过零点，检测到过零点时控制外部继电器驱动电路关断电源。实时、高精度、宽范围的检测单相交流电压有效值，并以有效值为依据对保护电路进行控制。

Description

一种基于互感器单相交流电压检测保护电路
技术领域
本发明涉及控制电路技术领域，尤其涉及一种基于互感器单相交流电压检测保护电路。
背景技术
目前随着城市化建设加快，路灯智慧控制应用越来越广。目前路灯单灯控制器常用的单相交流电压检测方案主要有两大类：一种是基于单相电压互感器及二极管桥式整流滤波电路的方案，将单相交流电压变换成近似的直流电压信号输出；另一种是基于霍尔电压传感器的方案。
但目前这两个方案分别存在如下问题：
一是基于单相电压互感器及二极管桥式整流滤波电路的方案，尽管简单可靠，但由于二极管桥式整流电路有压降损失，不仅存在检测的非线性而且影响检测精度，也限制了电压检测范围，还存在着较大信号迟性；
二是基于霍尔电压传感器的方案由于价格昂贵而限制了其应用范围。
上述两种方案都没有根据采集的数据做相关保护控制；因此，如何设计一种基于互感器单相交流电压检测保护电路实现高性价比的交流电压有效值检测和保护电路方案，无疑将使路灯智能单灯控制器进一步小型化。
发明内容
本发明主要针对上述相关现有技术的不足与缺陷，提供一种基于互感器单相交流电压检测保护电路，能实时、高精度、宽范围的检测单相交流电压的有效值，并以有效值为依据对保护电路进行控制，适用于各类需要对单相交流电压有效值进行高精度实时监测与控制的应用场合。
为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：
一种基于互感器单相交流电压检测保护电路，包括微控制器、基准电压电路，以及依次连接的限流电路、电流电压转换电路、滤波电路、电压放大电路、波形变换电路；
基准电压电路连接电压放大电路和波形变换电路，用于为电压放大电路和波形变换电路提供基准电压；
微控制器连接电压放大电路输出端，用于对经限流电路限流、并经电流电压转换电路转换、然后经滤波电路滤波、再经电压放大电路放大后的单相交流电压进行采集并抽样得到单相交流电压的抽样数据，并根据抽样数据计算实时单相交流电压，以与预设过压值、欠压值比较；
微控制器连接至外部继电器驱动电路，用于在实时单相交流电压高于过压值或低于欠压值时，输出驱动电平给外部继电器驱动电路，以使外部继电器驱动电路关断电源；
波形变换电路用于将电压放大电路放大后的单相交流电压转换为方波输出，微控制器连接波形变换电路输出端，用于采集方波以检测单相交流电的实时频率和过零点，并在检测到过零点时输出驱动电平给外部继电器驱动电路，以使外部继电器驱动电路关断电源。
微控制器通过外部串口通信电路连接至监控平台，用于将实时单相交流电压、实时频率、过零点信息，以及实时单相交流电压高于过压值或低于欠压值时的报警信息，通过外部串口通信电路发送至监控平台。
进一步，微控制器包括单片机，单片机的第一采样端口与电压放大电路的输出端口相连，单片机的第二采样端口与波形变换电路输出端口相连单片机的第一输出端口与外部继电器驱动电路的连接点相连，单片机的第一串口与外部串口通信电路的连接点相连。
进一步，限流电路包括电阻R15，电流电压转换电路包括电压互感器PT1、电阻R16，电阻R15一端与外部单相交流电的火线相连，另一端与电压互感器PT1的原边2脚相连，电压互感器PT1的原边1脚与外部输入单相交流电的零线相连，电阻R16连接在电压互感器PT1的副边3脚和4脚之间，电压互感器PT1的副边3脚和4脚连接滤波电路。
进一步，滤波电路包括电容C16、电容C17、电容C18、电阻R17、磁珠FB1、磁珠FB2，电容C16的一端与电源负极地相连，另一端与电压互感器PT1的副边3脚、电阻R17一端、磁珠FB1一端相连，电容C17一端与电源负极地相连，另一端与电压互感器PT1的副边4脚、电容C18一端、磁珠FB2一端相连，电阻R17另一端与电容C18另一端相连，磁珠FB1另一端、磁珠FB2另一端与电压放大电路输入端相连。
进一步，电压放大电路包括电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C21、电容C22、运算放大器U7B，运算放大器U7B的同相输入端5脚与磁珠FB1另一端、基准电压电路的基准电压输出端相连，运算放大器U7B的反相输入端6脚与电阻R20的一端、电阻R21一端相连，电阻R20另一端与磁珠FB2另一端相连，电阻R21另一端与运算放大器U7B输出端7脚、电阻R22一端相连，电容C21并联于电阻R21两端，电阻R22另一端与电容C22一端、微处理器相连，运算放大器U7B的11脚、电容C22另一端均与电源负极地相连，运算放大器U7B的4脚与电源+3.3V相连。
进一步，波形变换电路包括电阻R23、电容C23、运算放大器U7C，电阻R23一端与电压放大电路输出端相连，电阻R23另一端与运算放大器U7C同相输入端10脚相连，运算放大器U7C反相输入端9脚与基准电压电路的基准电压输出端相连，运算放大器U7C输出端8脚与电容C23一端、微处理器相连，电容C23另一端与电源负极地相连。
进一步，基准电压电路包括电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C13、电容C14、电容C15和串联集成稳压芯片U6，电阻R12一端和电容C15一端、+3.3V电源相连接，电容C15另一端接地，电阻R12另一端与串联集成稳压芯片U6的阴极、电阻R13一端、电容C13一端、电容C14一端相连，并作为基准电压输出端与波形变换电路的负极输入端、电压放大电路的正极输入端相连，电容C13另一端、电容C14另一端接地，电阻R13另一端与串联集成稳压芯片U6的控制极、电阻R14一端相连接，电阻R14另一端与串联集成稳压芯片U6的阳极、电源负极地相连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
以由微处理器、限流电路、电流电压转换电路、滤波电路、电压放大电路、波形变换电路、基准电压电路构成的检测电路方案，能完全地满足基于单相电压互感器的单相交流电压有效值的高精度、宽范围的实时检测要求，并以有效值为依据对保护电路进行控制和报警信息的上传，实现路灯保护的智能化，且该电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于产品化。
附图说明
图1为本申请实施例的结构框图。
图2为本申请实施例的电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本申请实施例提供一种基于互感器单相交流电压检测保护电路，应用于路灯控制，如图1所示，包括微控制器、基准电压电路、限流电路、电流电压转换电路、滤波电路、电压放大电路、波形变换电路。
限流电路、电流电压转换电路、滤波电路、电压放大电路、波形变换电路依次连接。基准电压电路连接电压放大电路和波形变换电路。微控制器连接电压放大电路和波形变换电路，还连接外部继电器驱动电路，还通过外部串口通信电路连接至上位机/监控平台。
基准电压电路用于为电压放大电路和波形变换电路提供基准电压。
微控制器连接电压放大电路输出端，用于对经限流电路限流、并经电流电压转换电路转换、然后经滤波电路滤波、再经电压放大电路放大后的单相交流电压进行采集并抽样得到单相交流电压的抽样数据，并根据抽样数据计算实时单相交流电压，以与预设过压值、欠压值比较。微控制器连接至外部继电器驱动电路，用于在实时单相交流电压高于过压值或低于欠压值时，输出驱动电平给外部继电器驱动电路，以使外部继电器驱动电路关断电源。
波形变换电路用于将电压放大电路放大后的单相交流电压转换为方波输出，微控制器连接波形变换电路输出端，用于采集方波以检测单相交流电的实时频率和过零点，并在检测到过零点时输出驱动电平给外部继电器驱动电路，以使外部继电器驱动电路关断电源。
微控制器通过外部串口通信电路连接至监控平台，用于将实时单相交流电压、实时频率、过零点信息，以及实时单相交流电压高于过压值或低于欠压值时的报警信息，通过外部串口通信电路发送至监控平台，实现数据远程监控和路灯的智慧化管理。
如图2所示，为本申请实施例的一种具体电路结构。
微控制器包括单片机，即图2中的MCU芯片U1，工作频率在4MHz~64MHz之间。利用第一采样端口PB0与电压放大电路的输出端口相连，利用第二采样端口PA10与波形变换电路输出端口相连，利用第一输出端口PD1与外部继电器驱动电路的连接点相连，利用第一串口（PB6、PB7）与外部串口通信电路的连接点相连。
限流电路包括电阻R15，电流电压转换电路包括电压互感器PT1、电阻R16。其中，电阻R15的左端与外部单相交流电的火线相连，右端与电压互感器PT1的原边2脚相连，电压互感器PT1的原边1脚与外部输入单相交流电的零线相连。电阻R16的上端与电压互感器PT1的副边3脚相连，下端与电压互感器PT1的副边4脚相连。
滤波电路包括电容C16、电容C17、电容C18、电阻R17、磁珠FB1、磁珠FB2。电压放大电路包括电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C21、电容C22、运算放大器U7B。波形变换电路包括电阻R23、电容C23、运算放大器U7C。
其中，电容C16的上端与电源负极地相连，下端与电压互感器PT1的副边3脚、电阻R16上端、电阻R17上端、磁珠FB1左端相连，磁珠FB1右端与运算放大器U7B的同相输入端5脚相连，又与1.65V的基准电压相连接；电容C17的下端与电源负极地相连，上端与电压互感器PT1的副边4脚、电阻R16下端、电容C18下端、磁珠FB2左端相连，磁珠FB2右端与电阻R20的左端相连。电阻R17下端与电容C18上端相连接。
运算放大器U7B的同相输入端5脚与磁珠FB1右端和1.65V基准电压相连；运算放大器U7B的反相输入端6脚与电阻R20的右端、电阻R21左端、电容C21左端相连；电阻R21右端、电容C21右端与运算放大器U7B的输出端7脚、电阻R22左端相连，电阻R21、电容C21为并联，电阻R22右端与电容C22上端、MCU芯片U1的第一采样端口PB0、电阻R23左端相连，运算放大器U7B的11脚与电容C22下端、电源负极地相连，运算放大器U7B的4脚与电源+3.3V相连。
电阻R23左端与电阻R22右端、电容C22上端相连；电阻R23右端与运算放大器U7C同相输出端10脚相连，运算放大器U7C反相输入端9脚与1.65V基准电压相连，运算放大器U7C输出端8脚与电容C23上端、MCU芯片U1的第二采样端口PA10相连，电容C23下端与电源负极地相连。
基准电压电路包括电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C13、电容C14、电容C15和串联集成稳压芯片U6。其中，电阻R12右端和电容C15上端、+3.3V电源相连接，电容C15下端接地，电阻R12左端与稳压芯片U6的阴极、电阻R13上端、电容C13上端、电容C14上端相连，该相连处连接运算放大器U7B的同相输入端5脚、运算放大器U7C反相输入端9脚，用于提供1.65V基准电压，电容C13下端、电容C14下端接地；电阻R13下端与稳压芯片U6的控制极、电阻R14左端相连接；电阻R14右端与稳压芯片U6的阳极连接后又与电源负极地相连接。
基于上述详细电路的工作方式说明：
外部单相交流电压经AC-L和AC-N端口输入经电阻R15限流后送到电压互感器PT1的内部线圈输入端2脚，由内部线圈输出端3脚输出，与单相交流电的AC-N相连形成回路，感应电流经电压互感器PT1的内部线圈输出端3脚、4脚输出，经电流电压转换电阻R16将电流转换成电压后经电容C16、电容C17、电容C18、电阻R17、高频磁珠FB1、磁珠FB2组成的滤波电路滤波后，送入由电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C21、电容C22、运算放大器U7B组成的反相电压放大电路进行放大，其中电阻R20和电阻R21决定运算放大器U7B的电压放大倍数，电容C21为相位补偿电容，电阻R22是端口保护电阻，电容C22是滤波电容。
经运算放大器U7B放后的电压一路送入MCU芯片U1的第一采样端口PB0进行电压有效值计算，当电压有效值超出微处理器预先设置的报警阈值时，即高于过压值或低于欠压值时，将控制第一输出端口PD1输出控制驱动电平给外部继电器电路，关闭路灯电源，从而实现单灯的过欠压保护，同时电压有效值与报警信息将通过MCU芯片U1的第一串口（PB6、PB7）与外部通信模块发送给控制平台，实现数据远程监控和路灯的智慧化管理。
经运算放大器U7B输出的另一路信号送入由电阻R23、运算放大器U7C、电容C23组成的比较器波形变换电路，变换后的波形经电容C23滤波后送入MCU芯片U1的第二采样端口PA10，对单相交流电的实时频率和过零点进行检测，同时过零点将作为MCU芯片U1第一输出端口PD1输出控制驱动电平的条件之一，在交流电的电压过零点切断路灯电源，主要是降低关断时的拉弧现象，从而保护继电器触点和降低供电主线上的电压尖峰。
由电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C13、电容C14、电容C15和串联集成稳压芯片U6组成的基准电压电路，产生一个1.65V的基准电压提供给运算放大器U7B、运算放大器U7C作为基准电压，其中，电容C15为输入端滤波电容，电阻R12为串联限流电阻，电阻R13、电阻R14为输出电压调节反馈电阻，电容C13、电容C14为基准电源滤波电容。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于互感器单相交流电压检测保护电路，其特征在于，包括微控制器、基准电压电路，以及依次连接的限流电路、电流电压转换电路、滤波电路、电压放大电路、波形变换电路；
基准电压电路连接电压放大电路和波形变换电路，用于为电压放大电路和波形变换电路提供基准电压；
微控制器连接电压放大电路输出端，用于对经限流电路限流、并经电流电压转换电路转换、然后经滤波电路滤波、再经电压放大电路放大后的单相交流电压进行采集并抽样得到单相交流电压的抽样数据，并根据抽样数据计算实时单相交流电压，以与预设过压值、欠压值比较；
微控制器连接至外部继电器驱动电路，用于在实时单相交流电压高于过压值或低于欠压值时，输出驱动电平给外部继电器驱动电路，以使外部继电器驱动电路关断电源；
波形变换电路用于将电压放大电路放大后的单相交流电压转换为方波输出，微控制器连接波形变换电路输出端，用于采集方波以检测单相交流电的实时频率和过零点，并在检测到过零点时输出驱动电平给外部继电器驱动电路，以使外部继电器驱动电路关断电源。
2.根据权利要求1所述的基于互感器单相交流电压检测保护电路，其特征在于，微控制器通过外部串口通信电路连接至监控平台，用于将实时单相交流电压、实时频率、过零点信息，以及实时单相交流电压高于过压值或低于欠压值时的报警信息，通过外部串口通信电路发送至监控平台。
3.根据权利要求2所述的基于互感器单相交流电压检测保护电路，其特征在于，微控制器包括单片机，单片机的第一采样端口与电压放大电路的输出端口相连，单片机的第二采样端口与波形变换电路输出端口相连，单片机的第一输出端口与外部继电器驱动电路的连接点相连，单片机的第一串口与外部串口通信电路的连接点相连。
4.根据权利要求1所述的基于互感器单相交流电压检测保护电路，其特征在于，限流电路包括电阻R15，电流电压转换电路包括电压互感器PT1、电阻R16，电阻R15一端与外部单相交流电的火线相连，另一端与电压互感器PT1的原边2脚相连，电压互感器PT1的原边1脚与外部输入单相交流电的零线相连，电阻R16连接在电压互感器PT1的副边3脚和4脚之间，电压互感器PT1的副边3脚和4脚连接滤波电路。
5.根据权利要求4所述的基于互感器单相交流电压检测保护电路，其特征在于，滤波电路包括电容C16、电容C17、电容C18、电阻R17、磁珠FB1、磁珠FB2，电容C16的一端与电源负极地相连，另一端与电压互感器PT1的副边3脚、电阻R17一端、磁珠FB1一端相连，电容C17一端与电源负极地相连，另一端与电压互感器PT1的副边4脚、电容C18一端、磁珠FB2一端相连，电阻R17另一端与电容C18另一端相连，磁珠FB1另一端、磁珠FB2另一端与电压放大电路输入端相连。
6.根据权利要求5所述的基于互感器单相交流电压检测保护电路，其特征在于，电压放大电路包括电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C21、电容C22、运算放大器U7B，运算放大器U7B的同相输入端5脚与磁珠FB1另一端、基准电压电路的基准电压输出端相连，运算放大器U7B的反相输入端6脚与电阻R20的一端、电阻R21一端相连，电阻R20另一端与磁珠FB2另一端相连，电阻R21另一端与运算放大器U7B输出端7脚、电阻R22一端相连，电容C21并联于电阻R21两端，电阻R22另一端与电容C22一端、微处理器相连，运算放大器U7B的11脚、电容C22另一端均与电源负极地相连，运算放大器U7B的4脚与电源+3.3V相连。
7.根据权利要求1所述的基于互感器单相交流电压检测保护电路，其特征在于，波形变换电路包括电阻R23、电容C23、运算放大器U7C，电阻R23一端与电压放大电路输出端相连，电阻R23另一端与运算放大器U7C同相输入端10脚相连，运算放大器U7C反相输入端9脚与基准电压电路的基准电压输出端相连，运算放大器U7C输出端8脚与电容C23一端、微处理器相连，电容C23另一端与电源负极地相连。
8.根据权利要求1所述的基于互感器单相交流电压检测保护电路，其特征在于，基准电压电路包括电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C13、电容C14、电容C15和串联集成稳压芯片U6，电阻R12一端和电容C15一端、+3.3V电源相连接，电容C15另一端接地，电阻R12另一端与串联集成稳压芯片U6的阴极、电阻R13一端、电容C13一端、电容C14一端相连，并作为基准电压输出端与波形变换电路的反相输入端、电压放大电路的同相输入端相连，电容C13另一端、电容C14另一端接地，电阻R13另一端与串联集成稳压芯片U6的控制极、电阻R14一端相连接，电阻R14另一端与串联集成稳压芯片U6的阳极、电源负极地相连接。
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