CN207732442U - 一种用于无功补偿装置投切开关的电压过零检测电路 - Google Patents

一种用于无功补偿装置投切开关的电压过零检测电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供一种用于无功补偿装置投切开关的电压过零检测电路，包括：与投切开关上端相连的第一降压支路，内设第一降压电阻；与投切开关下端相连的第二降压支路，内设第二降压电阻；与所述第一降压支路末端和第二降压支路末端相连的电压信号调理单元，所述电压信号调理单元内设上端电压信号提取电阻和下端电压信号提取电阻，与所述上端电压信号提取电阻和下端电压信号提取电阻相连的运算放大器，与所述运算放大器相连的第一分压电阻和第二分压电阻；与所述电压信号调理单元相连的波形转化输出单元，内设用于波形转化输出的电压比较元件。该电路具有电压过零点检测精度高、功耗低、体积小、适用电压范围宽的优点。

Description

一种用于无功补偿装置投切开关的电压过零检测电路
技术领域
本实用新型涉及电力行业低压成套无功补偿装置技术领域，尤其涉及一种用于无功补偿装置投切开关的电压过零检测电路。
背景技术
电力电容器过零投切技术是目前电力行业低压成套无功补偿装置技术领域所使用的核心技术，要保证过零投切电力电容器就需要实时、准确检测出投切开关两端电压过零的时刻，通过将投切开关两端电压降压、调理并转化成合适的波形以便投切开关的控制部分能快速、稳定获取投切开关两端电压过零点，并控制晶闸管、同步型磁保持继电器等过零投入电力电容器。
目前电力行业无功补偿装置投切开关现有的电压过零检测电路有：
1)光耦反并联电压过零检测电路，通常是将两个型号为PC817的光耦器件反并联连接(将两个光耦的输入端反向并联连接、输出端并联连接)后串联一个大功率的降压电阻，再将该串联电路跨接在投切开关两端，实时检测投切开关两端的电压过零点。该电压过零检测电路有如下缺点：①由于光耦正常工作时输入有1V左右的压降，因此该种电路过零点检测误差大；②给定该种电路的串联降压电阻阻值后，该种电路的适应电压范围也随之被限制在一定的电压范围内，以保证光耦正常工作所需条件(输入电流1mA左右、导通压降1V左右)。比如降压电阻阻值为300kΩ时，该电路只能适应300Vac～460Vac的线电压范围；③降压电阻上消耗的功率大，比如上述300kΩ电阻工作在400Vac线电压下，功率消耗约533mW，应用中，该电阻经常因功耗过大而烧毁。综上所述，光耦反并联电压过零检测电路的过零点检测误差大，适用的电压范围小，降压电阻功耗大、易烧毁。
2)电阻降压采样电压过零检测电路，通常是先利用降压电阻对投切开关两端电压进行降压，再利用单片机的A/D采样模块对降压后信号进行模拟采样、运算、分析，得出投切开关两端的电压过零点。该电路在电压过零检测过程中有如下特点：①谐波、电磁高频噪声等干扰信号会直接通过采样引脚串入单片机内部电路，直接干扰单片机计算过零点的整个过程；②单片机模拟采样过程中存在着量化误差以及非同步误差。因此电阻降压采样电压过零检测电路抗干扰能力差，过零点检测误差大。
由上可知，投切开关电压过零检测电路设计的性能决定了投切开关过零点检测准确性、运行稳定性，因此需要寻求一个能避免上述不足的电压过零检测电路。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种用于无功补偿装置投切开关的电压过零检测电路，改善现有技术过零点检测误差较大、适用范围窄、功耗大等问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于电容器投切开关的电压过零检测电路，包括：
与投切开关上端相连的第一降压支路，内设第一降压电阻；
与投切开关下端相连的第二降压支路，内设第二降压电阻；
与所述第一降压支路末端和第二降压支路末端相连的电压信号调理单元，所述电压信号调理单元内设上端电压信号提取电阻和下端电压信号提取电阻，与所述上端电压信号提取电阻和下端电压信号提取电阻相连的运算放大器，与所述运算放大器相连的第一分压电阻和第二分压电阻；
与所述电压信号调理单元相连的波形转化输出单元，内设用于波形转化输出的电压比较元件；
其中，经过所述电压过零检测电路输出的波形是和投切开关两端电压同频率同相位的方波。
其中，所述第一降压支路和第二降压支路的电路相同，所述第一降压电阻与所述第二降压电阻在同一个电路中为同型号同规格的电阻。
其中，所述第一降压电阻与所述第二降压电阻均采用4个510kΩ、封装1206的电阻串联而成。
其中，所述电压信号调理单元内还设有高频滤波电容。
其中，所述电压比较元件是运算放大器或电压比较器。
其中，所述波形转化输出单元内还设有上拉电阻。
其中，在所述电压过零检测电路中的参考电压值满足以下的关系：
参考电压值＝电源电压值×第二分压电阻的阻值÷(第二分压电阻的阻值+第一分压电阻的阻值)。
其中，在所述电压过零检测电路中的投切开关上端信号电压值、投切开关下端信号电压值满足以下的关系：
1)投切开关上端信号电压值＝投切开关上端电压值×上端电压信号提取电阻的阻值÷(上端电压信号提取电阻的阻值+第一降压电阻的阻值)；
2)投切开关下端信号电压值＝投切开关下端电压值×下端电压信号提取电阻的阻值÷(下端电压信号提取电阻的阻值+第二降压电阻的阻值)。
其中，同一电路中，所述参考电压值和所述投切开关上端信号电压值之和的最大值不大于所述电源电压值，最小值不小于0V；所述参考电压值和所述投切开关下端信号电压值之和的最大值不大于所述电源电压值，最小值不小于0V。
本实用新型实施例的有益效果在于：解决了现有的电压过零检测电路因自身特性限制、抗谐波以及电磁高频噪声干扰能力差等原因，导致电路功耗大、过零点检测不准确，造成无功补偿装置运行不稳定甚至烧毁的问题；具有电压过零点检测精度高、功耗低、体积小、适用电压范围宽的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型一种用于电容器投切开关的电压过零检测电路的一个实施例的电路原理图。
图2是本实用新型一种用于电容器投切开关的电压过零检测电路的一个实施例的波形示意图。
图3是本实用新型一种用于电容器投切开关的电压过零检测电路的应用图。
图4是应用本实用新型一种用于电容器投切开关的电压过零检测电路时系统中单片机发出投入指令的流程图。
图5是本实用新型一种用于电容器投切开关的电压过零检测电路的另一个实施例的电路原理图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本实用新型可以用以实施的特定实施例。
请参照图1所示，本实用新型的实施例提供一种用于电容器投切开关的电压过零检测电路，包括：
与投切开关上端相连的第一降压支路，内设第一降压电阻R01；
与投切开关下端相连的第二降压支路，内设第二降压电阻R02；
与第一降压支路末端和第二降压支路末端相连的电压信号调理单元(如图1中虚线框-单元1所示)，电压信号调理单元内设上端电压信号提取电阻R05和下端电压信号提取电阻R06，与上端电压信号提取电阻R05和下端电压信号提取电阻R06相连的运算放大器U1A，与所述运算放大器U1A相连的第一分压电阻R03和第二分压电阻R04；
与电压信号调理单元相连的波形转化输出单元(如图1中的虚线框-单元2所示)，内设用于波形转化输出的电压比较元件U2A。
需要说明的是，经过该电压过零检测电路输出的波形是和投切开关两端电压同频率同相位的方波。
在后续的实施例中，图1中Uup、Udn表示投切开关上、下端；Dout表示电压比较元件U2A的输出端；VCC为电源输入端；GND为接地端；U1A表示用于投切开关两端电压波形调整的运算放大器；U2A表示用于投切开关两端电压波形转化输出的电压比较元件；R01表示第一降压电阻；R02表示第二降压电阻；R03、R04表示电源电压VCC分压电阻；R05、R06表示投切开关两端电压信号提取电阻；C01表示高频滤波电容。
在后续的实施例中，图2中S1为本实用新型的输出波形，其中E1为上升沿，E2为下降沿，S2为投切开关两端电压差波形，S3和S4分别为投切开关上、下端电压信号调理部分波形。
在后续的实施例中，图3中T1为本实用新型用于无功补偿装置投切开关的电压过零检测电路；T2为投切开关中接在本实用新型末端的单片机系统，单片机系统的捕获引脚可以捕捉输入波形的跳变沿，并在跳变沿时刻启动中断服务程序，并在中断服务程序中发出过零投入指令，I/O引脚为单片机的输入输出引脚；T3为投切开关的驱动模块，其主要功能是为晶闸管或者同步磁保持继电器提供足够的驱动电压和电流，保证二者可以正确、快速响应单片机系统发出的投入指令或者切除指令。
在后续的实施例中，图5中R07表示波形输出部分的上拉电阻；C01、C02、C03、C04、C05为高频滤波电容；其它位置元件均和图1中相同位置元件作用相同。
实施例一：
作为举例，在本实施例中，第一降压支路和第二降压支路的电路完全一致；投切开关上端电压第一降压电阻R01以及投切开关下端电压第二降压电阻R02均采用4个510kΩ、封装1206的电阻串联而成；高频滤波电容C01选用容值0.1uF、0805封装的陶瓷电容；R03、R04选用阻值10kΩ、封装0805的电阻；R05、R06选用阻值为5.1kΩ、封装为0805的电阻；集成电路运算放大器U1A选用德州仪器的LM258，电压比较元件U2A选用德州仪器的运算放大器LM258；本实用新型实施例中电源输入VCC为5Vdc。可以理解地，电压比较元件还可以是集成芯片(如微控制器)中的电压比较模块。
结合图1和图2所示，该用于无功补偿装置投切开关的电压过零检测电路在本实施例中的信号按照以下的流程产生：
在线电压为380Vac的三相三线或三相四线的电力系统中，投切开关上端电压Uup及下端电压Udn分别通过第一电阻R01以及第二电阻R02降压，再分别经过上端电压信号提取电阻R05以及下端电压信号提取电阻R06提取得到电压值在0～1V的小交流电压信号S3、S4，分别和Vref(参考电压)相加后形成瞬时值控制在0～5V之间的交直流混合小信号，通过U2A所示的电压比较元件LM258进行分析比较后转化输出一个和投切开关两端电压同频率同相位的方波S1；而投切开关两端电压的过零点就对应位于S1的上升沿E1或者下降沿E2。在应用中单片机系统可以捕获S1的上升沿E1和/或下降沿E2，并在捕获中断中发出过零投入指令。
如图3所示，本实用新型T1的输入端Uup、Udn分别接入投切开关的两端电压，输出端Dout接入到单片机系统T2的捕获引脚，并将二者的GND相连，电源VCC相连，单片机系统捕获本实用新型输出信号S1的上升沿或者下降沿，在投切开关两端电压为零的时刻点进入捕获中断，并在中断中启动过零投入逻辑，并发出投入指令到驱动模块T3，实现过零投入电力电容器。
单片机系统在投切开关投入电力电容器过程中，需要进入过零投入逻辑，其步骤如图4所示：
步骤S01，单片机系统进行初始化并打开捕获通道；
步骤S02，单片机系统实时捕捉本实用新型的输出方波S1的上升沿和/或下降沿，并同时触发捕获中断；
步骤S03，单片机在中断中只需要根据投入需求发出投入指令，若是此时并无投入需求则返回步骤S02继续进行实时捕捉动作；
步骤S04，若是此时有投入需求，则由单片机系统发出过零投入指令，将投切开关在两端电压过零时刻投入电力电容器。
结合图1，本实用新型在本实施例中的功耗包括：运算放大器U1A的功耗PU1A，电压比较元件U2A的功耗PU2A，电阻器R01、R02上的功耗PRS，电阻器R03、R04的功耗PR3、4，R05、R06上的功耗PR5、6。
本实施例中，U1A选用德州仪器的LM258，查手册可知其电源电流典型值为0.7mA，因为VCC为5Vdc，故：PU1A≈5V×0.7mA＝3.5mW；U2A和U1A的功耗一致：PU2A≈5V×0.7mA＝3.5mW；
在380Vac电源电压条件下，第一、第二降压部分以及两端电压信号调理部分将投切开关两端电压分别降压成0.6V左右并加在R05、R06上，因此
电压比较元件U2A输入电流趋近于0，故降压部分的功耗
电阻器R03、R04上的功耗
可计算得到本实施例的总功耗为：
PU1A＝PU1A+PU2A+PR5、6+PRS+PR3、4≈3.5+3.5+0.32+56+1.2＝64.52mW，相对于传统反并联光耦两端电压采样电路减少了将近460mW(以降压电阻300kΩ、线电压400Vac为例，传统反并联光耦两端电压采样电路功耗为：)。在实际运行中，本实施例的电路运行2个小时后，温升小于2℃。
经验证，本实施例中系统电压谐波总畸变率THDu％小于等于20％，能长期稳定运行。
经验证，本实施例能长期稳定运行的系统线电压范围为100Vac～1000Vac，大于光耦反并联电压过零检测电路可以长期稳定运行的系统线电压范围：300Vac～460Vac。
实施例二：
作为举例，如图5所示，在本实施例中，用于投切开关两端电压波形转化输出的电压比较元件U2A选为电压比较器，型号为德州仪器的LM393；因为LM393的输出为开漏输出方式，故必须在输出端增加输出上拉电阻R07，R07选用阻值为4.7kΩ、封装为0805的贴片电阻；为了进一步滤除系统中的高频噪声，本实例分别增加了高频滤波电容：C01、C02、C03、C04、C05；其中C01、C02，选用容值0.1uF、0805封装的陶瓷电容；C03、C04、C05选用容值1nF、0805封装的陶瓷电容；其它的元器件以及对应的参数和实施例一相同，此处不做赘述，按照同样的方式接入线电压为380Vac的三相三线或三相四线的电力系统中，可以达到与实施例一相同的效果，整个电路的抗干扰力也得到进一步的提高。
通过上述说明可知，本实用新型的有益效果在于：和目前电力无功补偿装置投切开关现有的电压过零检测电路相比，本实用新型解决了现有的电压过零检测电路因自身特性限制、抗谐波以及电磁高频噪声干扰能力差等原因，导致电路功耗大、过零点检测不准确，造成无功补偿装置运行不稳定甚至烧毁的问题；具有电压过零点检测精度高、功耗低、体积小、适用电压范围宽的优点。
以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种用于无功补偿装置投切开关的电压过零检测电路，其特征在于，包括：
与投切开关上端相连的第一降压支路，内设第一降压电阻；
与投切开关下端相连的第二降压支路，内设第二降压电阻；
与所述第一降压支路末端和第二降压支路末端相连的电压信号调理单元，所述电压信号调理单元内设上端电压信号提取电阻和下端电压信号提取电阻，与所述上端电压信号提取电阻和下端电压信号提取电阻相连的运算放大器，与所述运算放大器相连的第一分压电阻和第二分压电阻；
与所述电压信号调理单元相连的波形转化输出单元，内设用于波形转化输出的电压比较元件。
2.根据权利要求1所述的电压过零检测电路，其特征在于，经过所述电压过零检测电路输出的波形是和投切开关两端电压同频率同相位的方波。
3.根据权利要求1所述的电压过零检测电路，其特征在于，所述第一降压支路和第二降压支路的电路相同，所述第一降压电阻与所述第二降压电阻在同一个电路中为同型号同规格的电阻。
4.根据权利要求3所述的电压过零检测电路，其特征在于，所述第一降压电阻与所述第二降压电阻均采用4个510kΩ、封装1206的电阻串联而成。
5.根据权利要求1所述的电压过零检测电路，其特征在于，所述电压信号调理单元内还设有高频滤波电容。
6.根据权利要求1所述的电压过零检测电路，其特征在于，所述电压比较元件是运算放大器或电压比较器。
7.根据权利要求1所述的电压过零检测电路，其特征在于，所述波形转化输出单元内还设有上拉电阻。
8.根据权利要求1所述的电压过零检测电路，其特征在于，在所述电压过零检测电路中的参考电压值满足以下的关系：
参考电压值=电源电压值×第二分压电阻的阻值÷（第二分压电阻的阻值+第一分压电阻的阻值）。
9.根据权利要求8所述的电压过零检测电路，其特征在于，在所述电压过零检测电路中的投切开关上端信号电压值、投切开关下端信号电压值满足以下的关系：
1）投切开关上端信号电压值=投切开关上端电压值×上端电压信号提取电阻的阻值÷（上端电压信号提取电阻的阻值+第一降压电阻的阻值）；
2）投切开关下端信号电压值=投切开关下端电压值×下端电压信号提取电阻的阻值÷（下端电压信号提取电阻的阻值+第二降压电阻的阻值）。
10.根据权利要求9所述的电压过零检测电路，其特征在于，同一电路中，所述参考电压值和所述投切开关上端信号电压值之和的最大值不大于所述电源电压值，最小值不小于0V；所述参考电压值和所述投切开关下端信号电压值之和的最大值不大于所述电源电压值，最小值不小于0V。
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