晶闸管变流设备电源精确过零检测技术∗
姚正武
so.csdn/api/v3/search?p=1&t=all&q=【摘 要】研究低压交变电压过零脉冲的生成电路在于克服相关专利技术因采用降压变压器、整流或光耦器件、较复杂电子电路等,而使得电路在过零检测的精确性等方面存在的不足。通过分析设计交变电压过零检测环节、微分环节、脉冲整形和输出环节等,采用自建电路并检测各环节波形,可知电路过零脉冲误差低于0.5μs,功耗低于9.4 mW。故与现有技术相比电路具有诸多优点,可应用于晶闸管变流设备的定相和触发控制、交流电源的检测等方面。%It aims to conquer the shortcomings in zero detection accuracy of some related patents etc. to study the low-voltage alternating voltage zero crossing pulse generation circuit because these related patents adopted some step-down transformers,rectifier devices or optical couplers as well as some of more complex circuits. It can be known that the circuit can make the error of zero crossing pulse less than 0.5 μ s,circuit power consumption less than 9.4 mW by some ways to analysis and design the zero crossing detection circuit,differential circuit,shaping and output pulse circuit,to make the circuit and detect each part wave. So,th e circuit has more advantages than some circuits of the existing patents and can be widely used in thyristor phase-shifting or zero crossing triggering and the phasing technology,AC power detection etc.
【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2014(000)006
【总页数】胶衣树脂5页(P1256-1260)
【关键词】电工;过零脉冲生成;脉冲波形测量;限幅;过零检测;微分环节;同步
【作 者】姚正武
【作者单位】江苏联合职业技术学院南京工程分院，南京211135
【正文语种】中 文
【中图分类】TM935.4;TM131;TN707;TN710
当前有关低压交流电源过零检测的专利技术中,电路因采用了降压变压器、整流器件、光耦器件或较复杂电路等,使得过零检测的准确性和在工程实际应用价值方面存在着较多的不足。本文将通过创新设计和实验论证一种低压交变电压过零脉冲的生成电路来解决存在的问题,并进一步推广分析在晶闸管变流设备等方面的应用意义。
精确的低压交变电压过零脉冲生成电路系统工作原理如图1(a)所示。输入的低压交变电压ui经交变电压过零检测环节在输出端A点生成随ui交变变化的方波信号[1],方波的周期与ui周期相同。该方波信号输入微分环节,在输出端B点生成前沿很陡、后沿有一定宽度的正负尖脉冲信号[2],该信号周期与输入的方波信号同。B点的正负尖脉冲信号经脉冲整形和输出环节滤掉负尖脉冲,并把正尖脉冲整形成有一定宽度的与TTL电平相适应的负脉冲信号输出。
该电路系统由交变电压过零检测环节、微分环节、脉冲整形和输出环节等组成。交变电压过零检测环节由电阻R01、R02、二极管D01、D02、运放A1、电阻R03、电源+vcc组成。微分环节主要由C01、R04、运放A2等组成。脉冲整形和输出环节主要由三极管V1、电阻R05、R06等组成。系统组成电路原理图如图1(b)所示。
1.1 交变电压过零检测环节设计原理
运放A1采用电压比较器,当交变电压ui处于正方向时,若ui值大于等于二极管D01的导通电压VON时,D01导通,在运放A1同相和反相输入端之间由于二极管D01的限幅作用而被钳位为VON,保护了运放A1的输入端,在A点运放A1输出高电平(若运放A1采用单电源+vcc,则该高电平值与电源+vcc接近);若ui值小于二极管D01的导通电压VON但大于运放输入端的失调电压Δui时,D01正向阻断,在运放A1同相和反相输入端之间电压等于ui值,在A点A1仍然输出高电平;当ui值小于失调电压Δui时,由于ui值很小,与交变电压ui由正及负的理论零点非常接近,故认为此时过零,A点出现高电平向低电平的跳变[3]。
当交变电压ui处于负方向时,同理由于二极管D02的限幅作用,而使得运放输入端电压被钳位为-VON以下,在A点运放A1输出低电平(若运放A1采用单电源+vcc,接地端接地,则该低电平值接近于零)。
电阻R03作为电压比较器输出的上拉电阻,一般可取10 kΩ以下。电阻R01与R02取值相等,其值由ui最大值和二极管D01(或D02,两者相同)正向导通电流和泄漏电流确定。二极管D01或D02的耐压值,则根据交变电压ui幅值来选用。由于受到电子二极管和运放A1绝缘耐压水平的影响,本电路一般适用于1 kV以下的低压交变电压过零检测。若交变电压ui是周期性对称交流电压,A点的波形则如图2(a)所示,图中T1是高电平宽度。
该环节在应用中需注意以下8个细节问题:
(1)分压电阻R01与R02取值相等,且不宜过大或过小,其值由ui最大值和二极管D01(或D02,两者相同)正向导通电流和泄漏电流确定。阻值过大会使二极管正向压降过低,二极管导通困难,阻值过低,会使二极管正向导通电流过大,使分压电阻功耗过大和二极管损坏。若按本文试验电路,ui是220 V市电交流电,二极管为IN4007(或IN4148),电阻R01与R02取值270 kΩ。
(2)分压电阻R01与R02分别串接在交变电压ui两端,且不应采用阻容电路取代,以免过零点后移,导致过零检测准确度下降,与交变电压ui不同步。
(3)两个二极管D01、D02选型相同,且按一个损坏,另一个额定电压要能承受电路最大反向峰值电压的2倍～3倍选择。按本文试验电路,二极管选型为IN4007(额定电压为1 000 V,额定正向工作电流为1 A)。
(4)运放A1作为电压比较器,应选用输入端失调电压比较小的运放,以免对交变电压ui过零点检测的精确度下降。若按本文试验电路,A1选用LM393,其输入端失调电压为2 mV。
(5)运放A1的同相或反相输入端必须接地,与本系统电路采取共地连接,以免输出端A点不能产
热敏打印头生与交变电压ui同步的标准方波波形。
(6)运放A1的输出端A点必须接上拉电阻R03,一般可取10 kΩ以下。
(7)运放A1工作电源与输出端电源+vcc相同,取+5 V,且为稳压电源,以下各环节同。
(8)受系统电路板和元器件绝缘强度以及电子二极管承压能力所限,交变电压ui幅值不能过高,本电路一般适用于1 kV以下的低压交变电压过零检测。
1.2 微分环节设计原理氨气生成一氧化氮
运放A2反相和同相输入端因“虚短”而接地,因“虚断”可视作电流为零而开路[4],这样微分电路与V1基极电阻R05、基极和发射极PN结内阻rbe构成C01充放电回路,其等效电路如图2(b)所示,图中理想二极管VD代表V1基极和发射极之间PN结导通方向,内阻rbe值由所选三极管V1定。图2(b)中所示,当uA从低电平跳转到高电平时,C01充电,就构成了一阶零状态响应电路,此时C01两端电压uC将近似按式(1)e指数规律变化,B点电压uB也将近似按式(2)e指数规律变化[5]。式中τ为时间常数,其表达式如式(3)所示,只要合理选择C01、R04、R05等参数值,使τ≪T1,一般T1可选10τ以上,则可生成如图2(c)所示的尖脉冲[6]。
τ=(R04+R05+rbe)C01
该环节在工程应用中需注意以下3个细节问题:
(1)合理选择C01、R04、R05等参数值,使时间常数τ≪T1,一般T1可选10τ以上。按本文试验电路,交变电压ui为市电,C01选用E222M(2 200 pF),R04、R05分别取值15 kΩ、30 kΩ,三极管S9013基极和发射极PN结内阻rbe(一般为几百欧到几千欧)取5 kΩ,则τ=110 μs≪T1=10 000 μs(10 ms)。
(2)选用C01、R04、R05等器件时,参数值不宜过大或过小。过大则使τ≤T1的条件不满足,微分电路生成不了与图2(c)所示的尖脉冲,过小则使尖脉冲后沿的宽度太小,使下一环节生成的负脉冲不利于检测和应用。
(3)运放A2的同相输入端必须接地,工作电源取+5 V。
1.3 脉冲整形和输出环节设计原理
B点所形成的尖脉冲如果达到三极管V1基极和发射极之间的导通电压,则V1导通,从C点输出
低电平,此值接近V1饱和导通压降,一般为0.3 V,根据图2(b)所示正尖脉冲前沿极陡,后沿有一定宽度的情况,三极管V1输出应该迅速由高电平跳变到低电平,产生一个很陡的下降沿,然后保持低电平,直到正尖脉冲后沿下降到低于V1基极和发射极之间的导通电压,三极管V1截止,输出重新恢复到高电平,输出脉冲如图3所示。因V1基极和发射极之间正向阻断过程中正向漏电流下降到零存在一个过程,如图4所示虚线向左部分[7],故V1集电极输出uo在由低电平重新恢复到高电平的上升沿不再很陡,存在一个过程,如图3所示脉冲的上升沿。
零时刻
在B点的负尖脉冲反映的是交变电压ui由正向转往负向变化的过零时刻,由于NPN型三极管的输入性质,故被三极管V1“过滤”掉了。若要生成ui由正向转往负向变化的过零脉冲,则只要在ui输入端再增加一块如图1所示的电路,只不过运放A1的同相和反相输入端互换位置即可,此电路输出的如图3所示的低电平脉冲便是ui由正及负的过零脉冲。
若vcc电源是+5 V,则C点uo输出的低电平脉冲便与TTL电平匹配,则C点可直接接单片机中断输入口或数字电路等,以便检测ui正负交替变化的零点[8]。
该环节在工程应用中需注意以下3个细节问题:
(1)三极管S9013的基极电阻R05在与微分环节相配合情况下,不宜选择过大,以免三极管基极电流过小而不能导通。
(2)三极管S9013集电极电源电压+vcc取+5 V,以确保输出的负脉冲能与TTL电平相适应,方便直接接单片机I/O口或数字逻辑电路。
(3)三极管选用时,要注意选用的三极管集电极电流足够大,具有一定的负载能力,以满足后续单片机I/O口或数字逻辑电路的驱动要求。若不满足要求时,可选择两个三极管复合使用。
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