一種簡便可靠的交流電壓掉電檢測方法

王云鶴

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一種簡便可靠的交流電壓掉電檢測方法

王云鶴

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

針對現有幾種交流電壓掉電檢測方案的不足，本文提出了一種簡便可靠的分段式交流電壓掉電檢測方法。詳細分析了該掉電檢測方法的原理，并進行了軟硬件設計以及實驗驗證，最后還將其應用于一臺UPS設備進行了切換實驗。理論分析與實驗結果表明了該方法的有效性。

掉電檢測 不間斷電源(UPS) 旁路切換

0 引言

信息技術的飛速發展以及計算機應用的日益普及，使得用電設備對供電可靠性的要求越來越高。要保證供電的可靠性，必須保證能夠對交流電壓的幅值進行快速的檢測。

目前，對交流電壓幅值檢測的方法有多種。有基于RC充電電壓來判斷交流電壓掉電情況，即：先對電網電壓進行分壓，再進行濾波，然后再經過RC充電電路；當電網電壓正常時，電容上有一個恒定的電壓值，當電容上的電壓超出或者跌落出該值的一定范圍之后，就認為電網已發生故障。該方法硬件實現簡單，但對RC的充放電時間要求精確，對硬件參數的漂移很敏感，影響了掉電檢測可靠性與快速性。也有基于自動控制理論的方法，即：以市電信號作為給定，以輸出電壓幅值與鎖相后的正弦乘積作為反饋，給定減反饋后的偏差乘上一個加速因子后經過PI調節，便可對其輸出的幅值進行快速判斷。該方法的不足之處是原理相對復雜，同時對參考正弦與市電的鎖相情況密切相關，實際上很難得到理想的效果。本文提出了一種簡便可靠的分段式交流電壓掉電檢測方法，并通過實驗進行了驗證。

1 掉電檢測原理分析

1.1 原理描述

圖1所示中，第一個通道表示頻率為50 Hz、有效值為220 V的正弦波經過全波整流后所得的波形，記為波形1。第四個通道表示比較電壓V，它與波形1的交點分別為a、d、e；第五個通道表示比較電壓V，它與波形1的交點分別為b、c；第二個通道表示半周正弦波與比較電壓V比較后的電平，記為波形2；第三個通道表示半周正弦波與比較電壓V比較后的電平，記為波形3。

當半波正弦電壓經過a點時，波形2會有一個下降沿；當半波正弦波上升到b點時，波形3會有一個下降沿；當半波正弦波經過c點時，波形3會有一個上升沿；當半波正弦波經過d點時，波形2會有一個上升沿。

圖1 掉電檢測原理分析圖

掉電的判別方法：當檢測到波形2的下降沿后，經過t(a點到c點的時間)的時間仍然沒有檢測到波形3的下降沿，則說明在ac段內市電掉電；當檢測到波形3的上升沿時，在不到t(c點到d點的時間)的時間內就檢測到波形2的上升沿，則說明在cd段市電掉電；當檢測到波形2的上升沿時，若經過t(d點到e點的時間)的時間仍然未能檢測到波形2的下降沿，則說明在de段市電掉電。基于上述理論分析，將半周正弦波分成了ac、cd、de三段，市電幅值在任意一段中發生故障均可快速檢測出來。

1.2 比較電壓的選取

上節中分析了市電幅值的檢測原理，但并未給出比較電壓V以及V的具體數值，而這兩個比較點的選取至關重要。波形4對應的比較電壓V的選取會直接應到檢測的快速性；波形5對應的比較電壓V的選取會影響欠壓判斷的可靠性。

對于220 V的交流電壓，當考慮±15%的允許波動范圍時，其電壓幅值最低為

為準確的判斷市電是否有欠壓情況，將比較電壓V選為264 V。

掉電檢測的關鍵是要快速準確，本文采用的方法是三段式分析法，要想保證任意區段下的掉電均能較快的檢測出來，理想的方法是將a到e這10 ms等分成ac、cd、de三段。需說明的是，此時假設市電電壓處于臨界欠壓情況，即b點與c點是重合的。于是有

為了快速檢測各段的市電幅值情況，故取比較電壓V選為130 V。

2 掉電檢測系統

2.1 系統設計

圖2為掉電檢測的系統示意圖，其輸入為220 V的市電，輸出為兩路互補的控制信號。

圖2 掉電檢測系統框圖

先通過電壓互感器對市電進行檢測，然后經差分放大電路對其進行變比調整，再經過精密整流電路進行全波整流，將整流后的電壓信號分別送入比較值不同的兩個比較器，再將兩路比較器的輸出信號送入MDU進行處理，最終通過IO口發出兩路互補的信號用于控制晶閘管的切換。

2.2 硬件電路設計

2.2.1電壓檢測及其放大電路

圖3 市電采集與放大

圖4 比較電路

本實驗中采用天瑞公司生產的TR1102-1C電壓互感器對市電電壓進行檢測，其原副邊變比為220 V：3.53 V。為了提高檢測精度，將互感器的輸出電壓經差分電路對其進行放大，放大比例為620 K/220 K。

2.2.2全波精密整流電路

將上述差分電路輸出的正弦電壓信號Usys_f送入該全波精密整流電路，可以得到一個頻率100 Hz的由正弦波正半周組成的電壓信號Usys_h，該電路的幅值增益為1。

2.2.3比較電路

由分段式掉電檢測的原理可知，其關鍵在于兩個電壓比較點的設定。通過計算分析，264 V的市電電壓應該對應12 V的電壓比較點，130 V的市電電壓對應5.9 V的電壓比較點，COMP1與COMP2分別表示這兩個比較器的輸出電平信號。

通過以上硬件電路處理，得到了反映市電幅值情況的電平信號COMP1與COMP2。將這兩個信號分別送至PIC18F4680單片機的外部中斷INT0以及外部中斷INT2兩個引腳上，經過單片機處理后，利用IO口發出CON1與CON2兩路控制信號。

2.3 軟件設計

單片機的軟件部分主要包括主程序、定時器0中斷程序、外部中斷INT0程序以及外部中斷INT2程序。其中，定時器0中斷主要用于計時，實驗中將定時器周期設為100ms，并且每次中斷時都設置一個定時標志。外部中斷INT0以及INT2既可以是上升沿觸發，也可以是下降沿觸發，他們分別用于記錄COMP1與COMP2的電平變化情況，并置相應的邊沿標志。主程序部分先對系統初始化，然后根據相應的標志判斷市電情況并發出相應的控制信號。下面分別給出了主程序、INT0中斷以及INT2中斷的程序流程圖。

圖5 全波精密整流

圖6 主函數流程圖

圖7 中斷INT0流程圖

圖8 中斷INT0流程圖

3 實驗結果

基于上述原理分析以及軟硬件設計，通過實驗對其掉電檢測的快速性與可靠性進行了驗證，最后還將其應用于一臺單相UPS進行掉電檢測及切換實驗，具體的實驗結果記錄如下。

如圖9 (a)、(b)、(c)、(d)所示，分別記錄了市電正常、市電ac段掉電、市電cd段掉電以及市電de段掉電的波形。圖中，CH1表示市電整流后波形，CH2表示比較輸出信號COMP1，CH3表示比較輸出信號COMP2，CH4表示切換控制信號CON1。圖9(b)、(c)、(d)中的時間光標增量表示從市電掉電到發出控制切換信號所需的時間，它們分別為3 ms、4.5 ms以及4.6 ms。實驗結果表明，不論市電何時掉電，通過該方法均能夠快準確的對其進行檢測。

如圖10所示，記錄了將該檢測方法用于一臺UPS進行了掉電檢測及切換實驗波形。CH1表示輸出電壓波形，CH2表示市電電壓波形，CH3表示晶閘管切換控制信號的波形。實驗結果表明，在市電掉電后，該UPS系統僅用了6.5 ms的時間完成了市電的檢測以及晶閘管的切換過程，保證了負載的不間斷供電。

4 結論

本文提出了一種簡便可靠的分段式掉電檢測方法，并進行了軟硬件的設計以及實驗驗證，最后還將其應用于一臺UPS設備進行了切換實驗。理論分析與實驗結果表明，該方法能快速可靠的完成掉電檢測過程，可將其應用于UPS等系統中。

圖10 UPS切換實驗波形

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A Convenient and Reliable Detection Method for AC Power Failure

Wang Yunhe

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

TM93

A

1003-4862（2013）10-0016-04

2013-05-31

王云鶴（1975-），男，碩士，高級工程師。研究方向：艦船電力系統及設備。