一種電網電壓同步檢測電路

熊 凱，許正望

（1. 武漢加多寶飲料有限公司，武漢 430056；2. 湖北工業大學電氣與電子工程學院，武漢 430068）

一種電網電壓同步檢測電路

熊 凱1，許正望2

（1. 武漢加多寶飲料有限公司，武漢 430056；2. 湖北工業大學電氣與電子工程學院，武漢 430068）

針對電網同步電壓檢測中的問題，參考其他學者提出的光耦檢測電路，分析了檢測電路功耗和檢測精確度之間矛盾，提出了以恒流二極管代替限流電阻的解決方案，以一組典型數據為例，計算了改進電路的功耗和檢測精度，證明改進電路的性能較原有方案更好。

同步檢測 光耦 恒流二極管

0 引言

很多電力電子系統中，需要對電網電壓的相位進行檢測，并以檢測的結果為參考進行相應的控制或處理。比如，晶閘管系統的觸發需要參考電網電壓確定觸發延遲時間[1]，兩個或兩個以上電網并網需保證各個電網相位一致，諸如此類。

由于檢測的目的是使得控制或處理與電網保持某種同步，這種對電網電壓相位的檢測也稱為同步檢測。正因為同步檢測很重要，錯誤的檢測可能導致電源短路而發生嚴重的事故，不夠精確的檢測則會導致系統性能大幅度下降。前人對同步檢測進行了較多的研究。考慮到被檢測的電網電壓一般較高，而檢測和控制電路的電壓則比較低，為保安全和減少對低壓電路的干擾，一般使用同步變壓器將電網的高電壓轉換為低電壓后進行檢測[2,3]。這種方案除了同步變壓器體積大、成本高外，它使得被測信號在過零處變得比較平緩，結果會導致檢測的靈敏度下降。文獻[2]提出使用光耦代替同步變壓器，保持高壓和低壓部分隔離，也保留了被測信號強度，成本、體積較原有方案降低，而檢測的靈敏度較原方案上升。

在參考使用文獻[2]提出的光耦檢測電路的過程中，筆者發現該方案還存在一些不足，在分析后采取了一些改進措施，經過實際應用效果較好。

1 光耦檢測電路的分析

文獻[2]提出的光耦檢測電路如圖1所示，采用這種電路結構的優點在于取消了成本高、笨重的同步變壓器，檢測的精度也有一定提高，可應用于一些需要同步檢測的場合。

該電路使用光耦隔離被檢測高壓電路和后面的控制電路，當電網電壓較高的時候，該電壓加在限流電阻R和光耦輸入端LED上，該LED中產生電流并發光使光耦輸出端的三極管導通，從而在輸出端輸出低電平，該電平的變化時刻可以反應電壓的過零時刻，而通過電壓過零時刻可以推知電網電壓的相位，從而準確進行相關的控制和處理。

圖1 光耦型同步檢測電路

文獻[2]實際測試該電路的輸出電平變化時刻大約滯后電壓過零時刻100 μs，其原因在于光耦輸出端電平變化與流過輸入端LED的電流大小有關，而該電流又與電網電壓大小有關。在電壓過零附近電壓較低，電流就較小；而當滯后約100 μs后電壓較高則電流也較高，從而使檢測電路輸出電平為低，導致檢測延遲的原理如圖2所示。

圖2 檢測延遲原理

如圖1和圖2，若光耦LED電流小于門限It時輸出高電平、電流大于門限It時電路輸出低電平，忽略LED正向壓降，則門限電壓

又因為相電壓按正弦規律變化，則由于Vt導致檢測電路狀態變化相對于電壓過零點的延遲時間Td與光耦門限電流It之間的關系為：其中A為相電壓幅值，按文獻[2]中延遲時間100 μs及TLP521典型輸入端門限電流5 mA可以計算相電壓幅度：

由于35020 V計算值遠超TLP521隔離電壓值，按220 V相電壓代入式（2）計算，則光耦門限電流：

該值相對于TLP521的典型數據又顯得過小，可能文獻[2]數據有誤。為方便后續分析，姑且假設相電壓為2200 V，而光耦輸入端門限電流為0.3 mA，同步檢測延遲時間仍保持為100 μs。

經過分析，該電路仍存在一些不足，導致檢測的精度不是特別高，也就是輸出電平變化時刻較電壓過零的時刻延遲100 μs仍過大。根據式(2)可知，延遲時間Td隨著限流電阻R的增大而增大，因此電路中R取值220 K顯得過大，使得電壓必須達到比較大才能在光耦輸入端LED中產生足夠的電流。如果減小該電阻的阻值，可以在LED中產生足夠的電流而無須過高的電壓。但是，簡單地減小限流電阻的值又產生另外一個問題：當電壓上升到較大甚至到峰值的時候電流會過大，導致限流電阻上消耗的功率過大，光耦輸入端LED可能燒毀。

比如，相電壓為2200 V，電阻R取值為10 K，忽略光耦輸入端LED和二極管D上的壓降，將R=10 K和It=0.3 mA代入式（2）計算，得Td=4.3 μs，檢測誤差只有前述的約1/20，精度大幅度提高。

不過，電阻R上消耗的功率P=U2/R= 22002/10000=484 W，其值過大，使得電路沒有實用價值，即使增大一些電阻值，消耗的功率也會很大，使得電阻占的空間過大，而且涉及到散熱問題。另外，流過LED的電流峰值II= 2200×1.414/10000=3.1 A，該電流過大可能燒毀LED。

2 光耦檢測電路改進

根據上述分析，在光耦檢測電路中使用大的限流電阻則電路檢測精度不高，在檢測精度要求較高的場合不能滿足要求。使用較小的限流電阻會導致功耗過大和電流過大的問題。使用電阻值隨電壓上升而上升的恒流二極管則可避免這個問題，恒流二極管的典型特性曲線如圖3所示[4]。

當加到恒流二極管上的電壓較低時通過它的電流較小，它呈現出比較小的電阻值，通過恒流二極管的電流隨著電壓的上升會較快地上升；當電壓上升到一個轉折電壓后，恒流二極管就呈現出阻值自動改變的特點，通過它的電流會一直保持恒定（如圖3中較平的一段），并不隨電壓的變化而變化；當電壓繼續上升，恒流二極管則發生過壓擊穿，電流急劇上升。

圖3 典型恒流二極管V-I特性

使用恒流二極管取代限流電阻后的同步檢測電路，由于恒流二極管在低電壓時表現出較小的電阻，使檢測電路靈敏性得到保證，而當電壓增大到一定程度則電流被限制在一定值（比如略超過光耦轉換狀態的電流值），相當于電流恒定而阻值隨電壓升高而變大。由于電流很小，其消耗的功率也很小。計算如下。

假設交流相電壓為2200 V，影響狀態轉換的光耦輸入端的LED工作電流為0.3 mA，忽略LED的正向壓降，另外假定恒流二極管的恒流值為0.5 mA，其進入恒流的轉換電壓值為10 V，則

當相電壓為10 V時，通過恒流二極管的電流即達到0.5 mA，超過光耦的狀態轉換門限，在此之前檢測電路輸出狀態已發生轉換。即使按10 V時發生轉換計算，將It×R=10 V代入式(2)，可得Td=10 μs，也較文獻[2]中電路的延遲值要小很多，表明同步電壓過零檢測的靈敏度提高很多。

當電壓超過10 V后，恒流二極管的電流一直維持在0.5 mA，包括恒流二極管在內整個回路上消耗的功率僅為P=UI=2200 V×0.5 mA=1.1 W，該功率消耗也很小。

3 結論

使用具有變阻特性的恒流二極管代替限流電阻后，同步電壓檢測電路的檢測精度可以達到比較高的程度，同時電路消耗功率仍保持在低位，在同步檢測精度要求比較高的場合可以得到應用。

值得注意的是，目前恒流二極管的耐壓值一般只有100 V，使用多個恒流二極管串聯可以提高整體耐壓值，這種串聯非常方便，不需要均壓手段，整體的耐壓值為各個串聯恒流二極管的耐壓值之和。由于要考慮恒流二極管承受最大電壓而不超出其耐壓范圍，在相電壓2200 V的系統中需要使用至少32只100 V的恒流二極管串聯，若考慮電網電壓的波動則還需增加恒流二極管的數目。

本文僅從檢測電路本身的功耗和延遲的角度進行分析，在電網電壓波動、不平衡、諧波含量多的情況下，電路可能存在檢測準確性不夠的問題，需要配合其他一些手段消除這些影響[5,6]。

[1] 馬小亮. 大功率交-交變頻調速及矢量控制技術（3版）[M]. 北京∶ 機械工業出版社, 2003.

[2] 王金艷, 劉晶維. 三相交流電壓相位同步檢測電路[J]. 電測與儀表, 2001, (4).

[3] 王慶華, 方赦, 夏興國. 電網電壓過零檢測及倍頻電路的研究與實現[J], 江蘇技術師范學院學報, 2011, (6).

[4] 張曉東. 接線簡便的恒流二極管[J]. 無線電, 2011, (10).

[5] 周林等. 一種基于參考頻率電網同步信號實時檢測方法[J]. 中國電機工程學報, 2014, (9).

[6] 陳益廣等. 電網電壓不平衡下電壓同步信號的檢測[J]. 電力系統及其自動化學報, 2013, (3).

A Synchronization Detecting Circuit of the Grid Voltage

Xiong Kai1, Xu Zhengwang2

(1. Wuhan Branch of Jiaduobao Beverage Co., Ltd., Wuhan 430056, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Hubei University of technology, Wuhan 430068, China)

Aimed at the problem of the detecting of the synchronous grid voltage, consulting the optocoupler detecting circuit proposed by other scholars, the contradictory between the circuit dissipation and the detecting definition is analyzed, and a solution is proposed that the current limiting resistor is replaced by a constant current diode. The circuit dissipation and the detecting definition are calculated according to a group of typical data. The result shows that the circuit has better performances than the former circuits.

the synchronization detecting; optocoulper; the constant current diode

TM131

A

1003-4862（2015）06-0026-03

2015-03-26

熊凱（1972-），男，學士，工程師。研究方向：電氣自動化設備維護工作。