交流過零檢測電路的研究與設(shè)計

魏海波，劉杰，方勝利，王龍，梅建偉

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

過零檢測技術(shù)是工程應(yīng)用中較為常見的零點檢測技術(shù)，工程技術(shù)人員開發(fā)出了對應(yīng)的檢測電路實現(xiàn)了零點檢測功能。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種大功率設(shè)備應(yīng)用越來越普及，設(shè)備的運行使得電網(wǎng)諧波和無功問題逐漸日益嚴重［1］?，F(xiàn)有的過零檢測電路容易受到諧波的干擾出現(xiàn)精度下降問題，使檢測結(jié)果不穩(wěn)定、不可靠，甚至出現(xiàn)誤判，導(dǎo)致設(shè)備工作異常［2-4］。針對上述缺陷，設(shè)計了一種純硬件的過零檢測電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，具有較好的通用性。

1 過零檢測電路的設(shè)計

交流正弦信號周期內(nèi)有2個過零點，信號從負到正的過零點稱為正向過零，信號從正到負的過零點稱為負向過零，過零檢測技術(shù)據(jù)此可分為單向過零檢測和雙向過零檢測［5-6］。過零檢測電路是利用一定的技術(shù)準(zhǔn)確指示出信號零點所在位置，確保后續(xù)的處理裝置能夠準(zhǔn)確地檢測到該信號從而實施相應(yīng)的控制策略［7］?；诮涣麟娮陨淼奶匦裕O(shè)計了由差分比較器構(gòu)成的雙向過零點檢測電路。

1.1 過零檢測輔助電源電路設(shè)計

由于交流信號是雙向信號，在設(shè)計輔助電源時須考慮設(shè)計雙極性輔助電源，確保雙向信號的檢測。為了減少電源類型，直接采用工頻電源作為輔助電源的來源，具體的輔助電源原理圖見圖1。

圖1 過零檢測電路輔助電源原理圖

1.2 過零檢測電路設(shè)計

圖2 過零檢測電路原理圖

2 過零檢測電路仿真

2.1 仿真電路的選取

Multisim 是典型的板級模擬/數(shù)字電路板仿真工具，具有豐富的仿真分析能力。利用該仿真軟件操作方便、仿真快捷的優(yōu)點，快速搭建過零檢測電路的仿真模型（圖3），輔助電源部分采用Multisim中自帶的電源。

圖3 過零檢測Multisim仿真電路

仿真電路的搭建與實際的電路基本相同，為了驗證變壓器運行時一二次側(cè)電壓的相位關(guān)系，僅將輔助電源的工頻變壓器部分置入仿真模型。由于增添了工頻變壓器使得一二次側(cè)電壓完全隔離，因此選用了隔離的雙通道示波器作為檢驗工具，分別用于相位關(guān)系、最終輸出結(jié)果的分析。

2.2 仿真運行結(jié)果分析

仿真后的變壓器一二次側(cè)運行結(jié)果如圖4 所示，變壓器一次側(cè)與最終輸出的測試結(jié)果如圖5所示。從仿真結(jié)果看，波形圖輸出與所設(shè)計的零點檢測電路預(yù)期輸出結(jié)果相符，驗證了交流過零檢測電路的正確性與可靠性。圖5 中正負跳變邊沿與交流過零點有輕微的差異，分別放大后觀測，具體如圖6～7 所示。延時主要來源于控制器電源轉(zhuǎn)換信號輸出電路模塊。處于共射極放大電路的三極管，無論從截止到開通還是從開通到截止均要經(jīng)歷放大過程，經(jīng)歷三極管放大區(qū)，會占用一定的時間。在實際應(yīng)用中，技術(shù)人員可以根據(jù)應(yīng)用電路接口是否能夠匹配設(shè)計中接口的情況來進行取舍，滿足接口電壓等級的可以對前述轉(zhuǎn)換信號輸出電路做刪減處理。取消這部分電路可以再次縮短過零檢測的延時時間，提高過零檢測電路的檢測精度。

圖4 變壓器一二次側(cè)仿真運行結(jié)果

圖5 變壓器一次側(cè)與終端輸出仿真運行結(jié)果

圖6 正跳變檢測延時結(jié)果

圖7 負跳變檢測延時結(jié)果

3 結(jié)論

設(shè)計的雙向過零檢測電路，其硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可靠性程度高，具有較好的抗電網(wǎng)中共模干擾的能力，但是對于電網(wǎng)中差模干擾的處理還存在不足，后續(xù)要在差模干擾對檢測結(jié)果的影響方面進行分析與研究，并探索出工程應(yīng)用中可行的解決性方案。所保留的接口形式能夠兼容不同電壓類型的嵌入式處理器，接入后的檢測信號可以直接供控制器檢測，具有一定的應(yīng)用價值。