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图1过零检测电路
1.2阻容降压原理分析
阻容降压的核心是电容器。电容器C1的作用就是通过容抗进行限流,将大部分交流电压加在电容两端,达到降压目的。因此,电容器C1会根据负载的不同动态调整电容器和负载两端电压[10]。为防止负载端电压过高,采用稳压管VD1稳压保证电源电压。
电容C1的取值取决于通过电流的大小,当电容C1接到交流电路中时,电容C1的容抗为
式中,XC1为电容的容抗;f为交流电的频率;C1为电容器的电容值。
因此流过阻容降压的电流近似为
式中,IAC为流过阻容降压的电流;XC1为电容的容抗;f为交流电的频率;C1为电容器的电容值;UAC是市电交流电压值。
因此市电有效值220V情况下,1mF电容得到的电流大小为
出于漏电流和安全考虑,C1采用有安规要求的Y电容,鉴于Y电容的电容量普遍偏小,该电路中采用22nF/2kV的Y电容,因此电流大小为
1.3电路触发的过零点与实际过零点时间差分析
稳压储能部分电路首先保证光耦两端电压稳定在5.1V附近,保证光耦D1能够正常导通和截止的同时又防止光耦击穿;电容C2、C3充电后,在光耦D1导通时段内放电保证光耦发光管正常发光。
电路触发的过零点与实际过零点时间差ΔT由达林顿驱动电路晶体管VT1、VT2和光耦D1的导通延时Δt1和电容C2、C3的充电时间Δt2决定。
式中,Δt1由器件本身决定,所以过零检测电路中在确定了C1电容和阻容降压的电流值后,稳压储能部分的电容C2、C3的电容量大小直接影响到过零点电路触发的过零点与实际零点之间的响应时差。该时差可用电容充电原理来估算。电容的数学表达式为
式中,Q为电容储存的电量;C为电容的容值;U为电容两端电压值。
电量公式为
2仿真结果及分析
2.1搭建仿真电路
利用Multisim11.0软件,搭建如图2所示的仿真电路,用虚拟示波器观测220VAC,经光耦D1隔离后输出的过零信号、光耦D1波形。
2.2仿真结果分析
此过零检测电路的输出过零点与实际输入的交流信号波形如图3所示。
阻容降压部分电流测试如图4所示,阻容降压部分电流为
与实际估算值接近。
过零检测电路输出过零点信号与实际交流电的过零点之间时间差ΔT,如图5所示,当C2、C3电容值都为22nF时,根据图中所示,有
由上述仿真可知,该过零检测电路可以在很短的时间差内准确检测到交流信号的过零点。
2.3浪涌电压仿真及结果分析
搭建如图6所示的仿真电路,将浪涌电压与220VAC叠加后输入过零检测电路,观测接入R2和不接入R2两种电路下输出过零点波形。
该仿真过程中,采用表1中所列出的数据来模拟实际电网中的浪涌波形,该浪涌相对正弦波过零点的延迟时间为0.005001s,持续时间为1.2ms,峰值电压为200V。
当电阻R2接入电路中时,过零点输出对于浪涌电压的响应如图7所示。
由图8可知,R2接入电路中时,输入浪涌电压并未引起过零点输出的误触发。
当电阻R2不接入电路中时,过零点输出对于浪涌电压的响应如图8所示,图中黑框部分为过零点误触发。
将过零点输出误触发点放大后波形如图9所示。
由图9中示数可知,误触发信号从下降到2.330V到波形恢复到4.0013V时所经历的时间为144.7ms,且最低电压在1V以内,而常用低速光耦的上升和下降时间均在20ms数量级,所以144.7ms足以导致MCU将该误触发点识别为过零点。
由上述仿真可知,R2电阻可以有效避免输入浪涌电压引起的过零点误触发,同时R1为功率电阻,可以有效吸收上电瞬间的浪涌电流,避免上电瞬间浪涌电流引起的R1电阻炸裂导致的电路损坏(此处不再另做仿真)。
3结论
本文分析了过零检测在电力线载波通信中的必要性,设计了低成本高可靠性的过零检测电路,并通过理论计算和仿真对比,验证了本电路的正确性。
分析和仿真结果表明,该过零检测电路可以迅速有效的检测到交流电的过零点,并有效抵抗电网的浪涌电压和浪涌电流。同时,该电路结构简单,制造成本低,工作性能良好,可靠性高。
目前该电路已广泛应用在电力线载波的过零点通信中,使得使用过零点电力线载波通信的台区一次抄表成功率达到99%以上,完全满足国网对于一次抄表成功率的要求。
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