一种电网电压同步检测电路

熊 凯，许正望

（1. 武汉加多宝饮料有限公司，武汉 430056；2. 湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉 430068）

一种电网电压同步检测电路

熊 凯1，许正望2

（1. 武汉加多宝饮料有限公司，武汉 430056；2. 湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉 430068）

针对电网同步电压检测中的问题，参考其他学者提出的光耦检测电路，分析了检测电路功耗和检测精确度之间矛盾，提出了以恒流二极管代替限流电阻的解决方案，以一组典型数据为例，计算了改进电路的功耗和检测精度，证明改进电路的性能较原有方案更好。

同步检测 光耦 恒流二极管

0 引言

很多电力电子系统中，需要对电网电压的相位进行检测，并以检测的结果为参考进行相应的控制或处理。比如，晶闸管系统的触发需要参考电网电压确定触发延迟时间[1]，两个或两个以上电网并网需保证各个电网相位一致，诸如此类。

由于检测的目的是使得控制或处理与电网保持某种同步，这种对电网电压相位的检测也称为同步检测。正因为同步检测很重要，错误的检测可能导致电源短路而发生严重的事故，不够精确的检测则会导致系统性能大幅度下降。前人对同步检测进行了较多的研究。考虑到被检测的电网电压一般较高，而检测和控制电路的电压则比较低，为保安全和减少对低压电路的干扰，一般使用同步变压器将电网的高电压转换为低电压后进行检测[2,3]。这种方案除了同步变压器体积大、成本高外，它使得被测信号在过零处变得比较平缓，结果会导致检测的灵敏度下降。文献[2]提出使用光耦代替同步变压器，保持高压和低压部分隔离，也保留了被测信号强度，成本、体积较原有方案降低，而检测的灵敏度较原方案上升。

在参考使用文献[2]提出的光耦检测电路的过程中，笔者发现该方案还存在一些不足，在分析后采取了一些改进措施，经过实际应用效果较好。

1 光耦检测电路的分析

文献[2]提出的光耦检测电路如图1所示，采用这种电路结构的优点在于取消了成本高、笨重的同步变压器，检测的精度也有一定提高，可应用于一些需要同步检测的场合。

该电路使用光耦隔离被检测高压电路和后面的控制电路，当电网电压较高的时候，该电压加在限流电阻R和光耦输入端LED上，该LED中产生电流并发光使光耦输出端的三极管导通，从而在输出端输出低电平，该电平的变化时刻可以反应电压的过零时刻，而通过电压过零时刻可以推知电网电压的相位，从而准确进行相关的控制和处理。

图1 光耦型同步检测电路

文献[2]实际测试该电路的输出电平变化时刻大约滞后电压过零时刻100 μs，其原因在于光耦输出端电平变化与流过输入端LED的电流大小有关，而该电流又与电网电压大小有关。在电压过零附近电压较低，电流就较小；而当滞后约100 μs后电压较高则电流也较高，从而使检测电路输出电平为低，导致检测延迟的原理如图2所示。

图2 检测延迟原理

如图1和图2，若光耦LED电流小于门限It时输出高电平、电流大于门限It时电路输出低电平，忽略LED正向压降，则门限电压

又因为相电压按正弦规律变化，则由于Vt导致检测电路状态变化相对于电压过零点的延迟时间Td与光耦门限电流It之间的关系为：其中A为相电压幅值，按文献[2]中延迟时间100 μs及TLP521典型输入端门限电流5 mA可以计算相电压幅度：

由于35020 V计算值远超TLP521隔离电压值，按220 V相电压代入式（2）计算，则光耦门限电流：

该值相对于TLP521的典型数据又显得过小，可能文献[2]数据有误。为方便后续分析，姑且假设相电压为2200 V，而光耦输入端门限电流为0.3 mA，同步检测延迟时间仍保持为100 μs。

经过分析，该电路仍存在一些不足，导致检测的精度不是特别高，也就是输出电平变化时刻较电压过零的时刻延迟100 μs仍过大。根据式(2)可知，延迟时间Td随着限流电阻R的增大而增大，因此电路中R取值220 K显得过大，使得电压必须达到比较大才能在光耦输入端LED中产生足够的电流。如果减小该电阻的阻值，可以在LED中产生足够的电流而无须过高的电压。但是，简单地减小限流电阻的值又产生另外一个问题：当电压上升到较大甚至到峰值的时候电流会过大，导致限流电阻上消耗的功率过大，光耦输入端LED可能烧毁。

比如，相电压为2200 V，电阻R取值为10 K，忽略光耦输入端LED和二极管D上的压降，将R=10 K和It=0.3 mA代入式（2）计算，得Td=4.3 μs，检测误差只有前述的约1/20，精度大幅度提高。

不过，电阻R上消耗的功率P=U2/R= 22002/10000=484 W，其值过大，使得电路没有实用价值，即使增大一些电阻值，消耗的功率也会很大，使得电阻占的空间过大，而且涉及到散热问题。另外，流过LED的电流峰值II= 2200×1.414/10000=3.1 A，该电流过大可能烧毁LED。

2 光耦检测电路改进

根据上述分析，在光耦检测电路中使用大的限流电阻则电路检测精度不高，在检测精度要求较高的场合不能满足要求。使用较小的限流电阻会导致功耗过大和电流过大的问题。使用电阻值随电压上升而上升的恒流二极管则可避免这个问题，恒流二极管的典型特性曲线如图3所示[4]。

当加到恒流二极管上的电压较低时通过它的电流较小，它呈现出比较小的电阻值，通过恒流二极管的电流随着电压的上升会较快地上升；当电压上升到一个转折电压后，恒流二极管就呈现出阻值自动改变的特点，通过它的电流会一直保持恒定（如图3中较平的一段），并不随电压的变化而变化；当电压继续上升，恒流二极管则发生过压击穿，电流急剧上升。

图3 典型恒流二极管V-I特性

使用恒流二极管取代限流电阻后的同步检测电路，由于恒流二极管在低电压时表现出较小的电阻，使检测电路灵敏性得到保证，而当电压增大到一定程度则电流被限制在一定值（比如略超过光耦转换状态的电流值），相当于电流恒定而阻值随电压升高而变大。由于电流很小，其消耗的功率也很小。计算如下。

假设交流相电压为2200 V，影响状态转换的光耦输入端的LED工作电流为0.3 mA，忽略LED的正向压降，另外假定恒流二极管的恒流值为0.5 mA，其进入恒流的转换电压值为10 V，则

当相电压为10 V时，通过恒流二极管的电流即达到0.5 mA，超过光耦的状态转换门限，在此之前检测电路输出状态已发生转换。即使按10 V时发生转换计算，将It×R=10 V代入式(2)，可得Td=10 μs，也较文献[2]中电路的延迟值要小很多，表明同步电压过零检测的灵敏度提高很多。

当电压超过10 V后，恒流二极管的电流一直维持在0.5 mA，包括恒流二极管在内整个回路上消耗的功率仅为P=UI=2200 V×0.5 mA=1.1 W，该功率消耗也很小。

3 结论

使用具有变阻特性的恒流二极管代替限流电阻后，同步电压检测电路的检测精度可以达到比较高的程度，同时电路消耗功率仍保持在低位，在同步检测精度要求比较高的场合可以得到应用。

值得注意的是，目前恒流二极管的耐压值一般只有100 V，使用多个恒流二极管串联可以提高整体耐压值，这种串联非常方便，不需要均压手段，整体的耐压值为各个串联恒流二极管的耐压值之和。由于要考虑恒流二极管承受最大电压而不超出其耐压范围，在相电压2200 V的系统中需要使用至少32只100 V的恒流二极管串联，若考虑电网电压的波动则还需增加恒流二极管的数目。

本文仅从检测电路本身的功耗和延迟的角度进行分析，在电网电压波动、不平衡、谐波含量多的情况下，电路可能存在检测准确性不够的问题，需要配合其他一些手段消除这些影响[5,6]。

[1] 马小亮. 大功率交-交变频调速及矢量控制技术（3版）[M]. 北京∶ 机械工业出版社, 2003.

[2] 王金艳, 刘晶维. 三相交流电压相位同步检测电路[J]. 电测与仪表, 2001, (4).

[3] 王庆华, 方赦, 夏兴国. 电网电压过零检测及倍频电路的研究与实现[J], 江苏技术师范学院学报, 2011, (6).

[4] 张晓东. 接线简便的恒流二极管[J]. 无线电, 2011, (10).

[5] 周林等. 一种基于参考频率电网同步信号实时检测方法[J]. 中国电机工程学报, 2014, (9).

[6] 陈益广等. 电网电压不平衡下电压同步信号的检测[J]. 电力系统及其自动化学报, 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

熊凯（1972-），男，学士，工程师。研究方向：电气自动化设备维护工作。