基于光耦的缺相檢測(cè)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

當(dāng)前的三相用電設(shè)備在使用中都會(huì)輔以缺相檢測(cè)電路[1，以確保用電安全及設(shè)備保護(hù)。常用的缺相檢測(cè)多以變壓器和光耦實(shí)現(xiàn)三相輸入與檢測(cè)信號(hào)的隔離?；谧儔浩鞯娜毕鄼z測(cè)盡管電路簡(jiǎn)單、使用可靠，但變壓器的體積重量大、成本高，因此對(duì)于當(dāng)前小型化、高集成度的應(yīng)用設(shè)備并不適用。而當(dāng)前應(yīng)用的光耦缺相檢測(cè)2盡管取代了體積重量大的變壓器，但其電路很少涉及三相四線制應(yīng)用的情況，因此當(dāng)前的光耦缺相檢測(cè)電路應(yīng)用也受到了限制。

為了解決變壓器檢測(cè)電路體積重量大、成本高，及當(dāng)前光耦缺相檢測(cè)電路較少涉及三相四線制應(yīng)用的問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)優(yōu)化的光耦缺相檢測(cè)電路。通過(guò)對(duì)比分析幾種常用的缺相檢測(cè)電路，該光耦缺相檢測(cè)電路的優(yōu)越性得到了證實(shí)，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了該光耦缺相檢測(cè)電路的有效性；其已在開關(guān)電源3中長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用，可靠性也得到了充分驗(yàn)證。綜合而言，該優(yōu)化的光耦缺相檢測(cè)電路簡(jiǎn)單可靠、成本低廉，不失為一種優(yōu)越的實(shí)現(xiàn)缺相檢測(cè)的可行性方案。

1缺相檢測(cè)電路原理

1.1變壓器缺相檢測(cè)電路

變壓器缺相檢測(cè)電路是利用工頻變壓器實(shí)現(xiàn)輸入交流電壓的轉(zhuǎn)換和隔離，并通過(guò)次級(jí)的電壓檢測(cè)來(lái)判斷輸入側(cè)是否存在缺相的情況。

變壓器缺相檢測(cè)電路如圖1所示，其中圖1（a）用于三相三線制，圖1（b）用于三相四線制。

由檢測(cè)電路原理圖可知，檢測(cè)電路通過(guò)工頻變壓器實(shí)現(xiàn)，分別檢測(cè)輸入的交流電壓。電路中的 是由輸入交流轉(zhuǎn)換得到的輔助供電電源。工頻變壓器次級(jí)經(jīng)半波整流濾波后，直接輸入到比較器的反相輸入端；而比較器的同相輸入端為輔助電源經(jīng)分壓得到的參考電平。因此，在參數(shù)配置合適時(shí)，無(wú)論是對(duì)于三相三線還是三相四線的情況，當(dāng)出現(xiàn)某一相或兩相缺失時(shí)，要么直接導(dǎo)致輔助電源不能建立，從而使得整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)工作，要么必然導(dǎo)致其中至少一個(gè)檢測(cè)信號(hào)為高電平，從而判斷輸入為缺相狀態(tài)，使得用電設(shè)備得到保護(hù)。對(duì)于三相四線制缺中線的情況同樣會(huì)導(dǎo)致輸出的三個(gè)檢測(cè)信號(hào)均為高電平，使控制電路檢測(cè)為缺相狀態(tài)，起到設(shè)備保護(hù)作用。此外，本電路還可以通過(guò)檢測(cè)變壓器次級(jí)的整流電壓值來(lái)判斷輸入電壓的數(shù)值，從而判斷輸入電壓為欠壓或過(guò)壓狀態(tài)，以進(jìn)一步保障用電設(shè)備的使用安全。

然而，該變壓器缺相檢測(cè)電路存在變壓器體積重量大、價(jià)格高等諸多缺點(diǎn)，不適用于小型化和高集成度的用電設(shè)備，從而使其應(yīng)用受到極大的限制。

1.2光耦缺相檢測(cè)電路

光耦缺相檢測(cè)電路解決了變壓器缺相檢測(cè)所帶來(lái)的體積重量大問(wèn)題，圖2為光耦缺相檢測(cè)電路的一種典型應(yīng)用情況。

由原理圖可知，本缺相檢測(cè)電路由光耦、施密特觸發(fā)器 、DSP及相關(guān)外圍電路組成。其中的施密特觸發(fā)器主要用于解決光耦導(dǎo)通時(shí)信號(hào)的“爬坡效應(yīng)”問(wèn)題，其工作原理可參照文獻(xiàn)[2]中的詳細(xì)分析。

通過(guò)對(duì)該電路的工作原理分析可知，盡管該電路兼具相序檢測(cè)4功能，但其DSP檢測(cè)需要煩瑣的軟件實(shí)現(xiàn)，從而使得設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加，可靠性降低。此外，軟件檢測(cè)會(huì)使缺相檢測(cè)的響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，這對(duì)于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合將無(wú)法滿足要求。此外，當(dāng)前基于光耦的缺相檢測(cè)電路較少涉及三相四線制應(yīng)用的情況，使當(dāng)前的光耦缺相檢測(cè)電路應(yīng)用受到限制。

2 缺相檢測(cè)電路改進(jìn)優(yōu)化

為了解決變壓器缺相檢測(cè)體積重量大及當(dāng)前光耦缺相檢測(cè)應(yīng)用受限的問(wèn)題，特提出一種改進(jìn)型基于光耦的缺相檢測(cè)電路。改進(jìn)后的光耦缺相檢測(cè)電路如圖3所示，其中圖3（a）用于三相三線制，圖3（b）用于三相四線制，且檢測(cè)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。

由原理圖可知，改進(jìn)的光耦缺相電路由光耦及其外圍的電阻、電容、二極管和三極管組成，電路構(gòu)成簡(jiǎn)單、成本低廉。在原理上，當(dāng)三相三線檢測(cè)電路不缺相時(shí)，光耦UU和U在任何時(shí)刻都至少有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此三極管Q和 都處于截止?fàn)顟B(tài)，使檢測(cè)信號(hào)為低電平；而一旦出現(xiàn)缺相情況時(shí)，比如缺失A相，則在線電壓 的過(guò)零點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)三個(gè)光耦同時(shí)截止的情況，此時(shí)三極管Q和 都會(huì)處于導(dǎo)通狀態(tài)，使檢測(cè)信號(hào)V。為高電平并鎖止，以更好地用于后級(jí)的檢測(cè)和保護(hù)。同理，對(duì)于三相四線的應(yīng)用情況，不缺相時(shí)，光耦一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，檢測(cè)信號(hào)為低電平；缺一相、兩相或缺中線時(shí)，光耦會(huì)在每個(gè)周期中出現(xiàn)與所缺相相對(duì)應(yīng)的截止時(shí)間段或一直處于截止?fàn)顟B(tài)，從而使檢測(cè)信號(hào)V鎖定為高電平，用于電路的檢測(cè)和保護(hù)。

通過(guò)電路的原理分析可知，該缺相檢測(cè)電路簡(jiǎn)單易用，所用器件普通、可靠、廉價(jià)，再加上該電路具備光耦缺相檢測(cè)電路體積重量小，且兼顧三相三線和三相四線應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，因此其能夠適應(yīng)幾乎所有情況下的缺相檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)合。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為證實(shí)改進(jìn)后光耦缺相檢測(cè)電路的功能有效性，對(duì)該電路的實(shí)際工作波形進(jìn)行了測(cè)試。本測(cè)試基于國(guó)內(nèi)供電AC380V/50Hz進(jìn)行，且考慮個(gè)別應(yīng)用中采用油機(jī)發(fā)電5電壓波動(dòng)較大的情況，選取的器件參數(shù)如表1所示，以使本缺相檢測(cè)電路能在較寬的電壓范圍[ （1±20%）×380 V，甚至更寬]均可靠工作。

通過(guò)上述電路原理分析可知，當(dāng)供電正常即不存在缺相時(shí)，無(wú)論對(duì)于三相三線缺相檢測(cè)電路還是三相四線缺相檢測(cè)電路其光耦集電極信號(hào) 和檢測(cè)信號(hào) 均為低電平保持狀態(tài)；而當(dāng)出現(xiàn)缺相情況時(shí)則會(huì)依據(jù)缺相的不同情況使得光耦集電極信號(hào) 的波形出現(xiàn)不同的狀態(tài)，或?yàn)槊}沖寬度不同的周期性脈沖波，或?yàn)楹愣ǚ鹊碾娖叫盘?hào)，但最終都將使得檢測(cè)信號(hào) 為高電平狀態(tài)并鎖止，從而判斷為輸入存在缺相的故障狀態(tài)。圖4為不同缺相狀態(tài)下的測(cè)試波形，其中波形 ① 為輸入電壓波形，波形 ② 為光耦集電極信號(hào) $＼mathrm{＼DeltaV_{i}}$ 的波形，波形 ③ 為檢測(cè)信號(hào)V的波形。

圖4（a）為三相三線制缺一相情況下的波形圖，由光耦集電極信號(hào) 的波形 ② 可知，當(dāng)另外兩相的線電壓在過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻附近，三個(gè)光耦將同時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，從而使得光耦集電極信號(hào) 出現(xiàn)如圖所示的短時(shí)脈沖，進(jìn)而使得三極管Q和Q都進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)且一直保持，故而使缺相檢測(cè)信號(hào)V也保持為高電平缺相故障狀態(tài)。圖4（b）為三相四線制缺中線時(shí)的波形圖，由于中線的缺失相電壓測(cè)試為0V，缺中線也使得光耦一直處于截止?fàn)顟B(tài)，因而光耦集電極信號(hào) $＼mathrm{＼DeltaV_{1}}$ 為一恒定電壓信號(hào)，從而三極管 和 都進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)且一直保持，缺相檢測(cè)信號(hào)V也保持為高電平故障狀態(tài)。圖4（c）和圖4（d）分別為三相四線制缺一相和缺兩相時(shí)的波形圖，由圖中光耦集電極信號(hào) 的波形 ② 可知，無(wú)論是缺一相還是缺兩相都會(huì)導(dǎo)致光耦在每個(gè)周期中存在一定的截止時(shí)間，只是缺兩相時(shí)光耦的截止時(shí)間更長(zhǎng)些，為半個(gè)周期而已。而光耦只要存在短時(shí)的截止就會(huì)導(dǎo)致三極管 和 進(jìn)入維持的導(dǎo)通狀態(tài)，從而使缺相檢測(cè)信號(hào) 也維持為高電平故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了缺相的檢測(cè)。

綜上分析，改進(jìn)的光耦缺相檢測(cè)電路與預(yù)期的功能完全符合，能夠?qū)崿F(xiàn)三相三線制和三相四線制應(yīng)用情況下的任何缺相檢測(cè)?；谠撊毕鄼z測(cè)電路的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，該電路已在軍用雷達(dá)設(shè)備供電的多款開關(guān)電源中廣泛應(yīng)用，并取得了預(yù)期效果。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于光耦的缺相檢測(cè)電路進(jìn)行了改進(jìn)、優(yōu)化和補(bǔ)充，使得光耦缺相檢測(cè)電路的優(yōu)越性和各種場(chǎng)合的適用性得到充分發(fā)揮。該光耦缺相檢測(cè)電路與當(dāng)前其他缺相檢測(cè)電路的對(duì)比，體現(xiàn)了其簡(jiǎn)單實(shí)用、功能可靠、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，通過(guò)長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用，該優(yōu)化電路的有效性和可靠性得到證實(shí)，為相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)合提供了一種優(yōu)越的可行性方案。

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