交流电源过零点检测新方法及运用实践微探

交流电源过零点检测新方法及运用实践微探

周凡王小婷黄新民

国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司新疆乌鲁木齐830011

摘要：目前在控制技术中，交流电源过零点检测是一种常见方法，它主要用于交流电源过零点时间、电压反相点以及交流电源频率的测定。而提高交流电源过零点检测的精确性，对于控制以交流电为电源的机械设备而言具有非常重要的作用。因此本文对交流电源过零点检测新方法及运用实践进行了深入研究，分析了交流电源过零点传统检测方法的不足，从而对过零点检测新方法及运行做了详细阐述。

关键词：交流电源；过零点监测；新方法；运用实践

1交流电源过零点检测概述

交流电源过零点检测是控制交流电源中经常应用到的一种方法，它指的是采用相关系统，对从正半周转换到负半周的交流电波形“过零”的具体时间。过零点检测的基础原理具体来说就是在微处理核心芯片中设置一个标准，在输出正半周正弦波交流电时设置一个确定值，当正弦波交流电输入发生持续性的变化时，通过微处理核心芯片就能在正弦波交流电的输出端调制一个方波，这样一来在示波器上就能将出现正弦波零点的位置正确显示出来。传统过零点检测器的最小单元由比较器组成（如图1所示）。过零点检测一般情况下有两种方案：一是隔离变压器的检测方案。这种检测方案尽管体积较为庞大，且检测精度也较低，但是具有较好经济性。二是隔离光耦的检测方案。这种检测方案不仅灵敏度较高，同时具有体积小以及检测精度高等优点，但是其价格较为昂贵。在电机控制的过程中，交流电源过零点检测具有非常重要的作用，电机转速的不同主要是由导通角的不同决定的，而导通角则是由开始计时零电压时的导通时间表征决定的。此外，导通时间也决定了电机转速的微、低、中、高等4个等级。

图1传统过零点检测方法示意图

2对传统检测电路不足的分析

2.1易受市电电压不稳定，波动与背景噪声大的干扰

国家电网十分庞大，某处的微小波动，可能就会不断放大，造成另一处电压较大的变化。这就会导致输入信号在零点处无法稳定在固定值，会出现多过零现象，这样实际测量中基波零点和提取的零点误差会比较大。

2.2零点附近的正弦波整形容易出现误动作

单片机是正弦波整形中一般都要用到的芯片，它价格便宜，使用方便，应用领域十分广泛。具体在工作过程中，如果是单片机信号处理中，如果检测到梯形波下降沿，表示获取过零点时刻。但很明显，此时和真正的零点存在一定误差，即有适当提前。因此，如果需要准确触发动作，则传统的整形波是不符合精度要求的。

2.3运放模块自身稳定性及过零比较器存在相位误差

运放具有价格低廉的优势，但是由运放构成的过零比较器的运放之间不可能完全匹配，会存在相位误差。另外在工作过程中，器件必然要发热，温度的漂移会使输入失调，会影响运放性能稳定性，也会造成过零点检测精度下降。

2.4光耦过零点反应速度不理想，上升沿转换时间拉长

光耦上升沿和下降沿的转换时间为120us上下。在对反应要求不高的应用中，这样的转换时间可以满足要求，但是在要求比较高的场合中，如应用于通信中的，该反应时间将严重影响通信质量。也就是说，在120μs以内系统都判定经过了零点，这就表明其实是存在着120μs的时间误差。

3交流电源过零点检测新方法及运用实践

针对运用传统方法检测过零点时存在的缺陷，则可以通过改进电路设计以及算法设计等两个方面来改进传统的过零点检测方法，从而获得交流电源过零点检测的新方法。该新方法能够极大地提高过零点检测结果的精度，其主要的工作原理则是采用过零点光耦思路来实现的。

3.1设计电路模式

交流电源过零点检测新方法中，所应用到的电路一般由4个电路部分组成：单光耦、限幅电路、放大电路以及微处理器等。这一电路中省略了变压器，因设备的体积有所减小，同时设备成本也有所减少。交流电源过零点检测新方法中电路设计概念图如图2所示。

图2新方法中电路设计概念图

3.2改进设计电路

限幅电路的增加。这种电路主要有两个方面的作用，一是起到保护整体运放模块的作用，避免运放模块之间电压差异过大而对运放过程造成损坏。二是能够有效地降低输入电压，避免在有限的供电区域内，正负电源电压之间的输出均能获得较高的真实性以及准确性。此外应注意的是，底部被截以及顶部信号等都不会对交流电源过零点检测产生影响。在放大电路中引进多级运算。一般电路的二级放大主要是采用放大器来实现的，放大的级倍数每级约为50倍，一共需要放大2500倍。电路放大之后的特点为工作稳定性高、增益高，并且还具有较大的共模抑制比。当电路被放大2500倍之后，信号波形就会产生较大的信号上升沿，而其对应信号存在的误差则要比没有放大过的电路对应信号的误差小得多，因而能够极大地提高判定过零点时间的精确度。微处理器以及单光耦的应用。光耦的边缘特性时间具有非常大的差异，其差异产生的原因则是由于导通光耦所需时间过长，且不导通的光耦电流向导通光耦电流之间转换的过程较为漫长。在实际测量中，导通两个光耦电流所需要的时间差异非常高，能够达到40微秒，这样一来，不同情形下的光耦电源的使用以及制造同步就会面临较大的难度。而采用微处理器将两次导通相邻光二极管过程中的高电平时间，以及未导通过程中的低电平时间记录下来，就能将交流电源过零点时间准确地计算出来。

3.3改进设计算法

通常情况下，在交流电源过零点检测的过程中，由于时钟具有非常高的稳定性，因此如果测量的正弦波信号具有较高的信噪比，则主要采用传统的过零点检测方法进行检测，这样的检测相对简便。而在交流电源过零点检测新方法中，设计算法的重点在于对相邻两个采样点之间的特征符号差异进行比较。在设置时钟频率采样的过程中，通常会考虑设置14.6~14.8倍的载波频率，那么每个半载周期获得采样点为7~8个。在交流电源过零点检测的过程中，如果检测的符号或者标志没有发生改变，则正（负）采样点的连续数据应为7~8个；而如果检测的符号或者标志发生了改变，则数据就会在多于8个或者少于7个处出现正（负）采样点。通过对符号或者标志变化的检测，采用最小二乘法拟合，就能有效地降低随机误差，并极大地提高交流电源过零点检测的精度，从而获得准确的检测结果。

4结语

交流电的过零检测对于生产生活具有重要意义，传统的过零检测往往过于复杂且精确度不高。因此，结合这些缺点，当前也出现了较多的过零点检测新方法，如真空断路器关合同步控制、反电动势过零点、虹膜识别算法等。本文结合软硬件两个方面提出了新的过零点检测方法。通过电路与算法上的改进，既考虑了检测设备的安全性，又进一步考虑提升了检测结果的精度，实践中通过电路上采取两极放大，增加限幅电路以减少误差，算法上采取最小二乘法的方式来实现，从而有效地减少了由电网随机波动而带了的随机误差，切实提高了测量的精确度。

参考文献

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