СХЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ СЕТЕВЫХ ПЕРЕХОДОВ ЧЕРЕЗ НУЛЬ
CIRCUIT FOR DETECTION OF NETWORK ZERO CROSSING

Изобретение относится к схемному устройству для распознавания сетевых переходов через нуль сетевого напряжения сети переменного напряжения, причем вызванный сетевым напряжением измерительный ток подается на детектор переходов через нуль для формирования сигнала сетевого перехода через нуль.
Устройства для распознавания сетевых переходов через нуль сетевого напряжения сети переменного напряжения используются повсюду там, где необходим сигнал, синхронный с переменным напряжением.
Областью использования является корректное по фазе управление мощными компонентами преобразователя переменного тока или инвертора (преобразователя постоянного тока в переменный) в зависимости от сетевых переходов через нуль сетевого напряжения.
При этом преобразователь переменного тока или инвертор служит, например, для подготовки электрической энергии в форме переменного тока, который пригоден для ввода в сеть переменного напряжения. Областью применения для этого является присоединение альтернативных источников тока к обычной сети переменного напряжения общего пользования. Подобные источники тока могут представлять собой панели солнечных батарей, топливные элементы, генераторы ветровой энергии или иные источники тока, такие как аккумуляторы.
Согласно уровню техники известно множество схем преобразователей постоянного тока в переменный с различными возможностями применения. При этом применяются различные основные типы электронных преобразователей, как, например, задатчики высокой установки, задатчики низкой установки или задатчики высокой-низкой установки для выработки тока полуволновой формы в комбинации с полным или половинным мостом для инвертирования каждой второй полуволны для получения в результате однофазного или многофазного переменного тока.
В частности, в фотогальванических энергетических установках необходимо выполнять различные нормы сетевых операторов и административных органов, например, подпитку синусоидальным током. Синусоидальная форма выводится при этом, как правило, из сетевого напряжения.
Существенным критерием для синхронной с сетью подпитки является точное распознавание сетевых переходов через нуль для точного по фазе управления мощными элементами. Сетевые переходы через нуль в сетевом напряжении определяют, для управления преобразователем постоянного тока в переменный, моменты времени для переключения с положительной на отрицательную полуволну и наоборот.
Однако точное по фазе управление мощными элементами преобразователя постоянного тока в переменный также существенно для надежности прибора. Некорректное переключение с положительной на отрицательную полуволну и обратно приводит, без соответствующих мер безопасности, к сетевому короткому замыканию в мощном элементе преобразователя постоянного тока в переменный, что может привести к повреждению или разрушению мощных компонентов.
Известное схемное устройство для распознавания переходов через нуль состоит из делителя напряжения и компаратора или операционного усилителя (см. фиг.1 и 2). При этом на выходе компаратора или операционного усилителя приложен прямоугольный сигнал, причем, например, его низкое значение указывает отрицательную полуволну, а его высокое значение - положительную полуволну сетевого напряжения. Значение сигнала изменяется, таким образом, с каждым переходом через нуль сетевого напряжения. Сопротивления делителя напряжения при этом являются высокоомными, чтобы поддерживать мощность потерь низкой.
Подобные схемы, ввиду высокоомных входов компаратора или операционного усилителя, подвержены ошибочным определениям сетевых переходов через нуль. Источником подобных ошибочных определений могут быть электромагнитные помехи или помехи в сети. При этом может произойти, что на входе компаратора или операционного усилителя возникает значение тока, знак которого не соответствует текущему номинальному фазовому положению сетевого напряжения, из-за чего регистрируется ошибочный сетевой переход через нуль.
В основе изобретения лежит задача предложить схемное устройство вышеназванного типа, которое обеспечивает возможность помехоустойчивого определения сетевых переходов через нуль.
В соответствии с изобретением эта задача решается схемным устройством для определения сетевых переходов через нуль сетевого напряжения сети переменного напряжения, причем вызванный сетевым напряжением измерительный ток подается на детектор перехода через нуль для формирования сигнала сетевого перехода через нуль и причем между проводником и нулевым проводником сети переменного напряжения расположен потребитель тока, посредством которого устанавливается ход изменения значения тока для измерительного тока, вызванного сетевым напряжением.
Использование потребителя тока гарантирует, что вклад значения измерительного тока и при низких значениях сетевого напряжения в области сетевых переходов через нуль достаточно высок, чтобы и при помехах, воздействующих на измерительный ток, поддерживать корректный по фазе знак измерительного тока. Если, например, во время положительной сетевой полуволны электромагнитная помеха на входе детектора перехода через нуль вызывает понижение значения измерительного тока, последний, несмотря на это, остается положительным и не приводит к ошибочному определению перехода через нуль.
Таким образом, соответствующее изобретению устройство и в критической области вблизи переходов через нуль сетевого напряжения обеспечивает достаточно высокий измерительный ток, чтобы иметь возможность надежного определения переходов через нуль, не подвергаясь влиянию помех. С другой стороны, за счет соответствующего ограничения измерительного тока в области пиковых значений сетевого напряжения мощность потерь поддерживается низкой.
В предпочтительном выполнении изобретения потребитель тока выполнен как переменный потребитель тока, чтобы оптимизировать мощность потерь за счет изменяемого хода измерительного тока.
При этом, например, является предпочтительным, если обусловленный переменным потребителем тока ход значения тока является обратно пропорциональным ходу сетевого напряжения. Сигнал для управления потребителем тока и, тем самым, для установления хода значения измерительного тока может тогда выводиться непосредственно из хода сетевого напряжения.
Чтобы в области переходов через нуль обеспечить особенно выраженный подъем измерительного тока, является предпочтительным установить соответственно высокий коэффициент пропорциональности и при этом ограничить ход значения измерительного тока для высоких значений сетевого напряжения минимальным значением.
В предпочтительном выполнении схемного устройства потребитель тока включен последовательно с сопротивлением, а параллельно сопротивлению размещен детектор переходов через нуль, выполненный как компаратор или операционный усилитель. Такая схема может быть выполнена с использованием простых компонентов и выдает на выходе детектора переходов через нуль прямоугольный сигнал, высокое значение которого указывает положительную полуволну сетевого напряжения, а низкое значение - отрицательную полуволну сетевого напряжения.
При этом является предпочтительным, если выход компаратора или операционного усилителя соединен с элементом для гальванического разъединения, например, оптроном.
В другом схемном устройстве потребитель тока соединен последовательно с элементом для гальванического разъединения, например, оптроном. В таком устройстве на выходе оптрона приложен инвертированный прямоугольный сигнал. Низкое значение в соответствии с этим показывает положительную полуволну, а высокое значение - отрицательную полуволну сетевого напряжения. Это устройство вырабатывает с использованием малого количества компонентов гальванически разделенный сигнал сетевых переходов через нуль.
Потребитель тока сам выполнен как однонаправленный или двунаправленный потребитель тока, в зависимости от того, какой сигнал переходов через нуль является желательным. В схеме с однонаправленным потребителем тока измерительный ток остается так долго неравным нулю, пока сетевое напряжение больше, чем нуль, или, для формы выполнения с расположенным последовательно с потребителем тока оптроном, сетевое напряжение больше, чем напряжение пропускания оптронного диода.
Кроме того, изобретение относится к преобразователю постоянного тока в переменный, мощный элемент которого управляется в зависимости от сетевых переходов через нуль сетевого напряжения сети переменного напряжения. При этом предусмотрен преобразователь постоянного тока в переменный для подпитки электрической энергии в сеть переменного напряжения, в котором переходы через нуль сетевого напряжения определяются посредством соответствующего изобретению схемного устройства.
Прежде всего, в преобразователях постоянного тока в переменный для подключения альтернативных источников тока к сети переменного тока важно достичь высокого коэффициента полезного действия, чтобы гарантировать экономичность альтернативной генерации тока. Поэтому в мощных элементах подобных преобразователей постоянного тока в переменный используются компоненты с особенно низкими потерями.
Такие компоненты очень чувствительны к ошибочным переключениям фаз и обусловленным этим сетевым коротким замыканиям. Поэтому важно, чтобы сетевые переходы через нуль распознавались надежным образом.
Изобретение поясняется далее на примере со ссылкой на приложенные чертежи, на которых в схематичном представлении показано следующее:
фиг.1 - схемное устройство с делителем напряжения и компаратором (уровень техники),
фиг.2 - схемное устройство согласно фиг.1, дополненное оптроном (уровень техники),
фиг.3 - пример выполнения для соответствующего изобретению схемного устройства с компаратором,
фиг.4 - пример выполнения для соответствующего изобретению схемного устройства с оптроном,
фиг.5 - пример выполнения для соответствующего изобретению схемного устройства с двумя потребителями тока и двумя оптронами,
фиг.6 - управление однонаправленным потребителем тока, управляемым по напряжению или по току,
фиг.7 - графики сигналов при применении однонаправленного потребителя тока,
фиг.8 - управление двунаправленным потребителем тока, управляемым по напряжению или по току,
фиг.9 - графики сигналов при применении двунаправленного потребителя тока.
NETZ
NETZ
NETZ
Фиг.1 показывает простое схемное устройство для определения сетевых переходов через нуль согласно уровню техники. При этом два сопротивления R1 и R2 образуют делитель напряжения между проводником L и нулевым проводником N сети переменного напряжения. Исходя от проводника L, сетевое напряжение U формируется через первое сопротивление R1 и второе сопротивление R2, причем измерительный ток i протекает через сопротивления R1 и R2. Параллельно второму сопротивлению R2 включен компаратор или операционный усилитель в качестве детектора переходов через нуль, на выходе которого приложен сигнал переходов через нуль как прямоугольный сигнал. Высокое значение соответствует положительной полуволне сетевого напряжения U, а низкое значение - отрицательной полуволне сетевого напряжения U. Входы компаратора или операционного усилителя могут защищаться с помощью защитных диодов.
Чтобы получающуюся мощность потерь удерживать малой, оба сопротивления R1 и R2 выполнены, как правило, высокоомными (например, от 200 кОм до 300 кОм для первого сопротивления R1 и от 2 кОм до 5 кОм для второго сопротивления R2). При сети переменного напряжения 230 В отсюда получается максимальная общая мощность потерь порядка 0,26 Вт (без учета защитных диодов).
NETZ
NETZ
Для измерительного тока i получается тем самым при пиковом значении сетевого напряжения U значение 1,61 мА (без учета защитных диодов), а в области перехода через нуль при сетевом напряжении U, равном 1 В, значение 5 мкА (без учета защитных диодов).
На фиг.2 вновь представлена схема согласно уровню техники с делителем напряжения и компаратором или операционным усилителем, причем выход компаратора или операционного усилителя с оптроном ОРТО предусмотрен для гальванического разделения. Так как оптрон ОРТО обуславливает инвертирование сигнала, входы компаратора или операционного усилителя переставляются, так что в качестве сигнала перехода через нуль на выходе оптрона ОРТО приложен тот же сигнал, что и на выходе компаратора или операционного усилителя на фиг.1.
NETZ
Показанные на фиг.1 и 2 схемы согласно уровню техники очень чувствительны к помехам, если сетевое напряжение U приближается к переходу через нуль, и, тем самым, измерительный ток i в делителе напряжения становится очень малым. Тогда достаточны, например, незначительные электромагнитные помехи, которые проникают в высокоомные входные соединения компаратора или операционного усилителя, чтобы вызвать ошибочную оценку компаратора или операционного усилителя. Также даже незначительные помехи в сети могут привести к ошибке при распознавании перехода через нуль, так на основе незначительного измерительного тока i уже помехи незначительной мощности могут привести к смене знака на входе компаратора или операционного усилителя.
Соответствующее изобретению схемное устройство, представленное на фиг.3, не имеет этих недостатков. Это схемное устройство отличается от показанного на фиг.1 тем, что вместо первого сопротивления R1 предусмотрен потребитель 1 тока, т.е. электрическая нагрузка с регулируемым током или напряжением.
NETZ
R
R
NETZ
R
NETZ
R
NETZ
R
NETZ
Потребитель 1 тока в простейшем случае установлен таким образом, что при сетевом напряжении U, не равном нулю, протекает постоянный измерительный ток i. Потребитель 1 тока может при этом быть выполнен как однонаправленный или двунаправленный потребитель тока. В первом случае постоянный измерительный ток i протекает только при положительной (или только при отрицательной) полуволне сетевого напряжения U. Начало или конец фазы нулевого значения измерительного тока i дает при однонаправленном потребителе 1 тока момент времени перехода через нуль сетевого напряжения U. При двунаправленном потребителе 1 тока направление протекания измерительного тока i изменяется на обратное при каждом переходе через нуль сетевого напряжения U. Тем самым, смена знака измерительного тока i показывает момент времени перехода через нуль сетевого напряжения U.
F
NETZ
F
NETZ
Другое соответствующее изобретению схемное устройство представлено на фиг.4. При этом потребитель 1 тока включен последовательно с диодом D и оптроном OPTO в качестве детектора перехода через нуль между проводником L и нулевым проводником N сети переменного напряжения. Через это последовательное соединение в простейшем случае вновь протекает постоянный измерительный ток i, когда сетевое напряжение U больше, чем сумма напряжения пропускания диода D и напряжения пропускания диода оптрона ОРТО. Начало или конец фазы нулевого значения измерительного тока i показывает при этом переход через нуль сетевого напряжения U. Обусловленные напряжениями пропускания диодов неточности могут компенсироваться далее включенным аналоговым или цифровым блоком компенсации, так как известные напряжения пропускания диодов, как правило, подвержены лишь минимальным изменениям (например, при колебаниях температуры).
NETZ
NETZ
NETZ
FP
NETZ
FN
На отделенном гальванически от входа выходе оптрона ОРТО приложен в соответствии с этим инвертированный сигнал перехода через нуль прямоугольной формы. Высокое значение показывает отрицательную полуволну, а низкое значение - положительную полуволну сетевого напряжения U. Чтобы повысить надежность детектирования сетевых переходов через нуль, для определения отрицательной полуволны и для определения положительной полуволны сетевого напряжения U используется, соответственно, последовательное соединение из преобразователя 1а, 1b тока и оптрона ОРТО1, ОРТО2. Подобное схемное устройство показано на фиг.5. Во время положительной полуволны сетевого напряжения U положительный измерительный ток i протекает через первый оптрон ОРТО1 и первый потребитель 1а тока. Во время отрицательной полуволны сетевого напряжения U отрицательный измерительный ток i протекает через второй потребитель 1b тока и второй оптрон ОРТО2. Выходные сигналы обоих оптронов ОРТО1, ОРТО2 подаются на логическую схему 4, в которой оба сигнала обрабатываются, например, для получения одного определенного сигнала перехода через нуль.
R
F
NETZ
R
F
R
F
NETZ
Таким образом, преимущество соответствующего изобретению схемного устройства заключается в высоком усилении измерительного тока i или i в области переходов через нуль сетевого напряжения U. Из-за высокого измерительного тока i или i в потребителе тока вплоть до непосредственной близости от сетевого перехода через нуль и мгновенного переключения измерительного тока i или i при смене полярности сетевого напряжения U может быть получен существенно более однозначный сигнал перехода через нуль, чем с использованием делителя напряжения согласно уровню техники.
NETZ
NETZ
NETZ
Прежде всего, для преобразователя постоянного тока в переменный является важным, и при подверженных сильным помехам сетях с верхними гармониками в сетевом напряжении U надежно распознавать фактическую полярность (то есть полярность основного колебания) сетевого напряжения U. В зависимости от мощного компонента преобразователя постоянного тока в переменный, уже одно неверное распознавание сетевого перехода через нуль при фактическом сетевом напряжении U в несколько вольт может вызвать ток короткого замыкания, вызывающий повреждение силовых компонентов вследствие неверно включенных мощных транзисторов.
R
F
При этом распознавание сетевых переходов через нуль становится при возрастающем измерительном токе i или i все более надежным по отношению к сетевым помехам. При этом, однако, следует учитывать, что при возрастающем токе через потребитель 1 тока также увеличивается мощность потерь в потребителе 1 тока.
R
F
NETZ
Поэтому в предпочтительном выполнении предусмотрено устанавливать измерительный ток i или i переменным таким образом, что он в области переходов через нуль является высоким, а в области пиковых значений сетевого напряжения U - незначительным. Соответствующий пример для однонаправленного потребителя тока показан на фиг.6 и 7.
NETZ
S
S
NETZ
NETZ
NETZ
S
S
NETZ
Фиг.6 показывает в упрощенном виде обработку сигнала в отдельных элементах соответствующего изобретению схемного устройства. Управляемый по напряжению или по току потребитель 11 тока включен последовательно с детектором 31 переходов через нуль между проводником L и нулевым проводником N сети переменного напряжения. К тому же сетевое напряжение U подается на блок 21 управления потребителя тока. В блоке 21 управления для потребителя тока задается напряжение U потребителя тока как функция U=f(1/U) сетевого напряжения U. Эта функция определяет, например, для сетевого напряжения U, равного нулю, максимальное значение для напряжения U потребителя тока. В дальнейшем процессе напряжение U потребителя тока спадает линейно с возрастанием сетевого напряжения U, причем предусмотрено нижнее ограничение.
S
NETZ
NETZ
В потребителе 11 тока измерительный ток i задается потребителем 11 тока как произведение напряжения U потребителя тока и постоянного коэффициента К. Тем самым, измерительный ток также является результатом функции обратного значения сетевого напряжения U (i=f(1/U)).
NETZ
NETZ
NETZ
Графики сигнала при различных функциях для измерительного тока i=f(1/U) представлены на фиг.7. На диаграммах по абсциссе нанесено время t. Первая диаграмма показывает график сетевого напряжения U во времени t, причем принимается однонаправленный источник тока с направлением пропускания при положительных полуволнах сетевого напряжения U.
NETZ
NETZ
NETZ
Max
NETZ
Min
Пока сетевое напряжение U отрицательно, значение измерительного тока i остается равным нулю. На второй диаграмме представлен график а для измерительного тока i по времени t, причем в основе этого графика а лежит линейная функция измерительного тока i сетевого напряжения U. При переходе через нуль сетевого напряжения U измерительный ток i скачкообразно переходит на заданное максимальное значение i и затем проходит обратно пропорционально графику сетевого напряжения U. К моменту времени достижения максимальной точки сетевого напряжения измерительный ток i достигает минимального значения i.
NETZ
Min
NETZ
Max
Min
Min
На третьей диаграмме представлен график b с линейной функцией измерительного тока i от сетевого напряжения U и с нижним значением i ограничения измерительного тока i. Подобный график b, по сравнению с предыдущим графиком а, обеспечивает более крутое спадание измерительного тока i с возрастанием сетевого напряжения U и, тем самым, снижение мощности потерь. Мощность потерь составляет, например, 0,39 Вт в случае сети переменного напряжения 230 В, если в качестве максимального значения i измеренного напряжения задано 6 мА, а в качестве минимального значения i измеренного напряжения задано 3 мА, и минимальное значение i достигается при значении сетевого напряжения, равном 100 В. Тем самым достигается мощность потерь в диапазоне вышеуказанного примера для схемы согласно уровню техники, в то время как измерительный ток i вблизи сетевых переходов через нуль достигает 1200-кратного значения (6мА/5мкА) измерительного тока согласно уровню техники.
NETZ
На следующей диаграмме представлен график с измерительного тока i по времени t с нелинейной функцией измерительного тока i от сетевого напряжения U.
Обработка сигнала и график сигнала для двунаправленного потребителя тока представлены на фиг.8 и 9.
NETZ
S
NETZ
NETZ
S
На фиг.8 управляемый по напряжению или по току потребитель 12 тока включен последовательно с детектором 32 переходов через нуль между проводником L и нулевым проводником N сети переменного напряжения. Сетевое напряжение U подается на блок 22 управления потребителя 12 тока. В блоке 22 управления формируется напряжение U потребителя тока как функция обратного значения сетевого напряжения U, причем здесь иначе, чем при однонаправленном потребителе тока для обеих полярностей сетевого напряжения U задается функция. На фиг.8 как для отрицательного, так и для положительного значений сетевого напряжения представлены линейные функции с ограничением напряжения U потребителя тока.
S
Напряжение U потребителя тока подается на потребитель 12 тока, причем посредством умножения его на коэффициент К задается график измерительного тока i через потребитель 12 тока.
NETZ
NETZ
NETZ
На фиг.9 вновь представлены три различных примера для графика а, b, c измерительного тока от времени t, обратно пропорционального сетевому напряжению U. При этом график а, b, c, соответствующий конкретной функции f(1/U), задается как для положительной, так и для отрицательной полуволны сетевого напряжения U.
NETZ
Max
Min
NETZ
Min
NETZ
NETZ
Первый график а соответствует линейной функции измерительного тока i от сетевого напряжения U с заданным максимальным значением i и минимальным значением i. В основе второго графика b также лежит линейная функция, причем, однако, для положительной полуволны сетевого напряжения Uзадано положительное значение с минимальным значением i, а для отрицательной полуволны сетевого напряжения U задано отрицательное значение с минимальным значением. В основе третьего приведенного для примера графика с измерительного тока i от времени t лежит нелинейная функция измерительного тока i от сетевого напряжения U.
NETZ
Как для однонаправленного, так и двунаправленного потребителей тока может быть выбрана любая другая функция. При этом следует только принимать во внимание задание высокого измерительного тока в области незначительного сетевого напряжения U при одновременно незначительной мощности потерь через потребитель тока.