一種基于自適應的雙向無隙換流的防晃電裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電網晃電保護技術領域，特別涉及一種基于自適應的雙向無隙換流的 防晃電裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 保證接觸器不脫扣，防止晃電在整個工廠運行中占相當重要的地位，良好的防晃 電裝置不僅可以保證負載運行的可靠性和穩定性，而且能夠提高電力系統運行的經濟性。
[0003] 防晃電技術的提高應從兩方面著手，一是晃電判斷，二是硬件電路結構。目前采用 的晃電判斷算法多為基于正弦函數模型的算法，如果被測波形存在少量的畸變或偏移都將 導致測量誤差，同時算法求解過程復雜，控制芯片運算過程中需要耗費較長時間，閾值的設 定沒有可靠的理論基礎，對調試者的經驗依靠度大，可能出現同一系統在本地使用情況良 好，在其他地方誤動作較多。對于硬件電路結構，現在市場上流行的多為繼電器結構的防晃 電裝置，但是這種類型的防晃電裝置在切換過程中會出現斷流狀況，導致接觸器脫扣。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術存在的不足，本發明提供一種基于自適應的雙向無隙換流的防晃電 裝置及方法。
[0005] 本發明的技術方案是：
[0006] 一種基于自適應的雙向無隙換流的防晃電裝置，包括市電電壓幅值檢測采樣電 路、220V電網電壓電流相位采樣電路、整流模塊、直流降壓模塊電路、單片機主控單元、電源 模塊、高頻變壓器輸出電路、驅動電路、雙向可控硅無隙換流切換主電路和負載電壓電流檢 測電路；
[0007] 電源模塊是用來為負載提供直流電的備用電源；
[0008] 市電電壓幅值檢測采樣電路的輸入端、220V電網電壓電流相位采樣電路的輸入 端、整流模塊的輸入端分別連接至220V電網，市電電壓幅值檢測采樣電路的輸出端連接單 片機主控單元的A/D采樣端口，220V電網電壓電流相位采樣電路的輸出端連接單片機主控 單元的電壓電流相位采樣端口，整流模塊的一路輸出端連接直流降壓模塊電路的輸入端， 直流降壓模塊電路的輸出端連接單片機主控單元的芯片供電端口，驅動電路的輸入端連接 單片機主控單元的使能信號輸出端，整流模塊的另一路輸出端連接電源模塊的輸入端，電 源模塊的輸出端連接高頻變壓器輸出電路的輸入端，驅動電路的輸出端、高頻變壓器輸出 電路的輸出端連接雙向可控硅無隙換流切換主電路的輸入端，負載分別連接雙向可控硅無 隙換流切換主電路的輸出端、負載電壓電流檢測電路、220V電網，負載電壓電流檢測電路還 連接單片機主控單元的采樣端口。
[0009] 所述驅動電路包括繼電器開關量控制信號驅動隔離模塊、雙向可控硅控制信號驅 動隔尚申旲塊；
[0010] 繼電器開關量控制信號驅動隔離模塊用于實現繼電器開關量控制信號與單片機 主控單元的驅動信號間的電氣隔離，從而完成對雙向可控硅無隙換流切換主電路中繼電器 的驅動；
[0011] 雙向可控硅控制信號驅動隔離模塊用于驅動雙向可控硅無隙換流切換主電路中 的交流可控硅晶閘管和直流可控硅晶閘管。
[0012] 所述市電電壓幅值檢測采樣電路用于將220V電網的220V正弦交流電壓轉換為單 片機主控單元能接收的恒為正相的電壓，使得220V正弦交流電壓的相位為正或負時單片 機主控單元均能實時監測到220V電網電壓變化。
[0013] 所述220V電網電壓電流相位采樣電路通過霍爾電流傳感器將雙向可控硅無隙 換流切換主電路的電流相位以高低電平的形式輸入到單片機主控單元中，同時220V電網 電壓電流相位采樣電路將220V電網電壓的相位以高低電平的形式輸入到單片機主控單元 中。
[0014] 所述整流模塊用于將220V的電網電壓整成電壓值為5V的直流電壓輸出至電源模 塊。
[0015] 所述高頻變壓器輸出電路用來輸出+12V的直流電源VDD和-12V的直流電源VEE。
[0016] 所述負載電壓電流檢測電路用來采集負載上的電壓電流值，從而設定雙向可控硅 無隙換流切換主電路回切的時長。
[0017] 所述單片機主控單元用于根據市電電壓幅值檢測采樣電路的采樣信號監測220V 電網是否發生晃電：在220V電網發生晃電時，根據220V電網電壓電流相位采樣電路傳來的 信號判斷此時電流相位，并關斷雙向可控硅無隙換流切換主電路中交流可控硅晶閘管，開 啟與當前電流相位對應的直流可控硅晶閘管；在220V電網電壓恢復正常時，關斷雙向可控 硅無隙換流切換主電路中的直流可控硅晶閘管，開啟與當前電流相位對應的交流可控硅晶 閘管。
[0018] 所述雙向可控硅無隙換流切換主電路完成220V電網與備用電源的切換：當單片 機主控單元監測到220V電網發生晃電時，雙向可控硅無隙換流切換主電路在單片機主控 單元的指令下快速完成電源切換動作，切換至備用電源為負載提供穩定電壓；當220V電網 恢復正常工作時，雙向可控硅無隙換流切換主電路再切換回220V電網供電，從而實現交流 供電與直流供電之間的平滑切換，即無隙換流。
[0019] 所述的基于自適應的雙向無隙換流的防晃電裝置的控制方法，包括以下步驟：
[0020] 步驟1 :負載電壓電流檢測電路采集負載上的電壓電流值，并輸入到單片機主控 單元中，從而設定雙向可控硅無隙換流切換主電路回切的時長；
[0021] 步驟2 :市電電壓幅值檢測采樣電路將220V電網的220V正弦交流電壓轉換為單 片機主控單元能接收的恒為正相的電壓，輸出至單片機主控單元；
[0022] 步驟3 :220V電網電壓電流相位采樣電路通過霍爾電流傳感器將雙向可控硅無隙 換流切換主電路中的電流相位以高低電平的形式輸入到單片機主控單元中，同時220V電 網電壓電流相位采樣電路將220V電網電壓的相位以高低電平的形式輸入到單片機主控單 元中；
[0023] 步驟4 :整流模塊將220V電網電壓整流成5V直流電壓，輸入電源模塊，同時整流 模塊通過直流降壓模塊將5V直流電壓降成3. 3V給單片機主控單元供電；
[0024] 步驟5 :電源模塊通過高頻變壓器輸出電路將5V直流電壓轉換成+12V直流電壓 VDD和-12V直流電壓VEE給驅動電路和雙向可控硅無隙換流切換主電路供電；
[0025] 步驟6:根據市電電壓幅值檢測采樣電路的采樣信號監測220V電網是否發生晃 電：若220V電網的電壓低于標準電壓的80%，則判定220V電網發生晃電，執行步驟7 ;否 貝1J，返回步驟1 ;
[0026] 步驟7:單片機主控單元根據220V電網電壓電流相位采樣電路傳來的信號判斷此 時電壓電流相位，給出使能信號，通過驅動電路關斷雙向可控硅無隙換流切換主電路中交 流可控硅晶閘管，開啟與當前電壓電流相位對應的直流可控硅晶閘管，切換至備用電源，即 電源模塊為負載提供穩定電壓，從而實現交流供電與直流供電之間的平滑切換，即無隙換 流；
[0027] 步驟8:在220V電網電壓恢復正常時，單片機主控單元通過驅動電路關斷雙向可 控硅無隙換流切換主電路中的直流可控硅晶閘管，開啟與當前電壓電流相位對應的交流可 控硅晶閘管，雙向可控硅無隙換流切換主電路再切換回220V電網供電，從而實現直流供電 與交流供電之間的平滑切換，實現晃電保護。
[0028] 有益效果：
[0029] (1)本發明采用交流采樣技術，實現對電網正弦電壓幅值的采樣以及對電壓電流 相位的采樣，同時將負相電壓轉換為正相，將幅值相應的減小至單片機主控單元可承受的 范圍，輸入單片機主控單元中。
[0030] (2)本裝置采用兩進兩出的接線結構，可以不改變原有電路的控制方式和接線。
[0031] (3)采用PIC32MX230F064B高性能芯片作為單片機主控單元，主頻達到40MHz，采 樣時間250us，可以在晃電發生5ms內檢測到并且做出切換動作，保證晃電保護的及時性。
[0032] (4)采用查表比較的晃電檢測方法，相比于以往100ms以上的判斷時間，本發明可 在5ms以內作出晃電判斷，且準確可靠，大大提高了防晃電保護的反應速度。
[0033] (5)采用的基于自適應的雙向可控硅無隙換流結構通過平滑續流的方式很好的避 免了斷流情況的發生，提高了切換可靠性。
[0034] (6)采用旁路式結構將繼電器接入電路中，減少了故障點，同時延長了可控硅的使 用壽命，并且在裝置故障時不影響負載的正常運行。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發明【具體實施方式】的基于自適應的雙向無隙換流的防晃電裝置結構框 圖；
[0036] 圖2為本發明【具體實施方式】的市電電壓幅值檢測采樣電路和220V電網電壓電流 相位采樣電路的電路原理圖；
[0037] 圖3為本發明【具體實施方式】的單片機主控單元引腳圖；
[0038] 圖4為本發明【具體實施方式】的驅動電路原理圖，其中，（a)為繼電器開關量控制信 號驅動隔離模塊電路原理圖；(b)為雙向可控硅控制信號驅動隔離模塊電路原理圖；
[0039] 圖5為本發明【具體實施方式】的雙向可控硅無隙換流切換主電路原理圖；
[0040] 圖6為本發明【具體實施方式】的驅動模塊與雙向可控硅無隙換流切換主電路連接 原理圖；
[0041] 圖7為本發明【具體實施方式】的控制軟件主流程設計流程圖；
[0042] 圖8為本發明【具體實施方式】的基于自適應的雙向無隙換流的防晃電裝置狀態檢 測流程圖；
[0043] 圖9為本發明【具體實施方式】的控制軟件A/D中斷服務子程序對電壓電流信號的采 樣流程圖；
[0044] 圖10為本發明【具體實施方式】的電網電