一种基于自适应的双向无隙换流的防晃电装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电网晃电保护技术领域，特别涉及一种基于自适应的双向无隙换流的 防晃电装置及方法。
【背景技术】
[0002] 保证接触器不脱扣，防止晃电在整个工厂运行中占相当重要的地位，良好的防晃 电装置不仅可以保证负载运行的可靠性和稳定性，而且能够提高电力系统运行的经济性。
[0003] 防晃电技术的提高应从两方面着手，一是晃电判断，二是硬件电路结构。目前采用 的晃电判断算法多为基于正弦函数模型的算法，如果被测波形存在少量的畸变或偏移都将 导致测量误差，同时算法求解过程复杂，控制芯片运算过程中需要耗费较长时间，阈值的设 定没有可靠的理论基础，对调试者的经验依靠度大，可能出现同一系统在本地使用情况良 好，在其他地方误动作较多。对于硬件电路结构，现在市场上流行的多为继电器结构的防晃 电装置，但是这种类型的防晃电装置在切换过程中会出现断流状况，导致接触器脱扣。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于自适应的双向无隙换流的防晃电 装置及方法。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 一种基于自适应的双向无隙换流的防晃电装置，包括市电电压幅值检测采样电 路、220V电网电压电流相位采样电路、整流模块、直流降压模块电路、单片机主控单元、电源 模块、高频变压器输出电路、驱动电路、双向可控硅无隙换流切换主电路和负载电压电流检 测电路；
[0007] 电源模块是用来为负载提供直流电的备用电源；
[0008] 市电电压幅值检测采样电路的输入端、220V电网电压电流相位采样电路的输入 端、整流模块的输入端分别连接至220V电网，市电电压幅值检测采样电路的输出端连接单 片机主控单元的A/D采样端口，220V电网电压电流相位采样电路的输出端连接单片机主控 单元的电压电流相位采样端口，整流模块的一路输出端连接直流降压模块电路的输入端， 直流降压模块电路的输出端连接单片机主控单元的芯片供电端口，驱动电路的输入端连接 单片机主控单元的使能信号输出端，整流模块的另一路输出端连接电源模块的输入端，电 源模块的输出端连接高频变压器输出电路的输入端，驱动电路的输出端、高频变压器输出 电路的输出端连接双向可控硅无隙换流切换主电路的输入端，负载分别连接双向可控硅无 隙换流切换主电路的输出端、负载电压电流检测电路、220V电网，负载电压电流检测电路还 连接单片机主控单元的采样端口。
[0009] 所述驱动电路包括继电器开关量控制信号驱动隔离模块、双向可控硅控制信号驱 动隔尚申旲块；
[0010] 继电器开关量控制信号驱动隔离模块用于实现继电器开关量控制信号与单片机 主控单元的驱动信号间的电气隔离，从而完成对双向可控硅无隙换流切换主电路中继电器 的驱动；
[0011] 双向可控硅控制信号驱动隔离模块用于驱动双向可控硅无隙换流切换主电路中 的交流可控硅晶闸管和直流可控硅晶闸管。
[0012] 所述市电电压幅值检测采样电路用于将220V电网的220V正弦交流电压转换为单 片机主控单元能接收的恒为正相的电压，使得220V正弦交流电压的相位为正或负时单片 机主控单元均能实时监测到220V电网电压变化。
[0013] 所述220V电网电压电流相位采样电路通过霍尔电流传感器将双向可控硅无隙 换流切换主电路的电流相位以高低电平的形式输入到单片机主控单元中，同时220V电网 电压电流相位采样电路将220V电网电压的相位以高低电平的形式输入到单片机主控单元 中。
[0014] 所述整流模块用于将220V的电网电压整成电压值为5V的直流电压输出至电源模 块。
[0015] 所述高频变压器输出电路用来输出+12V的直流电源VDD和-12V的直流电源VEE。
[0016] 所述负载电压电流检测电路用来采集负载上的电压电流值，从而设定双向可控硅 无隙换流切换主电路回切的时长。
[0017] 所述单片机主控单元用于根据市电电压幅值检测采样电路的采样信号监测220V 电网是否发生晃电：在220V电网发生晃电时，根据220V电网电压电流相位采样电路传来的 信号判断此时电流相位，并关断双向可控硅无隙换流切换主电路中交流可控硅晶闸管，开 启与当前电流相位对应的直流可控硅晶闸管；在220V电网电压恢复正常时，关断双向可控 硅无隙换流切换主电路中的直流可控硅晶闸管，开启与当前电流相位对应的交流可控硅晶 闸管。
[0018] 所述双向可控硅无隙换流切换主电路完成220V电网与备用电源的切换：当单片 机主控单元监测到220V电网发生晃电时，双向可控硅无隙换流切换主电路在单片机主控 单元的指令下快速完成电源切换动作，切换至备用电源为负载提供稳定电压；当220V电网 恢复正常工作时，双向可控硅无隙换流切换主电路再切换回220V电网供电，从而实现交流 供电与直流供电之间的平滑切换，即无隙换流。
[0019] 所述的基于自适应的双向无隙换流的防晃电装置的控制方法，包括以下步骤：
[0020] 步骤1 :负载电压电流检测电路采集负载上的电压电流值，并输入到单片机主控 单元中，从而设定双向可控硅无隙换流切换主电路回切的时长；
[0021] 步骤2 :市电电压幅值检测采样电路将220V电网的220V正弦交流电压转换为单 片机主控单元能接收的恒为正相的电压，输出至单片机主控单元；
[0022] 步骤3 :220V电网电压电流相位采样电路通过霍尔电流传感器将双向可控硅无隙 换流切换主电路中的电流相位以高低电平的形式输入到单片机主控单元中，同时220V电 网电压电流相位采样电路将220V电网电压的相位以高低电平的形式输入到单片机主控单 元中；
[0023] 步骤4 :整流模块将220V电网电压整流成5V直流电压，输入电源模块，同时整流 模块通过直流降压模块将5V直流电压降成3. 3V给单片机主控单元供电；
[0024] 步骤5 :电源模块通过高频变压器输出电路将5V直流电压转换成+12V直流电压 VDD和-12V直流电压VEE给驱动电路和双向可控硅无隙换流切换主电路供电；
[0025] 步骤6:根据市电电压幅值检测采样电路的采样信号监测220V电网是否发生晃 电：若220V电网的电压低于标准电压的80%，则判定220V电网发生晃电，执行步骤7 ;否 贝1J，返回步骤1 ;
[0026] 步骤7:单片机主控单元根据220V电网电压电流相位采样电路传来的信号判断此 时电压电流相位，给出使能信号，通过驱动电路关断双向可控硅无隙换流切换主电路中交 流可控硅晶闸管，开启与当前电压电流相位对应的直流可控硅晶闸管，切换至备用电源，即 电源模块为负载提供稳定电压，从而实现交流供电与直流供电之间的平滑切换，即无隙换 流；
[0027] 步骤8:在220V电网电压恢复正常时，单片机主控单元通过驱动电路关断双向可 控硅无隙换流切换主电路中的直流可控硅晶闸管，开启与当前电压电流相位对应的交流可 控硅晶闸管，双向可控硅无隙换流切换主电路再切换回220V电网供电，从而实现直流供电 与交流供电之间的平滑切换，实现晃电保护。
[0028] 有益效果：
[0029] (1)本发明采用交流采样技术，实现对电网正弦电压幅值的采样以及对电压电流 相位的采样，同时将负相电压转换为正相，将幅值相应的减小至单片机主控单元可承受的 范围，输入单片机主控单元中。
[0030] (2)本装置采用两进两出的接线结构，可以不改变原有电路的控制方式和接线。
[0031] (3)采用PIC32MX230F064B高性能芯片作为单片机主控单元，主频达到40MHz，采 样时间250us，可以在晃电发生5ms内检测到并且做出切换动作，保证晃电保护的及时性。
[0032] (4)采用查表比较的晃电检测方法，相比于以往100ms以上的判断时间，本发明可 在5ms以内作出晃电判断，且准确可靠，大大提高了防晃电保护的反应速度。
[0033] (5)采用的基于自适应的双向可控硅无隙换流结构通过平滑续流的方式很好的避 免了断流情况的发生，提高了切换可靠性。
[0034] (6)采用旁路式结构将继电器接入电路中，减少了故障点，同时延长了可控硅的使 用寿命，并且在装置故障时不影响负载的正常运行。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明【具体实施方式】的基于自适应的双向无隙换流的防晃电装置结构框 图；
[0036] 图2为本发明【具体实施方式】的市电电压幅值检测采样电路和220V电网电压电流 相位采样电路的电路原理图；
[0037] 图3为本发明【具体实施方式】的单片机主控单元引脚图；
[0038] 图4为本发明【具体实施方式】的驱动电路原理图，其中，（a)为继电器开关量控制信 号驱动隔离模块电路原理图；(b)为双向可控硅控制信号驱动隔离模块电路原理图；
[0039] 图5为本发明【具体实施方式】的双向可控硅无隙换流切换主电路原理图；
[0040] 图6为本发明【具体实施方式】的驱动模块与双向可控硅无隙换流切换主电路连接 原理图；
[0041] 图7为本发明【具体实施方式】的控制软件主流程设计流程图；
[0042] 图8为本发明【具体实施方式】的基于自适应的双向无隙换流的防晃电装置状态检 测流程图；
[0043] 图9为本发明【具体实施方式】的控制软件A/D中断服务子程序对电压电流信号的采 样流程图；
[0044] 图10为本发明【具体实施方式】的电网电