基于正弦实时比对原理的EPS快速切换电路及切换方法与流程

本发明属于电子电路领域，涉及备用电源技术，具体涉及一种基于正弦实时比对原理的eps快速切换电路及切换方法。

背景技术：

eps(emergencypowersupply,紧急电源)电源是当今重要建筑物中，为了应急照明、事故照明、消防设施而采用的一种应急电源。在体育场馆多数使用的是金卤灯、高压钠灯等照明灯具，这类照明灯具有个共同特点是对应急电源的切换速度要快，一般小于3毫秒，否则这类灯具会因为掉电造成灯具重启，然后重启速度相当的慢，从而造成照明中断，影响赛事，通常的做法是用ups（uninterruptiblepowersystem/uninterruptiblepowersupply,不间断电源）来代替eps，虽然ups切换时间满足了要求，但ups电力效率则大大下降，造成电力的大量浪费，且ups的维护成本相对eps要高很多。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的技术缺陷，本发明公开了一种基于正弦实时比对原理的eps快速切换电路及切换方法。

本发明所述基于正弦实时比对原理的eps快速切换电路,包括ad转换器,所述ad转换器输入端通过采样电路与三相市电和三相应急电源连接,所述ad转换器的输出端与主控芯片信号连接,所述主控芯片输出信号通过光耦开关与切换开关控制连接，所述切换开关包括两个输入端和一个输出端，两个输入端分别连接三相市电和三相应急电源。

优选的，还包括电源管理芯片,所述电源管理芯片输出端与所述单片机和ad转换器的供电端连接。

优选的，所述采样电路包括多个采样单元,每一采样单元与三相市电和三相应急电源的一个单相输出端连接,所述采样单元包括并联在单相输出端和n端之间的第一电阻和分压支路,所述分压支路包括依次串联的第二电阻,采样电容和第三电阻,所述第二电阻和采样电容的公共端作为所述采样单元的输出端。

优选的，所述ad转换器为ad7606,所述单片机为m0516lbn。

优选的，还包括与单片机信号连接的通信芯片。

优选的，所述切换开关具体为受单片机控制的可控硅光耦器件。

本发明还公开了一种基于正弦实时比对原理的eps快速切换方法,其特征在于，包括如下步骤：

s1将交流市电波形与预先存储的标准市电波形进行比较，根据比较结果判断交流市电波形是否正常；

s2将交流市电波形与eps三相应急电源进行比较，根据比较结果判断交流市电波形与eps三相应急电源是否相位误差符合标准；

步骤s1中判断不正常且步骤s2中判断符合标准，则进行切换，将供电从市电切换为eps三相应急电源，否则不切换。

优选的，所述步骤s1中的具体比较判断方法为：

确定标准市电波形的时间原点，在标准市电波形上选择多个时间点，并存储各个点的电压幅值和时间间隔；

以时间原点为起点，对输入波形上对应时间点的电压幅值逐点进行检测并与标准市电波形上对应时间点的电压幅值进行比较，差值未超过预设阈值，则继续检测下一点，任一点的差值超过预设阈值则判断交流市电波形不正常。

优选的，所述步骤s2中的具体比较判断方法为：

确定任意一个交流市电电压为零时的时间点，并比较交流市电与最近一个eps三相交流电二者电压为零时的时间点是否重合或误差小于预设的时间阈值；

是则继续分别检测交流市电与eps三相交流电下一个电压为零时的时间点，继续判断二者时间点是否重合或误差小于阈值；

是则取以上两个为零时间点的时间中值的电压值，判断两个电压值是否相等或二者差值小于预设阈值；

以上三步判断均符合则认为相位相同，否则认为相位不同。

本发明所述基于正弦实时比对原理的eps快速切换电路及切换方法，可以实时检测输入市电信号是否异常及eps电源与市电的同步情况，并可通过可控硅器件快速将市电输出切换为应急输出，从而实现市电与应急的快速切换，满足金卤灯、高压钠灯等特殊灯具的不掉电切换条件。

附图说明

图1为本发明所述快速切换电路的一种具体实施方式结构示意图；

图2为本发明所述采样单元的一种具体实施方式示意图；

图3为本发明所述电源管理芯片的一种具体连接方式示意图；

图4为本发明所述切换开关的一种具体实施方式示意图；

图5为本发明所述标准波形和输入波形进行比对的示意图；

图中附图标记名称为：in：输入端，r1-第一电阻、r2-第二电阻、c-电容、r3-第三电阻、outp-正相输出端、outn-负相输出端,vin12-输入12v直流电压,v5-输出5v直流电压,g-光耦开关，k-切换开关，vo-输出电源。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明所述基于正弦实时比对原理的eps快速切换电路,包括ad转换器,所述ad转换器输入端通过采样电路与三相市电和三相应急电源连接,所述ad转换器的输出端与主控芯片信号连接,所述主控芯片输出信号通过光耦开关g与切换开关k控制连接。

ad转换器对交流市电和eps三相应急电源进行采样，如图1所示，其中r、s、t和u、v、w分别表示交流市电的三相和eps电源的三相，每一相首先通过采样电路中的一个采样单元分压并降低输出电压后，再输入到ad转换器。所述采样电路包括多个采样单元,每一采样单元与三相市电和三相应急电源的一个单相输出端连接。

采样单元的一个具体实施方式如图2所示，所述采样单元包括并联在单相输出端和n端之间的第一电阻和分压支路,所述分压支路包括依次串联的第二电阻,采样电容和第三电阻,所述第二电阻和采样电容的公共端作为所述采样单元的输出端。

信号从输入端in进入后，通过第二电阻、电容和第三电阻的分压后，分别从正相输出端outp和负相输出端outn输出并连接到ad转换器。采用上述采样单元对交流正弦波信号进行分压并可以直接捕获波形进行后续检测。

切换电路中还包括电源管理芯片,所述电源管理芯片输出端与所述单片机和ad转换器的供电端连接,如图3所示,采用电源管理芯片lm7805将输入输入12v直流电压vin12转化为输出5v直流电压v5供单片机和ad转换器使用。图1所示的具体实施方式中，还包括与单片机信号连接的通信芯片max485,采用的是rs485通讯，将数据信息传递给外部显示单元。

一个具体实施方式为：ad转换器采用16位的ad7606，三相市电、三相应急电源的采样通道分别为r+r-,s+s-,t+t-,u+u-,v+v-,w+w-进行双极性输入、同步采样，采样结果输入到单片机中，单片机可以采用m0516lbn。

其中ad转换器根据ad7606产品说明书，通常以其第49-64脚中的12个作为上述三相市电、三相应急电源的各相采样通道信号输入，以其第16-33脚中的16个引脚作为转换后的信号输出，并连接至单片机m0516lbn说明书所标注的第1-3，19-23，25-27，43-47等十六个引脚中。

单片机同时输入交流市电和eps三相应急电源后，可以直接进行简单比较二者波形是否均与标准市电波形重叠，从而简单判断出输入市电波形是否正常，eps三相电源波形是否正常及与输入市电波形是否相位相同。

也可以将波形与上一周期的波形进行重复性对比，波形基本重叠，则认为波形正常。

也可以采用如下方式进行判断比对：

单片机同时输入交流市电和eps三相应急电源进行采样并进行如下比对：

s1将交流市电波形与预先存储的标准市电波形进行比较，根据比较结果判断交流市电波形是否正常；

s2将交流市电波形与eps三相应急电源进行比较，根据比较结果判断交流市电波形与eps三相应急电源是否相位误差符合标准；

所述步骤s1中，需要先采集标准的市电波形，并取一个完整的正弦波周期波形，在这个完整的正弦波周期波形上选择多个点，并存储各个点的电压幅值和时间间隔；如图5所示，横坐标为时间，纵坐标为电压幅值。

例如标准波形上选择有a1，a2，a3，a4四个点，时间间隔分别为t1，t2，t3，以电压值为零时作为时间原点，a1点距离原点的时间差为t0。

当检测到输入波形时，同样以电压值为零时作为时间原点，当时间差到达t0时，比对此时输入波形上b1点与a1点的电压幅值，检查二者差值是否超过预设的阈值，未超过阈值则继续间隔时间t1，t2，t3，分别检测输入波形上b2，b3，b4，继续逐点核对与标准波形上对应时间间隔的a2，a3，a4点的电压幅值差值是否超过预设阈值，任意一点超过阈值则可以判断交流市电波形不正常；预设阈值根据供电设备需要精度确定，例如可以是10-100毫伏范围内或电压峰值的1%以内。

实际检测中，可以直接检测出当前市电上各个时间点的瞬时电压值，根据交流电瞬时电压值与最大值um的数学换算关系,可以换算出交流最大值um，再换算成有效值,可以再据此通过与标准波形上电压值的对比进行判断。

对于交流电相位判断，一般以交流电瞬时值为零时并结合当前电压变化趋势进行相位零点判断，步骤s2中，对于交流市电波形与eps三相应急电源的相位误差判断可以采用如下方式进行：

首先确定任意一个电压为零时的时间点，如图5中的原点，比较交流市电与最近一个eps三相交流电二者电压为零时的时间点是否重合或误差小于预设的时间阈值，是则继续检测二者下一个电压为零时的时间点是否重合或误差小于阈值，仍然是则取两个为零时间点的时间中值的电压值是否相等或二者差值小于预设阈值，该阈值可以参考前述的电压预设阈值设定；以上三步判断均符合则认为相位相同，任意一步不符合则认为相位不同。时间阈值根据采样精度和电网稳定性等综合判断确定，一般可以设置为1-50微秒内。

如图5所示，可以首先以时间零点作为电压为零时的时间点，判断交流市电与eps三相交流电二者时间上是否重合或小于时间阈值；

随后，继续寻找交流市电与eps三相交流电相对零点的下一个最近的电压为零时的时间点，如图5所示分别为a4点和b4点，判断a4点和b4点时间上是否重合或小于时间阈值；

最后，再判断原点与a4点的时间中点，和原点与b4点的时间中点，如图5所示分别为a2和b2点的电压值是否相等或二者差值是否小于预设阈值

一个具体的实施方式为：步骤s1和s2中将采样频率设置为3khz,在半个交流周期中,采样交流瞬时电压值共30个点，采样点时间间隔为0.3333ms，采样时间间隔越小越精确，但对器件或算法的采样运算速度要求较高。

当步骤s1检测到输入市电波形与标准波形不一致时，再检测输入市电波形与eps三相应急电源的相位是否一致，一致则进行切换，不一致则可以调整eps三相应急电源相位后再进行电源切换,通过切换开关k将eps三相应急电源输出到输出电源vo。

所述切换开关具体为受单片机控制的可控硅光耦器件，当选择市电运行的时候，与市电连接的一组可控硅光耦器件导通，与ups电源连接的一组可控硅光耦截止，可控硅光耦器件的的信号来自于单片机，如图4所示，第一脚p1和第二脚p2分别连接单片机和地，第三脚p3和第四脚p4分别连接市电或ups电源及输出电源，通过单片机输出信号的高低电平，使光耦器件导通或关闭，图中的电阻为限流电阻。

本发明所述基于正弦实时比对原理的eps快速切换电路及切换方法，可以实时检测输入市电信号是否异常及eps电源与市电的同步情况，并可通过可控硅器件快速将市电输出切换为应急输出，从而实现市电与应急的快速切换，满足金卤灯、高压钠灯等特殊灯具的不掉电切换条件。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。