一种基于电力线载波通信的负载功率检测电路*

易平波 潘建生 叶云辉 刘志英

(96421部队司令部1) 宝鸡 721012)(南京工业大学城市建设与安全环境学院2) 南京 210009)

1 引言

基于电力线载波通信的城市灯饰控制系统中,控制终端负载能力是一个重要的研究参数。以灯饰控制为例,基于意法半导体公司电力载波通信芯片ST7540开发的某载波数传模块,其负载能力通常为1200W,当超出这一值时会给系统带来较强的干扰,误码大大增加,导致通信不可靠,因此如何设计一个负载功率检测电路,用以检测负载功率大小并对负载功率进行工作区间限定,对于保证控制系统正常工作起着至关重要的作用。现有检测方法多是基于过零检测理论,利用过零检测芯片、反相器和一些与非门组成电路,设计器件多、电路复杂,且功能单一,不适合推广使用[1～4]。本文介绍一种较为简单实用的检测电路。

2 电路原理及结构

本设计采用的检测电路,其原理主要是:负载引起的电流变化,通过线性互感器和后续整流处理,经低通滤波,由PIC单片机对电压值进行编码检测,完成测量参数的计算和处理。

电路结构图如图1所示,主要包括整流互感、电流电压转换、π滤波和电压检测四部分[5～6]。

3 电路参数设计

某基于意法半导体公司电力载波通信芯片ST7540开发的载波数传模块的负载能力阈值为1200W,根据系统需求,结合实际,本设计以1000W负载能力为设计目标。前面提到,本设计的检测电路,主要基于线性互感器和后续整流处理,经低通滤波后,通过PIC单片机对电压值进行检测,完成测量参数的计算和处理。其具体工作原理是:负载端负载功率大小变化会导致线路电流的变化(P=UI),经线性电感可以感应出的与之线性变化的电流值,对感应电流值通过测量电阻转换为电压进行测量,由线性关系,即可得到相应负载端功率的大小值[5]。

图1 负载功率检测电路原理图

本检测电路设计核心在于R1值的确定。不妨设带负载后交流线路上的电流为I,经线性互感整流后的电流I为线性关系,即通过R1的电流为k I(k为常数),则R1上的电压值为k IR1。因此,根据设计思路,当负载端为设计目标阈值1000W时,测试端即R1上的电压值具有最大值,且由于单片机的测试能力为0～5V,此时对应单片机检测值应为5V,其它单片机检测值分别线性对应某负载功率值,通过单片机控制程序把编码值和检测值对应判断,即可完成功率检测全过程。需通过实验数据,选择合适的R1值,以把感应电流转换为0～5V区间的电压值,以满足上述设计思路。为测定合理的参数值,根据试验经验,不妨设R1=2k,其它参数参考π滤波电路有关资料。

4 实验数据分析及结论

根据设计的电路,搭建试验模块,R1=2k时对应不同负载功率得到测试数据如下表前两项,据试验数据,当960W 负载时,检测电压约 2.15V,由于其线性关系,应扩大至5V左右,有R1=2k*5/2.4≈4.65k,结合实际,可取R1=4.7k,重新测试得到数据如表1后两项[5]。

分析测试数据,可发现如下规律:

1)同一模块同一R1值条件下,测试电压值和负载功率值成线性关系。

2)不同一模块同一R1值条件下,同一负载功率下测试电压值基本一致。

3)同一模块不同R1值条件下,同一负载功率下测试电压值比值与R1比值基本一致。

4)不同一模块不同R1值条件下,同一负载功率下测试电压值比值与R1比值基本一致。

5)R1=4.7k,负载功率约1000W 时,测试电压值小于5V。

6)所有线性关系中,与理论值存在一定的误差,但能满足现实需求。

表1 用于确定R1值的实验数据

上述规律是此电路设计原理的反应,表明在工程误差允许范围内,电路设计值达到预期设计要求,设计有效可行。工程实践证明,本设计电路成本低、简单、有效,结合单片机检测和控制处理,能有效在灯饰控制中发挥作用,具有广泛应用的良好前景。

[1]毕卫红,付广伟.电力线载波通信模块设计[J].电子产品世界,2004,27(2):47

[2]孙彧.低压电力线载波通信技术的应用研究[D].上海:上海海事大学,2005:3～5

[3]赵玉玺.基于电力线载波通信技术的照明控制系统开发与实施[D].杭州:浙江大学,2006

[4]王作东.新型FSK电力线收发器ST7540及其应用[J].现在电子技术,2006,13(228):56～61

[5]易平波.基于电力线载波数传模块的城市灯饰控制系统研究与实现[D].电子工程学院,2009:43～45

[6]吴宁.电网络分析与综合[M].北京:科学出版社,2003,8:363～375