一种频率检测装置、方法及电气设备与流程

1.本发明涉及频率检测技术领域，具体而言，涉及一种频率检测装置、方法及电气设备。


背景技术：

2.目前，随着电力电子器件的不断进步与使用，用电也越来越智能化与多样化。电网的质量直接影响着设备安全与控制逻辑。
3.对于三相电路供电系统来说，三相电有相位差，现有的电网频率检测通常是单路频率监控，即检测a、b、c中任一相的频率，在电网三相频率不一致的情况下，无法检测出真实的电网频率，导致频率检测不准。并且，若检测电路检测的是a相，突发频率故障出现在刚检测完一次a相频率后，那么下一次频率检测正好需要一个检测周期，导致三相电网保护不及时。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种频率检测装置、方法及电气设备，以至少解决现有技术中单路频率检测导致频率检测不准且频率保护不及时的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种频率检测装置，包括：电压采样模块、占空比调节模块和主控模块；
6.所述电压采样模块的输入端连接至三相电，所述占空比调节模块的输入端连接至所述电压采样模块的输出端，所述占空比调节模块的输出端连接至所述主控模块；
7.所述电压采样模块用于采样所述三相电中的第一电压信号和第二电压信号；
8.所述占空比调节模块用于将所述第一电压信号和所述第二电压信号集成为一路参考信号；
9.所述主控模块用于根据所述参考信号的频率和占空比进行频率检测。
10.可选的，所述电压采样模块包括：第一比较器和第二比较器；
11.所述第一比较器的同相输入端通过第一电阻连接至第一相线，所述第一比较器的反相输入端通过第二电阻连接至第二相线，所述第一比较器的输出端连接至所述占空比调节模块的第一输入端，所述第一比较器的输出端输出所述第一电压信号对应的方波信号；
12.所述第二比较器的同相输入端通过第三电阻连接至所述第二相线，所述第二比较器的反相输入端通过第四电阻连接至第三相线，所述第二比较器的输出端连接至所述占空比调节模块的第二输入端，所述第二比较器的输出端输出所述第二电压信号对应的方波信号。
13.可选的，所述占空比调节模块包括：第一开关管和第二开关管；
14.所述第一开关管的第一端作为所述占空比调节模块的第一输入端，所述第一开关管的第二端通过第五电阻连接至电源，所述第一开关管的第三端连接至所述第二开关管的第二端；
15.所述第二开关管的第一端作为所述占空比调节模块的第二输入端，所述第二开关管的第二端通过第六电阻连接至所述第二开关管的第三端，所述第二开关管的第三端接地，所述第二开关管的第二端还通过第七电阻连接至所述主控模块的接收端口。
16.可选的，所述第一开关管是mos管或三极管，所述第二开关管是mos管或三极管。
17.可选的，所述频率检测装置还包括：钳位电路，连接至所述占空比调节模块的输出端且连接至所述主控模块的接收端口。
18.可选的，所述钳位电路包括：相串联的第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极连接至电源，所述第一二极管的负极连接至所述第二二极管的正极，所述第二二极管的负极接地，所述第一二极管与所述第二二极管的连接点与所述占空比调节模块的输出端以及所述主控模块的接收端口连接。
19.可选的，所述频率检测装置还包括：保护模块，连接至所述主控模块，用于在所述参考信号的频率异常时执行频率故障保护动作，以及，在所述参考信号的频率正常且所述参考信号的占空比异常时执行三相频率不平衡保护动作。
20.本发明实施例还提供了一种电气设备，包括：本发明实施例所述的频率检测装置。
21.本发明实施例还提供了一种频率检测方法，应用于本发明实施例所述的频率检测装置，所述方法包括：采样三相电中的第一电压信号和第二电压信号；将所述第一电压信号和所述第二电压信号集成为一路参考信号；根据所述参考信号的频率和占空比进行频率检测。
22.可选的，根据所述参考信号的频率和占空比进行频率检测，包括：判断所述参考信号的频率是否处于预设频率范围；若所述参考信号的频率未处于所述预设频率范围，则确定所述第一电压信号的频率异常，并执行频率故障保护动作。
23.可选的，根据所述参考信号的频率和占空比进行频率检测，包括：判断所述参考信号的占空比是否处于预设占空比范围；若所述参考信号的占空比未处于所述预设占空比范围，且所述参考信号的频率处于预设频率范围，则确定所述第二电压信号的频率异常，并执行三相频率不平衡保护动作。
24.可选的，根据所述参考信号的频率和占空比进行频率检测，包括：若所述参考信号的频率处于预设频率范围且所述参考信号的占空比处于预设占空比范围，则确定所述第一电压信号和所述第二电压信号的频率均正常。
25.应用本发明的技术方案，通过电压采样模块采集三相电中的两路电压信号，通过占空比调节模块将两路电压信号集成为一路参考信号，根据该参考信号的频率和占空比能够有效检测两路信号的频率变化，双波检测更精确地反应三相电的频率变化，有效提高频率检测精度和可靠性，提高三相电频率保护的及时性，从而提高了设备使用安全性和稳定性，解决了单路频率检测导致频率检测不准且频率保护不及时的问题。并且，占空比调节模块将一路参考信号传递到主控模块，只需占用主控模块的一个端口，节省主控端口，提高芯片利用率。
附图说明
26.图1是本发明实施例提供的频率检测装置的示意图一；
27.图2是本发明实施例提供的频率检测装置的示意图二；
28.图3是本发明实施例提供的频率检测装置的示意图三；
29.图4是本发明实施例提供的比较器l1和l2输出信号的波形示意图；
30.图5是本发明实施例提供的频率检测方法的流程图；
31.图6是本发明实施例提供的双波校验频率检测的流程图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.本发明实施例提供一种频率检测装置，可以用于检测三相电的频率，例如，可适用于检测三相电网或三相电源等的频率，对于任意频率的三相电均可以实现高精度频率检测和及时保护。如图1所示，该频率检测装置包括：电压采样模块10、占空比调节模块20和主控模块30。
35.电压采样模块10的输入端连接至三相电，占空比调节模块20的输入端连接至电压采样模块10的输出端，占空比调节模块20的输出端连接至主控模块30。
36.电压采样模块10用于采样三相电中的第一电压信号和第二电压信号。第一电压信号和第二电压信号是三相电中相邻两相之间的电压，例如，对于abc三相，第一电压信号是b相与c相之间的电压ubc，第二电压信号是c相与a相之间的电压uca，或者，第一电压信号是a相与b相之间的电压uab，第二电压信号是b相与c相之间的电压ubc。
37.占空比调节模块20用于将第一电压信号和第二电压信号集成为一路参考信号。参考信号能够反映出三相电的频率情况。具体的，三相电中的电压信号是交流正弦信号，电压采样模块10对交流正弦信号进行采样得到方波信号，占空比调节模块20输出的参考信号是矩形波信号。
38.主控模块30用于根据参考信号的频率和占空比进行频率检测。主控模块30可以是dsp芯片。
39.本实施例通过电压采样模块10采集三相电中的两路电压信号，通过占空比调节模块20将两路电压信号集成为一路参考信号，根据该参考信号的频率和占空比能够有效检测两路信号的频率变化，双波检测更精确地反应三相电的频率变化，有效提高频率检测精度和可靠性，提高三相电频率保护的及时性，从而提高了设备使用安全性和稳定性，解决了单路频率检测导致频率检测不准且频率保护不及时的问题。并且，占空比调节模块20将一路参考信号传递到主控模块30，只需占用主控模块30的一个端口，节省主控端口，提高芯片利
用率。
40.电压采样模块10包括：第一比较器l1和第二比较器l2。
41.第一比较器l1的同相输入端通过第一电阻r1连接至第一相线，第一比较器l1的反相输入端通过第二电阻r2连接至第二相线，第一比较器l1的输出端连接至占空比调节模块20的第一输入端，第一比较器l1的输出端输出第一电压信号对应的方波信号。
42.第二比较器l2的同相输入端通过第三电阻r3连接至第二相线，第二比较器l2的反相输入端通过第四电阻r4连接至第三相线，第二比较器l2的输出端连接至占空比调节模块20的第二输入端，第二比较器l2的输出端输出第二电压信号对应的方波信号。
43.其中，第一相线、第二相线和第三相线分别为三相电中的三个相线。例如，第一相线为a相线，第二相线为b相线，第三相线为c相线，则第一电压信号是uab，第二电压信号是ubc。如图2所示，第一比较器l1输出uab对应的方波信号，第二比较器l2输出ubc对应的方波信号。
44.第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4的阻值可以根据实际需求进行设置，第一电阻r1与第二电阻r2的阻值不等，第三电阻r3与第四电阻r4的阻值不等。在实际应用中，第一比较器l1和第二比较器l2可以是配置完全相同的比较器，即，两个比较器的供电电压相同，第一电阻r1与第三电阻r3的阻值相等，第二电阻r2与第四电阻r4的阻值相等。
45.若比较器的同相输入端的值大于反相输入端的值，则比较器输出高电平；若比较器的同相输入端的值小于反相输入端的值，则比较器输出低电平。
46.本实施例通过第一比较器l1和第二比较器l2实现过零检测，将一定频率的交流正弦信号转换为对应的方波信号，实现电压信号采样。
47.参考图2，占空比调节模块20包括：第一开关管g1和第二开关管g2。
48.第一开关管g1的第一端作为占空比调节模块20的第一输入端，第一开关管g1的第二端通过第五电阻r5连接至电源vcc，第一开关管g1的第三端连接至第二开关管g2的第二端。
49.第二开关管g2的第一端作为占空比调节模块20的第二输入端，第二开关管g2的第二端通过第六电阻r6连接至第二开关管g2的第三端，第二开关管g2的第三端接地，第二开关管g2的第二端还通过第七电阻r7连接至主控模块30的接收端口。与主控模块30连接的那一端即为占空比调节模块20的输出端。第六电阻r6的阻值远大于第五电阻r5的阻值。
50.本实施例通过第一开关管g1和第二开关管g2对两路电压信号进行处理，得到一路矩形波信号(即参考信号uout0)传递给主控模块30，通过监控参考信号的占空比与频率，能够提高频率检测精度，快速进行频率故障保护与三相频率不平衡处理，且能够节省主控接口，提高芯片利用率。
51.第一开关管g1可以是mos管或三极管，第二开关管g2可以是mos管或三极管。具体的，开关管的第一端可以是三极管的基极或者mos管的栅极；开关管的第二端可以是三极管的集电极或者mos管的漏极；开关管的第三端可以是三极管的发射极或者mos管的源极。
52.在一个实施例中，频率检测装置还可以包括：钳位电路，连接至占空比调节模块20的输出端且连接至主控模块30的接收端口。主控模块30有输入电压范围要求，钳位电路用于对主控模块30的接收端口的输入电压进行限制，保证输入到主控模块30的电压不超范围且稳定，起到保护主控模块30的作用。
53.如图2所示，钳位电路包括：相串联的第一二极管d1和第二二极管d2，第一二极管d1的正极连接至电源，第一二极管d1的负极连接至第二二极管d2的正极，第二二极管d2的负极接地，第一二极管d1与第二二极管d2的连接点与占空比调节模块20的输出端以及主控模块30的接收端口连接。当然，图2中的钳位电路仅作为一个示例，也可以使用其他器件构成钳位电路。
54.如图3所示，频率检测装置还可以包括：保护模块40，连接至主控模块30，用于在参考信号的频率异常时执行频率故障保护动作，以及，在参考信号的频率正常且参考信号的占空比异常时执行三相频率不平衡保护动作。在图3中，电压采样模块10包括：第一电压信号采样单元11和第二电压信号采样单元12，第一电压信号采样单元11用于采样第一电压信号，相当于上述第一比较器l1；第二电压信号采样单元12用于采样第二电压信号，相当于上述第二比较器l2。
55.其中，参考信号对应有标准的频率和占空比，可以根据所检测的三相电的实际情况进行设置，例如标准频率为50hz，标准占空比为33.33％。为了判断参考信号的频率和占空比是否正常，在标准频率和标准占空比的基础上，允许一定的波动，得到预设频率范围和预设占空比范围，例如，预设频率范围为50hz
±
2hz，预设占空比范围为33.33％
±
1.3％。参考信号的频率未处于预设频率范围，表示参考信号的频率异常；参考信号的占空比未处于预设占空比范围，表示参考信号的占空比异常。
56.如图4所示，l1_out表示l1输出信号，l2_out表示l2输出信号。
57.在t1时，g1导通，g2关断，r5与r6分压，r7起限流作用，uout0＝vcc
×
r6/(r6 r5)，r6阻值远大于r5，uout0为高电平。例如，r5＝1kω，r6＝100kω，uout0＝3.3
×
100/101，近似等于3.3v，对于主控模块30来说，大于1.2v为高电平。
58.在t2时，g1与g2都导通，uout0直接与0v电位点连接，uout0输出为g2管压降，uout0近似等于0v，则uout0为低电平。
59.在t3时，g1断开，g2导通，此时uout0通过r6下拉接地，uout0为低电平。
60.在t4时，g1与g2都关断，此时uout0通过r6下拉接地，uout0为低电平。
61.由此可见，l1输出信号和l2输出信号共同构成参考信号uout0，不管l2输出信号的波形如何变化，只要l1输出信号的频率确定，uout0在t1就是高电平，在t2、t3和t4就是低电平。也就是说，不管l2输出信号的波形如何变化，uout0肯定存在上述t1至t4这四个时间段，上述t1至t4这四个时间段构成一个周期，这个周期正好与l1输出信号的周期是一样的。因此，uout0的频率与l1输出信号的频率是相同的，l2输出信号的波形变化只影响uout0的占空比。
62.示例性的，对于三相电网，uab与ubc为一定频率的正弦信号，通过第一比较器l1与第二比较器l2得到对应的方波信号，若电网正常，则l1输出信号与l2输出信号为相差120
°
相角的方波信号，且频率皆为电网频率，进而参考信号uout0的标准频率为电网频率，标准占空比为33.33％，允许有一定的波动。uab影响检测到的参考信号的频率，ubc影响检测到的参考信号的占空比。
63.若参考信号的频率和占空比均正常，表示第一电压信号和第二电压信号的频率均正常。若参考信号的频率异常，表示第一电压信号的频率异常，此时可以执行频率故障保护动作。若参考信号的频率正常且占空比异常，表示第二电压信号的频率异常，三相电的频率
不平衡，此时可以执行三相频率不平衡保护动作。
64.频率故障保护动作可以包括：断开与三相电连接的主断路器，系统停机，故障代码显示频率故障。三相频率不平衡保护动作可以包括：断开与三相电连接的主断路器，系统停机，报三相频率不平衡故障代码。
65.本实施例根据参考信号的频率和占空比，能够及时有效地判断出频率异常，防止频率检测不到位，并及时执行相应的保护动作。
66.本发明实施例还提供一种电气设备，包括：上述实施例所述的频率检测装置。上述频率检测装置可以应用到各种电力电子频率采样场合和电气设备，例如，变频器或离心机等机组、电器设备、汽车等。
67.本发明实施例还提供一种频率检测方法，应用于上述实施例所述的频率检测装置。与上述实施例相同或相应的术语解释，本实施例不再赘述。
68.图5是本发明实施例提供的频率检测方法的流程图，如图5所示，该方法包括以下步骤：
69.s501，采样三相电中的第一电压信号和第二电压信号。
70.s502，将第一电压信号和第二电压信号集成为一路参考信号。
71.s503，根据参考信号的频率和占空比进行频率检测。
72.其中，第一电压信号和第二电压信号是三相电中相邻两相之间的电压，参考信号能够反映出三相电的频率情况。
73.本实施例通过采集三相电中的两路电压信号，将两路电压信号集成为一路参考信号，根据该参考信号的频率和占空比能够有效检测两路信号的频率变化，双波检测更精确地反应三相电的频率变化，有效提高频率检测精度和可靠性，提高三相电频率保护的及时性，从而提高了设备使用安全性和稳定性，解决了单路频率检测导致频率检测不准且频率保护不及时的问题。
74.根据参考信号的频率和占空比进行频率检测，包括：判断参考信号的频率是否处于预设频率范围；若参考信号的频率未处于预设频率范围，则确定第一电压信号的频率异常，并执行频率故障保护动作。由此能够快速精准检测频率异常，并及时进行保护。
75.根据参考信号的频率和占空比进行频率检测，包括：判断参考信号的占空比是否处于预设占空比范围；若参考信号的占空比未处于预设占空比范围，且参考信号的频率处于预设频率范围，则确定第二电压信号的频率异常，并执行三相频率不平衡保护动作。由此能够快速精准检测出频率不平衡，并及时进行保护。
76.根据参考信号的频率和占空比进行频率检测，包括：若参考信号的频率处于预设频率范围且参考信号的占空比处于预设占空比范围，则确定第一电压信号和第二电压信号的频率均正常，系统或设备正常运行。
77.参考信号的频率是否正常以及参考信号的占空比是否正常的判断顺序可以根据实际情况进行设置，二者可以同时判断，也可以先判断频率后判断占空比，还可以先判断占空比再判断频率。
78.如图6所示，为双波校验频率检测的流程图，包括以下步骤：
79.s601，开始。
80.s602，系统得电故障检测。
81.s603，检测参考信号的频率是否正常，若否，进入s604，若是，进入s605。
82.s604，进行频率故障保护。
83.s605，检测参考信号的占空比是否正常，若否，进入s606，若是，进入s607。
84.s606，系统进行三相频率不平衡保护。
85.s607，系统正常运行。
86.s608，结束。
87.本实施例的双波校验频率检测方案，通过一路信号收集可以有效的检测两路信号的频率变化，极大地提高了主控芯片的功能利用率，实现高精度的频率检测，提高了频率检测精度与保护及时性，提高频率检测的可靠性与控制设备的安全稳定性。对于多种不同频率波形都有校验与保护作用。参考信号uout0波形可以通过示波器直观检测，通过输入两路电压采样，监测uout0波形，可以直观查看占空比与频率变化。
88.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。