三相電源相序檢測電路的設計

趙 勇 (長江大學后勤服務集團水電服務中心，湖北 荊州 434023)

佘新平 (長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

三相電源相序檢測電路的設計

趙 勇 (長江大學后勤服務集團水電服務中心，湖北 荊州 434023)

佘新平 (長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

介紹了三相交流電源中相序檢測的基本原理，提出了一種相序檢測的設計方法，設計了相應的硬件電路。該電路由分壓電路、光耦合隔離器、“與”門和單片機組成。在軟件設計中，重點討論了檢測時間的確定方法，并進一步提出了消除噪聲對檢測可能帶來影響的措施，以提高了檢測電路的抗干擾能力。

三相交流電源；相序；相序檢測

目前電能的生產、輸送和分配, 一般都采用對稱三相制。三相交流電源與單相交流電源比具有以下優點:①發電方面。相同尺寸的發電機，三相式比單相式可提高功率50%；②輸電方面。在相同輸電的條件下，三相輸電線路比單相輸電線路節省25%；③配電方面。三相變壓器比單相變壓器更經濟, 在不增加任何設備的情況下, 可供三相或單相負載共同使用；④用電方面。三相電流能產生旋轉磁場, 從而可以制造出結構簡單、性能良好、運行可靠、維護方便的三相異步電動機。三相交流電源的相序對某些設備有直接的影響：只有相同相序的系統才能并聯工作；相序不同, 三相電動機的轉動方向就不同； 相序有錯, 電度表的計量就不準確。因此, 預先確定三相電源的相序就顯得特別重要。三相電相序有2種：正相序和反相序,A相可以任意指定, 但A相一經確定, 比A相滯后120°的就是B相, 比B相滯后120° 的就是C相。判斷的方法有多種, 一般確定三相電動機的相序時，大部分都是通過三相電動機的正反轉來判斷，或者使用雙蹤以上的示波器來確定。筆者提出了一種相序檢測電路的設計方法，通過硬件電路和單片機編程，用直觀的邏輯狀態清楚地顯示實際被測電源的相序和電源斷相等。

1 相序檢測的基本原理

1.1判斷兩相相序即可判斷三相電源的相序

圖1 三相電壓ABC的相序示意圖

設A相電壓相量初相位為0，然后選取第2相為B相，如果檢測出AB為正相序，那么B相的電壓相量滯后A相120°，即B相電壓初相位為-120°；當A、B相都得以確定后，根據三相電源相序對稱原理，可得C相的電壓相量，那么就可以判定A、B、C的相序為ABC，如圖1(a)所示。同樣的方法可以得到相序為ACB的情況，如圖1(b)所示。因此，在三相電壓中任意選取兩相，作正、反相序判斷，就可以判斷三相電源的相序[1]。

1.2正相序和反相序2種情況的分析

三相電壓ABC正相序時的波形如圖2(a)所示，將它們分別轉換為方波后的波形如圖2(b)所示，

將其中A2、B2方波經過“與門”后得到A2B2的波形如圖2(c)所示。由圖可見, 正相序時,A2點出現上升沿后1ms時對應的A2B2波形是低電平[2-3]。

同樣的方法可得到三相電壓ABC反序時的波形如圖3所示，由圖可見, 反相序時,A2點出現上升沿后1ms時對應的A2B2波形是高電平。

圖2 正相序波形示意圖 圖3 反相序波形示意圖

對比圖2(c)和圖3(c)可以看到，通過判斷A2B2波形的高低電平可確定正反相序，因此可以通過單片機進行檢測，當單片機捕獲由A相電壓轉換的方波的上升沿時，發出一個中斷請求，執行某個程序，設定的1ms延時到達后，單片機開始檢測A2B2波形的電平，如果檢測是高電平則說明AB為反相序，如果檢測是低電平則說明AB是正相序。

2 硬件設計

圖4 相序檢測電路的硬件框圖

根據前面介紹的相序檢測的基本原理，相序檢測電路的硬件框圖如圖4所示。在外部三相交流電源的3個輸出端A、B、C中，任選兩相電壓(如A、B)分別通過分壓和分流作用于光耦合隔離器，過零檢測和比較器功能由光耦合隔離器完成，它將三相正弦交流電壓信號轉換為方波信號A2和B2，然后通過“與”門得到A2B2波形[4]。

把A2、A2B2兩個波形輸入單片機進行檢測就可以判斷相序的正反。限于篇幅，不再給出其詳細的電路原理圖。

3 軟件設計

把A2波形經過“非”門整形后的波形下降沿作為起始標志，單片機開中斷，當檢測到標志位時，進入延時1ms子程序，在1ms后去檢測A2B2波形的高、低電平，此時如果A2B2波形是高電平就是反相序，是低電平就是正相序[5]。

圖5 A2B2波形與A2波形時間差示意圖

程序中設置1ms延時的原因如下：由電網頻率50Hz得到正弦波的周期為T=1/50Hz=20ms，一個相位周期為360°對應20ms。因此在轉換的方波中，占空比為1∶1，高、低電平各占用10ms和180°。如圖2(a)中A相的上升過零點與B相的下降過零點相位差為60°(對應時間間隔3.33ms，T1=20ms×60°/360°=3.33ms)，在對應的方波中變成A2波形的上升沿與B2波形的下降沿時間差是3.33ms, 如圖2(b)。由此可得到2種不同情況下A2B2波形與A2波形的時間差如圖5所示。由圖5可知，必須在電平穩定的時間范圍內去判斷高、低電平才能達到正確檢測相序的目的，因此選定的時間范圍“x”一定要滿足0ms

此外，為了進一步提高相序檢測的精度，在上述選定的時間1ms≤x<3.33ms 內對A2B2波形的電平進行多次檢測，只有每次檢測的電平均相同時，才確定該電平是有效電平，從而最終確定相序。通過這種設計消除了噪聲對檢測可能帶來的影響，提高了檢測電路的抗干擾能力。

4 結 語

作為實驗性電路，沒有考慮缺相的問題，但在實際生產中這是必須要考慮的。更重要的是，實際生產中大都要求在相序檢測之后，如果存在問題，必須自動調整相序或是缺相電源的連接。而且在實際電網中，電網的頻率有一定的誤差，這也給實際的操作帶來了很大的難度。因此，該電路與實際生產需求還是有距離的，有待結合單片機的運用和實際生產的情況，在該電路的基礎上研究出對三相電源相序檢測誤差為零的方法。

[1]楊秀雙.程序判別三相電壓相序錯誤的方法[J].工業儀表與自動化裝置，1999(4)：46-47.

[2]王效良，馬思樂.電網相序和缺相監測電路的設計[J].電力系統及其自動化學報，1997(3)：48-51.

[3]張偉林.三相交流電相序檢測電路的計算與仿真驗證[J].電工技術， 2005(9)：71-72.

[4]王棟，劉利.一種基于單片機的相序檢測及電機缺相保護方法[J].電機與控制應用，2006(9)：50-52.

[5]張詠軍，王航宇.一種相序檢測的軟件算法[J].大眾科技，2007(10)：66-67.

[編輯] 易國華

TM933.314

A

1673-1409(2013)25-0077-03

2013-06-09

趙勇(1963-)，男，技師，現主要從事電工技術方面的研究工作。