三相電源相序及電壓超限檢測電路的設計與仿真

楊璐,余仕求 (長江大學電子信息學院,湖北荊州 434023)

三相電源相序及電壓超限檢測電路的設計與仿真

楊璐,余仕求 (長江大學電子信息學院,湖北荊州 434023)

從電工學設計性試驗的角度,用常用電工電子器件設計了三相電源相序及電壓超限檢測和處理電路,該系統主要由三相變壓器,整形濾波電路,邏輯處理電路及窗口比較電路等幾部分組成。用軟件對系統進行了仿真,仿真結果表明該設計是可行的。該設計方法與目前常用的單片機智能化檢測方法相比,是一種純硬件式的試驗方法,電路簡單,具有一定的實際意義。

三相交流電;相序;電壓超限

1 電路總體方案設計

1.1 相序檢測基本原理

如圖1所示,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°;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的相序為正相序ABC。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]。

圖1 三相電源ABC的相序示意圖

1.2 系統設計原理

電路原理框圖如圖1所示。按功能來分,電路分3部分,分別如圖2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所示。

電路Ⅰ功能是將三相電壓ABC接入變壓器并進行降壓,變壓器輸出三相電壓abc作為Ⅱ、Ⅲ電路的輸入。

電路Ⅱ完成相序判斷功能。將三相電壓信號abc分別進行整形得到三路180°方波信號,其相位互差120°。用一個D觸發器檢測兩個信號的相位關系[2],原理如圖3所示。當A超前B時,Q為高電平,否則Q為低電平(QN+1= DN)。同樣道理,用另2個D觸發器分別檢測B和C、C和A的相位關系。若相序是ABC,則這3個D觸發器輸出都為高電平,若相序是CBA,則這3個D觸發器輸出都為低電平,然后用邏輯門將這三個電平信號相“與”,輸出結果用指示燈表示。當三相電壓相序與默認的相序一致時,正相序與門輸出為高,綠色指示燈亮,表示電源相序為ABC。若反相序則與門輸出為低,紅色指示燈亮,表示電源相序為CBA,這樣就可以確定ABC三相的相序了。

電路Ⅲ完成某相電壓超限的指示功能。將某相電壓進行整流濾波,得到直流電壓[3]。放大隔離電路對直流電壓進行整定隔離,整定后的電壓作為窗口比較器的輸入。電壓超限電路原理框圖如圖4所示。上門限電壓U1與被測電壓的上限電壓值相對應,下門限電壓U2與被測電壓的下限電壓值相對應。當被測電壓值在其上限值和下限值范圍內,窗口比較器輸出U0低電平,否則,窗口比較器輸出U0高電平。窗口比較器輸出電壓明確判斷了被測電壓是否超限,其結果可用指示燈表示。

圖2 電路設計原理框圖

2 硬件電路設計

圖5所示三相電源ABC經過三相變壓器變成abc,其中ab 2路信號經過整形單元及三極管組成的電平轉換單元[4]輸入到D觸發器,如果是正相序,說明A相超前于B相,則D1二極管亮,否則D2二極管亮。同理分別比較三相變壓器的b路和c路信號,c路與a路信號,得出相同的結論。最后再將3次檢驗的結果進行邏輯“與”,得到三相電源的相序測試結果。

圖3 ABC相位關系檢測原理圖

圖6所示是電壓超限檢測電路,某一相正弦交流信號經過整流濾波及放大隔離單元電路變成一個直流信號輸入到窗口比較器單元,最后比較結果通過發光二極管體現出來,如果三相電壓中某相電壓超限(超過額定電壓10%或低于額定電壓10%)時,D1指示燈亮;反之,電壓正常D2指示燈亮,表示電壓在±10%以內。

3 仿真結果

圖4 電壓超限原理框圖

3.1 相序檢測仿真結果

如圖7所示,虛擬示波器顯示a,b 2路正弦波信號,經過整形電路輸出了2路方波,若a超前于b則表示相序是正相序,D觸發器輸出高電平。同理依次檢測bc,ca相,若都是正相序則D觸發器都輸出為高,最后三路信號經過與門輸出高電平,綠色指示燈亮,表示此時相序為正相序ABC。若其中有一路D觸發器檢測到是低電平,表示相序為反相序CBA,則紅色指示燈亮。圖7顯示的是其中正相序經過整形以后的波形結果,圖8顯示的是反相序經過整形以后的波形結果,可以直觀的看到相序。

3.2 電壓超限仿真結果

圖5 相序檢測電路

如表1所示,根據圖2所示的電路Ⅲ,筆者用一定額度的直流信號模擬其中某相電源的整流濾波輸出結果,并與窗口比較器設置的門限電壓值進行比較,如果在這個范圍以內,則綠色指示燈亮表示電壓正常,反之紅色指示燈亮起表示電壓超限。

表1 電壓超限檢測結果

圖7 正相序輸出仿真結果圖

圖8 反相序輸出仿真結果圖

4 結語

筆者提出了針對三相交流電的數字化相位檢測系統,可以檢測電源正、反相序及電壓是否過高,這種檢測方法與傳統的單片機智能化檢測方法相比更方便直觀。作為試驗性的電路,筆者并沒有考慮缺相和平衡性的問題,但是在實際生產中必須要考慮到。試驗結果證明了筆者所提出的相位檢測方法是準確可行的。

[1]李利明.一種簡易三相交流電相序測量方法[J].有色金屬加工,2013(8):62-63.

[2]黃嵐,高澤涵.一種相位測量計算機接口的電路設計[J].現代電子技術,1996(4):15-18.

[3]謝自美.電子線路設計·實驗·測試[M].武漢:華中科技大學出版社,2000.

[4]康華光.電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,1999.

[編輯] 洪云飛

TM7 2 1

A

1673-1409(2014)22-0055-03

2014-04-23

楊璐(1 9 8 6-),女,碩士,實驗師,現主要從事電工電子技術方面的教學與研究工作。