電路時序設計引起的缺逆相保護故障案例淺析

賴海龍 周天翊 董子祺

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

在各種類型的電機中,直流電機因良好的啟動性能、制動性能和調速性能而在航天、工業、數字化控制等領域得到了廣泛應用[1]。隨著技術發展，一些產品在升級換代過程中，原本使用的交流電機正在被逐步替換為直流電機，但實際開發設計過程中，如不系統地對此進行全面技術評估，往往容易忽略一些設計細節，導致產品出現問題。比如在進行直流母線電容的選型方面，由于大電容儲能較大，即使輸入電源斷開后，仍能保證后級電路工作一段時間，這就可能會產生供電時序的設計問題。

下面，本文以某電器設備上出現的一單供電時序引起的缺逆相保護問題為例進行分析。

1 電器設備報缺逆相保護問題

某電器設備在產品升級中將原來交流電機改為直流電機，在進行研發試驗時，發現在斷電上電過程中，設備的顯示器上會出現缺逆相保護故障。

1.1 問題定位

檢查供電箱，電源線接線牢固，且正常運行時，未出現過缺逆相保護，初步排除電源供電問題，為了進一步分析，對運行過程中斷電報缺逆相故障設計如表1的實驗方法進行驗證。

表1 運行過程中斷電缺逆相保護測試

經過多次復測發現，如表1結論，正常相序供電的情況下，正常運行斷電至20 s前出現異常的缺逆相保護故障。從電路原理分析，相序檢測輸入到主控芯片的邏輯信號必須在有三相交流電時才有檢測信號，三相電斷開則無檢測信號，所以分析斷電后，即三相交流電壓信號消失后，主控板相序檢測仍在檢測判斷，滿足缺逆相保護檢測條件，從而誤報缺逆相保護。

1.2 相序檢測原理分析

在日常生活中，電氣設備中所有電動機的正反轉都會隨著三相交流電的相序不同而發生改變。準確地測量和判斷三相交流電的相序，對于電氣控制設備的正確運行起著特別重要的作用[2]。在電路系統中，為避免三相供電設備因為電源錯相、缺相導致的事故或設備損壞，一般會設置缺逆相保護電路。該電路常常使用光耦隔離過零檢測的方式配合IC芯片進行缺逆相判斷，以下對電器設備的相序檢測電路及功能進行分析。

如圖1所示，端口IO4/IO5/IO6為三相電壓輸入，端口IO1/IO2/IO3為檢測電平信號輸出，由電阻分壓降壓通過光耦隔離，在光耦副邊上輸出正半波時序，正半波時序通過主控芯片采樣分析判斷是否出現缺相、逆相情況。

圖1 相序檢測電路

在圖1電路中，前端電阻用于分壓降壓，R7、R8、R9為偏置電阻，為光耦導通提供電流。二極管為整流作用，僅在正半波使光耦原邊導通，輸入到主芯片的為+5 V邏輯電平。

1.3 軟件邏輯分析

在該電器設備中，其缺逆相保護程序運行邏輯如圖2所示。當首次上電時，連續1 s檢測到缺、逆相，則報缺逆相保護，此時會關閉所有負載，停機處理，需連續30 s檢測到故障消除，才允許恢復運行。設備待機或運行過程中，連續1 s檢測到缺逆相，則報缺逆相保護，關閉所有負載，按保護停機處理。如果連續30 s檢測到故障消除,則允許恢復運行。

圖2 缺逆相保護邏輯流程圖

1.4 故障原理分析

在該電器產品升級設計過程中，在產品電源部分上，交流電機和直流電機使用電源方案和供電負載功率均相同，電路系統拓撲如圖3所示，不同之處在于，直流電機直流母線電容C為兩個電容并聯方案，總電容量共690 μF，而交流電機直流母線電容C使用單電容，其電容量僅為47 μF。這是因為電機取電方式不同，交流電機直接從電源輸入前端三相取電，直流母線僅供給開關電源轉換輸出即可，47 μF電容起到濾波作用，而直流電機需要提供直流電壓，在整流輸出的直流母線取電。為保證穩定的輸出電流，直流母線就需要更大的電容進行濾波和儲能，所以使用690 μF電容選型滿足直流輸出功率需求。

圖3 直流電機強電電源電路

電容的容量大小表征了電容器存儲電荷多少的能力[3]，電容越大，儲存的電荷也就越多。交流電機的電容選型要遠遠小于直流電機的電容選型，直流電機電容量大，意味著其存儲的電荷多，其對應的主板的放電時間也就響應變長。

以缺相為例，結合電路原理圖對正常的缺逆相保護檢測時序邏輯進行分析：

如圖4所示，T0時刻為L2缺相故障瞬間，檢測到的故障時間（T0～T1）>1 s，則判斷為故障，T1時刻開始上報缺相故障，并立即關閉所有負載，按保護停機處理。T2時刻為電源L2缺相恢復正常，需連續檢測時間（T2～T3）>30 s無缺相情況，則判斷故障恢復，從T3時刻上報無故障信號，清除顯示器上的故障顯示。

而實際在電源斷電的情況下，如圖5所示，T0為掉電時刻，掉電后無相序信號輸入，故障時間（T0～T1）>1 s，則判斷為缺逆相保護故障，立即關閉負載，按保護停機處理。斷電后交流信號已經消失，但儲存在直流母線電容中的能量緩慢釋放，只有母線電容電壓低于后級電源轉換正常工作電壓V1時，主控才會停止工作。因此，T1時刻后程序將上報電源缺逆相保護，一直到T2時刻后主控系統停止工作，如果在未到達T2時刻時重新上電，則檢測到相序正常后又會按照圖4中時序，持續檢測30 s正常才會消除故障。

圖4 相序故障檢測時序

圖5 實際情況下故障檢測時序

綜上所述，該電器設備斷電后，誤報缺逆相保護故障的主要原因確定為：母線電容放電時間較長使主控板斷電時間相對更改前延長，導致主控板誤報檢測到的缺逆相保護故障。

2 仿真電路模型分析

利用計算機仿真軟件對該強電電路部分進行仿真分析，母線電容放電過程可等效為無源RC電路電壓響應模型[4]。

無源RC電路電容電壓與時間關系為：

直流母線電壓即電容初始電壓V0為310 V，直流電機項目和交流電機項目使用相同的開關電源方案，后端負載大致相同，主要區別在于母線電容，直流電機項目直流母線電容690 μF，交流電機項目直流母線電容 47 μF。

如（4）所示相同情況下，放電達到V（t）狀態時，直流電機項目母線電容放電時間比交流電機項目高出約14倍之多。

通過仿真軟件來模擬該電路母線電容放電過程，如圖6所示。

圖6 母線電容放電特性仿真原理圖

萬用表測量后端負載電阻約為10 kΩ，由仿真測量可知，母線電容為690 μF時電容恢復至初始狀態需33.73 s，母線電容47 μF時，電容恢復至初始狀態需2.35 s，如圖7所示，相差約14倍，與（4）式計算相似。

圖7 母線電容放電特性仿真結果

實際測試中，強電迅速斷開，但弱電部分斷電后由于電容無法迅速完成放電，將持續工作一段時間后才會斷電，并且隨著電容的增大，放電時間也會延長。

3 整改及驗證

由上述分析可知，母線電容為690 μF時，電容恢復至初始狀態需33.73 s，因此等待斷電后電容放電完成，則可避免斷電時設備誤報缺逆相保護故障。本次整改是從軟件程序優化進行改進，增加延時上報故障的處理。

整改后的判斷邏輯如圖8所示，對應到斷電過程時，其具體的時序如圖9所示，T0為斷電瞬間，當（T0～T1）>1 s時檢測為缺逆相保護故障，此時按停機處理，缺逆相保護故障信號延時60 s后上報，此時母線電容早已放電低于V1，主控芯片不工作就無法上報缺逆相故障信息，期間仍然做相序檢測，若相序恢復，檢測到相序恢復大于30 s則不會上報缺逆相故障，設備可正常運行。

圖9 整改后缺逆相檢測時序

圖8所示的整改方案簡單易行，僅通過延時上報缺逆相保護故障信號篩選出真實故障和運行斷電，從經濟性上來看，既沒有增加成本，僅需簡單修改程序便能達到目的。從可靠性上來看，僅修改判斷檢測時間，對設備其他部分并無影響，且能準確的區分出真實相序故障和斷電情況，可靠性有很好的保障。

圖8 整改后缺逆相檢測判斷邏輯

設計如表2所示測試條件，采取延遲故障報出時間方案進行試驗驗證，經驗證，整改優化后，該電器設備均不會出現相序保護故障。

表2 更改故障上報時間后測試

4 結語

本文重點討論了一種電路時序引起的缺逆相誤保護案例，并通過理論分析、模擬仿真等手段，探討了母線電容放電特性對故障檢測電路的影響，最后通過整改程序解決問題?，F總結如下：

1）電器設備開發過程中，故障保護電路的檢測應充分考慮儲能器件的延時特性影響，特別是在電源或負載切換時，尤為需要注意。本文的案例之所以出現誤報缺逆相保護故障，主要原因是由電源斷電后，母線電容放電時間較長，導致與缺逆相故障檢測時序切合引起的。

2）對于電路模塊之間的時序問題，在整改思路上，可以結合具體的應用場景、整改經濟性、改動難度等多維度綜合考慮和優化。本文的案例，根據經濟性原則，最終采取軟件程序處理的方式優化，此處理方式可以解決原有的誤報問題，同時不會影響正常的缺逆相保護檢測功能。