三相电源相序检测电路的设计

赵 勇 (长江大学后勤服务集团水电服务中心，湖北 荆州 434023)

佘新平 (长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

三相电源相序检测电路的设计

赵 勇 (长江大学后勤服务集团水电服务中心，湖北 荆州 434023)

佘新平 (长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

介绍了三相交流电源中相序检测的基本原理，提出了一种相序检测的设计方法，设计了相应的硬件电路。该电路由分压电路、光耦合隔离器、“与”门和单片机组成。在软件设计中，重点讨论了检测时间的确定方法，并进一步提出了消除噪声对检测可能带来影响的措施，以提高了检测电路的抗干扰能力。

三相交流电源；相序；相序检测

目前电能的生产、输送和分配, 一般都采用对称三相制。三相交流电源与单相交流电源比具有以下优点:①发电方面。相同尺寸的发电机，三相式比单相式可提高功率50%；②输电方面。在相同输电的条件下，三相输电线路比单相输电线路节省25%；③配电方面。三相变压器比单相变压器更经济, 在不增加任何设备的情况下, 可供三相或单相负载共同使用；④用电方面。三相电流能产生旋转磁场, 从而可以制造出结构简单、性能良好、运行可靠、维护方便的三相异步电动机。三相交流电源的相序对某些设备有直接的影响：只有相同相序的系统才能并联工作；相序不同, 三相电动机的转动方向就不同； 相序有错, 电度表的计量就不准确。因此, 预先确定三相电源的相序就显得特别重要。三相电相序有2种：正相序和反相序,A相可以任意指定, 但A相一经确定, 比A相滞后120°的就是B相, 比B相滞后120° 的就是C相。判断的方法有多种, 一般确定三相电动机的相序时，大部分都是通过三相电动机的正反转来判断，或者使用双踪以上的示波器来确定。笔者提出了一种相序检测电路的设计方法，通过硬件电路和单片机编程，用直观的逻辑状态清楚地显示实际被测电源的相序和电源断相等。

1 相序检测的基本原理

1.1判断两相相序即可判断三相电源的相序

图1 三相电压ABC的相序示意图

设A相电压相量初相位为0，然后选取第2相为B相，如果检测出AB为正相序，那么B相的电压相量滞后A相120°，即B相电压初相位为-120°；当A、B相都得以确定后，根据三相电源相序对称原理，可得C相的电压相量，那么就可以判定A、B、C的相序为ABC，如图1(a)所示。同样的方法可以得到相序为ACB的情况，如图1(b)所示。因此，在三相电压中任意选取两相，作正、反相序判断，就可以判断三相电源的相序[1]。

1.2正相序和反相序2种情况的分析

三相电压ABC正相序时的波形如图2(a)所示，将它们分别转换为方波后的波形如图2(b)所示，

将其中A2、B2方波经过“与门”后得到A2B2的波形如图2(c)所示。由图可见, 正相序时,A2点出现上升沿后1ms时对应的A2B2波形是低电平[2-3]。

同样的方法可得到三相电压ABC反序时的波形如图3所示，由图可见, 反相序时,A2点出现上升沿后1ms时对应的A2B2波形是高电平。

图2 正相序波形示意图 图3 反相序波形示意图

对比图2(c)和图3(c)可以看到，通过判断A2B2波形的高低电平可确定正反相序，因此可以通过单片机进行检测，当单片机捕获由A相电压转换的方波的上升沿时，发出一个中断请求，执行某个程序，设定的1ms延时到达后，单片机开始检测A2B2波形的电平，如果检测是高电平则说明AB为反相序，如果检测是低电平则说明AB是正相序。

2 硬件设计

图4 相序检测电路的硬件框图

根据前面介绍的相序检测的基本原理，相序检测电路的硬件框图如图4所示。在外部三相交流电源的3个输出端A、B、C中，任选两相电压(如A、B)分别通过分压和分流作用于光耦合隔离器，过零检测和比较器功能由光耦合隔离器完成，它将三相正弦交流电压信号转换为方波信号A2和B2，然后通过“与”门得到A2B2波形[4]。

把A2、A2B2两个波形输入单片机进行检测就可以判断相序的正反。限于篇幅，不再给出其详细的电路原理图。

3 软件设计

把A2波形经过“非”门整形后的波形下降沿作为起始标志，单片机开中断，当检测到标志位时，进入延时1ms子程序，在1ms后去检测A2B2波形的高、低电平，此时如果A2B2波形是高电平就是反相序，是低电平就是正相序[5]。

图5 A2B2波形与A2波形时间差示意图

程序中设置1ms延时的原因如下：由电网频率50Hz得到正弦波的周期为T=1/50Hz=20ms，一个相位周期为360°对应20ms。因此在转换的方波中，占空比为1∶1，高、低电平各占用10ms和180°。如图2(a)中A相的上升过零点与B相的下降过零点相位差为60°(对应时间间隔3.33ms，T1=20ms×60°/360°=3.33ms)，在对应的方波中变成A2波形的上升沿与B2波形的下降沿时间差是3.33ms, 如图2(b)。由此可得到2种不同情况下A2B2波形与A2波形的时间差如图5所示。由图5可知，必须在电平稳定的时间范围内去判断高、低电平才能达到正确检测相序的目的，因此选定的时间范围“x”一定要满足0ms

此外，为了进一步提高相序检测的精度，在上述选定的时间1ms≤x<3.33ms 内对A2B2波形的电平进行多次检测，只有每次检测的电平均相同时，才确定该电平是有效电平，从而最终确定相序。通过这种设计消除了噪声对检测可能带来的影响，提高了检测电路的抗干扰能力。

4 结 语

作为实验性电路，没有考虑缺相的问题，但在实际生产中这是必须要考虑的。更重要的是，实际生产中大都要求在相序检测之后，如果存在问题，必须自动调整相序或是缺相电源的连接。而且在实际电网中，电网的频率有一定的误差，这也给实际的操作带来了很大的难度。因此，该电路与实际生产需求还是有距离的，有待结合单片机的运用和实际生产的情况，在该电路的基础上研究出对三相电源相序检测误差为零的方法。

[1]杨秀双.程序判别三相电压相序错误的方法[J].工业仪表与自动化装置，1999(4)：46-47.

[2]王效良，马思乐.电网相序和缺相监测电路的设计[J].电力系统及其自动化学报，1997(3)：48-51.

[3]张伟林.三相交流电相序检测电路的计算与仿真验证[J].电工技术， 2005(9)：71-72.

[4]王栋，刘利.一种基于单片机的相序检测及电机缺相保护方法[J].电机与控制应用，2006(9)：50-52.

[5]张咏军，王航宇.一种相序检测的软件算法[J].大众科技，2007(10)：66-67.

[编辑] 易国华

TM933.314

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1673-1409(2013)25-0077-03

2013-06-09

赵勇(1963-)，男，技师，现主要从事电工技术方面的研究工作。