一种实用的三相相序鉴别器的设计与仿真研究

李立平， 王振玉， 牛晓燕

（石家庄铁道大学 四方学院，河北 石家庄 051132）

0 引言

在工业生产设备中，负载电源相序的正反直接决定着负载电机的运行状态，所以鉴别交流三相相序就成了至关重要的一个问题。通过对当今电子市场的调查发现，大多相序鉴别产品［1］只能解决缺相、鉴别相序问题。但是，当接入三相正相序而某一相电压出现偏高或偏低时，则容易出现无法判断而导致报警失败的情况，同样会损害相应的电气设备，影响产品质量。如传动系统中的风机泵类负载、交流调速系统、舰船上很多电气设备以及各类机床、电焊等多种装置，都需要对输入的三相相序进行鉴别，对三相电压是否平衡都有严格的要求。因此，相序鉴别器就成为现场工程师们必不可少的装备。可是，对于有些特殊工作场合如油田、矿区等野外工作的工业设备，工程技术人员如果每天随身携带示波器等测量设备进行施工或检修十分不便，所以简单实用的相序检测模块就显得尤为重要。针对这一问题，综合电路、电子等相关学科知识，利用仿真软件设计出了一个由模拟分立元件组成的非线性相序鉴别电路，能够较好地满足缺相、正逆相序鉴别和三相正相序但是当某一相电压出现偏高或偏低时能够报警动作等需求，动作时间短（≤0.4 s），安全可靠，可广泛应用于冶金、石油、舰船等野外电气设备挂装或便携使用，具有一定的实用价值。

1 常用相序鉴别器缺点

以前传统的相序鉴别产品如电磁继电器式分辨电路、自耦变压器分辨电路有体积大、成本高、可靠性差、不宜推广等缺点；目前市场上的相序继电器大多由整流桥、相位差鉴别集成电路、晶体三极管、稳压管等器件组成［2－3］。额定线电压380 V，额定频率50 Hz，允许电压波动范围为80%～110%之间。主要用于相序检测或缺相保护［4］。由于其电压波动范围小且仅限于三相电源电压幅值同步变化，所以它们解决不了在三相电源正相序而当某相电压偏高或偏低时的电路保护问题，此外集成电路有不可回避的缺点，比如在输入电压较高、干扰较大的场合工作很容易出现问题，为了使集成电路工作稳定，常常对其电源的稳定性和纹波系数有较高的要求。

2 实用的三相相序鉴别器的设计与仿真

结合已有电路、电子知识，提出了采用质量可靠的简单模拟分立元件构成非线性电路，针对在三相电源正相序而某相电压偏高或偏低时的电路保护问题，巧妙地利用三相电路本身的相位差，尽可能使用电阻、电容元件来实现相序鉴别功能［5］。而且为了电源和设备的安全，避免将电容直接串联在电源回路中，通过实验仿真和实物测量验证，在三相交流电压±20%的情况下，能够在0.05～0.4 s内完成对正逆相序的鉴别；即使是正相序的情况下，当线电压超过±20%时，能够在0.5 s内使输出继电器动作，从而能够有效地保护电动机和相应的机械设备，提高工艺水平和产品质量，原理如图1所示。

图1 三相电路相序鉴别图

2.1 工作原理分析

当输入三相交流电压为正相序时，有在正常的三相电压对称的情况下，一定满足

所以在本电路原理图设计时，也充分地考虑并利用了这种电路结构的对称性［6－7］。当输入电压正相序且当电压大于零时，由于C相电压超前A相电压120°，所以当A相电压从0V变正值时，因为电路结构对称，电流的流向将分别经过电阻R1、R4以及三极管QT1的发射极形成正相序的闭合回路；当A相电压从0V变负时，仍然为使电路结构对称，则分别经过二极管D5、电阻R1和R4形成反相序的闭合回路，此时仍然满足uA＋uB＋uC＝0。所以此时三相电源的电流通路为：

2.2 设计与仿真实现

图1中为了保证三极管QT1在C相电压变负时不会被反相击穿，所以在其发射结上并联了一个反向二极管D5。由于三极管的发射结正向导通后的等效电阻很小，所以当A相瞬时电压过零点后变正时，电容C1上的电荷能够迅速释放并反向充电，又因为电容两极板间的电压不能够突变，所以保证了三极管QT1的发射结电压不会突变，从而保护了三极管的发射结。由于正相序，三极管QT1的集电极电压先于发射极电压过零点变正值，所以当A相电压过零点变正时，QT1会瞬间导通，从而保证了三相电路经二极管D1～D3半波整流后的输出电压三相平衡。在输出端u的反映就是电压波形成周期性变化，波形图如图2所示。其中，横坐标为仿真时间，纵坐标为三相电压幅值。

当输入电压逆相序时，在三极管QT1的发射极和集电极上的电压作用时间和作用的先后顺序发生了改变，这样导致了三相电路的平衡关系被打破，经过二极管D1～D3的半波整流和稳压管Z1的降压后，输出端u的电压不再平稳，此时的波形图如图3、图4所示。

图2 正相序三相平衡时输出电压u的波形图

图3 逆相序三相平衡时输出电压u的波形图

图4 正相序三相不平衡时输出电压u的波形图

3 后续信号处理

由于电路属于非线性混合电路，理论计算较困难，在这里不再赘述。在设计过程可以充分地借助于Altium Designer2008［8］软件进行仿真分析，该软件是国际领先的一体化电子设计平台，是继Protel系列产品之后又一款高端设计软件，为电子产品设计提供了完整解决方案。在仿真结果的波形文件中，可以给出相应元件的电压、电流、功率、直流分析、小信号模型以及信号完整性分析等内容。在本设计中，后续信号处理的电路图5所示。

图5 后续信号处理电路

当三相输入电源为正相序时，由图2可知，输出电压u在1.598 V左右稳定波动，所以该电压可以使复合三极管QT2饱和导通。此时，QT2的集电极电压降为0.7 V左右，使QT3的集电极电压约为0.7 V，经过二极管D8降压，使QT4的基极电压低于1.4 V，所以三极管QT4截止。逆相序时，u的幅值大小不稳定，会使QT2的基极电压降低，图5中输入信号u经过三极管QT2会在一个周期内（约3.3 ms）截止，此时经过分压电阻R8、R9使三极管QT3基极电位升高，集电极电压升高到0.5～4 V，然后经过T型滤波整形和二极管倍压电路并结合π型滤波升压后使三极管QT4的基极电压平稳在1.6 V左右，从而驱动三极管QT4饱和导通，使继电器K1线圈得电导通，常开节点闭合，常闭节点打开，从而切断电源起到保护相应电气设备的作用。二极管D7给继电器线圈提供放电回路，保护三极管不被击穿。

4 电路性能与特点

由于接入三相电源的每一相都对地采用480 kΩ的电阻接到了电源线路中，所以并不会影响设备的绝缘性能；而且，并没有将电容直接传入线电压中，不存在电容击穿而发生断路的问题。经过仿真和实验分析，本系统的突出优点如下：

（1）采用分立模拟器件，输入电压范围宽，交流相电压50～500 V均适用；

（2）能够检测逆序和缺相故障；

（3）从图2横坐标的仿真时间可知，当三相电源正相序而某相电压低于或超过约20%时，能够在0.5 s内检测出并继电器动作；

（4）从图2～图4横坐标的仿真时间可知，该设计响应时间短，正常动作时仅为0.05～0.4 s；

（5）具有工作状态指示功能，继电器输出，接入其它主控设备时应用方便；

（6）经实际工程现场检验，安全可靠，对三相电源主回路没有太大影响。硬件实物图如图6所示。

图6 硬件实物图

5 结论

通过分析文献和市场调查，发现很多三相相序鉴别产品只能解决三相交流电源缺相、鉴别相序的问题。但是，当三相正相序而某相电压出现偏高或偏低时则无法判断，所以充分利用三相电路的对称性，运用模拟分立元件设计仿真了一个简单实用的相序鉴别电路。通过仿真和实验验证表明，该电路能够较好地解决缺相、鉴相和三相正相序但某相电压出现偏高或偏低时进行报警动作等问题，可广泛应用于冶金、石油、舰船等野外电气设备挂装或便携使用，具有一定的实用价值。

［1］周强，侯熙平，阳初春，等.电动机自鉴相系统研究［J］.机电工程技术，2006，35（7）：62－63.

［2］吴义彬.继电器用户实用手册［M］.北京：国防工业出版社，1992.

［3］姚志清，李金伴.继电器与继电保护装置实用技术手册［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［4］姜华，王金波.三相电动机缺相保护实用方法［J］.煤矿机械，2006，27（8）：154－156.

［5］王元利，王先伦，宋守云.实用的相序分辨电路［J］.河南机电高等专科学校学报，2000，8（4）：63－65.

［6］王振宇.电路分析［M］.北京：科学出版社，2010.

［7］康华光.电子技术基础模拟部分［M］.5版.北京：高等教育出版社2006.

［8］徐向民，邢晓芬，华文龙，等.Altium Designer快速入门［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.