三相電源自然換相點檢測方法的研究

引言

　　在使用三相交流電時，往往要利用三相交流電的自然換相點作為控制的參考點，所以需要對三相交流電的自然換相點進行檢測，以保證用電設備的安全可靠運行，同時對三相交流電的頻率、相序、缺相情況進行實時監(jiān)測，并且在三相電源出現(xiàn)異常時，進行相應的告警并做出保護措施。

　　換相點檢測工作原理

　　三相電源在自然換相點處，兩相電壓相等，并且是電壓反相的起始點，該設計正是利用這一特點實現(xiàn)對自然換相點的檢測，如圖1所示。

圖1 兩相正弦電壓波形

　　在一個周期內(nèi)，u1和u2存在兩個交點，即a，b兩點。a點是u2>u1的起始點，b點是u1>u2的起始點，該設計對a點進行檢測，通過電路變換，在每一個周期的a時刻產(chǎn)生相應的脈沖信號，并將該信號送至單片機的外部中斷，單片機對中斷進行處理和判斷，從而檢測到自然換相點，同時通過軟件對三相電源的頻率、相序以及是否缺相作出判斷。

　　硬件電路設計

　　三相電源自然換相點的檢測有很多方法，大多數(shù)是采用模擬電路，通過比較器對相與相之間的電壓進行比較，但是這種方法的精度不高，會直接影響輸出電壓控制的精度；另外也有通過數(shù)字電路實現(xiàn)的，但是大多數(shù)電路存在器件較多，電路復雜，并占用較多單片機資源的缺點。

　　傳統(tǒng)的檢測電路設計：圖2是一種傳統(tǒng)的數(shù)字型自然換相點檢測電路的原理圖，其中占用了7個I/O口，并且還需要ADC、數(shù)值寄存器和脈沖邏輯組合電路。電路相當復雜，在程序設計上也需要進行設計以后才能對自然換相點作出判斷。另外這種方法還存在換相點丟失的情況，丟失的概率會隨采樣頻率的降低而增大，極大降低了控制的可靠性。

圖2 傳統(tǒng)的數(shù)字型自然換相點檢測電路原理圖[!--empirenews.page--]

　　檢測電路設計

　　設計了如下檢測方法，克服了傳統(tǒng)的檢測方法存在的問題，如圖3。

圖3 三相交流電自然換相點檢測原理圖

　　當u 1 >u 2 時，穩(wěn)壓管兩端電壓為5V，電容C1充電，由于C1容值較小。而u 1>u 2 的時間為半個周期，即0.01s，足以保證電容C1充電完成，此時并聯(lián)在三極管Ｑ1基射極兩端的的二極管提供鉗位電壓，使得三極管工作在截止區(qū)，光耦U1的控制二極管不導通，受控三極管截止，單片機外部INT0拉至高電平，當經(jīng)過a點后，u 2>u 1 ，U2為三極管Q1提供基極電壓，同時電容C1提供集射極電壓，三極管Q1導通，在這段時間內(nèi)，C1、控制二極管、R3、Q1形成回路，光耦U1中的受控三極管導通，單片機外部中斷INT0下拉至低電平，在這個過程中，單片機對這個下降沿進行捕捉，實現(xiàn)對u1、u2兩相交點a進行檢測，光耦U1實現(xiàn)了輸入端和輸出端的電氣隔離，同時提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　以同樣的方法設計另外兩組檢測電路，輸入電壓分別為u 1 和u 3 、u 2 和u 3 ，輸出分別為INT1和INT2，完成對同一周期另外兩個自然換相點的檢測。

脈寬計算

　　忽略三極管導通壓降，由C1、發(fā)光二極管、R3組成的回路可以等效成一個RC電路的一階零輸入（圖4）。[!--empirenews.page--]

圖4 RC電路的一階零輸入響應

　　u0為穩(wěn)壓二極管VD的穩(wěn)定電壓，發(fā)光二極管的導通壓降為VF ，t ≥0時電容儲存的能量通過發(fā)光二極管和電阻釋放出來，在這段時間內(nèi)發(fā)光二極管發(fā)光，根據(jù)KVL可得：

　　而，將其帶入式（1）得：

　　根據(jù)初始條件u C （ 0 + ） －V F =uC （0－）－VF =u0 －VF，并令式（2）的通解為uC －VF = Aem ,得該一階齊次微分方程的解為：

　　令乘積RC =τ，τ為RC電路的時間常數(shù)，反映了電容電壓uC 的衰減速度，式（3）可寫為：

　　當uC 衰減到小于VF 的值時，二極管截止，

　　解式（5）得即二極管導通時間為：秒。

　　仿真

　　以上設計方案在Sabe r環(huán)境下進行了仿真驗證，仿真結(jié)果如圖5所示，其中兩正弦波為三相電源的其中兩相電壓，脈沖電壓為送至單片機外部中斷INT0的信號。從圖5可以清晰的看到，在自然換相點附近，產(chǎn)生了一組幅值為5V，脈寬約為2ms，頻率為50Hz的脈沖信號，而在自然換相點處，產(chǎn)生了一個近乎90度的下降沿，有利于單片機進行捕捉。改變時間常數(shù)τ可以改變脈沖電壓的脈寬，如圖5所示，在自然換相點處產(chǎn)生了一組幅值為5V，脈寬約為10mS，頻率為50Hz的脈沖信號。 圖5 為經(jīng)檢測電路得到的脈沖電壓，圖6為不同τ值檢測電路得到的脈沖電壓。

圖5 經(jīng)檢測電路得到的脈沖電壓[!--empirenews.page--]

圖6 不同τ值檢測電路得到的脈沖電壓

　　軟件設計

　　檢測電路得到的脈沖電壓信號送至Atmega16單片機進行處理，單片機的程序通過C 語言編制， 主程序流程如圖7 所示， 主要分為三個模塊： 缺相判定， 頻率正常判定和相序判定， 系統(tǒng)正常工作后，三個模塊循環(huán)執(zhí)行。

圖7 主程序流程圖

　　為了保證系統(tǒng)的安全運行，可以根據(jù)不同的場合和應用環(huán)境，添加相應的保護模塊，如在電機控制中，頻率出現(xiàn)異常后，停止電機的供電輸出等。

　　結(jié)論

　　三相電源自然換相點的在三相電源的使用中起著極其重要的作用，對自然換相點的精確檢測可以有效地提高對三相電源的控制能力。