三相電源自然換相點(diǎn)檢測(cè)方法的研究

引言

　　在使用三相交流電時(shí)，往往要利用三相交流電的自然換相點(diǎn)作為控制的參考點(diǎn)，所以需要對(duì)三相交流電的自然換相點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，以保證用電設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，同時(shí)對(duì)三相交流電的頻率、相序、缺相情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且在三相電源出現(xiàn)異常時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的告警并做出保護(hù)措施。

　　換相點(diǎn)檢測(cè)工作原理

　　三相電源在自然換相點(diǎn)處，兩相電壓相等，并且是電壓反相的起始點(diǎn)，該設(shè)計(jì)正是利用這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)自然換相點(diǎn)的檢測(cè)，如圖1所示。

圖1 兩相正弦電壓波形

　　在一個(gè)周期內(nèi)，u1和u2存在兩個(gè)交點(diǎn)，即a，b兩點(diǎn)。a點(diǎn)是u2>u1的起始點(diǎn)，b點(diǎn)是u1>u2的起始點(diǎn)，該設(shè)計(jì)對(duì)a點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)電路變換，在每一個(gè)周期的a時(shí)刻產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)送至單片機(jī)的外部中斷，單片機(jī)對(duì)中斷進(jìn)行處理和判斷，從而檢測(cè)到自然換相點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)軟件對(duì)三相電源的頻率、相序以及是否缺相作出判斷。

　　硬件電路設(shè)計(jì)

　　三相電源自然換相點(diǎn)的檢測(cè)有很多方法，大多數(shù)是采用模擬電路，通過(guò)比較器對(duì)相與相之間的電壓進(jìn)行比較，但是這種方法的精度不高，會(huì)直接影響輸出電壓控制的精度；另外也有通過(guò)數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的，但是大多數(shù)電路存在器件較多，電路復(fù)雜，并占用較多單片機(jī)資源的缺點(diǎn)。

　　傳統(tǒng)的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)：圖2是一種傳統(tǒng)的數(shù)字型自然換相點(diǎn)檢測(cè)電路的原理圖，其中占用了7個(gè)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(dāng)復(fù)雜，在程序設(shè)計(jì)上也需要進(jìn)行設(shè)計(jì)以后才能對(duì)自然換相點(diǎn)作出判斷。另外這種方法還存在換相點(diǎn)丟失的情況，丟失的概率會(huì)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(diǎn)檢測(cè)電路原理圖[!--empirenews.page--]

　　檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)了如下檢測(cè)方法，克服了傳統(tǒng)的檢測(cè)方法存在的問(wèn)題，如圖3。

圖3 三相交流電自然換相點(diǎn)檢測(cè)原理圖

　　當(dāng)u 1 >u 2 時(shí)，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(shí)間為半個(gè)周期，即0.01s，足以保證電容C1充電完成，此時(shí)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(dǎo)通，受控三極管截止，單片機(jī)外部INT0拉至高電平，當(dāng)經(jīng)過(guò)a點(diǎn)后，u 2>u 1 ，U2為三極管Q1提供基極電壓，同時(shí)電容C1提供集射極電壓，三極管Q1導(dǎo)通，在這段時(shí)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(dǎo)通，單片機(jī)外部中斷INT0下拉至低電平，在這個(gè)過(guò)程中，單片機(jī)對(duì)這個(gè)下降沿進(jìn)行捕捉，實(shí)現(xiàn)對(duì)u1、u2兩相交點(diǎn)a進(jìn)行檢測(cè)，光耦U1實(shí)現(xiàn)了輸入端和輸出端的電氣隔離，同時(shí)提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　以同樣的方法設(shè)計(jì)另外兩組檢測(cè)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(duì)同一周期另外兩個(gè)自然換相點(diǎn)的檢測(cè)。

脈寬計(jì)算

　　忽略三極管導(dǎo)通壓降，由C1、發(fā)光二極管、R3組成的回路可以等效成一個(gè)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(yīng)

　　u0為穩(wěn)壓二極管VD的穩(wěn)定電壓，發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降為VF ，t ≥0時(shí)電容儲(chǔ)存的能量通過(guò)發(fā)光二極管和電阻釋放出來(lái)，在這段時(shí)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(shí)間常數(shù)，反映了電容電壓uC 的衰減速度，式（3）可寫(xiě)為：

　　當(dāng)uC 衰減到小于VF 的值時(shí)，二極管截止，

　　解式（5）得即二極管導(dǎo)通時(shí)間為：秒。

　　仿真

　　以上設(shè)計(jì)方案在Sabe r環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)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(jī)外部中斷INT0的信號(hào)。從圖5可以清晰的看到，在自然換相點(diǎn)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(hào)，而在自然換相點(diǎn)處，產(chǎn)生了一個(gè)近乎90度的下降沿，有利于單片機(jī)進(jìn)行捕捉。改變時(shí)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(diǎn)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(hào)。 圖5 為經(jīng)檢測(cè)電路得到的脈沖電壓，圖6為不同τ值檢測(cè)電路得到的脈沖電壓。

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

圖6 不同τ值檢測(cè)電路得到的脈沖電壓

　　軟件設(shè)計(jì)

　　檢測(cè)電路得到的脈沖電壓信號(hào)送至Atmega16單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)的程序通過(guò)C 語(yǔ)言編制， 主程序流程如圖7 所示， 主要分為三個(gè)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(gè)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(yùn)行，可以根據(jù)不同的場(chǎng)合和應(yīng)用環(huán)境，添加相應(yīng)的保護(hù)模塊，如在電機(jī)控制中，頻率出現(xiàn)異常后，停止電機(jī)的供電輸出等。

　　結(jié)論

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