中心議題：

• 三相電源換相點檢測工作原理
• 三相電源換相點檢測電路設(shè)計

解決方案：

• 三相電源換相點檢測硬件電路設(shè)計
• 三相電源換相點檢測軟件設(shè)計

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(jìn)行檢測,，以保證用電設(shè)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(jìn)行實時監(jiān)測,，并且在三相電源出現(xiàn)異常時，進(jìn)行相應(yīng)的告警并做出保護(hù)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(shè)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(shè)計對a點進(jìn)行檢測，通過電路變換,，在每一個周期的a時刻產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號,，并將該信號送至單片機(jī)的外部中斷，單片機(jī)對中斷進(jìn)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(shè)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(jìn)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(fù)雜,，并占用較多單片機(jī)資源的缺點,。

傳統(tǒng)的檢測電路設(shè)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(dāng)復(fù)雜,，在程序設(shè)計上也需要進(jìn)行設(shè)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

 


檢測電路設(shè)計

設(shè)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(dāng)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(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(dǎo)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(dǎo)通，單片機(jī)外部中斷INT0下拉至低電平,，在這個過程中,，單片機(jī)對這個下降沿進(jìn)行捕捉，實現(xiàn)對u1,、u2兩相交點a進(jìn)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(shè)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(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RC電路的一階零輸入（圖4）,。

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(dāng)uC 衰減到小于VF 的值時,，二極管截止,，

解式（5）得

即二極管導(dǎo)通時間為：秒。

仿真

以上設(shè)計方案在Sabe r環(huán)境下進(jìn)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(jī)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(jī)進(jìn)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

圖6 不同τ值檢測電路得到的脈沖電壓

軟件設(shè)計

檢測電路得到的脈沖電壓信號送至Atmega16單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)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(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,。