楊璐,余仕求 (長江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北荊州 434023)

三相電源相序及電壓超限檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與仿真

楊璐,余仕求 (長江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北荊州 434023)

從電工學(xué)設(shè)計(jì)性試驗(yàn)的角度,用常用電工電子器件設(shè)計(jì)了三相電源相序及電壓超限檢測(cè)和處理電路,該系統(tǒng)主要由三相變壓器,整形濾波電路,邏輯處理電路及窗口比較電路等幾部分組成。用軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)是可行的。該設(shè)計(jì)方法與目前常用的單片機(jī)智能化檢測(cè)方法相比,是一種純硬件式的試驗(yàn)方法,電路簡(jiǎn)單,具有一定的實(shí)際意義。

三相交流電;相序;電壓超限

1 電路總體方案設(shè)計(jì)

1.1 相序檢測(cè)基本原理

如圖1所示,設(shè)A相電壓相量初相位為0,然后選取第2相為B相,如果檢測(cè)出AB為正相序,那么B相的電壓相量滯后A相120°;當(dāng)A、B相都得以確定后,根據(jù)三相電源相序?qū)ΨQ原理,可得C相的電壓相量,那么就可以判定A、B、C的相序?yàn)檎嘈駻BC。因此,在三相電壓中任意選取兩相,作正、反相序判斷,就可以判斷三相電源的相序[1]。

圖1 三相電源ABC的相序示意圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

電路原理框圖如圖1所示。按功能來分,電路分3部分,分別如圖2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所示。

電路Ⅰ功能是將三相電壓ABC接入變壓器并進(jìn)行降壓,變壓器輸出三相電壓abc作為Ⅱ、Ⅲ電路的輸入。

電路Ⅱ完成相序判斷功能。將三相電壓信號(hào)abc分別進(jìn)行整形得到三路180°方波信號(hào),其相位互差120°。用一個(gè)D觸發(fā)器檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)的相位關(guān)系[2],原理如圖3所示。當(dāng)A超前B時(shí),Q為高電平,否則Q為低電平(QN+1= DN)。同樣道理,用另2個(gè)D觸發(fā)器分別檢測(cè)B和C、C和A的相位關(guān)系。若相序是ABC,則這3個(gè)D觸發(fā)器輸出都為高電平,若相序是CBA,則這3個(gè)D觸發(fā)器輸出都為低電平,然后用邏輯門將這三個(gè)電平信號(hào)相“與”,輸出結(jié)果用指示燈表示。當(dāng)三相電壓相序與默認(rèn)的相序一致時(shí),正相序與門輸出為高,綠色指示燈亮,表示電源相序?yàn)锳BC。若反相序則與門輸出為低,紅色指示燈亮,表示電源相序?yàn)镃BA,這樣就可以確定ABC三相的相序了。

電路Ⅲ完成某相電壓超限的指示功能。將某相電壓進(jìn)行整流濾波,得到直流電壓[3]。放大隔離電路對(duì)直流電壓進(jìn)行整定隔離,整定后的電壓作為窗口比較器的輸入。電壓超限電路原理框圖如圖4所示。上門限電壓U1與被測(cè)電壓的上限電壓值相對(duì)應(yīng),下門限電壓U2與被測(cè)電壓的下限電壓值相對(duì)應(yīng)。當(dāng)被測(cè)電壓值在其上限值和下限值范圍內(nèi),窗口比較器輸出U0低電平,否則,窗口比較器輸出U0高電平。窗口比較器輸出電壓明確判斷了被測(cè)電壓是否超限,其結(jié)果可用指示燈表示。

圖2 電路設(shè)計(jì)原理框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

圖5所示三相電源ABC經(jīng)過三相變壓器變成abc,其中ab 2路信號(hào)經(jīng)過整形單元及三極管組成的電平轉(zhuǎn)換單元[4]輸入到D觸發(fā)器,如果是正相序,說明A相超前于B相,則D1二極管亮,否則D2二極管亮。同理分別比較三相變壓器的b路和c路信號(hào),c路與a路信號(hào),得出相同的結(jié)論。最后再將3次檢驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行邏輯“與”,得到三相電源的相序測(cè)試結(jié)果。

圖3 ABC相位關(guān)系檢測(cè)原理圖

圖6所示是電壓超限檢測(cè)電路,某一相正弦交流信號(hào)經(jīng)過整流濾波及放大隔離單元電路變成一個(gè)直流信號(hào)輸入到窗口比較器單元,最后比較結(jié)果通過發(fā)光二極管體現(xiàn)出來,如果三相電壓中某相電壓超限(超過額定電壓10%或低于額定電壓10%)時(shí),D1指示燈亮;反之,電壓正常D2指示燈亮,表示電壓在±10%以內(nèi)。

3 仿真結(jié)果

圖4 電壓超限原理框圖

3.1 相序檢測(cè)仿真結(jié)果

如圖7所示,虛擬示波器顯示a,b 2路正弦波信號(hào),經(jīng)過整形電路輸出了2路方波,若a超前于b則表示相序是正相序,D觸發(fā)器輸出高電平。同理依次檢測(cè)bc,ca相,若都是正相序則D觸發(fā)器都輸出為高,最后三路信號(hào)經(jīng)過與門輸出高電平,綠色指示燈亮,表示此時(shí)相序?yàn)檎嘈駻BC。若其中有一路D觸發(fā)器檢測(cè)到是低電平,表示相序?yàn)榉聪嘈駽BA,則紅色指示燈亮。圖7顯示的是其中正相序經(jīng)過整形以后的波形結(jié)果,圖8顯示的是反相序經(jīng)過整形以后的波形結(jié)果,可以直觀的看到相序。

3.2 電壓超限仿真結(jié)果

圖5 相序檢測(cè)電路

如表1所示,根據(jù)圖2所示的電路Ⅲ,筆者用一定額度的直流信號(hào)模擬其中某相電源的整流濾波輸出結(jié)果,并與窗口比較器設(shè)置的門限電壓值進(jìn)行比較,如果在這個(gè)范圍以內(nèi),則綠色指示燈亮表示電壓正常,反之紅色指示燈亮起表示電壓超限。

表1 電壓超限檢測(cè)結(jié)果

圖7 正相序輸出仿真結(jié)果圖

圖8 反相序輸出仿真結(jié)果圖

4 結(jié)語

筆者提出了針對(duì)三相交流電的數(shù)字化相位檢測(cè)系統(tǒng),可以檢測(cè)電源正、反相序及電壓是否過高,這種檢測(cè)方法與傳統(tǒng)的單片機(jī)智能化檢測(cè)方法相比更方便直觀。作為試驗(yàn)性的電路,筆者并沒有考慮缺相和平衡性的問題,但是在實(shí)際生產(chǎn)中必須要考慮到。試驗(yàn)結(jié)果證明了筆者所提出的相位檢測(cè)方法是準(zhǔn)確可行的。

[1]李利明.一種簡(jiǎn)易三相交流電相序測(cè)量方法[J].有色金屬加工,2013(8):62-63.

[2]黃嵐,高澤涵.一種相位測(cè)量計(jì)算機(jī)接口的電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),1996(4):15-18.

[3]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2000.

[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[編輯] 洪云飛

TM7 2 1

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1673-1409(2014)22-0055-03

2014-04-23

楊璐(1 9 8 6-),女,碩士,實(shí)驗(yàn)師,現(xiàn)主要從事電工電子技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。