李立平， 王振玉， 牛曉燕

（石家莊鐵道大學(xué) 四方學(xué)院，河北 石家莊 051132）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，負(fù)載電源相序的正反直接決定著負(fù)載電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，所以鑒別交流三相相序就成了至關(guān)重要的一個(gè)問題。通過對(duì)當(dāng)今電子市場(chǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多相序鑒別產(chǎn)品［1］只能解決缺相、鑒別相序問題。但是，當(dāng)接入三相正相序而某一相電壓出現(xiàn)偏高或偏低時(shí)，則容易出現(xiàn)無法判斷而導(dǎo)致報(bào)警失敗的情況，同樣會(huì)損害相應(yīng)的電氣設(shè)備，影響產(chǎn)品質(zhì)量。如傳動(dòng)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載、交流調(diào)速系統(tǒng)、艦船上很多電氣設(shè)備以及各類機(jī)床、電焊等多種裝置，都需要對(duì)輸入的三相相序進(jìn)行鑒別，對(duì)三相電壓是否平衡都有嚴(yán)格的要求。因此，相序鑒別器就成為現(xiàn)場(chǎng)工程師們必不可少的裝備。可是，對(duì)于有些特殊工作場(chǎng)合如油田、礦區(qū)等野外工作的工業(yè)設(shè)備，工程技術(shù)人員如果每天隨身攜帶示波器等測(cè)量設(shè)備進(jìn)行施工或檢修十分不便，所以簡(jiǎn)單實(shí)用的相序檢測(cè)模塊就顯得尤為重要。針對(duì)這一問題，綜合電路、電子等相關(guān)學(xué)科知識(shí)，利用仿真軟件設(shè)計(jì)出了一個(gè)由模擬分立元件組成的非線性相序鑒別電路，能夠較好地滿足缺相、正逆相序鑒別和三相正相序但是當(dāng)某一相電壓出現(xiàn)偏高或偏低時(shí)能夠報(bào)警動(dòng)作等需求，動(dòng)作時(shí)間短（≤0.4 s），安全可靠，可廣泛應(yīng)用于冶金、石油、艦船等野外電氣設(shè)備掛裝或便攜使用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 常用相序鑒別器缺點(diǎn)

以前傳統(tǒng)的相序鑒別產(chǎn)品如電磁繼電器式分辨電路、自耦變壓器分辨電路有體積大、成本高、可靠性差、不宜推廣等缺點(diǎn)；目前市場(chǎng)上的相序繼電器大多由整流橋、相位差鑒別集成電路、晶體三極管、穩(wěn)壓管等器件組成［2－3］。額定線電壓380 V，額定頻率50 Hz，允許電壓波動(dòng)范圍為80%～110%之間。主要用于相序檢測(cè)或缺相保護(hù)［4］。由于其電壓波動(dòng)范圍小且僅限于三相電源電壓幅值同步變化，所以它們解決不了在三相電源正相序而當(dāng)某相電壓偏高或偏低時(shí)的電路保護(hù)問題，此外集成電路有不可回避的缺點(diǎn)，比如在輸入電壓較高、干擾較大的場(chǎng)合工作很容易出現(xiàn)問題，為了使集成電路工作穩(wěn)定，常常對(duì)其電源的穩(wěn)定性和紋波系數(shù)有較高的要求。

2 實(shí)用的三相相序鑒別器的設(shè)計(jì)與仿真

結(jié)合已有電路、電子知識(shí)，提出了采用質(zhì)量可靠的簡(jiǎn)單模擬分立元件構(gòu)成非線性電路，針對(duì)在三相電源正相序而某相電壓偏高或偏低時(shí)的電路保護(hù)問題，巧妙地利用三相電路本身的相位差，盡可能使用電阻、電容元件來實(shí)現(xiàn)相序鑒別功能［5］。而且為了電源和設(shè)備的安全，避免將電容直接串聯(lián)在電源回路中，通過實(shí)驗(yàn)仿真和實(shí)物測(cè)量驗(yàn)證，在三相交流電壓±20%的情況下，能夠在0.05～0.4 s內(nèi)完成對(duì)正逆相序的鑒別；即使是正相序的情況下，當(dāng)線電壓超過±20%時(shí)，能夠在0.5 s內(nèi)使輸出繼電器動(dòng)作，從而能夠有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)和相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備，提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，原理如圖1所示。

圖1 三相電路相序鑒別圖

2.1 工作原理分析

當(dāng)輸入三相交流電壓為正相序時(shí)，有在正常的三相電壓對(duì)稱的情況下，一定滿足

所以在本電路原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，也充分地考慮并利用了這種電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性［6－7］。當(dāng)輸入電壓正相序且當(dāng)電壓大于零時(shí)，由于C相電壓超前A相電壓120°，所以當(dāng)A相電壓從0V變正值時(shí)，因?yàn)殡娐方Y(jié)構(gòu)對(duì)稱，電流的流向?qū)⒎謩e經(jīng)過電阻R1、R4以及三極管QT1的發(fā)射極形成正相序的閉合回路；當(dāng)A相電壓從0V變負(fù)時(shí)，仍然為使電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，則分別經(jīng)過二極管D5、電阻R1和R4形成反相序的閉合回路，此時(shí)仍然滿足uA＋uB＋uC＝0。所以此時(shí)三相電源的電流通路為：

2.2 設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)

圖1中為了保證三極管QT1在C相電壓變負(fù)時(shí)不會(huì)被反相擊穿，所以在其發(fā)射結(jié)上并聯(lián)了一個(gè)反向二極管D5。由于三極管的發(fā)射結(jié)正向?qū)ê蟮牡刃щ娮韬苄?，所以?dāng)A相瞬時(shí)電壓過零點(diǎn)后變正時(shí)，電容C1上的電荷能夠迅速釋放并反向充電，又因?yàn)殡娙輧蓸O板間的電壓不能夠突變，所以保證了三極管QT1的發(fā)射結(jié)電壓不會(huì)突變，從而保護(hù)了三極管的發(fā)射結(jié)。由于正相序，三極管QT1的集電極電壓先于發(fā)射極電壓過零點(diǎn)變正值，所以當(dāng)A相電壓過零點(diǎn)變正時(shí)，QT1會(huì)瞬間導(dǎo)通，從而保證了三相電路經(jīng)二極管D1～D3半波整流后的輸出電壓三相平衡。在輸出端u的反映就是電壓波形成周期性變化，波形圖如圖2所示。其中，橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間，縱坐標(biāo)為三相電壓幅值。

當(dāng)輸入電壓逆相序時(shí)，在三極管QT1的發(fā)射極和集電極上的電壓作用時(shí)間和作用的先后順序發(fā)生了改變，這樣導(dǎo)致了三相電路的平衡關(guān)系被打破，經(jīng)過二極管D1～D3的半波整流和穩(wěn)壓管Z1的降壓后，輸出端u的電壓不再平穩(wěn)，此時(shí)的波形圖如圖3、圖4所示。

圖2 正相序三相平衡時(shí)輸出電壓u的波形圖

圖3 逆相序三相平衡時(shí)輸出電壓u的波形圖

圖4 正相序三相不平衡時(shí)輸出電壓u的波形圖

3 后續(xù)信號(hào)處理

由于電路屬于非線性混合電路，理論計(jì)算較困難，在這里不再贅述。在設(shè)計(jì)過程可以充分地借助于Altium Designer2008［8］軟件進(jìn)行仿真分析，該軟件是國際領(lǐng)先的一體化電子設(shè)計(jì)平臺(tái)，是繼Protel系列產(chǎn)品之后又一款高端設(shè)計(jì)軟件，為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了完整解決方案。在仿真結(jié)果的波形文件中，可以給出相應(yīng)元件的電壓、電流、功率、直流分析、小信號(hào)模型以及信號(hào)完整性分析等內(nèi)容。在本設(shè)計(jì)中，后續(xù)信號(hào)處理的電路圖5所示。

圖5 后續(xù)信號(hào)處理電路

當(dāng)三相輸入電源為正相序時(shí)，由圖2可知，輸出電壓u在1.598 V左右穩(wěn)定波動(dòng)，所以該電壓可以使復(fù)合三極管QT2飽和導(dǎo)通。此時(shí)，QT2的集電極電壓降為0.7 V左右，使QT3的集電極電壓約為0.7 V，經(jīng)過二極管D8降壓，使QT4的基極電壓低于1.4 V，所以三極管QT4截止。逆相序時(shí)，u的幅值大小不穩(wěn)定，會(huì)使QT2的基極電壓降低，圖5中輸入信號(hào)u經(jīng)過三極管QT2會(huì)在一個(gè)周期內(nèi)（約3.3 ms）截止，此時(shí)經(jīng)過分壓電阻R8、R9使三極管QT3基極電位升高，集電極電壓升高到0.5～4 V，然后經(jīng)過T型濾波整形和二極管倍壓電路并結(jié)合π型濾波升壓后使三極管QT4的基極電壓平穩(wěn)在1.6 V左右，從而驅(qū)動(dòng)三極管QT4飽和導(dǎo)通，使繼電器K1線圈得電導(dǎo)通，常開節(jié)點(diǎn)閉合，常閉節(jié)點(diǎn)打開，從而切斷電源起到保護(hù)相應(yīng)電氣設(shè)備的作用。二極管D7給繼電器線圈提供放電回路，保護(hù)三極管不被擊穿。

4 電路性能與特點(diǎn)

由于接入三相電源的每一相都對(duì)地采用480 kΩ的電阻接到了電源線路中，所以并不會(huì)影響設(shè)備的絕緣性能；而且，并沒有將電容直接傳入線電壓中，不存在電容擊穿而發(fā)生斷路的問題。經(jīng)過仿真和實(shí)驗(yàn)分析，本系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）采用分立模擬器件，輸入電壓范圍寬，交流相電壓50～500 V均適用；

（2）能夠檢測(cè)逆序和缺相故障；

（3）從圖2橫坐標(biāo)的仿真時(shí)間可知，當(dāng)三相電源正相序而某相電壓低于或超過約20%時(shí)，能夠在0.5 s內(nèi)檢測(cè)出并繼電器動(dòng)作；

（4）從圖2～圖4橫坐標(biāo)的仿真時(shí)間可知，該設(shè)計(jì)響應(yīng)時(shí)間短，正常動(dòng)作時(shí)僅為0.05～0.4 s；

（5）具有工作狀態(tài)指示功能，繼電器輸出，接入其它主控設(shè)備時(shí)應(yīng)用方便；

（6）經(jīng)實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，安全可靠，對(duì)三相電源主回路沒有太大影響。硬件實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 硬件實(shí)物圖

5 結(jié)論

通過分析文獻(xiàn)和市場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)很多三相相序鑒別產(chǎn)品只能解決三相交流電源缺相、鑒別相序的問題。但是，當(dāng)三相正相序而某相電壓出現(xiàn)偏高或偏低時(shí)則無法判斷，所以充分利用三相電路的對(duì)稱性，運(yùn)用模擬分立元件設(shè)計(jì)仿真了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的相序鑒別電路。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該電路能夠較好地解決缺相、鑒相和三相正相序但某相電壓出現(xiàn)偏高或偏低時(shí)進(jìn)行報(bào)警動(dòng)作等問題，可廣泛應(yīng)用于冶金、石油、艦船等野外電氣設(shè)備掛裝或便攜使用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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