CN101320063B - 三相交流电相序检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相交流电相序检测装置及方法，该装置包括三相交流电采样模块、坐标系变换模块、角频率信号求取模块和相序方向判断模块，其检测方法如下：A.三相交流电采样模块对当前三相交流电信号的瞬时值进行采样，得到采样瞬时值；B.坐标系变换模块将采样瞬时值由三相静止坐标系转换为两相的同步旋转坐标系，计算得到q轴分量a_q；C.角频率信号求取模块接收x_q得到误差信号，调节误差信号以改变x_q大小，并输出获得的角频率值ω₀给其反馈通道模块和相序方向判断模块，反馈通道模块输出ω₀给坐标系变换模块；D.相序方向判断模块判别ω₀的符号，并确定相序方向。本发明可实时检测相序状态，简单实用，抗干扰能力强。

Description

三相交流电相序检测装置及方法

技术领域

本发明属于三相交流电领域，具体涉及一种三相交流电相序检测装置及其检测方法。

背景技术

在许多三相设备应用领域中，三相交流电的相序对用电设备的正常运行有着重要的影响，很多情况下不允许出现相反的供电相序。以三相交流电牵引的电力传动设备为例，如电梯和车床等，交流电机牵引的设备通过改变电动机供电电压的相序来控制传动设备的运转方向，在正常运行中，一旦相序反相，运转方向也将发生改变，因此在传动设备的控制中必需引入相序的检测，否则会造成设备故障，甚至人身伤害。

公开号为CN1766662A，发明名称为“三相交流电源相序判断电路”的专利公开了一种相序的检测电路，该电路通过分别比较三路相电压，生成两个相位差为120°的方波信号，一个输入计数器脉冲输入端，一个输入计数器复位端，计数器输出的直流量通过与给定电平的比较，产生相序信号。该相序检测电路存在的问题是：在三相输入严重畸变时，其输入计数器脉冲输入端和复位端的信号不再互差120°，可能会造成误判断或检测的滞后。

发明内容

本发明的目的在于克服现有相序检测技术的不足，提供一种实用可靠的三相交流电相序检测装置，以及检测方法。该检测装置及方法基于同步旋转坐标系原理，提取三相交流电的角频率信息，通过判断角频率的工作方向来确定三相交流电的相序。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种三相交流电相序检测装置，包括：

三相交流电采样模块，用于实时检测当前电网三相交流电信号的瞬时值；

坐标系变换模块，采用Park变换的形式，用于将采样得到的三相交流电信号的瞬时值由三相静止坐标系转换为两相的同步旋转坐标系，并计算得到旋转坐标系下的q轴分量x_q；

角频率信号求取模块，用于调节q轴分量x_q大小，并输出相序检测获得的角频率值ω₀给所述坐标系变换模块；

相序方向判断模块，接收角频率信号求取模块输出的ω₀，用于判别ω₀的符号并确定交流电相序方向。

所述角频率信号求取模块包括0值比较模块、控制器模块和反馈通道模块，所述0值比较模块用于接收经变换的旋转坐标系下的q轴分量x_q，得到误差信号并输出给控制器模块；所述控制器模块用于调节输入的误差信号以改变q轴分量x_q大小，并输出ω₀给反馈通道模块和相序方向判断模块；所述反馈通道模块用于输出ω₀给坐标系变换模块。

一种三相交流电相序检测方法，包括如下步骤：

步骤A.三相交流电采样模块对当前电网三相交流电信号的瞬时值进行采样，得到各相应的采样瞬时值；

步骤B.采用Park变换形式的坐标系变换模块将采样得到的三相交流电信号的瞬时值由三相静止坐标系转换为两相的同步旋转坐标系，计算得到旋转坐标系下的q轴分量x_q；

步骤C.角频率信号求取模块的0值比较模块接收经变换的旋转坐标系q轴分量x_q，得到误差信号，并将误差信号输出给控制器模块；控制器模块调节误差信号以改变q轴分量x_q大小，并输出相序检测获得的角频率值ω₀给反馈通道模块和相序方向判断模块，反馈通道模块输出ω₀给坐标系变换模块；

步骤D.相序方向判断模块判别ω₀的符号，并确定交流电相序方向。

进一步地，所述步骤B中坐标系变换模块的坐标变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{\α}}\\ x_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]{\left[\begin{array}{ccc}{x}_a& x_b& x_c\end{array}\right]}^{\′},$

x_q＝-cos(ω₀t)*x_α-sin(ω₀t)*x_β＝-X_msin[(ω-ω₀)t]，

其中x_α、x_β分别为两相静止坐标系下分量，x_q为旋转坐标系下的q轴分量，Xm为三相交流电的最大值，ω为电网角频率，ω₀为相序检测获得的角频率值。

进一步地，所述步骤C中控制器模块调节误差信号以改变q轴分量x_q大小是使q轴分量x_q趋近于0。

进一步地，所述步骤C中控制器模块输出的ω₀趋近于ω。

进一步地，所述步骤A中三相交流电信号的瞬时值是三相电压或电流瞬时值。

进一步地，所述步骤D中若ω₀为正值，则电网处于正序状态；反之，则为负序状态。

由于角频率信号求取模块输出值ω₀近似于三相电网的角频率，而电网的角频率的符号即代表了当前三相交流电的相序，即使在三相电压不平衡和高谐波含量等三相严重畸变条件下，电网自身的角频率频率方向也不会发生改变。在这些畸变条件下，虽然得到的ω₀会出现一定谐波成分，但是其符号仍然与电网角频率方向相同。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)采用该检测装置及方法，在电网周期任意时刻都可以实时体现相序状态，相序判断及时有效，而且实现了一些三相电网严重畸变条件下对相序的准确检测；

(2)本发明若应用于数字控制领域，将有效的简化外围硬件判断电路；

(3)本发明的相序检测方法，简单实用，抗干扰能力强，为三相供/用电设备提供了快速准确的三相交流电相序信息。

附图说明

图1是本发明的三相交流电相序检测装置的结构示意图；

图2是图1的原理示意图；

图3是三相正序不平衡时ω₀状态的示意图；

图4是三相负序不平衡时ω₀状态的示意图；

图5是三相交流电相序切换瞬间时ω₀状态的示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

请参阅图1，本发明的三相交流电相序检测装置包括：三相交流电采样模块1，用于实时检测当前电网三相交流电信号的瞬时值，如三相电压或电流瞬时值x_a，x_b和x_c；坐标系变换模块2，采用Park变换的形式，用于将采样得到的三相交流电信号的瞬时值由三相静止坐标系转换为两相的同步旋转坐标系，计算得到旋转坐标系下的q轴分量x_q，其坐标变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{\α}}\\ x_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]{\left[\begin{array}{ccc}{x}_a& x_b& x_c\end{array}\right]}^{\′},$

x_q＝-cos(ω₀t)*x_α-sin(ω₀t)*x_β＝-X_msin[(ω-ω₀)t]，

其中x_α、x_β分别为两相静止坐标系下分量，x_q为旋转坐标系下的q轴分量，Xm为三相交流电的最大值，ω为电网角频率，ω₀为相序检测获得的角频率值；

角频率信号求取模块3，包括0值比较模块301、控制器模块302和反馈通道模块303，用于使经变换的旋转坐标系下的q轴分量x_q趋近于0，并输出ω₀给坐标系变换模块2；0值比较模块301用于接收经变换的旋转坐标系下的q轴分量x_q，得到误差信号(err)并输出给控制器模块302，控制器模块302用于调节输入的误差信号(err)，使q轴分量x_q趋近于0，并输出ω₀给反馈通道模块303和相序方向判断模块4；反馈通道模块303用于输出ω₀给坐标系变换模块2；相序方向判断模块4，接收角频率信号求取模块3的控制器模块302输出的ω₀，用于判别ω₀的符号并确定交流电相序方向。当x_q趋近于0时，控制器模块302输出的ω₀趋近于ω。

请参阅图2，该原理图的功能模块包括三相交流电采样模块1、坐标系变换模块2、0值比较模块301、控制器模块302、反馈通道模块303和相序方向判断模块4，以采样三相电网线电压为例，其实验条件是三相平衡条件下线电压峰值为538V，三相角频率为314rad/s，不平衡条件下三相线电压峰值分别为625V、538V、445V，其三相交流电相序检测方法如下：

首先通过三相交流电采样模块1对三相电网线电压V_ab、V_bc和V_ca进行采样，得到各相应的采样瞬时值u_ab、u_bc和u_ca，经过采样电路的三相交流线电压可以表示为如下形式：

u_ab＝V_msin(ωt)

u_bc＝V_msin(ωt-2π/3)

u_ca＝V_msin(ωt+2π/3)

其中V_m为采样后线电压峰值，ω为三相交流电角频率；

此时的三相瞬时值处于三相静止坐标系中，无法体现其角频率信息，因此需要对将三相交流电采样模块1检测到的交流电信号送入坐标系变换模块2转换到同步旋转坐标系下，得到q轴分量u_q，坐标系变换模块2采用Park变换的形式，主要完成如下公式的计算：

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]{\left[\begin{array}{ccc}{u}_{\mathrm{ab}}& u_{\mathrm{bc}}& u_{\mathrm{ca}}\end{array}\right]}^{\′}$

u_q＝-cos(ω₀t)*v_α-sin(ω₀t)*v_β＝-V_msin[(ω-ω₀)t]

坐标系变换模块2计算得到的q轴分量u_q经过0值比较模块301，得到控制器模块302的误差输入err：

err＝0-u_q＝V_msin[(ω-ω₀)t]

稳态条件下通过控制器模块302对输入误差err调节，最终使其趋近于0，即坐标系变换模块2得到的q轴分量u_q趋近于0，此时的控制器模块302输出ω₀趋近于ω，稳态条件下ω₀为恒定值，其幅值为314rad/s；

由于三相交流电角频率ω的符号表征了三相交流电的相序，因此通过相序方向判断模块4判断ω₀的符号即可完成相序的判断，如果ω₀为正，则电网处于正序状态；ω₀为负，则为负序状态。

图3和图4分别验证了正序和负序条件下，三相稳定与三相不平衡两种状态时控制器模块302输出的ω₀信息。三相平衡条件下，ω₀为恒定量，其表征了当前三相交流电的角频率。当三相交流电出现较为严重畸变时，ω₀虽然不再为恒定量，但其符号并未发生改变，始终表示当前三相相序状态。如图3中正序条件下，三相平衡时ω₀为恒定量+314rad/s，当三相交流电出现不平衡状态，ω₀振荡，但由于ω₀的符号只与当前三相角频率的方向有关，因此即使在振荡条件下ω₀仍然保持正向的状态。同理，图4中三相交流电负序条件下，三相平衡时ω₀为恒定量-314rad/s，在三相不平衡状态下ω₀仍然保持负向状态。

图5给出了三相交流电相序切换瞬间时ω₀状态的示意图，从图中可以看出，该相序检测方法及装置，对相序瞬间突变的检测及时、准确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，凡是本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三相交流电相序检测装置，包括：三相交流电采样模块，用于实时检测当前电网三相交流电信号的瞬时值；其特征在于，还包括

坐标系变换模块，采用Park变换的形式，用于将采样得到的三相交流电信号的瞬时值由三相静止坐标系转换为两相的同步旋转坐标系，并计算得到旋转坐标系下的q轴分量x_q；

角频率信号求取模块，用于调节q轴分量x_q大小，并输出相序检测获得的角频率值ω₀给所述坐标系变换模块；

相序方向判断模块，接收角频率信号求取模块输出的ω₀，用于判别ω₀的符号并确定交流电相序方向；

所述角频率信号求取模块包括0值比较模块、控制器模块和反馈通道模块，所述0值比较模块用于接收经变换的旋转坐标系下的q轴分量x_q，得到误差信号并输出给控制器模块；所述控制器模块用于调节输入的误差信号以改变q轴分量x_q大小，并输出ω₀给反馈通道模块和相序方向判断模块；所述反馈通道模块用于输出ω₀给坐标系变换模块。

2.一种三相交流电相序检测方法，包括

步骤A.三相交流电采样模块对当前电网三相交流电信号的瞬时值进行采样，得到各相应的采样瞬时值；其特征在于，还包括如下步骤：

步骤B.采用Park变换形式的坐标系变换模块将采样得到的三相交流电信号的瞬时值由三相静止坐标系转换为两相的同步旋转坐标系，计算得到旋转坐标系下的q轴分量x_q；

步骤C.角频率信号求取模块的0值比较模块接收经变换的旋转坐标系q轴分量x_q，得到误差信号，并将误差信号输出给控制器模块；控制器模块调节误差信号以改变q轴分量x_q大小，并输出相序检测获得的角频率值ω₀给反馈通道模块和相序方向判断模块，反馈通道模块输出ω₀给坐标系变换模块；

步骤D.相序方向判断模块判别ω₀的符号，并确定交流电相序方向。

3.根据权利要求2所述的三相交流电相序检测方法，其特征在于，所述步骤B中坐标系变换模块的坐标变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{\α}}\\ x_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{x}_a& x_b& x_c\end{array}\right],$

x_q＝-cos(ω₀t)*x_α-sin(ω₀t)*x_β＝-X_msin[(ω-ω₀)t]，

其中x_α、x_β分别为两相静止坐标系下分量，x_q为旋转坐标系下的q轴分量，Xm为三相交流电的最大值，ω为电网角频率，ω₀为相序检测获得的角频率值。

4.根据权利要求3所述的三相交流电相序检测方法，其特征在于，所述步骤C中控制器模块调节误差信号以改变q轴分量x_q大小是使q轴分量x_q趋近于0。

5.根据权利要求4所述的三相交流电相序检测方法，其特征在于，所述步骤C中控制器模块输出的ω₀趋近于ω。

6.根据权利要求5所述的三相交流电相序检测方法，其特征在于，所述步骤A中三相交流电信号的瞬时值是三相电压或电流瞬时值。

7.根据权利要求6所述的三相交流电相序检测方法，其特征在于，所述步骤D中若ω₀为正值，则电网处于正序状态；反之，则为负序状态。

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