CN101344549B - 一种三相电路缺相检测的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相电路缺相检测的方法，包括：a、采样三相交流电压的瞬时值，得到三相坐标；b、进行坐标变换，将三相坐标转换成两相坐标；c、将两相坐标进行幅值计算，得到幅值；d、将幅值与设定的电压范围下限对应的定幅值进行比较，若幅值小于电压范围下限对应的定幅值，则判定缺相；否则，返回步骤a，重新进行缺相检测流程。本发明还公开了一种三相电路缺相检测的装置，包括：采集模块、坐标变换模块、幅值计算模块、检测模块。通过该方法及其装置，实现通过软件的方式进行缺相检测，操作维护简单，并能降低设备成本。

Description

一种三相电路缺相检测的方法及其装置

技术领域

本发明涉及三相供电缺相保护领域，尤其涉及电机、开关电源等使用三相供电设备的缺相检测的方法及其装置。 

背景技术

三相市电供电方式在电机、开关电源等应用非常广泛，由于电网自身原因或电源输入接线不可靠，会导致三相交流输入的某一相或多相输入中断。此时电机或开关电源等处于缺相运行状态。当电源缺相运行时，会导致电机或开关电源的损坏，因此，必须对电源缺相进行缺相保护。在缺相保护中，关键的因素为是否能够快速的检测出三相市电的缺相状况，从而及时进行缺相保护。 

目前采用的缺相检测方式，通常是通过硬件的方式，将采样到的信号通过检测电路，进行一定的处理后，通过波形比较来判断是否缺相。例如，将采样到的三相电流通过整流电路，再将整流后波动的直流电压波形通过比较电路，与比较电路中的波形进行比较，以进行缺相判断。 

针对目前采用的使用硬件的检测电路进行缺相检测的方法，使设备增加了外部硬件，提高了成本，并增加了设备维护的复杂度。目前缺乏一种方便准确的通过软件的方式进行缺相检测的方法。 

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种三相电路缺相检测的方法及其装置，通过软件的方式进行缺相检测，操作维护简单，并能降低设备成本。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

本发明公开了一种三相电路缺相检测的方法，包括： 

a、采样三相交流电压的瞬时值，得到三相坐标； 

b、对采样的三相交流电压的瞬时值进行坐标变换，将三相坐标转换成两相坐标； 

c、根据坐标变换结果进行幅值计算，得到幅值； 

d、将幅值与设定的电压范围下限对应的定幅值进行比较，确定幅值小于电压范围下限对应的定幅值，则判定缺相。 

较佳的，所述的坐标变换可以为clark变换或dq变换。 

较佳的，所述步骤d设定的电压范围下限为165V。 

本发明还公开了一种三相电路缺相检测的装置，其特征在于，包括： 

采集模块，用于采样三相交流电压的瞬时值，得到三相坐标； 

坐标变换模块，用于对采集模块得到的三相交流电压的瞬时值进行坐标变换，将三相坐标转换成两相坐标； 

幅值计算模块，用于根据坐标变换模块得到的坐标变换结果进行幅值计算，得到幅值； 

检测模块，用于将幅值计算模块的幅值与设定的电压范围下限对应的定幅值进行比较，确定幅值小于电压范围下限对应的定幅值，则判定缺相。 

采用的本发明方法及其装置，根据采样到的三相交流电压的瞬时值，得到三相坐标，进行坐标变换，将三相坐标转换成两相坐标，再将两相坐标进行幅值计算，得到幅值，最后根据所计算出的幅值与设定的电压范围下限对应的定幅值进行比较，判断是否缺相。通过这种软件的实现方式实现缺相检测的目的，操作维护简单，并能降低设备成本。 

附图说明

图1为本发明三相电路缺相检测实现方法的流程示意图； 

图2为本发明三相电路缺相检测的装置结构图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。 

图1为本发明三相电路缺相检测实现方法的流程示意图，该方法包括： 

步骤101：采样三相交流电压的瞬时值，得到三相坐标。 

根据采样电路的不同，采样到的三相交流电压的瞬时值可以是相电压瞬时值也可以是线电压瞬时值。由线电压与相电压的关系： 

可以看出，线电压与相电压成正比，两者可以通过简单计算实现相互转换。 

如果采集到相电压瞬时值分别为V_a、V_b、V_c，则可以将V_a、V_b、V_c作为三相静止坐标系的三相坐标。 

步骤102：进行坐标变换，将三相坐标转换成两相坐标。 

坐标变换的目的是将三相坐标转换成两相坐标，例如，可以通过clark变换，dq变换等方式来实现。 

式1为clark变换将三相静止坐标系的三相坐标转换到两相静止坐标系的两相坐标： 

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_a\\ V_b\\ V_c\end{array}\right]$

式1 

V_α、V_β即为变换后得到的两相坐标。 

式2为dq变换将三相静止坐标系的三相坐标转换到两相旋转坐标系的两相坐标： 

$\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\\ V_0\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\ωt}\right)& \mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\mathrm{Cos}\left(\mathrm{\ωt}\right)& -\mathrm{Cos}(\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\mathrm{Cos}(\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_a\\ V_b\\ V_c\end{array}\right]$

式2 

V_d、V_q即为变换后得到的两相坐标。 

步骤103：将两相坐标进行幅值计算，得到幅值。 

将坐标变换后得到的两相坐标的平方和求根，所求即为幅值。 

对于两相静止坐标系，幅值 $R=\sqrt{V_{\mathrm{\α}}^2+V_{\mathrm{\β}}^2};$ 对应两相旋转坐标系，幅值  $R=\sqrt{V_d^2+V_q^2}.$

步骤104：将幅值与设定的电压范围下限对应的定幅值进行比较，确定幅值小于电压范围下限对应的定幅值，则判定缺相。 

电压范围下限可以视三相电路的具体情况设定。例如，在理想状况下，三相交流电压相电压的有效值为220V，与该值偏差在25％之内，即三相交流电压相电压的有效值在165V～275V范围内，均可以正常工作。如果三相交流电压其中一个相电压的有效值低于165V，会导致电机或开关电源的损坏，则有必要进行缺相保护。这样，可以设定165V为电机或开关电源正常工作的电压范围下限，低于这个值，即认为发生缺相。当然，也可以设定当三相交流电压其中一个相电压的有效值为0V时发生缺相。具体的设定条件视三相电路的具体情况而定，在此不再赘述。 

式3为三相交流电压相电压的有效值与瞬时值的关系，当采集到的相电压的瞬时值分别为V_a、V_b、V_c时， 

$V_a=\sqrt{2}*V_{\mathrm{rmsa}}*\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\ωt}\right)$

$V_b=\sqrt{2}*V_{\mathrm{rmsb}}*\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

$V_c=\sqrt{2}*V_{\mathrm{rmsc}}*\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

式3 

其中V_rmsa、V_rmsb、V_rmsc分别为对应三相交流电压相电压的瞬时值V_a、V_b、V_c 的三相交流电压相电压的有效值。ω是交流电压的角速度，t是时间。 

当三相交流电压的相电压有效值相等时，三相坐标通过坐标变换得到的两相坐标计算得到的幅值始终为一个定值。例如，在理想状况下，三相交流电压 的相电压有效值分别为V_rmsa＝V_rmsb＝V_rmsc＝220V。当ωt＝0°时，三相交流电压相电压的瞬时值分别为V_a＝0V，V_b＝269V，V_c＝-269V。经过clark变换，如式1所示，V_α＝0V，V_β＝381V。进行幅值计算，R＝381。当ωt＝90°时，三相交流电压相电压的瞬时值分别为V_a＝311V，V_b＝-156V，V_c＝-156V。经过clark变换，如式1所示，V_α＝381，V_β＝0。进行幅值计算，R＝381。无论ωt取值为多少，计算出的幅值R均为381。此时的幅值R＝381就称为相电压有效值均为220V时对应的定幅值。由此可以得出，当电压范围下限为X时，电压范围下限对应的定幅值即为相电压有效值均为X时对应的幅值。 

同样的，上述例子在进行坐标变换时，也可以采用dq变换，dq变换与clark变换实现原理相似，都是为将三相坐标系的三相坐标转换成两相坐标系的两相坐标。具体实现步骤只需根据式2进行相应计算，在此不再赘述。 

下面，通过实例进一步说明三相电路缺相检测的判断依据。 

当发生缺相时，例如，相电压有效值分别为V_rmsa＝0V，V_rmsb＝220V，V_rmsc＝220V，此时，三相坐标通过坐标变换得到的两相坐标计算出的幅值随采样时间的变化而有所不同。当ωt＝0°时，计算得出的幅值最大。通过计算可以得出，三相交流电压相电压的瞬时值分别为V_a＝0V，V_b＝269V，V_c＝-269V，经过clark变换，如式1所示，得到V_α＝0V，V_β＝381V。进行幅值计算，得到R＝381。当ωt＝90°时，计算得出的幅值最小。三相交流电压相电压的瞬时值分别为V_a＝0V，V_b＝-156V，V_c＝-156V，经过clark变换，如式1所示，得到V_α＝127V，V_β＝0V。进行幅值计算，得到R＝127。可以看出，随采样时间的不同，采样的相电压瞬时值也不断变化，由此计算出的幅值也相应变化。本例中，幅值的最高值381与相电压有效值均为220V时计算出的幅值相等，幅值最低值为127，幅值在127～381之间取值。进一步的，幅值随相电压有效值的递减呈现单调减的关系。当相电压有效值不相等时，假设该相电压有效值最高为Y。所计算出的幅值必定小于或等于相电压有效值均为Y时对应的定幅值。 

判断缺相时，可以把电压范围下限设为165V。如果存在至少一个相电压有 效值低于165V的情况，则视为缺相。在极端条件下，相电压有效值分别为V_rmsa＝V_rmsb＝V_rmsc＝165V，此时为三相电路正常工作的最低条件。相电压有效值均为165V时对应的定幅值为286，即V_L＝286。如果在某一时刻，三相交流电压的相电压有效值至少有一个小于165V，则计算出的幅值R一定小于V_L，则可以根据判断R是否小于V_L判定是否缺相。由上例，当相电压有效值分别为V_rmsa＝0V，V_rmsb＝220V，V_rmsc＝220V时，当ωt≠0°时，计算出的幅值总是小于V_L。如ωt＝90°时，计算出的幅值R＝127，V_L＝286，R＜V_L，则判断出缺相。同样的，当相电压有效值分别为V_rmsa＝100V，V_rmsb＝220V，V_rmsc＝220V 时，当ωt＝90°，三相交流电压相电压的瞬时值分别为V_a＝141V，V_b＝-156V，V_c＝-156V，经过clark变换，如式1所示，得到V_α＝242V，V_β＝0V。进行幅值计算，得到R＝242。此时，R＜V_L，则判断出缺相。 

图2为本发明三相电路缺相检测的装置结构图，该装置包括： 

采集模块201，用于采样三相交流电压的瞬时值，得到三相坐标。 

根据硬件的不同，采样的三相交流电压的瞬时值可以是相电压瞬时值也可以是线电压瞬时值。将采样得到的三相交流电压的瞬时值分别作为三相静止坐标系的三相坐标。 

坐标变换模块202，用于进行坐标变换，将采集模块201的三相坐标转换成两相坐标。 

坐标变换的目的是将三相坐标转换成两相坐标，例如，可以通过clark变换，dq变换等方式实现将三相坐标转换成两相坐标。 

幅值计算模块203，用于将坐标变换模块202的两相坐标进行幅值计算，得到幅值。 

将坐标变换后得到的两相坐标的平方和求根，所求即为幅值。 

检测模块204，用于将幅值计算模块203的幅值与设定的电压范围下限对应的定幅值进行比较，确定幅值小于电压范围下限对应的定幅值，则判定缺相。 

可以设定电压范围下限为165V，此时的定幅值V_L＝286，当R＜V_L时，判定 缺相。电压范围下限对应的定幅值V_L可以视三相电路的具体情况设定，在此不再赘述。 

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种三相电路缺相检测的方法，其特征在于，包括：

a、采样三相交流电压的瞬时值，得到三相坐标；

b、对采样的三相交流电压的瞬时值进行坐标变换，将三相坐标转换成两相坐标；

c、根据坐标变换结果进行幅值计算，得到幅值；

d、将幅值与设定的电压范围下限对应的定幅值进行比较，确定幅值小于电压范围下限对应的定幅值，则判定缺相。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b所述坐标变换为clark变换。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b所述坐标变换为dq变换。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d所述设定的电压范围下限为165V。

5.一种三相电路缺相检测的装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采样三相交流电压的瞬时值，得到三相坐标；

坐标变换模块，用于对采集模块得到的三相交流电压的瞬时值进行坐标变换，将三相坐标转换成两相坐标；

幅值计算模块，用于根据坐标变换模块得到的坐标变换结果进行幅值计算，得到幅值；

检测模块，用于将幅值计算模块的幅值与设定的电压范围下限对应的定幅值进行比较，确定幅值小于电压范围下限对应的定幅值，则判定缺相。

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