CN101685120B - 三相三线输入缺相或不平衡的检测方法以及电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法，其包括以下步骤：对三相三线输入电压进行整流，得到三相整流电压实时波形；对整流电压实时波形进行分压，得到采样信号；通过波峰保持电路记录采样信号波峰得到波峰信号；根据检测需要是判定缺相还是判定不平衡，相应指定定标系数；通过定标分压电路按特定比例给定与信号波峰成此比例的定标信号；将采样信号与定标信号进行比较，当采样信号出现小于定标信号时，则表明缺相，反之，则无缺相；判定不平衡时采用不平衡定标系数，判定步骤相同；由检波比较器检测出缺相脉冲得到缺相信号并由光耦隔离传送输出。

Description

三相三线输入缺相或不平衡的检测方法以及电路

技术领域

本发明涉及一种电路的缺相或不平衡检测方法，特别是关于一种全电压范围三相三线交流输入电路的缺相或不平衡检测方法和电路。 

背景技术

三相三线交流输入工作方式广泛应用于电源，工业控制等领域，缺相或不平衡会使得电路工作的功率输出减少，功率因数降低，谐波增加等不良影响，甚至导致电路不工作，故障，出现事故等严重后果；因此一套可靠完善的检测电路对于三相三线制十分重要。 

目前三相缺相检测原理常采用各相检测电压与事先设定的参考比较，再对各相比较结果进行逻辑与运算实现缺相检测。此方法实现非常复杂。 

另外一类三相缺相原理是采用相电压与三相矢量和比较的方法，分别独立检测各相是否缺相；单纯检测三相缺相还需增加逻辑与运算。此方法实现较为复杂。 

较好一类三相缺相原理主要是根据三相正常及缺相时单相波形差异采用事先计算并设定的固定参考直流电压比较，并因此判定是否缺相。 

上述方法中缺点主要是：前两类方法需先检测各单相是否缺相，因此较为复杂，后一类的方法因采用预先设定的固定参考电压用于判定缺相，因此对交流电压的检测范围有很大限制，不能在全电压范围内完成缺相检测，并且检测电路中参考采用预先计算的固定直流电压，其设定还需要根据采样电路和工作电压范围计算以得出正确的参考，当工作范围及采样改变时需重新计算并更换元件。 

三类方法因其原理限制仅限于缺相检测，而无法实现三相电压不平衡检测。 

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法及其电路。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法，其作用是完成三相缺相检测或完成三相不平衡检测，其包括如下步骤： 

1)对三相三线输入电压进行整流，得到三相整流电压实时波形； 

2)对整流电压实时波形进行分压，得到采样信号； 

3)通过波峰保持电路记录采样信号波峰得到波峰信号； 

4)根据检测需要是判定缺相还是判定不平衡，相应指定定标系数；通过定标分压电路按特定比例给定与信号波峰成此比例的定标信号； 

5)将采样信号与定标信号进行比较，当采样信号出现小于定标信号时，则表明缺相，反之，则无缺相；判定不平衡时步骤相同； 

6)由检波比较器检测出缺相脉冲得到缺相信号并由光耦隔离传送输出，指定检测不平衡时，定标系数p取值计算包括如下步骤： 

a、选定待检测最大最小相线之间不平衡波形电压幅值比系数为L并 

设定1≥a≥0； 

b、当0.99≥a≥0.95时，计算p＝0.843；c、当0.95≥a≥0.7时，计算 

，其中满足a≥p≥0.866a； 

d、当0.7≥a≥0.3时，计算p＝a*0.974； 

根据实际设计容差和电路实用需要，保留一定允差范围，调整p值。 

本发明解决进一步技术问题的方案是：得到交流三相整流分压电压的波峰信号并根据其保持信号记录波形用作比较标准的满度值，也即最大值。 

本发明解决进一步技术问题的方案是：指定检测三相缺相时，定标系数p取值范围是：理论计算结果为0.866≥p≥0，实用上取0.8≥p≥0.3。 

相较于现有技术，本发明的全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法及其电路检测对三相三线全电压范围适用；可检测缺相，也可检测三相不平衡；由波峰保持波形及设定的定标系数用于比较，与采样电路及电压工作范围无直接关系，故参数选择及电路实现简单，当采样电路及电压工作范围发生改变时，定标参数及电阻不需要更换；定标系数由待检的不平衡系数决定，计算简便清晰。 

附图说明

图1是本发明的全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法的流程示意图。 

图2是本发明的全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法的三相平衡时整流波形R(t)与波峰保持波形Vc的对应关系示意图。 

图3是本发明的全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法的三相不平衡时整流波形R(t)与波峰保持波形Vc的对应关系示意图。 

图4是本发明的全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法的三相缺相时整流波形R(t)与波峰保持波形Vc的对应关系示意图。 

图5是本发明的全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测电路的结构示意图。 

具体实施方式

本发明提供了一种全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法，能够在三相输入全电压范围内完成三相缺相检测或完成三相不平衡检测。 

请参阅图1，本发明的全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法，包括如下步骤： 

1)对三相三线输入电压进行整流，得到三相整流电压实时波形；对整流电压实时波形进行分压，得到采样信号； 

2)通过波峰保持电路记录采样信号波峰得到波峰信号； 

3)选择是判定缺相还是判定不平衡，相应指定定标系数；通过定标分压电路按特定比例给定与信号波峰成此比例的定标信号； 

4)将采样信号与定标信号进行比较，当采样信号出现小于定标信号时，则表明缺相，反之，则无缺相；判定不平衡时步骤相同； 

5)由检波比较器检测出缺相脉冲得到缺相信号并由光耦隔离传送输出。 

如图2至图4所示，上述步骤基于如下事实： 

设A，B，C三相电压Vab，Vbc，Vca分别为： 

Vab＝Um*Sin(wt)，Vbc＝Um*Sin(wt-π/3)，Vca＝Um*Sin(wt-2π/3)(1)；则三相全桥整流后电压为π/3周期的函数，其取值在2π周期内表达式如下： 

$R\left(t\right)=\begin{array}{cc}\mathrm{Um}*\left|\mathrm{Sin}(\mathrm{wt}-2\mathrm{\π}/3)\right|;& \mathrm{wt}:0~\mathrm{\π}/3,\mathrm{\π}~4\mathrm{\π}/3;\\ \mathrm{Um}*\left|\mathrm{Sin}\left(\mathrm{wt}\right)\right|;& \mathrm{wt}:\mathrm{\π}/3~2\mathrm{\π}/\mathrm{3,4}\mathrm{\π}/3~5\mathrm{\π}/3\\ \mathrm{Um}*\left|\mathrm{Sin}(\mathrm{wt}-\mathrm{\π}/3)\right|;& \mathrm{wt}:2\mathrm{\π}/3~\mathrm{\π},5\mathrm{\π}/3~2\mathrm{\π}\end{array}---\left(2\right);$

由上式可知，R(t)的最大值为Um，最小值为Um*Sin(π/3)。 

当三相电压幅值不等时，记： 

Umin＝Min(Um1，Um2，Um3)，Umax＝Max(Um1，Um2，Um3)； 

由整流波形图分析可知：全桥整流后电压为周期函数，其最大值为Umax，最小值为三个波形的上交点之最低值，且大于Umin*Sin(π/3)； 

即满足：Umin*Sin(π/3)≤R(t)≤Umax    (3) 

上式成立的原理主要是因为|Sin(wt)|为π周期的函数，且分别在两区间内[0，π/2]，[π/2，π]两段单调，且最大值为π/2处；并且由于三相电压相差π/3，即将[0，π]周期内切分为六段单调连续函数，且相交点位于低幅值波形靠近π/3至π/2之间。 

当三相缺相时全桥整流只剩下一路波形，其最大值为Um，最小值为0。 

由以上公式及分析可知，R(t)的最大值为Um，但R(t)的最小值却不同，也即波形最小最大之间幅度不同； 

当三相平衡时，最小值为Um*0.866； 

当三相不平衡时，最小值小于Um*0.866，具体值与不平衡度相关； 

当三相缺相时，最小值为0； 

根据以上原理，本专利设计一个波峰采样保持电路以记录Um实时波形，并根据三相平衡不平衡或缺相时最小值的差异，设计一个定标分压电路，当整流波形最小值即波谷低于此值时，即检测出三相不平衡或缺相。 

由于三相平衡时，波谷系数为Sin(π/3)＝0.866，并考虑波峰采样中二极管压降，故实用定标分压系数取0.8以下，0.3以上。 

基于上述事实，如本发明权利要求3所述，当指定检测三相缺相时，定标系数取值范围是：理论计算结果为0.866≥p≥0，实用上取0.8≥p≥0.3； 

当指定检测不平衡时，定标系数p取值计算包括如下步骤： 

1.选定待检测最大最小相线之间不平衡波形电压幅值系数为a，并设 定1≥a≥0； 

2.当0.99≥a≥0.95时，计算p＝0.843； 

3.当0.95≥a≥0.7时，计算 

其中满足a≥p≥0.866a； 

4.当0.7≥a≥0.3时，计算p＝a*0.974； 

5.根据实际设计容差和电路实用需要，保留一定允差范围，如2-5％等，调整p值，如p’＝p*(1-0.05)； 

上述步骤基于如下事实： 

设Vab＝Um*Sin(wt)，Vbc＝a*Um*Sin(wt-π/3)，Vca＝Um*Sin(wt-2π/3)；(4) 

则Vab，Vbc相交处为 

记p＝s/Um 

又因为1≥a≥0，(a²-a+1)＝(a-0.5)²+0.75，故有a≥p≥a*0.866         (5) 

当0.7≥a≥0.3又有：a≥p≥a*0.974                                  (6) 

本发明与背景技术相比，具有以下的有益效果： 

1.检测对三相三线全电压范围适用； 

2.可检测缺相，也可检测三相不平衡； 

3.由波峰保持波形及设定的定标系数用于比较，与采样电路及电压工作范围无直接关系，故参数选择及电路实现简单， 

4.当采样电路及电压工作范围发生改变时，定标参数及电阻不需要更换； 

5.定标系数由待检的不平衡系数决定，计算简便清晰； 

请参阅图5，本发明的全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法可以通过6个二极管完成三相三线整流，再电阻分压降压，通过运放完成信号阻抗匹配及抗干扰去尖峰滤波、再由二极管和合适容量值的电容完成波峰采样保持，配合定标比例电路，完成比较得到波谷检测脉冲方波信号，再由方波检波检测出波形状态，即完成缺相或不平衡检测。 

如图5所示实施例1中，三相三线交流电压输入为A，B，C，其电压输入范围可以是全范围，如5％-130％Vn，其中Vn标称值一般取380V，也可以是其它电压等级或额定参数，如三相200V； 

图5中DR1-DR6组成三相三线全桥整流，得到三相整流电压实时波形； 

图5中R1是阻抗匹配电阻，主要应用于全范围检测时低电压段，该电 阻将保证在低输入电压时，整流电压波形不失真，不受二极管及采样电路阻抗高而导致波形失真的影响，从而保证整个电路的正常工作；阻抗匹配可以是额外独立的并联电阻R1，也可以适当降低采样电阻R2，R3的阻抗； 

图5中R2，R3是分压电阻，负责降低三相整流后电压波形幅度值，以提供检测电路工作信号来源。元件C1，R4，C2配合R2//R3，C1和R4，C2完成抗干扰去尖峰滤波，并由D1，D2完成电压嵌位保护，再由运放U1A完成阻抗匹配，得到经过信号调理后的三相电压整流后波形采样信号； 

图5中D3，C3是波峰采样保持电路，其中C3有一定容值，其容量应够大以保证其时间常数满足信号周期要求并能匹配其后的定标电路阻抗，但也不宜太大以保证运放正常工作，该电路主要负责完成三相电压整流后波形的波峰采样及保持信号； 

图5中R7，R8为定标电阻，参数设计时按定标系数p设计其分压电阻网络系数R8/(R7+R8)；当需要检测缺相时，一般取p＝0.3-0.8；当需要检测三相不平衡时，一般按所需判定不平衡度也即电压幅值比系数a，按本发明中定标系数p取值计算步骤计算，并留出一定容差，调整p值后计算电阻参数；图5中R11阻值参数远大于R7，R8，可按10倍以上值选择；其作用主要是当三相输入电压基本为零时，保留一个很小的电压信号，防止U2A比较器误动作，如检测范围低压端大于5％Vn，可以不装此电阻； 

图5中R5，C4其时间常数远大于三相电压信号周期，其功能主要是提高电路工作稳定性，而R6电阻参数远大于R5，其作用也是改善电路R5，C4对后面的比较器U2A的敏感性，使电路工作更可靠，更稳定，更抗干扰； 

图5中U2A是根据定标后波峰信号完成对三相整流后信号的比较，其功能是检测三相整流波形的波谷低于定标信号的波形部分，并产生脉冲方波输出； 

图5中D4，C6，R10，U2B是方波检波电路，负责根据脉冲方波信号产生U2B的电平方式状态信号，并通过光电耦合器隔离输出；最后输出的为交流缺相检测或三相不平衡检测的状态信号。 

在图5中，不同的定标系数p将完成不同指标的检测，如： 

当参数选取R7＝2R8时，p＝0.33，此时可以检测宽电压范围三相缺相或波幅比系数0.3，而不平衡度70％以上的三相不平衡； 

当参数选取R7＝0.5R8时，p＝0.67，此时可以检测全电压范围三相缺 相或波幅比系数0.7，而不平衡度30％以上的三相不平衡； 

采用本专利还可以根据需要选取其它参数完成相应检测。 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (3)

1.一种全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法，其作用是完成三相缺相检测或完成三相不平衡检测，其包括如下步骤：

1)对三相三线输入电压进行整流，得到三相整流电压实时波形；

2)对整流电压实时波形进行分压，得到采样信号；

3)通过波峰保持电路记录采样信号波峰得到波峰信号；

4)根据检测需要是判定缺相还是判定不平衡，相应指定定标系数；通过定标分压电路按特定比例给定与信号波峰成此比例的定标信号；

5)将采样信号与定标信号进行比较，当采样信号出现小于定标信号时，则表明缺相，反之，则无缺相；判定不平衡时步骤相同；

6)由检波比较器检测出缺相脉冲得到缺相信号并由光耦隔离传送输出，

指定检测不平衡时，定标系数p取值计算包括如下步骤：

a、选定待检测最大最小相线之间不平衡波形电压幅值比系数为a，并设定1≥a≥0；

b、当0.99≥a≥0.95时，计算p＝0.843；

c、当0.95≥a≥0.7时，计算，其中满足a≥p≥0.866a；

d、当0.7≥a≥0.3时，计算p＝a*0.974；

根据实际设计容差和电路实用需要，保留一定允差范围，调整p值。

2.根据权利要求1所述的全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法，其特征在于：得到交流三相整流分压电压的波峰信号并根据其保持信号记录波形用作比较标准的满度值，也即最大值。

3.根据权利要求1所述的全电压范围三相三线输入缺相或不平衡的检测方法，其特征在于：指定检测三相缺相时，定标系数p取值范围是：理论计算结果为0.866≥p≥0，实用上取0.8≥p≥0.3。

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