CN102135562A - 三相交流电检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相交流电检测方法。该方法包括以下步骤：将三相电分别调理为加直流偏置的正弦弱电信号；在一个周期内分别对各相经调理后的正弦弱电信号进行不断的AD采样，并记录每相的最大值、最小值以及各自出现的时间；根据步骤B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后与预先设置的缺相、过压及欠压门槛值相比较，判断是否出现缺相、过压、欠压或三相不平衡；根据所记录的三相加直流偏置的正弦弱电信号的最大值出现的时间先后顺序判断相序。本发明还公开了一种三相交流电检测装置，该装置利用星形连接的电阻组成的带中性点的分压电路以及与中性点连接的直流基准电压源将三相电调理为加直流偏置的正弦弱电信号。本发明结构简单、实现方便。

Description

三相交流电检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及一种三相交流电检测方法及检测装置。

背景技术

在工农业生产及日常生活中，常常需要对三相交流电的相序、电压等物理量进行实时监控。以三相交流电为电源的电力拖动系统，如起重机和电梯等，三相交流的相序直接决定设备的运转方向，在正常运转过程中，相序一旦反相，运转方向也随即反向，极可能造成设备故障甚至人身伤害，因此在这类设备的控制系统中必须加入相序检测功能；三相交流电的过压会造成设备的过热，严重时会使设备烧毁；欠压会造成设备的无法启动，对于正在运行的电力拖动系统，当负载不变，电压的降低会导致电流迅速增大，极易造成电机过热而烧毁，为保证设备安全需要为系统配备电压检测装置。

传统的三相电相序检测方式主要有两类：一是,不使用微处理器，构建复杂的硬件电路进行监控。如利用“过零法”将三相交流电转换为反映相序的方波信号，再通过逻辑门电路进行相序检测；二是，使用微处理器，但需要利用隔离电路进行强弱电的隔离。传统的相序检测技术硬件结构复杂，价格高，软件开销大，特别是随着科技的发展，对检测装置数字化、网络化和实时性的要求不断提高，传统的检测装置和方法很难满足要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有三相交流电检测技术存在的硬件结构复杂、成本高的缺陷，提供一种电路结构简单、实现方便的三相交流电检测方法及检测装置。

本发明的三相交流电检测方法，包括以下步骤：

步骤A、将三相电分别调理为加直流偏置的正弦弱电信号；

步骤B、在一个周期内分别对各相经调理后的正弦弱电信号进行不断的AD采样，并记录每相的最大值、最小值以及各自出现的时间；

步骤C、根据步骤B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后与预先设置的缺相、过压及欠压门槛值相比较，判断是否出现缺相、过压、欠压或三相不平衡；根据所记录的三相加直流偏置的正弦弱电信号的最大值出现的时间先后顺序判断相序。

所述将三相电分别调理为加直流偏置的正弦弱电信号按照以下方法：通过星形连接的电阻组成的带中性点的分压电路，得到相对于中性点的正弦弱电信号；再通过与中性点连接的直流基准电压源抬高中性点的电压，使中性点相对于AD采样模块地的电压为固定值，从而得到加直流偏置的正弦弱电信号。

进一步地，所述加直流偏置的正弦弱电信号在输出之前还经过低通滤波电路滤除高频干扰信号。

本发明的三相交流电检测装置，包括依次信号连接的信号采样单元、主控模块、人机接口模块，所述信号采样单元包括将三相电分别调理为加直流偏置的正弦弱电信号的三相电调理电路，以及对经调理的加直流偏置的正弦弱电信号进行AD采样的AD采样模块；所述三相电调理电路包括由星型连接的电阻组成的带中性点的分压电路，以及与所述分压电路的中性点连接的直流基准电压源。

作为进一步优化方案，所述信号采样单元还包括用于滤除所述加直流偏置的正弦弱电信号中的高频干扰信号的低通滤波电路。

作为又一优化方案，本发明的三相交流电检测装置还包括与所述主控模块连接的并受其控制的继电器组。从而可在检测到异常时，直接通过继电器组的关断来控制三相交流电的通断和输出相序的转换。

进一步地，本发明的三相交流电检测装置还包括与所述主控模块连接的通信接口。从而可以将现场检测到的三相交流电信息实时传输给上层管理系统。所述通信接口优选CAN（Controller Area Network）总线接口。

本发明与现有技术相比有如下有益效果：

一、本发明外围硬件电路简单，不需要光耦隔离器件，即可将三相交流电的幅值和相位信息完整传输给主控模块；

 二、本发明的相序检测算法的计算量小，抗干扰能力强，可提供准确的三相交流电相序信息；

三、本发明可实现相序、相电压、缺相、欠压、过压或三相不平衡的综合检测；

四、本发明可以实现现场检测数据的实时上传，方便实现数字化和网络化管理。可以通过上层管理系统或本地输入单元，方便实现三相交流电的通断、输出相序和欠压过压检测门槛值的设置；

五、由于硬件简单、可靠，可以单独作为一个三相交流电设备的电源监控单元，也可以方便的移植到其它复杂监控系统中。

附图说明

图1为本发明的三相交流电检测装置的功能结构框图；

图2为本发明的三相交流电检测装置中三相电调理电路的电路原理图，其中（a）为分压电路，（b）为直流基准电压源，（c）为低通滤波电路；

图3为三相交流电通过调理电路之后的信号波形；

图4为本发明的相电压检测原理示意图；

图5为本发明的三相交流电相序检测原理示意图，其中（a）为相序为ABC时的调理信号，（b）为相序为ACB时的调理信号；

图6为可能造成相序误判的示意图；

图7为本发明的三相交流电检测装置的硬件结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明的三相交流电检测装置包括依次信号连接的信号采样单元、主控模块、人机接口模块、低通滤波电路、继电器组以及CAN通信接口，所述信号采样单元包括将三相电分别调理为加直流偏置的正弦弱电信号的三相电调理电路，以及对经调理的加直流偏置的正弦弱电信号进行AD采样的AD采样模块；所述三相电调理电路包括由星型连接的电阻组成的带中性点的分压电路，以及与所述分压电路的中性点连接的直流基准电压源。

本具体实施方式中，主控模块采用飞思卡尔MC9S12DG128单片机，该单片机集成有AD采样模块，因此不需要再单独设置AD采样模块。

本具体实施方式中，三相电调理电路的电路原理如图2所示，其中（a）为分压电路，（b）为直流基准电压源，（c）为低通滤波电路。该调理电路将三相交流电调理为可供AD采样(MC9S12DG128的AD模块采样范围为0-5V)的峰峰值小于5V频率50Hz加2.5V加直流偏置的正弦弱电信号。该三相电调理电路包括分压电路、直流基准电压源电路和二阶低通滤波电路，通过直流基准电压源电路提供直流偏置电压，将星形连接分压电路的中性点与AD采样电路的参考地相关联并抬高到2.5V，从而将分压电路产生的以星形连接中性点为参考点峰峰值小于5V的交流信号转换为以AD采样电路的地为参考点峰峰值小于5V频率50Hz加2.5V加直流偏置的正弦弱电信号，从而完整的保留交流电的幅值和相位信息。分压电路由分压电阻按星形连接组成，将相电压为220V的三相交流电转换成峰峰值小于5V的交流小信号。图2中分压电路原理说明：以P1接口中A对应的一相为例，R1和R4组成分压电路，使该路的输出L1相对于中性点zeroline之间的电压为峰峰值小于5V的交流小信号，注意在没有添加直流基准电压源时，中性点zeroline和AD采样电路参考地之间的电压为不确定值；直流基准电压源产生一个2.5V的直流信号，加在星形连接的分压电路的中性点，使分压电路调理出的信号相对于AD采样电路的参考地为峰峰值小于5V频率50Hz加2.5V加直流偏置的正弦弱电信号。直流基准电压源电路原理图说明：利用基准电压源芯片TL431，在其3引脚产生一个5V的直流电压，然后通过由R10和C5组成的低通滤波器，再利用R11和R12组成的分压电路使得输入电压跟随器(由U1B运放放大器构成)的电压为2.5V。将电压跟随器的输出和分压电路中性点zeroline相连，使分压电路与AD采样电路有相同的参考地并且分压电路的中性点zeroline与AD采样电路的参考地之间的电压为固定的2.5V。加入直流基准电压源之后，分压电路的输出L1相对于AD采样电路的参考地是峰峰值小于5V频率50Hz加2.5V加直流偏置的正弦弱电信号；二阶低通滤波器，滤除高频干扰，提高系统的抗干扰能力，并且因为输入给二阶低通滤波器的信号为直流，低通滤波器中的运算放大器只需要一个正电源，简化系统电源模块设计。本调理电路可以直接和微处理器连接从而省略了隔离器件，简化了硬件电路。三相交流电通过该调理电路之后的输出波形如图3所示。

本具体实施方式中，人机接口模块包括用于检测结果显示的液晶显示屏和用于控制参数输入的按键。

本具体实施方式中，该检测装置还包括一个与单片机连接的蜂鸣器，当检测到异常时，单片机控制蜂鸣器发出报警。

本发明的三相交流电检测装置的硬件结构如图7所示，在进行三相交流电检测时，按照以下步骤：

步骤A、将三相电分别调理为加直流偏置的正弦弱电信号；

步骤B、在一个周期内分别对各相经调理后的正弦弱电信号进行不断的AD采样，并记录每相的最大值、最小值以及各自出现的时间；

步骤C、根据步骤B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后与预先设置的缺相、过压及欠压门槛值相比较，判断是否出现缺相、过压、欠压或三相不平衡；根据所记录的三相加直流偏置的正弦弱电信号的最大值出现的时间先后顺序判断相序。

利用单片机的AD模块在一个周期的时间(50Hz时为20ms)内对各相电压不断进行采样，每当出现一个更大或更小的电压值就记录该电压值以及出现的时间。如图4所示，假设从t1时刻开始采样，到t2时刻采样到的电压值大于t1时刻的电压， 就记录t2时刻的电压值为最大值；到t3时刻采样到的电压值大于t2时刻， 就记录t3时刻的电压值为最大值；到t5采样结束时没有采样到更大的电压，所以t3时刻的电压值就是最大值，同理可以得到t4时刻的电压值为最小值。通过最大值最小值就可以计算出峰峰值，然后与预先设置的的缺相、过压和欠压门槛值相比较，判断是否出现缺相、过压、欠压或三相不平衡。当电压正常时，将检测到的电压值通过人机接口模块中的液晶屏显示并通过CAN总线上传到上层管理系统；当出现电压故障时，液晶屏显示故障名并通过CAN总线将故障信息及时上传到上层管理系统。

相序检测功能的实现方法：通过检测各相最大值出现的时间顺序判断相序。三相交流电的相序有正相序和反相序两种，对应到图7的三相交流电输入接口即ABC和ACB两种情况。当相序为ABC时，在一个周期的时间内ABC三路信号电压最大值出现的顺序只可能为ABC、BCA和CAB三种情况；当相序为ACB时，只可能为ACB、CBA和BAC三种情况，因此只要检测出三路信号最大值出现的时间顺序为ABC、BCA、CAB、ACB、CBA和BAC中的哪一种就可以判断相序为ABC还是ACB，其中最大值出现时间的确定采用前述的求电压最大值的方法。因为三相交流电输入接口的ABC和单片机的AD采样引脚是一一对应的，假设A对应AD0，B对应AD1，C对应AD2，那么在一个周期的时间内通过检测AD0、AD1、AD2最大值出现时间顺序就可以判断相序。如图5(a)所示，某次检测,三相交流电输入接口的ABC经过调理电路之后的输出分别为实线、虚线和点划线，假设从t0时刻开始采样， 到t4时刻结束则在t1、t2、t3时刻取到最大值，对应相序为ABC；假设从t1时刻开始采样t5时刻采样结束，则在t2、t3、t5时刻取得最大值，最大值出现顺序为BCA；假设从t2时刻开始采样t6时刻采样结束，则在t3、t5、t6时刻取得最大值，最大值出现顺序为CAB，虽然检测到ABC三路的最大值出现的顺序不同但相序都为ABC。相序为ACB时的检测示意图如图5(b)所示。利用最大值出现顺序检测相序的方法，算法简单，软件开销小，抗干扰能力较强，只有出现如图6所示的强干扰，造成最大值检测时间的错位才可能出现相序的误判。

当检测到异常时，可利用继电器组的关断来控制三相交流电的通断和输出相序的转换。根据控制信号的来源可分为两种情况：一种是主控制模块根据预先设置好的输出相序和门槛电压，直接控制继电器组，实现三相交流电的通断和输出相序的转换；第二种：利用CAN通信接口将现场检测到的三相交流电信息实时上传给上层管理系统，上层管理系统通过CAN总线直接控制三相交流电的通断以及输出的相序，这非常有利于大型复杂系统的网络化和实时化的监测和控制。

Claims (8)

1.一种三相交流电检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、将三相电分别调理为加直流偏置的正弦弱电信号；

步骤B、在一个周期内分别对各相经调理后的正弦弱电信号进行不断的AD采样，并记录每相的最大值、最小值以及各自出现的时间；

步骤C、根据步骤B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后与预先设置的缺相、过压及欠压门槛值相比较，判断是否出现缺相、过压、欠压或三相不平衡；根据所记录的三相加直流偏置的正弦弱电信号的最大值出现的时间先后顺序判断相序。

2.如权利要求1所述三相交流电检测方法，其特征在于，所述将三相电分别调理为加直流偏置的正弦弱电信号按照以下方法：通过星形连接的电阻组成的带中性点的分压电路，得到相对于中性点的正弦弱电信号；再通过与中性点连接的直流基准电压源抬高中性点的电压，使中性点相对于AD采样模块地的电压为固定值，从而得到加直流偏置的正弦弱电信号。

3.如权利要求2所述三相交流电检测方法，其特征在于，所述加直流偏置的正弦弱电信号在输出之前还经过低通滤波电路滤除高频干扰信号。

4.一种三相交流电检测装置，包括依次信号连接的信号采样单元、主控模块、人机接口模块，其特征在于，所述信号采样单元包括将三相电分别调理为加直流偏置的正弦弱电信号的三相电调理电路，以及对经调理的加直流偏置的正弦弱电信号进行AD采样的AD采样模块；所述三相电调理电路包括由星型连接的电阻组成的带中性点的分压电路，以及与所述分压电路的中性点连接的直流基准电压源。

5.如权利要求4所述三相交流电检测装置，其特征在于，所述信号采样单元还包括用于滤除所述加直流偏置的正弦弱电信号中的高频干扰信号的低通滤波电路。

6.如权利要求4或5所述三相交流电检测装置，其特征在于，该装置还包括与所述主控模块连接的并受其控制的继电器组。

7.如权利要求4或5所述三相交流电检测装置，其特征在于，该装置还包括与所述主控模块连接的通信接口。

8.如权利要求7所述三相交流电检测装置，其特征在于，所述通信接口为CAN总线接口。

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