CN103412201A - 1.14kV电网相序检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种1.14kV电网相序检测装置及方法，装置包括：三相变压电路、晶闸管开关电路、储能滤波电路和继电器，所述三相变压电路与所述晶闸管开关电路连接，并引出三个电网接入端，所述晶闸管开关电路与所述储能滤波电路连接，所述继电器的线圈与所述储能滤波电路连接，所述继电器的开关设置在主接触器线圈回路中。本发明在三相变压电路和继电器线圈之间设置晶闸管开关电路，能够在三相变压电路的电网接入端连接的不同相序的三相电的情况下，实现不同时间长度的导通，当发生错相时，晶闸管开关电路输出到继电器线圈上的平均电压不能使继电器开关关闭，从而防止电机在错相时启动而损坏油泵。

Description

1.14kV电网相序检测装置及方法

技术领域

本发明涉及工程机械安全检测领域，尤其涉及一种1.14kV电网相序检测装置及方法。

背景技术

采用液压传动的矿用机械的动力装置一般为异步电动机驱动油泵，当电动机发生相序接反的情况时，电动机会反转，进而导致油泵吸空而对油泵造成损害。

目前通常需要安装相序检测装置来解决电动机相序接反所带来的问题，其原理是通过检测相序错误，及时地禁止电动机接触器闭合而使得电动机无法工作，并且提示操作者相序错误，从而避免电动机发生反转。

在380V电网中，采用阻容移相原理的相序继电器应用较为广泛，其检测相序错误的原理是搭建阻容移相网络，将一组待测电压分别移相并叠加，当相序连接正确时，叠加电压相位差小于180°，输出电压得到增强；当相序接反时，叠加电压相位相反输出电压近似为零。这种相序继电器由于受到阻容元件耐压和体积的限制，无法直接应用于1.14kV电网。

高压电网相序检测还可以通过电压互感器或霍尔式电压传感器采集电网电压信号，通过滤波整形后采用D触发器电路检测待测电压信号的相位超前滞后关系判断相序连接正确与否，但是这种采用D触发器数字芯片电路检测相序的方法需要为数字电路提供直流工作电源，造成检测装置成本高电路复杂。

发明内容

本发明的目的是提出一种1.14kV电网相序检测装置及方法，实现在1.14kV电网中的相序检测，避免发动机发生反转。

为实现上述目的，本发明提供了一种1.14kV电网相序检测装置，包括：三相变压电路、晶闸管开关电路、储能滤波电路和继电器，所述三相变压电路与所述晶闸管开关电路连接，并引出三个电网接入端，所述晶闸管开关电路与所述储能滤波电路连接，所述继电器的线圈与所述储能滤波电路连接，所述继电器的开关设置在主接触器线圈回路中。

进一步的，所述三相变压电路包括第一降压变压器和第二降压变压器，所述第一降压变压器的初级线圈和所述第二降压变压器的初级线圈串联连接，所述三个电网接入端分别从所述第一降压变压器的初级线圈和第二降压变压器的初级线圈的两个绕线接头，以及所述第一降压变压器的初级线圈和所述第二降压变压器的初级线圈的连接点引出，所述第一降压变压器次级线圈和第二降压变压器的次级线圈与所述晶闸管开关电路连接。

进一步的，所述晶闸管开关电路包括半控型晶闸管和稳压电路，所述第一降压变压器的次级线圈的第一绕线接头与所述半控型晶闸管的阳极连接，所述第一降压变压器的次级线圈的第二绕线接头接地，所述第二降压变压器的次级线圈的第一绕线接头和第二绕线接头分别与所述稳压电路和所述半控型晶闸管的阴极连接，所述稳压电路与所述半控型晶闸管的门极连接。

进一步的，所述稳压电路包括齐纳二极管和第一电阻，所述第二降压变压器的次级线圈的第一绕线接头与所述齐纳二极管的阴极连接，所述第一电阻串联连接在所述齐纳二极管的阳极与所述半控型晶闸管的阴极之间。

进一步的，所述晶闸管开关电路还包括第二电阻，所述第二电阻串联连接在所述齐纳二极管的阳极与所述半控型晶闸管的门极之间。

进一步的，所述齐纳二极管的稳压电压值由所述第二降压变压器的次级线圈的输出电压峰值和所述半控型晶闸管的期望导通时间来确定。

进一步的，所述储能滤波电路为二阶阻容储能滤波电路或三阶以上的阻容储能滤波电路。

进一步的，所述二阶阻容储能滤波电路包括第三电阻、第四电阻、第一电容和第二电容，所述第三电阻和第四电阻依次串联在所述半控型晶闸管的阴极和所述继电器的线圈的第一绕线接头之间，所述第一电容的第一极板和第二电容的第一极板分别连接在所述第四电阻的两端，所述第一电容的第二极板、第二电容的第二极板和所述继电器的线圈的第二绕线接头均与所述第一降压变压器的次级线圈的第二绕线接头连接。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于前述的1.14kV电网相序检测装置的1.14kV电网相序检测方法，包括：

将三相变压电路的电网接入端并联连接在1.14kV电网到电动机接线口之间的线路上，并将继电器的开关设置在所述电动机的主接触器线圈回路中；

第一降压变压器输出的电压信号作为主检测信号，通过半控型晶闸管和储能滤波电路来驱动所述继电器的线圈；

第二降压变压器输出的电压信号经过稳压电路处理后，作为所述半控型晶闸管的门级驱动信号，来控制所述半控型晶闸管的导通。

进一步的，当所述电动机接线口所接的所述1.14kV电网的相序为错误相序时，所述第一降压变压器输出的电压信号超前所述第二降压变压器输出的电压信号120度，所述继电器的线圈的两端输出电压平均值小于所述继电器的规定工作电压。

进一步的，还包括：

根据期望的所述半控型晶闸管的导通时间确定齐纳二极管的稳压值与所述第二降压变压器的次级线圈的输出电压峰值的比例关系；

根据所述比例关系和所述第二降压变压器的次级线圈的输出电压峰值设置所述齐纳二极管的稳压值，以调整所述继电器的线圈的两端输出电压平均值。

基于上述技术方案，本发明利用三相变压电路对来自电网的三相电信号进行降压，而降压后的电信号可以为继电器的线圈供电，以便使设置在主接触器线圈回路中的继电器的开关打开或关闭，而设置在三相变压电路和继电器线圈之间的晶闸管开关电路能够在三相变压电路的电网接入端连接的不同相序的三相电的情况下，实现不同时间长度的导通，当发生错相时，晶闸管开关电路输出到继电器线圈上的平均电压不能使继电器开关关闭，从而防止电机在错相时启动而损坏油泵。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明1.14kV电网相序检测装置的一实施例的结构示意图。

图2为本发明1.14kV电网相序检测装置实施例与电网连接的示意图。

图3为本发明1.14kV电网相序检测装置的另一实施例的具体电路结构示意图。

图4A、4B分别为本发明1.14kV电网相序检测装置实施例中的稳压电路的结构示意图及施加三角波时的输入端和输出端的电压波形示意图。

图5A、5B分别为本发明1.14kV电网相序检测装置实施例在正确相序下的时序逻辑图以及输入电压、U_GK和U_O的波形图。

图6A、6B分别为本发明1.14kV电网相序检测装置实施例在错误相序下的时序逻辑图以及输入电压、U_GK和U_O的波形图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明1.14kV电网相序检测装置的一实施例的结构示意图。在本实施例中，1.14kV电网相序检测装置（以下简称相序检测装置）包括：三相变压电路1、晶闸管开关电路2、储能滤波电路3和继电器4，三相变压电路1与晶闸管开关电路2连接，并引出三个电网接入端，晶闸管开关电路2与储能滤波电路3连接，继电器4的线圈与储能滤波电路3连接，继电器4的开关设置在主接触器线圈回路（图中未示）中。

在本实施例中，三相变压电路1所引出的三个电网接入端可以事先标定出ABC，并按照电动机标定的ABC进行连接，具体连接方式参见图2，即将相序检测装置并联到电网到电动机接线口的线路上。

三相变压电路1的作用是对三个电网接入端所接入的电网电压进行降压，以获得可用的检测信号和驱动信号，具体可采用两个小功率降压变压器来实现。晶闸管开关电路2中能够在三相变压电路1的电网接入端连接的不同相序的三相电的情况下，实现不同时间长度的导通，具体可采用半控型晶闸管和稳压电路来实现，利用半控型晶闸管的可控导通不可控关断的特性来实现不同时间长度的导通，利用稳压电路来控制晶闸管门极触发信号的宽度。储能滤波电路3的作用包括储能和滤波，以平滑输出电压的波动，其可以在晶闸管开关电路2导通时储能，在关断时放电，以维持继电器4的线圈的电流，具体可采用多阶的阻容储能滤波电路实现。

下面通过图3来对本发明相序检测装置的另一实施例的具体电路结构进行说明。在本实施例中，三相变压电路具体包括第一降压变压器PT1和第二降压变压器PT2。第一降压变压器PT1的初级线圈和第二降压变压器PT2的初级线圈串联连接，三个电网接入端分别从第一降压变压器PT1的初级线圈和第二降压变压器PT2的初级线圈的两个绕线接头，以及第一降压变压器PT1的初级线圈和第二降压变压器PT2的初级线圈的连接点引出，第一降压变压器PT1的次级线圈和第二降压变压器PT2的次级线圈与晶闸管开关电路连接。

在本实施例中，晶闸管开关电路可以具体包括半控型晶闸管KT1和稳压电路。其中，第一降压变压器PT1的次级线圈的第一绕线接头可以与半控型晶闸管KT1的阳极A连接，第一降压变压器PT1的次级线圈的第二绕线接头接地，第二降压变压器PT2的次级线圈的第一绕线接头和第二绕线接头分别与稳压电路和半控型晶闸管KT1的阴极K连接，稳压电路与半控型晶闸管KT1的门极G连接。

半控型晶闸管的特性是当施加正向阳极电压时，如果门极承受正极电压，半控型晶闸管的阳极和阴极之间导通，而当施加负向阳极电压时，无论门级承受何种电压，半控型晶闸管始终处于反向阻断状态。在半控型晶闸管处于导通的状况下，只要维持一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用。而当阳极电压小于阴极电压时，半控型晶闸管并不会关断，而是使流过半控型晶闸管的电流快速减小，当流过半控型晶闸管的电流变为零时，半控型晶闸管自然关断。

稳压电路起到的作用是控制半控型晶闸管KT1的门极触发信号的宽度。通过设置不同的稳压值可以获得不同的门极触发信号的宽度。以较常见的齐纳二极管为例，稳压电路包括齐纳二极管ZD1和第一电阻R1，并将第二降压变压器PT2的次级线圈的第一绕线接头与齐纳二极管ZD1的阴极连接，第一电阻R1串联连接在齐纳二极管ZD1的阳极与半控型晶闸管KT1的阴极K之间。齐纳二极管ZD1的稳压电压值可由第二降压变压器PT2的次级线圈的输出电压峰值和半控型晶闸管KT1的期望导通时间来确定。

为了方便对稳压电路所实现功能的理解，下面将齐纳二极管和第一电阻构成的稳压电路抽取出来，对形成的稳压电路示例来进行说明。在图4A所示的稳压电路示例中，输入端输入三角波，而齐纳二极管Dz的稳压值被设定为3V，这样当输入端u_i大于3V时，输出端u_o=ui-3，在输入端u_i小于3V时，输出端u_o=0。对应到图4B的波形图中，输出端u_o的波形对应于输入端u_i在3V以上的小三角形。如果改变齐纳二极管Dz的稳压值，将其设定为5V，那么对应的输出端u_o的小三角形波形必然变小。

对于本实施例来说，齐纳二极管ZD1的稳压电压值优选为第二降压变压器PT2的次级线圈的输出电压峰值的

举例来说，第二降压变压器PT2输出的电压是交流36V的控制电压时，其峰值为

当齐纳二极管ZD1电压为36V时，

因此半控型晶闸管KT1的门极触发信号（即大于0的电角度）表示的时间为135°-45°=90°。同理，采用其他的稳压器件也可以，只需确保在不同相序条件下，输出电压的平均值存在一定差距，且期望相序条件下输出电压足够驱动继电器线圈。

为了防止电压振荡和干扰导致的晶闸管门极误触发，还可以在齐纳二极管ZD1的阳极与半控型晶闸管KT的门极G之间串联连接一第二电阻R2。

在本发明中，储能滤波电路可采用二阶阻容储能滤波电路或三阶以上的阻容储能滤波电路实现。具体到本实施例中，优选采用二阶阻容储能滤波电路，即包括第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第二电容C2，第三电阻R3和第四电阻R4依次串联在半控型晶闸管KT1的阴极K和继电器K1的线圈的第一绕线接头之间，第一电容C1的第一极板和第二电容C2的第一极板分别连接在第四电阻R4的两端，第一电容C1的第二极板、第二电容C2的第二极板和继电器K1的线圈的第二绕线接头均与第一降压变压器PT1的次级线圈的第二绕线接头连接。

下面结合图3所示的相序检测装置实施例，分别对正确相序和错误相序下的情况进行说明。在三相电领域中，通常正相序为ABC，逆序为CBA，而在工程机械应用中，液压泵一般是从轴伸端看为顺时针旋转，因此当电动机与液压泵连接时，电动机应该按照从轴伸端看逆时针方向旋转驱动油泵才合理。按照标准规定，在无特殊说明情况下，电动机按照正相序连接时，从电动机轴伸端看为顺时针方向旋转。因此在工程机械应用时，电动机应该按照逆序连接才认为是正确相序，而正相序连接变为错相，基于这个原因，在本发明的相序检测装置中的相序逻辑采用了取反，即图5A所示的正确相序为CBA，图6A所示的错误相序为ABC。

图5B和6B是相序检测装置被输入正确相序和错误相序时的输入电压、U_GK和U_O的波形图。假设齐纳二极管ZD1的稳压值设定为36V，当第二降压变压器PT2的副边信号为负半周期时，齐纳二极管ZD1的阳极为正电压，齐纳二极管ZD1导通两端压降近似为0，第一电阻R1两端的电压变为第二降压变压器PT2的副边电压；第二降压变压器PT2的副边信号为正半周期时，齐纳二极管ZD1的阳极为负电压，如果第二降压变压器PT2的副边电压在36V之内，则齐纳二极管ZD1关断，第一电阻R1两端电压为0；如果第二降压变压器PT2的副边电压大于36V，则齐纳二极管ZD1反向击穿，两端电压为36V，根据欧姆定律，第一电阻R1两端电压为第二降压变压器PT2的副边电压减去36V。这样就使得在每个周期内半控型晶闸管KT1的门极G会有宽度约为90°的电角度的正向触发电压信号。

参考图5B和图6B，可以看到在正确相序CBA条件下，半控型晶闸管的门极触发信号超前阳极信号120°，经过稳压电路进行信号处理后会在半控型晶闸管的阳极信号正向过零点前后维持一个正向触发信号，晶闸管KT1触发导通后经过自然过零点关断，从图上看，在电角度360°时导通，维持导通状态到电角度540°时自然关闭，导通时间为180°电角度。得到的输出电压平均值约为：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}\sqrt{2}{U}_2\sin \mathrm{\ωtd\ωt}=\frac{\sqrt{2}{U}_2}{2\mathrm{\π}}{(-\cos \mathrm{\ωt})|}_0^{\mathrm{\π}}=0.45U_2$

这里的U2是第一降压变压器PT1的副边电压有效值。

而在错误相序ABC条件下，半控型晶闸管的门极触发信号滞后阳极信号120°。经过稳压电路进行信号处理后，会在半控型晶闸管的阳极信号负向过零点前约15°电角度产生正向触发信号，晶闸管KT1触发导通后经过自然过零点关断，从图上看，在电角度525°时导通，维持导通状态到电角度540°时自然关闭，导通时间为15°电角度。得到的输出电压平均值约为：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{\frac{165}{180}\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\sqrt{2}{U}_2\sin \mathrm{\ωtd\ωt}=\frac{\sqrt{2}{U}_2}{2\mathrm{\π}}{(-\cos \mathrm{\ωt})|}_{\frac{33}{36}\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}=0.008U_2$

这里的U2是第一降压变压器PT1的副边电压有效值。

可见当相序连接不同情况下半控型晶闸管的输出平均电压相差约57倍，因此当错相条件下继电器线圈两端电压远小于相序连接正确情况下继电器两端电压，继电器触点无法吸合。将该相序检测装置的继电器触点串联在电动机主接触器线圈回路中即可防止电机错相启动损坏油泵。

基于上述的相序检测装置，本发明还提供了一种1.14kV电网相序检测方法，包括以下步骤：将三相变压电路的电网接入端并联连接在1.14kV电网到电动机接线口之间的线路上，并将继电器的开关设置在所述电动机的主接触器线圈回路中；第一降压变压器输出的电压信号作为主检测信号，通过半控型晶闸管和储能滤波电路来驱动所述继电器的线圈；第二降压变压器输出的电压信号经过稳压电路处理后，作为所述半控型晶闸管的门级驱动信号，来控制所述半控型晶闸管的导通。

当电动机接线口所接的1.14kV电网的相序为错误相序时，第一降压变压器输出的电压信号超前第二降压变压器输出的电压信号120°电角度，继电器的线圈的两端输出电压平均值小于继电器的规定工作电压。

在另一个实施例中，1.14kV电网相序检测方法还可以进一步包括以下步骤：

根据期望的所述半控型晶闸管的导通时间确定齐纳二极管的稳压值与所述第二降压变压器的次级线圈的输出电压峰值的比例关系；

根据所述比例关系和所述第二降压变压器的次级线圈的输出电压峰值设置所述齐纳二极管的稳压值，以调整所述继电器的线圈的两端输出电压平均值。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (11)

1.一种14kV电网相序检测装置，其特征在于，包括：三相变压电路、晶闸管开关电路、储能滤波电路和继电器，所述三相变压电路与所述晶闸管开关电路连接，并引出三个电网接入端，所述晶闸管开关电路与所述储能滤波电路连接，所述继电器的线圈与所述储能滤波电路连接，所述继电器的开关设置在主接触器线圈回路中。

2.根据权利要求1所述的1.14kV电网相序检测装置，其特征在于，所述三相变压电路包括第一降压变压器和第二降压变压器，所述第一降压变压器的初级线圈和所述第二降压变压器的初级线圈串联连接，所述三个电网接入端分别从所述第一降压变压器的初级线圈和第二降压变压器的初级线圈的两个绕线接头，以及所述第一降压变压器的初级线圈和所述第二降压变压器的初级线圈的连接点引出，所述第一降压变压器的次级线圈和第二降压变压器的次级线圈与所述晶闸管开关电路连接。

3.根据权利要求2所述的1.14kV电网相序检测装置，其特征在于，所述晶闸管开关电路包括半控型晶闸管和稳压电路，所述第一降压变压器的次级线圈的第一绕线接头与所述半控型晶闸管的阳极连接，所述第一降压变压器的次级线圈的第二绕线接头接地，所述第二降压变压器的次级线圈的第一绕线接头和第二绕线接头分别与所述稳压电路和所述半控型晶闸管的阴极连接，所述稳压电路与所述半控型晶闸管的门极连接。

4.根据权利要求3所述的1.14kV电网相序检测装置，其特征在于，所述稳压电路包括齐纳二极管和第一电阻，所述第二降压变压器的次级线圈的第一绕线接头与所述齐纳二极管的阴极连接，所述第一电阻串联连接在所述齐纳二极管的阳极与所述半控型晶闸管的阴极之间。

5.根据权利要求4所述的1.14kV电网相序检测装置，其特征在于，所述晶闸管开关电路还包括第二电阻，所述第二电阻串联连接在所述齐纳二极管的阳极与所述半控型晶闸管的门极之间。

6.根据权利要求4或5所述的1.14kV电网相序检测装置，其特征在于，所述齐纳二极管的稳压电压值由所述第二降压变压器的次级线圈的输出电压峰值和所述半控型晶闸管的期望导通时间来确定。

7.根据权利要求3所述的1.14kV电网相序检测装置，其特征在于，所述储能滤波电路为二阶阻容储能滤波电路或三阶以上的阻容储能滤波电路。

8.根据权利要求7所述的1.14kV电网相序检测装置，其特征在于，所述二阶阻容储能滤波电路包括第三电阻、第四电阻、第一电容和第二电容，所述第三电阻和第四电阻依次串联在所述半控型晶闸管的阴极和所述继电器的线圈的第一绕线接头之间，所述第一电容的第一极板和第二电容的第一极板分别连接在所述第四电阻的两端，所述第一电容的第二极板、第二电容的第二极板和所述继电器的线圈的第二绕线接头均与所述第一降压变压器的次级线圈的第二绕线接头连接。

9.一种基于权利要求3～8任一所述的1.14kV电网相序检测装置的1.14kV电网相序检测方法，其特征在于，包括：

将三相变压电路的电网接入端并联连接在1.14kV电网到电动机接线口之间的线路上，并将继电器的开关设置在所述电动机的主接触器线圈回路中；

第一降压变压器输出的电压信号作为主检测信号，通过半控型晶闸管和储能滤波电路来驱动所述继电器的线圈；

第二降压变压器输出的电压信号经过稳压电路处理后，作为所述半控型晶闸管的门级驱动信号，来控制所述半控型晶闸管的导通。

10.根据权利要求9所述的1.14kV电网相序检测方法，其特征在于，当所述电动机接线口所接的所述1.14kV电网的相序为错误相序时，所述第一降压变压器输出的电压信号超前所述第二降压变压器输出的电压信号120度，所述继电器的线圈的两端输出电压平均值小于所述继电器的规定工作电压。

11.根据权利要求9所述的1.14kV电网相序检测方法，其特征在于，还包括：

根据期望的所述半控型晶闸管的导通时间确定齐纳二极管的稳压值与所述第二降压变压器的次级线圈的输出电压峰值的比例关系；

根据所述比例关系和所述第二降压变压器的次级线圈的输出电压峰值设置所述齐纳二极管的稳压值，以调整所述继电器的线圈的两端输出电压平均值。

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