CN104360173A - 一种三相交流电相序检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及三相交流电应用的技术领域，特别涉及一种三相交流电相序检测的方法，该方法具体包括下列步骤：S1、采集T相与R相以及S相之间相差夹角的相位电流信号；S2、记录下首次采集到的两相脉冲信号状态，每相检测到的高、低电平状态分别用1，0表示；S3、根据已知正相相序变化周期规律00->10->11->01->00，并结合当前采集到的两相信号的状态，进行相序判断。本发明用简单软硬件实现鉴相模块化，只是通过大功率电阻和光耦将三相220V电转化成单片机能正常识别的5V直流变电，最大限度的节省了硬件资源；本发明的鉴相思路简单明晰，只是通过单片机两个引脚的高低电平状态的任意一次变化情况来确定相序的正反。
Description
技术领域
本发明涉及三相交流电应用的技术领域，特别涉及一种三相交流电相序检测的方法。
背景技术
三相交流电是由三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°角的交流电路组成的电力系统。目前，我国生产、配送的都是三相交流电。仔细观察，可以发现马路旁电线杆上的电线共有4根，而进入居民家庭的进户线只有两根。这是因为电线杆上架设的是三相交流电的输电线，进入居民家庭的是单相交流电的输电线。自从19世纪末世界上首次出现三相制以来，它几乎占据了电力系统的全部领域。目前世界上电力系统所采用的供电方式，绝大多数是属于三相制电路。三相交流电比单相交流电有很多优越性，在用电方面，三相电动机比单相电动机结构简单，价格便宜，性能好；在送电方面，采用三相制，在相同条件下比单相输电节约输电线用铜量。
使一个线圈在磁场里转动，电路里只产生一个交变电动势，这时发出的交流电叫做单相交流电。如果在磁场里有三个互成120度角的线圈同时转动，电路里就产生三个交变电动势，这时发出的交流电叫做三相交流电。三个线圈在磁场里匀速转动，由于三个线圈是相同的，它们发出的三个电动势，最大值和频率都相同，但是它们的相位并不相同，由于三个线圈平面互成120度角，所以三个电动势的相位互差120度。
在三相交流电的使用过程中，由于三相交流电的正相、反相、缺相，会给用电设备带来诸多损耗，比如因交流电反相导致电机反转从而造成的电机马达的物理损坏或次生故障发送的问题，因此，三相交流电的相位检测在三相交流电的应用过程中非常关键。
中国发明专利公开了一种三相电压鉴相方法(公开号为CN103063934A)，技术方案具体为:S1、首先，在配电变压器低压侧供电线路首端A相、B相和C相及被检测用电地点各安装电压采集装置，在各电压上升过零点时刻进行采样，记录采样时刻t；S2、线路首端A相、B相和C相电压上升过零点参考时刻为t1、t2、t3，鉴相测量点电压上升过零点参考时刻为ti，获取首端过零点时刻和鉴相测量点过零点时刻数值，将首端过零点时刻和鉴相测量点过零点时刻数值上传至服务器，再将首端A相、B相和C相电压上升过零点时刻与鉴相测量点电压上升过零点时刻的采集值进行比较；S3、判断|t1-t2|、|t2-t3|、|t3-t1|的大小关系，当|t1-t2|为最小，即鉴相测量点电压为与t1相对应的A相，当|t2-t3|为最小，即鉴相测量点电压为与t2相对应的B相，当|t3-t1|为最小，即鉴相测量点电压为与t3相对应的C相。
对比分析不足：以软件为主的鉴相方法，舍去了过多的硬件，对比文件和本申请的鉴相方法的区别在于确定对应相位的参照物不同，本申请是先用任意时刻两个相的电平状态点来确定对应的相位状态，然后等待下一个状态的出现，以判断相序变化的正，反，缺方向，而对比文件是用确定状态出现的时间段来确定对应相，再根据相位出现的顺序来判断相序正，反，缺方向。用计时来确定相位，需要计时器时刻计时占用CPU，且计时可能会存在误差，还要CPU对所记时间参数进行计算处理分析,故增加了计算的复杂度，同时准确度也受到了限制，如果没有很好的处理器，很难兼容其他占用CPU的软件功能。在对交流电进行时时鉴相方面，设“反应三相电源的整个变化规律的周期时间”为T，“等待第一个高电平出现的间”为Tw，那么“计时鉴相时间”t1＝T+Tw；若只看状态，在T中总共有四个不同的状态，而只要知道其中两个状态出现的先后就可以知道相序了，假设这四种状态出现的时间是相等的，那么每种状态出现的时间为T/4，因为是从中间切入的所以“状态鉴相时间”t2<＝T/2；因为T+Tw>T/2(时间大于0)，即t1>t2；所以本申请提出的鉴别相位的方法是更加高效。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种三相交流电相序检测的方法。
本发明的另一个目的在于提供一种三相交流电相序检测的装置。
本发明的第一个目的通过下述技术方案实现：
一种三相交流电相序检测的方法，包括下列步骤：
S1、假设三相交流电的三相电路分别记为R相、S相、T相，分别采集T相与R相以及S相之间相差夹角的相位电流信号；
S2、记录下首次采集到的两相脉冲信号状态，每相检测到的高、低电平状态分别用1，0表示；
S3、根据已知正相相序变化周期规律00->10->11->01->00，并结合当前采集到的两相信号的电平高低状态，推出下个电平状态，并在电平状态持续时间内等待其状态变化是否与推论相符，然后确定相序，若相符则判断三相交流电是正相，若不相符，则相位错乱。
优选的，所述步骤S1中采集三相交流电中T相与R相以及S相之间相差夹角的相位电流信号的具体步骤为：
S11、通过串联大功率电阻进行降压限流；
S12、以T相负半波为基准通过二极管分别截取与R相以及S相正半波之间相差夹角的相位电流信号；
S13、通过光耦元件隔离后经输出端由5V电压与上偏置电阻构成的电路，还原幅度为5V电压的不同相差矢量两相信号。
优选的，所述步骤S3中电平状态持续时间根据交流电的频率不同而取值不同，在特定频率F赫兹正弦交流电频率下，设某相交流电在特定电平状态下的起始与结束时刻对应角度分别为A1和A2，则对应电平状态的持续时间为T＝(A2-A1)/(360°*F)。
本发明的另一个目的通过下述技术方案实现：
一种三相交流电相序检测的装置，具体包括下列装置：
相差夹角的相位电流信号采集装置，用于采集三相交流电中T相与R相以及S相之间相差夹角的相位电流信号；
记录设置装置，用于记录下首次采集到的两相脉冲信号状态，每相检测到的高、低电平状态分别用1，0表示；
单片机计算装置，用于根据已知正相相序变化周期规律00->10->11->01->00，并结合当前采集到的两相信号的电平高低状态，推出下个电平状态，并在电平状态持续时间内等待其状态变化是否与推论相符，然后通过判断三相交流电相序是否正确进而确定是否正相。
优选的，所述的相差夹角的相位电流信号采集装置具体包括：
降压限流装置，该装置通过串联大功率对三相交流电进行降压限流；
相位信号截取装置，该装置以T相负半波为基准通过二极管分别截取与R相以及S相正半波之间相差夹角的相位电流信号；
信号隔离变换装置，该装置通过光耦元件隔离后经输出端由5V电压与上偏置电阻构成的电路，还原幅度为5V电压的不同相差矢量两相信号。
优选的，所述的单片机计算装置中状态持续时间根据交流电的频率不同而取值不同，在特定频率F赫兹正弦交流电频率下，设某相交流电在特定电平状态下的起始与结束时刻对应角度分别为A1和A2，则对应电平状态的持续时间为T＝(A2-A1)/(360°*F)。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明用简单软硬件实现鉴相模块化，只是通过大功率电阻和光耦将三相220V电转化成单片机能正常识别的5V直流变电，最大限度的节省了硬件资源，有效避免了硬件部分过于庞大而造成的一系列问题，比如，成本、维修、升级等方面的问题。
2、本发明的鉴相思路简单明晰，只是通过单片机两个引脚的高低电平状态的任意一次变化情况来确定相序的正反，不需要太多的计算，只要几组逻辑判断就行。
3、可移植性强且便于功能扩展，在程序执行中占用的最大时间由所鉴定的三相频率f1决定，tmax＝1/2f1；不会对程序造成太大影响，而最小时间由单片机的振荡频率f2决定，tmin>f2/11.05926，可以实现对频率高的相序进行判断。
附图说明
图1是本发明一种三相交流电相序检测的方法的步骤流程图；
图2是实施例中三相交流电采集以T相负半波为基准通过二极管分别截取与R相以及S相正半波之间相差夹角的相位电流信号电路原理图；
图3是实施例中三相交流电通过采集获取后的相差夹角矢量信号分析图；
图4是实施例中三相交流电光电耦合输入端R相S相T相三相信号分析图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
目前我国比较成熟的鉴相技术在于纯硬件逻辑电路的实现，虽然能很好的实现鉴相功能，但易损坏(精确度低)、成本高，维修难；在软件实现的技术方面，虽然能很好的解决鉴相问题(在软件设计部分因为要实时监测电源相序信号变化我们还解决依靠CPU进行软件处理分析的思路能够避免这些问题)，但其思路只停留在耗费CPU资源的计时器部分，如果只是单纯的鉴相器还行，但若加上其它功能，要么就需要提高CPU的性能到多核处理，或是对计时器精度要求很高，很难避免产生积累偏差。而本实施例中的鉴相思路只需要通过三相电压中的其中两相信号就能实现鉴别电机正相、反相、缺相的问题。
两相鉴别三相原理：三相电路的每两项之间相差120°，幅度又相等，故可以把它的矢量图理解为一个等边三角形，三相的位置为三角形的三个顶点，三相的方向为三角形的三个带箭头的边，且三边的箭头都是一相的头指向下一相的尾的，那么相序为正，就是顺时针旋转，电机正转；为负，则逆时针旋转，电机反转。若想知道三角形的边的箭头方向，只需确定其中两个点，然后确定两点的位置即可。所以鉴别三相的正反相序可以只用其中两相。那如何确定其中两相的位置先后呢？通过对三相正序时，两个相序的正弦信号图比较，不难发现两相之间的电平为四种状态的周期性变化。通过任意相邻两种状态的先后顺序，可以判断单片机鉴别的相序正反，推出三相相序的正反。其中具体的三相交流电相序检测的方法流程如图1所示。
如图2中所示，该图是三相交流电采集以T相负半波为基准通过二极管分别截取与R相以及S相正半波之间相差夹角的相位电流信号电路原理图，图中“T”相负半波信号为参考点，分别采集“R”和“S”相线正半波与“T”相线负半波之间的夹角信号(T相电分别与R、S相对接，充当负极，正弦波波长减小，频率增大。)三相电信号的R、S相电源，分别经过四个39K的大功率电阻分压，并用二极管截取相序信号之正半波的信号,这样就决定了基准相序信号只有在负半波时，光耦器件内发光二极管才会构成发光的条件之一，其二那就是电压差了，正负半波相序电压差决定了发光的强度(限定R、S相电流方向，滤除负方向相电信号，到光耦端的电信号决定发光二极管的亮度，亮度越高，光耦下拉电压越大，单片机引脚电平越低。
在F(本实施例中F＝50)Hz交流电下，最先打开电源时为第一个阶段，状态为00，从上电开始记到有一个引脚出现高电平，即为10(把HA相默认为相序超前相)时，时间约3.6ms；第二阶段时，从状态为10到状态为11，时间约6.7ms；第三阶段，从状态为11到状态为01，时间约0.7ms；第四阶段，从状态01到状态00，时间约3.6ms。计算机(单片机)检测电平信号的变化规律时，按照这个顺序，则相序为正，若是状态变化周期规律是00—>01—>11—>10—>00，那么相序为反。在实际检测中，不用全部检测整个周期，而只要检测其中两个状态的先后就可以确定相序的正反，而且可以随时从其它状态开始然后看下一个状态是什么来确定。已知电源为50Hz的交流电，如图3三相交流电通过采集获取后的相差夹角矢量信号分析图所示，通过两个相差120°的正弦波比较，以及单片机引脚对高低电平状态的区分界限，可得四个状态出现的大周期内每个状态所占的大致时间为0.7～6.7ms之间，故每次显示的单元延时时间要小于2.5ms，等检测完信号后再继续获取温度数据显示。在50Hz交流电频率下，状态持续时间可以简化规定为6.7ms。
如图4中三相交流电光电耦合输入端R相S相T相三相信号分析图所示：三相电为50Hz正弦交流电，R、S、T三相相位相差120°，T相负方向波形时，R、S相正半部被识别，负半部被二极管滤掉。由图中可知，单片机高低电平界限为2V，而R与S相波形被识别的等伏点为2.5V，因为等伏点大于高低电平界限能多出现两种状态，故可得出R、S相的高低电平状态有四种。当R，S两相状态数大于2，就能通过它的周期变化规律判断相序。图中横坐标的角度可以直接推出整个波形的变化规律，假设任意状态点角度为A0，此状态时刻为t，此状态R、S、T的电压状态为Ur、Us、Ut。则t＝(A0/360°)*0.02(s)，Ur＝sin(A0),Us＝sin(A0+120°)，Ut＝sin(A0-120°)。设起始点角度为A1，终点状态为A2，由此可得出，周期内状态持续时间T＝((A2-A1)/360°)*0.02(s)。
本实施例中一种三相交流电相序检测的方法的具体鉴相步骤：两相信号由单片机识别为高低电平，若设高电平为1，低电平为0，则有00，10，11，01四种状态。首先，通电后测相序电平为0，0；等待一定时间，若出现的电平为1，0，则为正相序；若为0，1，则为反相序；若不发生变化超过两个三相变化周期(四种情况都出现的时间)，则缺相。按照正相序的变化规律，为00->10->11->01->00，若知道任意两个状态的出现先后，就能判断正反相序，若没变化，那么缺相。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种三相交流电相序检测的方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1、假设三相交流电的三相电路分别记为R相、S相、T相，分别采集T相与R相以及S相之间相差夹角的相位电流信号；
S2、记录下首次采集到的两相脉冲信号状态，每相检测到的高、低电平状态分别用1，0表示；
S3、根据已知正相相序变化周期规律00->10->11->01->00，并结合当前采集到的两相信号的电平高低状态，推出下个电平状态，并在电平状态持续时间内等待其状态变化是否与推论相符，然后确定相序，若相符则判断三相交流电是正相，若不相符，则相位错乱。
2.根据权利要求1所述的一种三相交流电相序检测的方法，其特征在于，所述步骤S1中采集三相交流电中T相与R相以及S相之间相差夹角的相位电流信号的具体步骤为：
S11、通过串联大功率电阻进行降压限流；
S12、以T相负半波为基准通过二极管分别截取与R相以及S相正半波之间相差夹角的相位电流信号；
S13、通过光耦元件隔离后经输出端由5V电压与上偏置电阻构成的电路，还原幅度为5V电压的不同相差矢量两相信号。
3.根据权利要求1所述的一种三相交流电相序检测的方法，其特征在于：所述步骤S3中电平状态持续时间根据交流电的频率不同而取值不同，在特定频率F赫兹正弦交流电频率下，设某相交流电在特定电平状态下的起始与结束时刻对应角度分别为A1和A2，则对应电平状态的持续时间为T＝(A2-A1)/(360°*F)。
4.一种三相交流电相序检测的装置，其特征在于，具体包括下列装置：
相差夹角的相位电流信号采集装置，用于采集三相交流电中T相与R相以及S相之间相差夹角的相位电流信号；
记录设置装置，用于记录下首次采集到的两相脉冲信号状态，每相检测到的高、低电平状态分别用1，0表示；
单片机计算装置，用于根据已知正相相序变化周期规律00->10->11->01->00，并结合当前采集到的两相信号的电平高低状态，推出下个电平状态，并在电平状态持续时间内等待其状态变化是否与推论相符，然后通过判断三相交流电相序是否正确进而确定是否正相。
5.根据权利要求4所述的一种三相交流电相序检测的装置，其特征在于，所述的相差夹角的相位电流信号采集装置具体包括：
降压限流装置，该装置通过串联大功率对三相交流电进行降压限流；
相位信号截取装置，该装置通过二极管分别截取T相与R相以及S相之间相差夹角的相位电流信号；
信号隔离变换装置，该装置通过光耦元件隔离后经输出端由5V电压与上偏置电阻构成的电路，还原幅度为5V电压的不同相差矢量两相信号。
6.根据权利要求4所述的一种三相交流电相序检测的装置，其特征在于，所述的单片机计算装置中状态持续时间根据交流电的频率不同而取值不同，在特定频率F赫兹正弦交流电频率下，设某相交流电在特定电平状态下的起始与结束时刻对应角度分别为A1和A2，则对应电平状态的持续时间为T＝(A2-A1)/(360°*F)。
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