CN105929257A - 一种快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法，首先获取供电电压三相间的线电压的矩形脉冲信号；对各相的上升沿的相位分别进行检测；判断各相上升沿实际相位与对应的正常相位是否一致，如果不一致，则发送缺相故障警告；最后比较检测上升沿或任两相电平相同相位区间宽度来得到相位相同相进而识别出所缺相。本发明提供的方法根据供电电压电平信号变化时刻的相位是否正常来判断是否出现缺相故障。根据缺相后供电电压电平变化情况来识别所缺相。设置相位跟踪计数器，缺相后自动选择正常工作的相位信号作为输入，保证缺相前后，以及缺相过程中都能正常跟踪供电电压的相位，确保正常、故障情况下整流脉冲控制时刻的准确性。

Description

一种快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法

技术领域

本发明涉及整流检测领域，特别是一种快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法。

背景技术

在工业生产中，三相全波全控整流的系统框图如图1所示，图1为三相全波全控整流的系统框图；三相交流电U、V、W经保护及切换部分、整流部分，再接入负载。当保护与切换部分的某一相发生故障时，输入整流部分的将不再是完整的三相电源，需要及时改变后续的整流与负载控制策略以适应这种正常供电到缺相供电的变化。三相全波全控整流电路的原理如图2所示，其中R为阻性负载，L为感性负载，负载电流为i,负载电压为u。如图3所示，图3为缺W相对整流的影响；导通角α为零度，图3中所示时刻W相缺相，到达下一换向点a后，由于缺W相，导致VT6无法通过反压实现关断，将继续保持VT1和VT6导通，导通电压仍为UV，而正常情况下应为VT1和VT2导通，导通电压为UW。由图3中可以看出，导通区间(a,b)内电压UV的积分明显小于正常情况下UW的积分，若负载为强感性，负载电流i近似不变，根据功率计算公式此区间内对负载供电的功率将会明显降低，将影响负载的正常运行，甚至造成重大事故。所以在缺相发生后，需要在下一换相点到来前检测到缺相，这就要求检测延迟时间不大于T/6。

目前缺相检测的方法分为模拟式和数字式。模拟式的检测方法是使用模拟电路直接测量U、V、W三相的电压或电流，当某一相电压或电流恒为0时即可判定该相缺相，由于需要互感器、整流、滤波等电路，使得这种方法存在电路复杂且易受干扰的缺点，所以通常不采用这种方法。数字式的检测方法是使用转换电路将正弦波信号转化为脉冲信号再进行分析，主要分为两种方法：(1)比较缺相前后波形的频率，如论文《王栋,刘利.一种基于单片机的相序检测及电机缺相保护方法[J].电机与控制应用,2006,09:50-52.》；其使用的转换电路可以将U、V、W三相的相电压正弦波信号转换为矩形波信号，且在缺相前后输出不同频率的矩形波，如图4-1所示，图4-1为方法(1)原理图；在2个周期T内对脉冲进行计数，缺相前可检测到13个跳变沿，而缺相后只有5个跳变沿。设定计数器为2周期溢出，当检测到9个跳变沿时计数器复位为0。因此，缺相前不会出现溢出，缺相后会出现溢出。从而判断缺相故障。然而此方法中，若在图4-1中所示位置(2T)处发生缺相，缺相发生后需要到4T处计数器发生溢出才能判定，判定延迟时间为2T。(2)检测缺相前后各相之间的相位差，数字式的检测方法通常还会使用三角形检测电路，其特点是检测U、V、W三相间的线电压UV、VW、WU，当U、V、W任缺一相时，在检测电路中仍能通过闭合回路形成两相供电，故依然可以检测到线电压UV、VW、WU信号。缺相发生后，UV、VW、WU相的变化规律为：若缺U相，则VW相保持不变，UV相与WU相相位相同且与VW相相位差180°；若缺V相，则WU相保持不变，UV相与VW相相位相同且与WU相相位差180°；若缺W相，则UV相保持不变，VW相与WU相相位相同且与UV相相位差180°。如专利号“CN102262218A”，图4-2为方法(2)原理图；取U、V、W三相间的线电压，经光电耦合后产生UV、VW、WU三相矩形波，正常情况下，相邻两相间相位差为120°，相邻两相到来的时间间隔为T/3，缺U相时，相邻两相到来的时间间隔不在T/3的误差区间内时，即可判断缺相。如图5所示，图5为缺U相的6种情况图；将一个周期T等分为6个区间0～5，每个区间宽度为T/6，分别给出了在6个区间内缺U相时UV、VW、WU三相的变化情况。由图中可以得出，在任意时刻U相缺相后，VW相保持不变，而UV相和WU相均出现了上升沿或下降沿提前或延后到来的情况。按照此方法，区间1、区间2、区间4、区间5缺相时首先检测到上升沿/下降沿提前到来，区间0、区间3缺相时同时检测到上升沿/下降沿提前及延后到来。可在缺相发生后立即判定相邻两相到来的时间间隔不在T/3的误差区间内；也可在上升沿/下降沿到来以后才能判定。以区间0缺相为例，明显地，从故障发生点到下降沿M的相位差大于60°，故缺相判定延迟时间大于T/6。

因此，需要一种检测延迟时间不大于T/6的缺相检测方法以及缺相前后自动跟踪正常相位的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法，包括以下步骤：

S1：获取供电电压三相间的线电压的矩形脉冲信号；

S2：分别检测线电压的上升沿的相位；

S3：判断各相线电压上升沿的实际相位与对应的正常相位是否一致，如果一致，则返回步骤S1重复循环；

S4：如果不一致，则比较实际相位并得到实际相位相同的相；

S4：根据相位相同相识别出所缺相。

进一步，所述所缺相的识别过程具体步骤如下：

S31：比较三相间的线电压得到电平相同的两相；

S32：同时在执行步骤S31时检测各相的上升沿，若三相同时检测到上升沿，转到步骤S34，若没有三相同时检测到上升沿，则返回步骤S32；

S33：记录两相间电平相同的相位区间，判断相位区间宽度是否超过预设阈值，如果超过，则两相相位相同，如果没有超过，则返回步骤S31；

S34：记录同时出现上升沿的相，，根据规则判断相位相同的两相；

S35:根据步骤S33和S34中任一步骤完成的相位同相识别和规则来判断所缺相。

进一步，所述线电压上升沿的实际相位与对应的正常相位不一致时，发送缺相故障警告。

进一步，所述线电压实际相位上升沿滞后于对应的正常相位的判定通过在对应的正常相位时刻未检测到上升沿来实现。

进一步，还包括对基准相的相位跟踪，所述相位跟踪具体步骤如下：

设置计数器跟踪基准相的相位，在基准相第一个上升沿到来时开始计数，并输出与触基准相相同的波形，一个周期T结束后计数器清零，同时记录基准相一个完整周期T的计数值；

检测到缺相后到识别所缺相之前，停止跟踪UV相，并通过计数器保持原有规律输出波形；当计数值Cnt≤T/2，输出为1；当Cnt>T/2，输出为0；当Cnt≥T时，Cnt回到0，输出1；

当识别出是某相缺相后，跟踪不变相的相位，通过不变相与基准相的相位关系，计算并输出基准相的正常波形。

进一步，所述两相相位相同是通过以下步骤来判断的：

S331：设置相位区间宽度的预设阈值；

S332：从缺相检测处开始获取两相间电平相同的区间相位宽度；

S333：判断区间相位宽度是否超过预设阈值，如果超过预设阈值，则两相相位相同；如果没有超过预设阈值，则返回步骤S331重复循环进行。

进一步，所述所缺相判断的规则具体如下：

若UV、WU、WV相或VW、VU、UW相同时检测到上升沿，则UV、WU相同相位，判定缺U相。

若UV、VW、UW相或WU、VU、WV相同时检测到上升沿，则UV、VW相同相位，判定缺V相。

若VW、WU、VU相或UV、WV、UW相同时检测到上升沿，则VW、WU相同相位，判定缺W相。

进一步，所述预设阈值为60°。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的一种检测延迟时间不大于T/6的缺相检测方法以及缺相前后自动跟踪正常相位的方法。根据供电电压电平信号变化时刻的相位是否正常来判断是否出现缺相故障。根据供电电压电平信号同时变化的具体情况，或任意两个供电电压电平信号相同的时间超过正常值来识别出具体缺失的是哪一相供电电压。设置相位跟踪计数器，缺相后自动选择正常工作的相位信号作为输入，保证缺相前后，以及缺相过程中都能正常跟踪供电电压的相位，确保正常、故障情况下整流脉冲控制时刻的准确性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为三相全波全控整流的系统框图。

图2为三相全波全控整流电路。

图3为缺W相对整流的影响。

图4-1为比较缺相前后波形的频率原理图。

图4-2为检测缺相前后各相之间的相位差原理图。

图5为缺U相的6种情况图。

图6为系统流程图。

图7为缺U相的两种典型情况。

图8为缺相判别流程图。

图9为电平识别原理图。

图10为缺相识别流程图。

图11为相位跟踪原理图。

图12位相位跟踪流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本实施例提供的快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法，如图5所示，将一个周期T等分为6个区间0～5，每个区间宽度为T/6，分别给出了在6个区间内缺U相时UV、VW、WU三相的变化情况。由图中可以得出，在任意时刻U相缺相后，VW相保持不变，而UV相和WU相均出现了上升沿或下降沿相位提前或滞后的情况。其中区间1、区间2、区间4、区间5缺相时首先检测到上升沿/下降沿相位提前，区间0、区间3缺相时同时检测到上升沿/下降沿相位提前及滞后。

本实施例提供的检测延迟时间不大于T/6的缺相检测方法以及缺相前后自动跟踪正常相位的方法；其中，一个完整的缺相识别和相位跟踪流程如图6所示，图6为系统流程图，系统启动后，在UV相第一个上升沿到来时使用计数器对一个完整周期进行计数，共计数8次，得到8个计数值，取这8个计数值的平均值即为走完一个完整周期后计数器的值。相位跟踪与缺相判别同时开始，系统运行全程不停止跟踪。

缺相判别：通过判断六路信号波形上升沿的相位来判别是否发生缺相故障的方法具体如下：对UV、VW、WU、VU、WV、UW各相的上升沿的相位分别进行检测，其中任意时刻VU、WV、UW相分别与UV、VW、WU相电平完全相反，故跳变沿类型也完全相反。以起始时刻的U相相位为基准，计算出从起始时刻开始后正常情况下各相每一个上升沿所处的相位，当实际检测到这个上升沿未在正常相位时(提前或滞后)，便可判断发生了缺相故障。如图7所示，图7为缺U相的两种典型情况，包括缺U相时上升沿相位超前和上升沿相位滞后两种典型情况。第一种情况，VU相正常情况下上升沿相位为Y，缺相后在X处便检测到上升沿，即上升沿相位超前正常相位，判定有缺相故障。第二种情况，WU相正常情况下上升沿相位为M，而缺相后上升沿相位为N，由于在M处未检测到上升沿，立即可以判定上升沿相位滞后正常相位，判定有缺相故障。明显地，两种情况下判定延迟时间均小于T/6，其它相缺相时情况类似。

具体实现时，可以设置一个计数器C记录各相上升沿的相位,计数器在系统时钟作用下进行加1计数，在检测到上升沿时读取计数器的值便可以判断每一相上升沿所处的相位。设计数误差为N，一个完整周期内的计数值为T，计数器值为Cnt，缺相判别流程图如图8所示，图8为缺相判别流程图，说明：任意时刻下，UV、VW、WU、VU、WV、UW中任一相检测到上升沿相位不正常即输出缺相报警。只有当所有相上升沿相位均正常时才能进入下一周期的判别，否则继续本周期内判别。

缺相识别：快速识别所缺相只需判断出哪两相相位相同即可，具体如下：

方法1：未出现缺相的情况下，UV、VW、WU三相间的相位差均为120°，因此，任一时刻均不会出现三相电平同时相同的情况且任意两相间电平相同的相位区间不会超过60°。如图9所示，图9为电平识别原理图；假设从UV相上升沿R处开始比较，UV相与WU相在相位T/6到T/3间同为高电平，相位区间为γ1，VW相与WU相在相位T/3到T/2间同为低电平，相位区间为γ2，VW相与UV相在相位T/2到2T/3间同为高电平，相位区间为γ3，可以得出γ1＝γ2＝γ3＝60°。

若出现缺相，根据前述的规律，γ1、γ2、γ3中必有一者为180°，另两者为0°。因此，从检测到缺相处立即开始记录任意两相间电平相同的区间相位宽度，若该宽度超过60°，即可判定此两相相位相同。

然而，某些时刻缺相发生时，电平会在缺相发生点之后60°相位范围内出现跳变(如图5区间1缺相)，所以必须等到跳变沿之后才能使用上述方法识别相同，因此，为了达到快速识别的效果，还需要配合另外的判别方法。

方法2：缺相发生后，UV、VW、WU三相将会同时出现电平跳变，且相位相同的两相同为上升沿或者下降沿，而另一相与之相反。若检测UV、VW、WU、VU、WV、UW六相，在同一时刻将会出现3个上升沿和3个下降沿。因此，在缺相发生后，当同时检测到3个上升沿时，记录这3个上升沿所在的相，然后根据如下规则确定所缺相：

若UV、WU、WV相或VW、VU、UW相同时检测到上升沿，则UV、WU相同相位，判定缺U相。

若UV、VW、UW相或WU、VU、WV相同时检测到上升沿，则UV、VW相同相位，判定缺V相。

若VW、WU、VU相或UV、WV、UW相同时检测到上升沿，则VW、WU相同相位，判定缺W相。

分析不同缺相情况下的波形可以发现，有的情形下，采用方法1比方法2更快识别所缺相，而在其它的情形下，采用方法2比方法1更快识别。因此，在缺相实时检测系统运行的过程中，同时使用方法1和方法2进行判别，缺相识别流程图如图10所示。

相位跟踪：缺相发生后，UV、VW、WU三相中仅一相能够保持原先的相位不变。如图10所示，图10为相位跟踪原理图，假设UV相为基准相，需要对UV相进行跟踪，因此，在系统启动后，设置一计数器C1跟踪UV相的相位，在UV相第一个上升沿到来时开始计数，并输出与UV相相同的波形，同时记录UV相一个完整周期T的计数值；检测到缺相以后到识别所缺相之前，不再跟踪UV相，而是由计数器保持原有规律输出波形，即当计数值Cnt≤T/2，输出为1，当Cnt>T/2，输出为0，当Cnt≥T时，Cnt回到0，此时又输出1。当识别出是U缺相后，得知VW相是不变相，于是跟踪VW的相位，由VW相滞后UV相120°，计算并输出UV相的正常波形。相位跟踪流程图如图12所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：获取供电电压三相间的线电压的矩形波信号；

S2：分别检测线电压的上升沿的相位；

S3：判断各相线电压上升沿的实际相位与对应的正常相位是否一致，如果一致，则返回步骤S1重复循环；

S4：如果不一致，则比较实际相位并得到实际相位相同的相；

S4：根据相位相同相识别出所缺相。

2.如权利要求1所述的快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法，其特征在于：所述所缺相的识别过程具体步骤如下：

S31：比较三相间的线电压得到电平相同的两相；

S32：同时在执行步骤S31时检测各相的上升沿，若三相同时检测到上升沿，转到步骤S34，若没有三相同时检测到上升沿，则返回步骤S32；

S33：记录两相间电平相同的相位区间，判断相位区间宽度是否超过预设阈值，如果超过，则两相相位相同，如果没有超过，则返回步骤S31；

S34：记录同时出现上升沿的相，根据规则判断相位相同的两相；

S35：根据步骤S33和S34中任一步骤完成的相位同相识别和规则来判断所缺相。

3.如权利要求1所述的快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法，其特征在于：所述线电压上升沿的实际相位与对应的正常相位不一致时，发送缺相故障警告。

4.如权利要求1所述的快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法，其特征在于：所述线电压实际相位上升沿滞后于对应的正常相位的判定通过在对应的正常相位时刻未检测到上升沿来实现。

5.如权利要求1所述的快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法，其特征在于：还包括对基准相的相位跟踪，所述相位跟踪具体步骤如下：

以三相中某一相作为基准相，设置计数器跟踪基准相的相位，在触发相第一个上升沿到来时开始计数，并输出与基准相相同的波形，一个周期T结束后计数器清零，同时记录基准相一个完整周期T的计数值；

检测到缺相后到识别所缺相之前，停止跟踪UV相，并通过计数器保持原有规律输出波形；当计数值Cnt≤T/2，输出为1；当计数值Cnt>T/2，输出为0；当计数值Cnt≥T时，计数值Cnt回到0，输出1；

当识别出是某相缺相后，跟踪不变相的相位，通过不变相与基准相的相位关系，计算并输出基准相的正常波形。

6.如权利要求2所述的快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法，其特征在于：所述两相相位相同是通过以下步骤来判断的：

S331：设置相位区间宽度的预设阈值；

S332：从缺相检测处开始获取两相间电平相同的区间相位宽度；

S333：判断区间相位宽度是否超过预设阈值，如果超过预设阈值，则两相相位相同；如果没有超过预设阈值，则返回步骤S331重复循环进行。

7.如权利要求2所述的快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法，其特征在于：所述所缺相判断的规则具体如下：

若UV、WU、WV相或VW、VU、UW相同时检测到上升沿，则UV、WU相同相位，判定缺U相。

若UV、VW、UW相或WU、VU、WV相同时检测到上升沿，则UV、VW相同相位，判定缺V相。

若VW、WU、VU相或UV、WV、UW相同时检测到上升沿，则VW、WU相同相位，判定缺W相。

8.如权利要求2所述的快速三相整流缺相检测及正常相位跟踪方法，其特征在于：所述预设阈值为60°。