CN109030965B - 一种带组网功能的三相电缺相检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种带组网功能的三相电缺相检测装置，主要由3个信号调理电路、3个光耦隔离电路以及Zigbee模块组成；每个信号调理电路和每个光耦隔离电路均对应三相电的其中一相；每个信号调理电路的输入端与三相电的其中一相连接，该信号调理电路的输出端与一个光耦隔离电路的输入端连接，该光耦隔离电路的输出端连接Zigbee模块的一输入端；Zigbee模块上接有天线。本发明通过无线组网和终端服务器可实现设备供电信息的采集、传送和管理的一体化监控，便于对设备用电进行统一管理，便于对设备用电进行统一管理，实现工业生产线设备故障的快速定位和高效检修，以此保证设备的正常运行以及检修人员的人身安全。
Description
技术领域
本发明涉及三相电检测技术领域，具体涉及一种带组网功能的三相电缺相检测装置。
背景技术
水泥厂、糖厂、电力局等工业领域大量使用工业三相电。这些高耗能产业一般都会大量的使用380V三相电的设备，工厂一般设有专门的电力室对每个用电设备设置配电箱。在生产过程中，有时会出现设备供电“关不断”或“供不上”的情况以及三相电缺相的情况。设备一旦出现问题，除了影响正常的生产作业外，还存在着巨大的安全隐患。特别是三相交流电机，如果出现缺相而得不到及时处理，有可能会导致电机过度发热而损坏甚至燃烧的情况。
对于三相电的检测和监控问题，现有的一些公司产品比如电流互感器、电压变送器、三相电表等都可以解决。这些设备可以实现精确的电力参数测量、完善的电能计量、分时复费率电能、定时自动抄表、电能质量分析、实时电网波形和相位测量等功能。然而，这些设备都存在成本高、体积大、功耗高等问题，而且需要额外的市电供电。另外，电流互感器可以对设备的用电进行无接触的测量，安全可靠；但是存在一个重要的缺陷，即只有设备工作产生电流时才能测量到电压，当系统要求设备在待机状态也能测量到电压时就无能为力了。另外，虽然这些设备集成了很多功能，但是在某些只需检测设备用电通断的场合，附加的其他功能却成了累赘，而过高的成本相对于设备本身的价格就显得有点本末倒置了。为更好地管理工业设备和考虑安全问题，有必要对这些设备的用电进行统一管理和监控。
发明内容
本发明针对现有三相电的检测和监控存在成本高、体积大和功耗高等问题，提供一种带组网功能的三相电缺相检测装置。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种带组网功能的三相电缺相检测装置，主要由信号调理模块、光耦隔离模块以及Zigbee模块组成；信号调理模块包括3个信号调理电路，即A相信号调理电路、B相信号调理电路和C相信号调理电路；光耦隔离模块包括3个光耦隔离电路，即A相光耦隔离电路、B相光耦隔离电路和C相光耦隔离电路；A相信号调理电路的输入端与三相电的A相连接，A相信号调理电路的输出端与A相光耦隔离电路的输入端连接，A相光耦隔离电路的输出端连接Zigbee模块的一输入端；B相信号调理电路的输入端与三相电的B相连接，B相信号调理电路的输出端与B相光耦隔离电路的输入端连接，B相光耦隔离电路的输出端连接Zigbee模块的另一输入端；C相信号调理电路的输入端与三相电的C相连接，C相信号调理电路的输出端与C相光耦隔离电路的输入端连接，C相光耦隔离电路的输出端连接Zigbee模块的又一输入端；Zigbee模块上接有天线。
上述方案中，3个信号调理电路的结构相同。
每个信号调理电路均由电阻R2、R3、R11，电容C21、C25，以及二极管D5、D6组成；电阻R2、电阻R11和电容C25的其中一端相连形成信号调理电路的输出端；电阻R11和电容C25的另一端连接二极管D5的阳极和二极管D6的阴极；二极管D5的阴极接电容C21的正极和电阻R3的其中一端；电阻R11的另一端、二极管D6的的阳极和电容C21的负极接地；电阻R3的另一端形成信号调理电路的输出端。
上述方案中，3个光耦隔离电路的结构相同。
每个光耦隔离电路由隔离光耦U2和电阻R4组成；隔离光耦U2的输入端形成光耦隔离电路的输入端，光耦隔离电路的输出端与电阻R4的其中一端相连后，形成光耦隔离电路的输出端；电阻R4的另一端与电源相连。
所述电源为锂电池，锂电池电压经过0.7V降压二级管之后再接入弱电部分的电路。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、通过监测三相电的有无，从而检测三相交流电机缺相或者设备供电异常等情况；
2、使用锂电池供电，自带Zigbee无线组网模块，使用安装方便，特别适用于布线困难和空间狭小的用电设备；
3、通过无线组网和终端服务器可实现设备供电信息的采集、传送和管理的一体化监控，便于对设备用电进行统一管理，实现工业生产线设备故障的快速定位和高效检修，以此保证设备的正常运行以及检修人员的人身安全；
4、具有电路简单、低功耗、低成本、体积小、重量轻等优点，并适用于工业设备三相电的用电监测。
附图说明
图1为一种带组网功能的三相电缺相检测装置的总体框图。
图2为信号调理和光耦隔离模块。
图3为Zigbee模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，一种带组网功能的三相电缺相检测装置，主要包括三个模块：信号调理模块、光耦隔离模块以及Zigbee模块。光耦隔离模块的之前为强电部分，光耦隔离模块的之后为弱电部分。弱点部分采用锂电池经过0.7V降压二级管降压之后供电。信号调理模块包括3个信号调理电路，每个信号调理电路对应三相电的其中一相。光耦隔离模块包括3个光耦隔离电路，每个光耦隔离电路对应三相电的其中一相。A相信号调理电路的输入端与三相电的A相连接，A相信号调理电路的输出端与A相光耦隔离电路的输入端连接，A相光耦隔离电路的输出端连接Zigbee模块的输入端；B相信号调理电路的输入端与三相电的B相连接，B相信号调理电路的输出端与B相光耦隔离电路的输入端连接，B相光耦隔离电路的输出端连接Zigbee模块的输入端；C相信号调理电路的输入端与三相电的C相连接，C相信号调理电路的输出端与C相光耦隔离电路的输入端连接，C相光耦隔离电路的输出端连接Zigbee模块的输入端；Zigbee模块上接有天线。
信号调理模块，用于对三相交流电进行调理，通过阻容分压、半波整流以及电容滤波得到脉动直流信号驱动光耦导通。光耦隔离模块，用于隔离强电部分和弱电部分，主要考虑系统的安全问题。Zigbee模块有三个功能：第一，检测光耦弱电端输出的IO信号，判断三相电的有无；第二，使用Zigbee芯片内部集成的ADC(模数转换)模块检测电池电压；第三，实现无线组网。
(1)信号调理模块
3个信号调理电路的结构相同，每个信号调理电路均由电阻R2、R3、R11，电容C21、C25，以及二极管D5、D6组成；电阻R2、电阻R11和电容C25的其中一端相连形成信号调理电路的输出端；电阻R11和电容C25的另一端连接二极管D5的阳极和二极管D6的阴极；二极管D5的阴极接电容C21的正极和电阻R3的其中一端；电阻R11的另一端、二极管D6的的阳极和电容C21的负极接地；电阻R3的另一端形成信号调理电路的输出端。
工业三相电经过信号调理之后输出脉动直流信号，驱动光耦导通。由于对A、B、C三相电压的信号调理电路是一样的，因此现以A相信号调理电路为例进行说明。在图2中，R11是压敏电阻，主要是抑制浪涌电压。R2、C25、D5(整流二极管)、R3(功率电阻)、U2(隔离光耦)组成正电压导通电路，电阻R2和电容C25并联。D6、R2、C25组成负电压导通电路。在正电压导通电路中，C25和R3组成阻容分压电路，通过电容和电阻的大小调节负载(由R3和U2的正向导通二级管组成)两端电压的大小，以此调节通过光耦的电流，使得光耦导通。D5实现半波整流，C21为滤波电容，通过半波整流和电容滤波之后得到一个脉动的直流信号，驱动光耦导通。另外，R2电阻主要在突发情况下(比如突然撤掉相电压)，为存储在电容C25两端的电压提供放电回路。
(2)光耦隔离模块
3个光耦隔离电路的结构相同，每个光耦隔离电路由隔离光耦U2和电阻R4组成；隔离光耦U2的输入端形成光耦隔离电路的输入端，光耦隔离电路的输出端与电阻R4的其中一端相连后，形成光耦隔离电路的输出端；电阻R4的另一端与电源相连。
通过信号调理模块之后，得到的脉动直流信号可以驱动光耦导通，这时会在光耦的另一端(弱电部分)输出一个低电平信号(平时是高电平)，当Zigbee模块检测到低电平时，可判断对应的相电压是正常的(即带电)。如果检测到的是高电平，则说明相电压不存在，这时说明出现了缺相或者设备已经断电。光耦隔离模块主要起到隔离强电和弱电的作用，提高了系统的电气安全性能，同时为后续的处理器输出IO信号，据此可判断相电压的有无。
(3)Zigbee模块
如图3所示，Zigbee模块主要由时钟电路、复位电路、电源电路、ISP下载电路、发射/接收电路以及Zigbee处理器(内部集成了14bit ADC模块)。由上所述，Zigbee模块通过判断光耦输出电平的高低即可判断相电压的有无，并使用Zigbee芯片内部集成的ADC模块对电池电量进行监测。最后，Zigbee模块把相电压信息和电池电量信息进行数据融合处理，并通过无线网络发送出去。
(4)电路主要元器件的参数选择
压敏电阻R11额定电压的确定：在工业三相电中，单相电对地是220V(有效值)，由有效值和峰值的关系可得：220*1.414＝311.08V；因此，压敏电阻R11额定电压要大于311.08V。考虑元器件的降额使用，在本电路中，压敏电阻R11选择额定电压为470V的压敏电阻。
分压电容C25工作电压的确定：由于压敏电阻R11的额定电压为470V，当浪涌电压超过470V时，压敏电阻R11才起保护作用，分压电容C25工作电压可确定为：470*1.414＝664.58V；因此，分压电容C25工作电压要大于664.58V，考虑元器件的降额使用和保险起见，在本电路中，分压电容C25选择的工作电压为1KV的高压陶瓷电容。
二级管D6反向工作电压的确定：当正电压导通时，二级管D6处于反向稳压状态，由压敏电阻R11的额定电压可类似计算得到二级管反向工作电压要大于664.58V，考虑元器件的降额使用和保险起见，在本电路中，二级管D6选择二级管反向工作电压为1KV。为减少元器件的种类，以及增强电路的可靠性，整流二级管D5与二级管D6的参数选择一样。
滤波电容C21工作电压的确定：由阻容分压和二极管半波整流可得到，滤波电容C21正极处的电压范围为：10V～20V。同时考虑元器件的降额使用和保险起见，在本电路中，滤波电容C21选择滤波电容的工作电压为50V的电解电容。
分压电容C25容值以及分压电阻R11阻值确定：分压电容C25容值和分压电阻R11阻值的选择主要受两个因素影响，分别是220V输入电压和光耦的导通电流。一般光耦开始导通电流为1mA，为确保光耦正常工作，选择驱动光耦导通的电流为5mA。由220V输入电压和光耦导通电流5mA，可以确定正电压导通回路的阻抗应为KΩ级别。回路阻抗过大，流经光耦的电流过小，有可能导致光耦不导通；回路阻抗过小，流经光耦的电流过大，有可能烧坏光耦。在本电路中，选定分压电阻R11为2KΩ的功率电阻(可承受较大的电流)。如此，可计算得到滤波电容正极处的电压为10.7V(光耦二极管导通压降为0.7V)左右。进一步，可计算得到回路阻抗为：220V/5mA＝44KΩ，由此可计算电容的容抗为：44KΩ-2KΩ＝42KΩ。由以下计算公式可得到容值的大小。
其中XC为容抗，f为交流信号的频率，即50Hz。C为容值，把相关数值带入计算可得：C＝0.076μF，因此，考虑市场上相近容值的高压电容供应，在本电路中选择C＝0.1μF。值得指出的是，因为选择的电容容值相比理论计算值偏大，所以容抗变小，回路电流变大，负载两端的电压也会相应加大一些，但是变化不大；这也说明了为什么滤波电容正极处的电压(负载电压)范围为：10V～20V。另外，需要说明的是光耦的工作电流可以高达25mA，所以选择分压电容容值时可以偏大选择，如果偏小选择有可能导致光耦流经电流过小而不导通。
电源电压VCC(也是Zigbee处理器的供电电压)变化范围为:3～3.5V，这满足Zigbee芯片供电电源电压(2～3.6V)要求。电源电压VCC的值是由锂电池的放电电压决定的，锂电池的安全用电电压为3.7V，充满电之后的电压为4.2V，锂电池的电压先经过降压二极管(0.7V)再接到VCC，由锂电池的安全用电电压和充满电的电压减去二极管的0.7V压降即可得到图2中VCC的电压。锂电池的电源电压在接入电路之前使用压降为0.7V的二级管，一方面通过电压调理满足Zigbee芯片的供电要求，另外一方面还可以防止电源反接烧坏电路(也即当电源反接时，二极管不导通，对电路起到保护作用)。
(5)数据融合处理
光耦输出A、B、C三个电平信号，Zigbee模块检测这三个电平信号可以判断设备状态，具体信息如表1。
表1输出电平信号与设备状态的关系
| C | B | A | 设备状态 |
| 0 | 0 | 0 | 所有相上电 |
| 0 | 0 | 1 | A相缺电 |
| 0 | 1 | 0 | B相缺电 |
| 0 | 1 | 1 | A和B相缺电 |
| 1 | 0 | 0 | C相缺电 |
| 1 | 0 | 1 | A和C相缺电 |
| 1 | 1 | 0 | B和C相缺电 |
| 1 | 1 | 1 | 所有相断电 |
使用内部集成的ADC(14bit)模块检测电池电压，得到一个14bit的二进制值，在终端服务器再转换成相应的电压值：(乘以3是因为内集成ADC模块选择输入的电压是电源电压的三分之一)，也即电池的电量，其中D为测量得到的二级制值，Vref为ADC内部的基准电压。把该装置作为一个检测节点，并设置节点地址：从0～255编号，这样就可以根据节点地址对设备进行定位。根据节点信息和地址的结合，可实现设备故障的快速定位和高效检修。把节点地址、电平数据、电池电压数据进行数据融合处理得到表2的数据协议信息。通过Zigbee无线网络把信息发送到服务器终端，可以实现对这些设备的用电进行统一管理和监控。
表2数据协议信息
(6)总结概括
A.使用阻容分压和光耦隔离代替变压器，通过合理布局布线，最终成型的电路板大小只有：5cm(宽)*8cm(长)，大大减小了电路的体积和重量。
B.以上电路的元器件主要包括一些电阻、电容、二极管、光耦和Zigbee芯片等，连同电路板的价格计算，成本低于15元，相比现有的产品(价格几百至上千)，极大地降低了成本。
C.电路中只有弱电部分需要供电，并且几乎只有Zigbee芯片及其发射/接收电路产生功耗，而Zigbee芯片本来就是低功耗设计，因此功耗得到了控制，实际测试系统功耗在25mW以下。
D.检测光耦输出的IO电平信号进行三相电的有无判断，相比使用变压器和运放等进行的信号调理，电路简单可靠，响应速度快，且降低了处理器后期的数据处理复杂度。
E.根据节点(检测装置)信息和地址的结合，可实现设备故障的快速定位和高效检修。数据信息通过Zigbee无线网络把信息发送到服务器终端，可以实现对这些设备的用电进行统一管理和监控。另外数据信息只有四个字节，可大大减少数据传送的通信阻塞。
本发明自带组网模块，通过监测三相电的有无，从而监测设备(特别是三相交流电机)三相电缺相或者设备供电异常等情况，可以对设备用电进行统一管理，便于设备故障的快速定位和高效检修，以此保证设备机组的正常运行以及检修人员的人身安全。这对企业的正常生产以及生产安全具有非常重要的作用，符合国家目前对安全生产、能耗控制、智能制造和“互联网+”的政策要求。本发明在成本、体积、重量、功耗、组网方面具有较大的优势。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种带组网功能的三相电缺相检测装置，其特征是，由信号调理模块、光耦隔离模块以及Zigbee模块组成；
信号调理模块包括3个信号调理电路，即A相信号调理电路、B相信号调理电路和C相信号调理电路；光耦隔离模块包括3个光耦隔离电路，即A相光耦隔离电路、B相光耦隔离电路和C相光耦隔离电路；
3个信号调理电路的结构相同，每个信号调理电路均由电阻R2、R3、R11，电容C21、C25，以及二极管D5、D6组成；电阻R2、电阻R11和电容C25的其中一端相连形成信号调理电路的输出端；电阻R11和电容C25的另一端连接二极管D5的阳极和二极管D6的阴极；二极管D5的阴极接电容C21的正极和电阻R3的其中一端；电阻R11的另一端、二极管D6的的阳极和电容C21的负极接地；电阻R3的另一端形成信号调理电路的输出端；
3个光耦隔离电路的结构相同，每个光耦隔离电路由隔离光耦U2和电阻R4组成；隔离光耦U2的输入端形成光耦隔离电路的输入端，光耦隔离电路的输出端与电阻R4的其中一端相连后，形成光耦隔离电路的输出端；电阻R4的另一端与电源相连；
A相信号调理电路的输入端与三相电的A相连接，A相信号调理电路的输出端与A相光耦隔离电路的输入端连接，A相光耦隔离电路的输出端连接Zigbee模块的一输入端；B相信号调理电路的输入端与三相电的B相连接，B相信号调理电路的输出端与B相光耦隔离电路的输入端连接，B相光耦隔离电路的输出端连接Zigbee模块的另一输入端；C相信号调理电路的输入端与三相电的C相连接，C相信号调理电路的输出端与C相光耦隔离电路的输入端连接，C相光耦隔离电路的输出端连接Zigbee模块的又一输入端；Zigbee模块上接有天线；
信号调理模块，用于对三相交流电进行调理，通过阻容分压、半波整流以及电容滤波得到脉动直流信号驱动光耦导通；
光耦隔离模块，用于隔离强电部分和弱电部分，其中耦隔离模块的之前为强电部分，光耦隔离模块的之后为弱电部分；
Zigbee模块有三个功能：
第一，检测光耦弱电端输出的IO信号，判断三相电的有无，即当Zigbee模块检测到低电平时，判断对应的相电压是正常的，如果检测到的是高电平，则说明相电压不存在，这时说明出现了缺相或者设备已经断电；
第二，使用Zigbee芯片内部集成的模数转换模块检测电池电压；
第三，实现无线组网，即把装置作为一个检测节点，并设置节点地址，并将节点地址、电平数据、电池电压数据进行数据融合处理得到数据协议信息，通过Zigbee无线网络把信息发送到服务器终端，实现对设备的用电进行统一管理和监控。
2.根据权利要求1所述的一种带组网功能的三相电缺相检测装置，其特征是，所述电源为锂电池，锂电池电压经过0.7V降压二级管之后再接入弱电部分的电路。
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