基于光耦的缺相檢測電路優化設計

0 引言

當前的三相用電設備在使用中都會輔以缺相檢測電路[1，以確保用電安全及設備保護。常用的缺相檢測多以變壓器和光耦實現三相輸入與檢測信號的隔離。基于變壓器的缺相檢測盡管電路簡單、使用可靠，但變壓器的體積重量大、成本高，因此對于當前小型化、高集成度的應用設備并不適用。而當前應用的光耦缺相檢測2盡管取代了體積重量大的變壓器，但其電路很少涉及三相四線制應用的情況，因此當前的光耦缺相檢測電路應用也受到了限制。

為了解決變壓器檢測電路體積重量大、成本高，及當前光耦缺相檢測電路較少涉及三相四線制應用的問題，本文提出了一種改進優化的光耦缺相檢測電路。通過對比分析幾種常用的缺相檢測電路，該光耦缺相檢測電路的優越性得到了證實，同時通過試驗證實了該光耦缺相檢測電路的有效性；其已在開關電源3中長期廣泛應用，可靠性也得到了充分驗證。綜合而言，該優化的光耦缺相檢測電路簡單可靠、成本低廉，不失為一種優越的實現缺相檢測的可行性方案。

1缺相檢測電路原理

1.1變壓器缺相檢測電路

變壓器缺相檢測電路是利用工頻變壓器實現輸入交流電壓的轉換和隔離，并通過次級的電壓檢測來判斷輸入側是否存在缺相的情況。

變壓器缺相檢測電路如圖1所示，其中圖1（a）用于三相三線制，圖1（b）用于三相四線制。

由檢測電路原理圖可知，檢測電路通過工頻變壓器實現，分別檢測輸入的交流電壓。電路中的 是由輸入交流轉換得到的輔助供電電源。工頻變壓器次級經半波整流濾波后，直接輸入到比較器的反相輸入端；而比較器的同相輸入端為輔助電源經分壓得到的參考電平。因此，在參數配置合適時，無論是對于三相三線還是三相四線的情況，當出現某一相或兩相缺失時，要么直接導致輔助電源不能建立，從而使得整個系統不會工作，要么必然導致其中至少一個檢測信號為高電平，從而判斷輸入為缺相狀態，使得用電設備得到保護。對于三相四線制缺中線的情況同樣會導致輸出的三個檢測信號均為高電平，使控制電路檢測為缺相狀態，起到設備保護作用。此外，本電路還可以通過檢測變壓器次級的整流電壓值來判斷輸入電壓的數值，從而判斷輸入電壓為欠壓或過壓狀態，以進一步保障用電設備的使用安全。

然而，該變壓器缺相檢測電路存在變壓器體積重量大、價格高等諸多缺點，不適用于小型化和高集成度的用電設備，從而使其應用受到極大的限制。

1.2光耦缺相檢測電路

光耦缺相檢測電路解決了變壓器缺相檢測所帶來的體積重量大問題，圖2為光耦缺相檢測電路的一種典型應用情況。

由原理圖可知，本缺相檢測電路由光耦、施密特觸發器 、DSP及相關外圍電路組成。其中的施密特觸發器主要用于解決光耦導通時信號的“爬坡效應”問題，其工作原理可參照文獻[2]中的詳細分析。

通過對該電路的工作原理分析可知，盡管該電路兼具相序檢測4功能，但其DSP檢測需要煩瑣的軟件實現，從而使得設計復雜度增加，可靠性降低。此外，軟件檢測會使缺相檢測的響應時間延長，這對于要求快速響應的場合將無法滿足要求。此外，當前基于光耦的缺相檢測電路較少涉及三相四線制應用的情況，使當前的光耦缺相檢測電路應用受到限制。

2 缺相檢測電路改進優化

為了解決變壓器缺相檢測體積重量大及當前光耦缺相檢測應用受限的問題，特提出一種改進型基于光耦的缺相檢測電路。改進后的光耦缺相檢測電路如圖3所示，其中圖3（a）用于三相三線制，圖3（b）用于三相四線制，且檢測信號可實現自鎖功能。

由原理圖可知，改進的光耦缺相電路由光耦及其外圍的電阻、電容、二極管和三極管組成，電路構成簡單、成本低廉。在原理上，當三相三線檢測電路不缺相時，光耦UU和U在任何時刻都至少有一個處于導通狀態，因此三極管Q和 都處于截止狀態，使檢測信號為低電平；而一旦出現缺相情況時，比如缺失A相，則在線電壓 的過零點附近會出現三個光耦同時截止的情況，此時三極管Q和 都會處于導通狀態，使檢測信號V。為高電平并鎖止，以更好地用于后級的檢測和保護。同理，對于三相四線的應用情況，不缺相時，光耦一直處于導通狀態，檢測信號為低電平；缺一相、兩相或缺中線時，光耦會在每個周期中出現與所缺相相對應的截止時間段或一直處于截止狀態，從而使檢測信號V鎖定為高電平，用于電路的檢測和保護。

通過電路的原理分析可知，該缺相檢測電路簡單易用，所用器件普通、可靠、廉價，再加上該電路具備光耦缺相檢測電路體積重量小，且兼顧三相三線和三相四線應用的優點，因此其能夠適應幾乎所有情況下的缺相檢測應用場合。

3 試驗驗證

為證實改進后光耦缺相檢測電路的功能有效性，對該電路的實際工作波形進行了測試。本測試基于國內供電AC380V/50Hz進行，且考慮個別應用中采用油機發電5電壓波動較大的情況，選取的器件參數如表1所示，以使本缺相檢測電路能在較寬的電壓范圍[ （1±20%）×380 V，甚至更寬]均可靠工作。

通過上述電路原理分析可知，當供電正常即不存在缺相時，無論對于三相三線缺相檢測電路還是三相四線缺相檢測電路其光耦集電極信號 和檢測信號 均為低電平保持狀態；而當出現缺相情況時則會依據缺相的不同情況使得光耦集電極信號 的波形出現不同的狀態，或為脈沖寬度不同的周期性脈沖波，或為恒定幅度的電平信號，但最終都將使得檢測信號 為高電平狀態并鎖止，從而判斷為輸入存在缺相的故障狀態。圖4為不同缺相狀態下的測試波形，其中波形 ① 為輸入電壓波形，波形 ② 為光耦集電極信號 $＼mathrm{＼DeltaV_{i}}$ 的波形，波形 ③ 為檢測信號V的波形。

圖4（a）為三相三線制缺一相情況下的波形圖，由光耦集電極信號 的波形 ② 可知，當另外兩相的線電壓在過零點時刻附近，三個光耦將同時處于截止狀態，從而使得光耦集電極信號 出現如圖所示的短時脈沖，進而使得三極管Q和Q都進入導通狀態且一直保持，故而使缺相檢測信號V也保持為高電平缺相故障狀態。圖4（b）為三相四線制缺中線時的波形圖，由于中線的缺失相電壓測試為0V，缺中線也使得光耦一直處于截止狀態，因而光耦集電極信號 $＼mathrm{＼DeltaV_{1}}$ 為一恒定電壓信號，從而三極管 和 都進入導通狀態且一直保持，缺相檢測信號V也保持為高電平故障狀態。圖4（c）和圖4（d）分別為三相四線制缺一相和缺兩相時的波形圖，由圖中光耦集電極信號 的波形 ② 可知，無論是缺一相還是缺兩相都會導致光耦在每個周期中存在一定的截止時間，只是缺兩相時光耦的截止時間更長些，為半個周期而已。而光耦只要存在短時的截止就會導致三極管 和 進入維持的導通狀態，從而使缺相檢測信號 也維持為高電平故障狀態，實現了缺相的檢測。

綜上分析，改進的光耦缺相檢測電路與預期的功能完全符合，能夠實現三相三線制和三相四線制應用情況下的任何缺相檢測。基于該缺相檢測電路的應用優勢，該電路已在軍用雷達設備供電的多款開關電源中廣泛應用，并取得了預期效果。

4結束語

本文對基于光耦的缺相檢測電路進行了改進、優化和補充，使得光耦缺相檢測電路的優越性和各種場合的適用性得到充分發揮。該光耦缺相檢測電路與當前其他缺相檢測電路的對比，體現了其簡單實用、功能可靠、成本低廉的優勢。同時，通過長期廣泛應用，該優化電路的有效性和可靠性得到證實，為相關應用場合提供了一種優越的可行性方案。

[參考文獻]

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