模擬電子技術(shù)在三相電源相序檢測中的應(yīng)用研究

韓高鵬，張紅靜

（貴州振華群英電器有限公司<國營第八九一廠> 貴州 貴陽 550018）

1 引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，模擬電子技術(shù)作為電子技術(shù)中的重要分支之一，其在當前工業(yè)自動化領(lǐng)域中也有著非常廣泛的應(yīng)用，以模擬電子技術(shù)為基礎(chǔ)的模擬電路與現(xiàn)代許多學(xué)科如自動化、電氣、數(shù)學(xué)等都有著密切關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)中各工控設(shè)備中，其內(nèi)部或多或少都有相關(guān)模擬電子技術(shù)的工程實踐應(yīng)用[1]。伴隨工業(yè)自動化技術(shù)不斷更新進步，模擬電子技術(shù)在具體分析方法上也逐漸趨向于系統(tǒng)化、數(shù)學(xué)化發(fā)展。

例如，在很多的工業(yè)電子、儀器儀表等設(shè)備中，供電方式多采用三相制，往往需要檢測三相交流電源的相序以及是否缺相，并通過指示電路來提醒操作人員調(diào)整相序或者缺相電源連接。繼電器保護自動裝置必須明確三相電源的相序。尤其，對只允許單一方向旋轉(zhuǎn)運行的工控用電設(shè)備，確定三相交流電的相序極其關(guān)鍵，若相序有誤可能會引起其旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件損壞：如飛機上救援時用的控制升降的電機若因相序的改變，而使其旋轉(zhuǎn)運行方向與預(yù)設(shè)方向相反，嚴重時可能會導(dǎo)致飛機故障以及危及人身安全。因此，相序檢測是非常必要的。

三相電源的相序有正序和逆序之分：到達同一值的順序為A-B-C-A為正序，A-C-B-A則為逆序。對于相序檢測電路研究方法都各有側(cè)重。基于數(shù)字邏輯電路，利用光電耦合器將三相正弦交流電壓信號轉(zhuǎn)換為方波信號，兩相電壓轉(zhuǎn)換的方波通過“與”門得到的波形圖作為判斷依據(jù)，其高低電平即可確定正反相序。利用此種原理展開的研究較多，但多數(shù)尚未在實際生產(chǎn)中進行應(yīng)用。

本文將探討模擬電子技術(shù)在三相電源相序檢測中的應(yīng)用研究，并提出了一種新穎的相序檢測模擬電路，由簡單的電容、電阻組成移相網(wǎng)絡(luò)，所用元器件少，結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的檢測準確性及可靠性。

2 模擬電路設(shè)計

應(yīng)用模擬電子技術(shù)的相關(guān)電路稱之為模擬電路，檢測相序的電路采用模擬電路設(shè)計。目前，世界各國的電力系統(tǒng)中電能的生產(chǎn)、傳輸和供電，絕大多數(shù)都采用對稱三相制。三相交流電較單相交流電相比有以下幾個優(yōu)勢：（1）發(fā)電方面：同等尺寸三相式發(fā)電機比單相式發(fā)電機可提高功率50%；（2）輸電方面：輸送相同電能，三相輸電線路比單相輸電線路可節(jié)省成本25%，且電能損耗也較單相少；（3）配電方面：制造三相變壓器比單相變壓器更省材料更經(jīng)濟，且結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良，在不增加任何設(shè)備的情況下，可供三相或單相負載共同使用；（4）用電方面：三相電流能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而可制造出結(jié)構(gòu)簡單、可靠運行、良好性能、維護方便的三相異步電動機。三相交流電的相序?qū)δ承┰O(shè)備有直接的影響：只有相同相序的系統(tǒng)才能并聯(lián)工作；相序不同三相電動機的轉(zhuǎn)動方向就不同；相序有錯，電度表計量就不準確。因此，預(yù)先確定三相電源的相序就顯得非常重要。三相電相序有兩種：正序和反序，A相可任意指定，A相一旦確定，比A相滯后120°為B相，比B相滯后120°為C相[2]。

2.1 相序檢測原理

通常將三相交流電正弦波展開見圖1(a)，其中、、為各相電壓。以A相為基準，可以畫出B、C相對A相的電壓，即、波形，見圖1(b)[3]。

圖1 三相正弦波電壓及B相、C相對A相電壓波形

由圖1(b)可知，的相位滯后的相位為60°。如果將U.ba通過移相網(wǎng)絡(luò)滯后60°，則將與曲線重合；同理，將通過移相網(wǎng)絡(luò)使得其相位滯后60°，則與的相位差將增大至120°，兩者的差值曲線仍為正弦曲線。正是依據(jù)這一原理，在判斷三相電源相序時，可先以任一相為基準，判斷另外二相的相序。例如，選擇A相為基準電壓，若=0，則說明B、C相序反接；若≠0，則說明B、C相序正接。

2.2 模擬電路設(shè)計內(nèi)容

該模擬電路由兩部分構(gòu)成，第1部分為相序檢測部分，第2部分為整流濾波輸出部分。模擬電路原理圖見圖2。

圖2 相序檢測模擬電路原理圖

本模擬電路通過阻、容移相功能，使得測試點P和K的電壓大小及相位相同，此時光耦不導(dǎo)通，將高電平輸出給控制電路，由控制電路將相序正確信息告知用戶。

3 模擬電路相關(guān)參數(shù)計算

設(shè)A相電壓相量初相位為0，然后選取第2相為B相，若檢測出AB為正序，則B相的電壓相量滯后A相120°，即B相電壓初相位為-120°；當A、B相均已確定后，根據(jù)三相電源相序?qū)ΨQ原理，可得C相的電壓相量，那么就可以判定 A、B的相序為AB。因此，在三相電壓中任意選取兩相，作正、反相序判斷，就可以判斷三相電源的相序。

根據(jù)三相交流電知識，三相交流電的相電壓函數(shù)表達式為：

由公式（1）～（3）可知：各相電壓對稱且大小相等，頻率相同，相位互差120°。線電壓的表達式為：

由公式（4）～（6）可知：各線電壓對稱且大小相等，大小為相電壓的倍，相位領(lǐng)先對應(yīng)的相電壓30°，互成120°相位差，對應(yīng)向量圖見圖3。

圖3 相電壓和線電壓關(guān)系向量圖

對圖2所示模擬電路通過戴維南疊加定理可得下列方程[4]：

由式（1）、（2）、（4）和（5）可得：

代入（8）式，化簡后可得：

P、K點的電壓值分別為：

為了使P、K兩點的電壓相等，需滿足：

將（9）和（10）代入（13）（為了選擇參數(shù)方便，化簡時令R2=R3），可得：

以飛機上使用的三相電源（115 V，400 Hz）為例，所以ω=2πf≈2512，并將其代入（15）式可得：

如果C=0.01uF，則R1=68.951 kΩ。而R2和R3數(shù)值相等，可根據(jù)實際需要取值。

當相序正常時，K點與P點之間電壓為0 V，光耦不導(dǎo)通，即輸出給控制電路為高電平，由控制電路將相序正確信息告知用戶；當相序不正常時，K點與P點之間電壓不為零，因此光耦導(dǎo)通，即輸出給控制電路為低電平，由控制電路將相序錯誤信息告知用戶。

4 模擬實驗結(jié)果分析

根據(jù)模擬電路原理分析及相關(guān)參數(shù)計算分析的結(jié)果，選擇對應(yīng)的電子元器件，并按照圖2原理將其安裝在面包板上進行實驗測量，同時在控制電路處接一發(fā)光二極管，用于相序狀態(tài)指示，指示模擬電路見圖4。

圖4 指示模擬電路

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當相序正常時，光耦偶爾也會出現(xiàn)導(dǎo)通，指示模擬電路中發(fā)光二極管點亮現(xiàn)象。用萬用表測量K點與P點之間電壓，發(fā)現(xiàn)不為零。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)上述參數(shù)在計算過程中，沒有考慮后級電路也要消耗電流，因此打破了之前使用的戴維南疊加定理理論計算，所以K點與P點之間電壓不為零。經(jīng)討論實驗，得出在光耦前端加一5 V穩(wěn)壓管（圖2中VD5）后，經(jīng)多次重復(fù)實驗，該故障現(xiàn)象再未發(fā)生；同時也進行了缺相和錯相實驗，發(fā)現(xiàn)該電路經(jīng)更改后，能實現(xiàn)缺相和錯相的檢測，發(fā)光二極管點亮[5]。

5 結(jié)語

本文通過模擬電子技術(shù)實現(xiàn)了一種具有相序判別、缺相檢測的功能的相序檢測模擬電路。該模擬電路結(jié)構(gòu)簡單，所用元器件較少，生產(chǎn)成本低，該模擬電路檢測的可靠性和準確性均已在實際應(yīng)用中得以驗證。通過筆者對模擬電子技術(shù)在三相電源相序檢測中的應(yīng)用情況闡述，希望可以為相關(guān)研究提供有工程應(yīng)用價值的參考依據(jù)。

模擬電子技術(shù)在所有的電子技術(shù)中占有重要地位，將其應(yīng)用在電路中，能夠運用簡單的方法處理電路中連續(xù)的電信號。模擬電子技術(shù)具有原理簡單、操作過程簡單、生產(chǎn)成本較低、節(jié)約資源等特點。正是因為其自身所具有的特點，對電子技術(shù)的要求也相對較低。

綜上所述，模擬電子技術(shù)在生產(chǎn)成本上占據(jù)了非常大的優(yōu)勢。正因如此，模擬電子技術(shù)在市場經(jīng)濟上的應(yīng)用也較為廣泛。隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)水平不斷提高，模擬電子技術(shù)仍在更新，對于模擬電子技術(shù)在工業(yè)自動化工程領(lǐng)域中應(yīng)用也要不斷創(chuàng)新、不斷提高，同時也是工業(yè)自動化高度發(fā)展要求。