模擬電子技術在三相電源相序檢測中的應用研究

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

隨著電子技術的迅速發展，模擬電子技術作為電子技術中的重要分支之一，其在當前工業自動化領域中也有著非常廣泛的應用，以模擬電子技術為基礎的模擬電路與現代許多學科如自動化、電氣、數學等都有著密切關系。工業生產中各工控設備中，其內部或多或少都有相關模擬電子技術的工程實踐應用[1]。伴隨工業自動化技術不斷更新進步，模擬電子技術在具體分析方法上也逐漸趨向于系統化、數學化發展。

例如，在很多的工業電子、儀器儀表等設備中，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運行的工控用電設備，確定三相交流電的相序極其關鍵，若相序有誤可能會引起其旋轉結構件損壞：如飛機上救援時用的控制升降的電機若因相序的改變，而使其旋轉運行方向與預設方向相反，嚴重時可能會導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重?；跀底诌壿嬰娐?，利用光電耦合器將三相正弦交流電壓信號轉換為方波信號，兩相電壓轉換的方波通過“與”門得到的波形圖作為判斷依據，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，但多數尚未在實際生產中進行應用。

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

2 模擬電路設計

應用模擬電子技術的相關電路稱之為模擬電路，檢測相序的電路采用模擬電路設計。目前，世界各國的電力系統中電能的生產、傳輸和供電，絕大多數都采用對稱三相制。三相交流電較單相交流電相比有以下幾個優勢：（1）發電方面：同等尺寸三相式發電機比單相式發電機可提高功率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濟，且結構簡單、性能優良，在不增加任何設備的情況下，可供三相或單相負載共同使用；（4）用電方面：三相電流能產生旋轉磁場，從而可制造出結構簡單、可靠運行、良好性能、維護方便的三相異步電動機。三相交流電的相序對某些設備有直接的影響：只有相同相序的系統才能并聯工作；相序不同三相電動機的轉動方向就不同；相序有錯，電度表計量就不準確。因此，預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通過移相網絡滯后60°，則將與曲線重合；同理，將通過移相網絡使得其相位滯后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 模擬電路設計內容

該模擬電路由兩部分構成，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 模擬電路相關參數計算

設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，根據三相電源相序對稱原理，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。

根據三相交流電知識，三相交流電的相電壓函數表達式為：

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，相位領先對應的相電壓30°，互成120°相位差，對應向量圖見圖3。

圖3 相電壓和線電壓關系向量圖

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數值相等，可根據實際需要取值。

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 模擬實驗結果分析

根據模擬電路原理分析及相關參數計算分析的結果，選擇對應的電子元器件，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光二極管，用于相序狀態指示，指示模擬電路見圖4。

圖4 指示模擬電路

在實驗過程中發現，當相序正常時，光耦偶爾也會出現導通，指示模擬電路中發光二極管點亮現象。用萬用表測量K點與P點之間電壓，發現不為零。經分析，發現上述參數在計算過程中，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。經討論實驗，得出在光耦前端加一5 V穩壓管（圖2中VD5）后，經多次重復實驗，該故障現象再未發生；同時也進行了缺相和錯相實驗，發現該電路經更改后，能實現缺相和錯相的檢測，發光二極管點亮[5]。

5 結語

本文通過模擬電子技術實現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。該模擬電路結構簡單，所用元器件較少，生產成本低，該模擬電路檢測的可靠性和準確性均已在實際應用中得以驗證。通過筆者對模擬電子技術在三相電源相序檢測中的應用情況闡述，希望可以為相關研究提供有工程應用價值的參考依據。

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

綜上所述，模擬電子技術在生產成本上占據了非常大的優勢。正因如此，模擬電子技術在市場經濟上的應用也較為廣泛。隨著我國工業現代化技術水平不斷提高，模擬電子技術仍在更新，對于模擬電子技術在工業自動化工程領域中應用也要不斷創新、不斷提高，同時也是工業自動化高度發展要求。