一種實用的三相相序鑒別器的設(shè)計與仿真研究

李立平， 王振玉， 牛曉燕

（石家莊鐵道大學(xué) 四方學(xué)院，河北 石家莊 051132）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，負(fù)載電源相序的正反直接決定著負(fù)載電機的運行狀態(tài)，所以鑒別交流三相相序就成了至關(guān)重要的一個問題。通過對當(dāng)今電子市場的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多相序鑒別產(chǎn)品［1］只能解決缺相、鑒別相序問題。但是，當(dāng)接入三相正相序而某一相電壓出現(xiàn)偏高或偏低時，則容易出現(xiàn)無法判斷而導(dǎo)致報警失敗的情況，同樣會損害相應(yīng)的電氣設(shè)備，影響產(chǎn)品質(zhì)量。如傳動系統(tǒng)中的風(fēng)機泵類負(fù)載、交流調(diào)速系統(tǒng)、艦船上很多電氣設(shè)備以及各類機床、電焊等多種裝置，都需要對輸入的三相相序進(jìn)行鑒別，對三相電壓是否平衡都有嚴(yán)格的要求。因此，相序鑒別器就成為現(xiàn)場工程師們必不可少的裝備?？墒?，對于有些特殊工作場合如油田、礦區(qū)等野外工作的工業(yè)設(shè)備，工程技術(shù)人員如果每天隨身攜帶示波器等測量設(shè)備進(jìn)行施工或檢修十分不便，所以簡單實用的相序檢測模塊就顯得尤為重要。針對這一問題，綜合電路、電子等相關(guān)學(xué)科知識，利用仿真軟件設(shè)計出了一個由模擬分立元件組成的非線性相序鑒別電路，能夠較好地滿足缺相、正逆相序鑒別和三相正相序但是當(dāng)某一相電壓出現(xiàn)偏高或偏低時能夠報警動作等需求，動作時間短（≤0.4 s），安全可靠，可廣泛應(yīng)用于冶金、石油、艦船等野外電氣設(shè)備掛裝或便攜使用，具有一定的實用價值。

1 常用相序鑒別器缺點

以前傳統(tǒng)的相序鑒別產(chǎn)品如電磁繼電器式分辨電路、自耦變壓器分辨電路有體積大、成本高、可靠性差、不宜推廣等缺點；目前市場上的相序繼電器大多由整流橋、相位差鑒別集成電路、晶體三極管、穩(wěn)壓管等器件組成［2－3］。額定線電壓380 V，額定頻率50 Hz，允許電壓波動范圍為80%～110%之間。主要用于相序檢測或缺相保護(hù)［4］。由于其電壓波動范圍小且僅限于三相電源電壓幅值同步變化，所以它們解決不了在三相電源正相序而當(dāng)某相電壓偏高或偏低時的電路保護(hù)問題，此外集成電路有不可回避的缺點，比如在輸入電壓較高、干擾較大的場合工作很容易出現(xiàn)問題，為了使集成電路工作穩(wěn)定，常常對其電源的穩(wěn)定性和紋波系數(shù)有較高的要求。

2 實用的三相相序鑒別器的設(shè)計與仿真

結(jié)合已有電路、電子知識，提出了采用質(zhì)量可靠的簡單模擬分立元件構(gòu)成非線性電路，針對在三相電源正相序而某相電壓偏高或偏低時的電路保護(hù)問題，巧妙地利用三相電路本身的相位差，盡可能使用電阻、電容元件來實現(xiàn)相序鑒別功能［5］。而且為了電源和設(shè)備的安全，避免將電容直接串聯(lián)在電源回路中，通過實驗仿真和實物測量驗證，在三相交流電壓±20%的情況下，能夠在0.05～0.4 s內(nèi)完成對正逆相序的鑒別；即使是正相序的情況下，當(dāng)線電壓超過±20%時，能夠在0.5 s內(nèi)使輸出繼電器動作，從而能夠有效地保護(hù)電動機和相應(yīng)的機械設(shè)備，提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，原理如圖1所示。

圖1 三相電路相序鑒別圖

2.1 工作原理分析

當(dāng)輸入三相交流電壓為正相序時，有在正常的三相電壓對稱的情況下，一定滿足

所以在本電路原理圖設(shè)計時，也充分地考慮并利用了這種電路結(jié)構(gòu)的對稱性［6－7］。當(dāng)輸入電壓正相序且當(dāng)電壓大于零時，由于C相電壓超前A相電壓120°，所以當(dāng)A相電壓從0V變正值時，因為電路結(jié)構(gòu)對稱，電流的流向?qū)⒎謩e經(jīng)過電阻R1、R4以及三極管QT1的發(fā)射極形成正相序的閉合回路；當(dāng)A相電壓從0V變負(fù)時，仍然為使電路結(jié)構(gòu)對稱，則分別經(jīng)過二極管D5、電阻R1和R4形成反相序的閉合回路，此時仍然滿足uA＋uB＋uC＝0。所以此時三相電源的電流通路為：

2.2 設(shè)計與仿真實現(xiàn)

圖1中為了保證三極管QT1在C相電壓變負(fù)時不會被反相擊穿，所以在其發(fā)射結(jié)上并聯(lián)了一個反向二極管D5。由于三極管的發(fā)射結(jié)正向?qū)ê蟮牡刃щ娮韬苄?，所以?dāng)A相瞬時電壓過零點后變正時，電容C1上的電荷能夠迅速釋放并反向充電，又因為電容兩極板間的電壓不能夠突變，所以保證了三極管QT1的發(fā)射結(jié)電壓不會突變，從而保護(hù)了三極管的發(fā)射結(jié)。由于正相序，三極管QT1的集電極電壓先于發(fā)射極電壓過零點變正值，所以當(dāng)A相電壓過零點變正時，QT1會瞬間導(dǎo)通，從而保證了三相電路經(jīng)二極管D1～D3半波整流后的輸出電壓三相平衡。在輸出端u的反映就是電壓波形成周期性變化，波形圖如圖2所示。其中，橫坐標(biāo)為仿真時間，縱坐標(biāo)為三相電壓幅值。

當(dāng)輸入電壓逆相序時，在三極管QT1的發(fā)射極和集電極上的電壓作用時間和作用的先后順序發(fā)生了改變，這樣導(dǎo)致了三相電路的平衡關(guān)系被打破，經(jīng)過二極管D1～D3的半波整流和穩(wěn)壓管Z1的降壓后，輸出端u的電壓不再平穩(wěn)，此時的波形圖如圖3、圖4所示。

圖2 正相序三相平衡時輸出電壓u的波形圖

圖3 逆相序三相平衡時輸出電壓u的波形圖

圖4 正相序三相不平衡時輸出電壓u的波形圖

3 后續(xù)信號處理

由于電路屬于非線性混合電路，理論計算較困難，在這里不再贅述。在設(shè)計過程可以充分地借助于Altium Designer2008［8］軟件進(jìn)行仿真分析，該軟件是國際領(lǐng)先的一體化電子設(shè)計平臺，是繼Protel系列產(chǎn)品之后又一款高端設(shè)計軟件，為電子產(chǎn)品設(shè)計提供了完整解決方案。在仿真結(jié)果的波形文件中，可以給出相應(yīng)元件的電壓、電流、功率、直流分析、小信號模型以及信號完整性分析等內(nèi)容。在本設(shè)計中，后續(xù)信號處理的電路圖5所示。

圖5 后續(xù)信號處理電路

當(dāng)三相輸入電源為正相序時，由圖2可知，輸出電壓u在1.598 V左右穩(wěn)定波動，所以該電壓可以使復(fù)合三極管QT2飽和導(dǎo)通。此時，QT2的集電極電壓降為0.7 V左右，使QT3的集電極電壓約為0.7 V，經(jīng)過二極管D8降壓，使QT4的基極電壓低于1.4 V，所以三極管QT4截止。逆相序時，u的幅值大小不穩(wěn)定，會使QT2的基極電壓降低，圖5中輸入信號u經(jīng)過三極管QT2會在一個周期內(nèi)（約3.3 ms）截止，此時經(jīng)過分壓電阻R8、R9使三極管QT3基極電位升高，集電極電壓升高到0.5～4 V，然后經(jīng)過T型濾波整形和二極管倍壓電路并結(jié)合π型濾波升壓后使三極管QT4的基極電壓平穩(wěn)在1.6 V左右，從而驅(qū)動三極管QT4飽和導(dǎo)通，使繼電器K1線圈得電導(dǎo)通，常開節(jié)點閉合，常閉節(jié)點打開，從而切斷電源起到保護(hù)相應(yīng)電氣設(shè)備的作用。二極管D7給繼電器線圈提供放電回路，保護(hù)三極管不被擊穿。

4 電路性能與特點

由于接入三相電源的每一相都對地采用480 kΩ的電阻接到了電源線路中，所以并不會影響設(shè)備的絕緣性能；而且，并沒有將電容直接傳入線電壓中，不存在電容擊穿而發(fā)生斷路的問題。經(jīng)過仿真和實驗分析，本系統(tǒng)的突出優(yōu)點如下：

（1）采用分立模擬器件，輸入電壓范圍寬，交流相電壓50～500 V均適用；

（2）能夠檢測逆序和缺相故障；

（3）從圖2橫坐標(biāo)的仿真時間可知，當(dāng)三相電源正相序而某相電壓低于或超過約20%時，能夠在0.5 s內(nèi)檢測出并繼電器動作；

（4）從圖2～圖4橫坐標(biāo)的仿真時間可知，該設(shè)計響應(yīng)時間短，正常動作時僅為0.05～0.4 s；

（5）具有工作狀態(tài)指示功能，繼電器輸出，接入其它主控設(shè)備時應(yīng)用方便；

（6）經(jīng)實際工程現(xiàn)場檢驗，安全可靠，對三相電源主回路沒有太大影響。硬件實物圖如圖6所示。

圖6 硬件實物圖

5 結(jié)論

通過分析文獻(xiàn)和市場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)很多三相相序鑒別產(chǎn)品只能解決三相交流電源缺相、鑒別相序的問題。但是，當(dāng)三相正相序而某相電壓出現(xiàn)偏高或偏低時則無法判斷，所以充分利用三相電路的對稱性，運用模擬分立元件設(shè)計仿真了一個簡單實用的相序鑒別電路。通過仿真和實驗驗證表明，該電路能夠較好地解決缺相、鑒相和三相正相序但某相電壓出現(xiàn)偏高或偏低時進(jìn)行報警動作等問題，可廣泛應(yīng)用于冶金、石油、艦船等野外電氣設(shè)備掛裝或便攜使用，具有一定的實用價值。

［1］周強，侯熙平，陽初春，等.電動機自鑒相系統(tǒng)研究［J］.機電工程技術(shù)，2006，35（7）：62－63.

［2］吳義彬.繼電器用戶實用手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1992.

［3］姚志清，李金伴.繼電器與繼電保護(hù)裝置實用技術(shù)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［4］姜華，王金波.三相電動機缺相保護(hù)實用方法［J］.煤礦機械，2006，27（8）：154－156.

［5］王元利，王先倫，宋守云.實用的相序分辨電路［J］.河南機電高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2000，8（4）：63－65.

［6］王振宇.電路分析［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［7］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.5版.北京：高等教育出版社2006.

［8］徐向民，邢曉芬，華文龍，等.Altium Designer快速入門［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.