專利名稱：三相交流電檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相交流電檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，常常需要對(duì)三相交流電的相序、電壓等物理量進(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)控。以三相交流電為電源的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，如起重機(jī)和電梯等，三相交流的相序直接 決定設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，相序一旦反相，運(yùn)轉(zhuǎn)方向也隨即反向，極可能造 成設(shè)備故障甚至人身傷害，因此在這類設(shè)備的控制系統(tǒng)中必須加入相序檢測(cè)功能；三相交 流電的過壓會(huì)造成設(shè)備的過熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使設(shè)備燒毀；欠壓會(huì)造成設(shè)備的無法啟動(dòng)，對(duì)于正 在運(yùn)行的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載不變，電壓的降低會(huì)導(dǎo)致電流迅速增大，極易造成電機(jī)過熱 而燒毀，為保證設(shè)備安全需要為系統(tǒng)配備電壓檢測(cè)裝置。傳統(tǒng)的三相電相序檢測(cè)方式主要有兩類一是，不使用微處理器，構(gòu)建復(fù)雜的硬 件電路進(jìn)行監(jiān)控。如利用“過零法”將三相交流電轉(zhuǎn)換為反映相序的方波信號(hào)，再通過邏輯 門電路進(jìn)行相序檢測(cè)；二是，使用微處理器，但需要利用隔離電路進(jìn)行強(qiáng)弱電的隔離。傳統(tǒng) 的相序檢測(cè)技術(shù)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，軟件開銷大，特別是隨著科技的發(fā)展，對(duì)檢測(cè)裝置 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和實(shí)時(shí)性的要求不斷提高，傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置和方法很難滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有三相交流電檢測(cè)技術(shù)存在的硬件結(jié)構(gòu) 復(fù)雜、成本高的缺陷，提供一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便的三相交流電檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置。本發(fā)明的三相交流電檢測(cè)方法，包括以下步驟 步驟A、將三相電分別調(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號(hào)；
步驟B、在一個(gè)周期內(nèi)分別對(duì)各相經(jīng)調(diào)理后的正弦弱電信號(hào)進(jìn)行不斷的AD采樣，并記 錄每相的最大值、最小值以及各自出現(xiàn)的時(shí)間；
步驟C、根據(jù)步驟B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后與預(yù)先 設(shè)置的缺相、過壓及欠壓門檻值相比較，判斷是否出現(xiàn)缺相、過壓、欠壓或三相不平衡；根據(jù) 所記錄的三相加直流偏置的正弦弱電信號(hào)的最大值出現(xiàn)的時(shí)間先后順序判斷相序。所述將三相電分別調(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號(hào)按照以下方法通過星形連 接的電阻組成的帶中性點(diǎn)的分壓電路，得到相對(duì)于中性點(diǎn)的正弦弱電信號(hào)；再通過與中性 點(diǎn)連接的直流基準(zhǔn)電壓源抬高中性點(diǎn)的電壓，使中性點(diǎn)相對(duì)于AD采樣模塊地的電壓為固 定值，從而得到加直流偏置的正弦弱電信號(hào)。進(jìn)一步地，所述加直流偏置的正弦弱電信號(hào)在輸出之前還經(jīng)過低通濾波電路濾除 高頻干擾信號(hào)。本發(fā)明的三相交流電檢測(cè)裝置，包括依次信號(hào)連接的信號(hào)采樣單元、主控模塊、人 機(jī)接口模塊，所述信號(hào)采樣單元包括將三相電分別調(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號(hào)的三
3相電調(diào)理電路，以及對(duì)經(jīng)調(diào)理的加直流偏置的正弦弱電信號(hào)進(jìn)行AD采樣的AD采樣模塊；所 述三相電調(diào)理電路包括由星型連接的電阻組成的帶中性點(diǎn)的分壓電路，以及與所述分壓電 路的中性點(diǎn)連接的直流基準(zhǔn)電壓源。作為進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述信號(hào)采樣單元還包括用于濾除所述加直流偏置的正弦 弱電信號(hào)中的高頻干擾信號(hào)的低通濾波電路。作為又一優(yōu)化方案，本發(fā)明的三相交流電檢測(cè)裝置還包括與所述主控模塊連接的 并受其控制的繼電器組。從而可在檢測(cè)到異常時(shí)，直接通過繼電器組的關(guān)斷來控制三相交 流電的通斷和輸出相序的轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步地，本發(fā)明的三相交流電檢測(cè)裝置還包括與所述主控模塊連接的通信接 口。從而可以將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的三相交流電信息實(shí)時(shí)傳輸給上層管理系統(tǒng)。所述通信接口優(yōu) 選 CAN (Controller Area Network)總線接口。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下有益效果
一、本發(fā)明外圍硬件電路簡(jiǎn)單，不需要光耦隔離器件，即可將三相交流電的幅值和相位 信息完整傳輸給主控模塊；
二、本發(fā)明的相序檢測(cè)算法的計(jì)算量小，抗干擾能力強(qiáng)，可提供準(zhǔn)確的三相交流電相 序信息；
三、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)相序、相電壓、缺相、欠壓、過壓或三相不平衡的綜合檢測(cè)；
四、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化管理?？梢酝?過上層管理系統(tǒng)或本地輸入單元，方便實(shí)現(xiàn)三相交流電的通斷、輸出相序和欠壓過壓檢測(cè) 門檻值的設(shè)置；
五、由于硬件簡(jiǎn)單、可靠，可以單獨(dú)作為一個(gè)三相交流電設(shè)備的電源監(jiān)控單元，也可以 方便的移植到其它復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)中。


圖1為本發(fā)明的三相交流電檢測(cè)裝置的功能結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明的三相交流電檢測(cè)裝置中三相電調(diào)理電路的電路原理圖，其中(a)為分 壓電路，(b)為直流基準(zhǔn)電壓源，(c)為低通濾波電路； 圖3為三相交流電通過調(diào)理電路之后的信號(hào)波形； 圖4為本發(fā)明的相電壓檢測(cè)原理示意圖5為本發(fā)明的三相交流電相序檢測(cè)原理示意圖，其中(a)為相序?yàn)锳BC時(shí)的調(diào)理信 號(hào)，(b)為相序?yàn)锳CB時(shí)的調(diào)理信號(hào)； 圖6為可能造成相序誤判的示意圖； 圖7為本發(fā)明的三相交流電檢測(cè)裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明
如圖1所示，本發(fā)明的三相交流電檢測(cè)裝置包括依次信號(hào)連接的信號(hào)采樣單元、主控 模塊、人機(jī)接口模塊、低通濾波電路、繼電器組以及CAN通信接口，所述信號(hào)采樣單元包括 將三相電分別調(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號(hào)的三相電調(diào)理電路，以及對(duì)經(jīng)調(diào)理的加直流偏置的正弦弱電信號(hào)進(jìn)行AD采樣的AD采樣模塊；所述三相電調(diào)理電路包括由星型連 接的電阻組成的帶中性點(diǎn)的分壓電路，以及與所述分壓電路的中性點(diǎn)連接的直流基準(zhǔn)電壓 源。本具體實(shí)施方式
中，主控模塊采用飛思卡爾MC9S12DGU8單片機(jī)，該單片機(jī)集成 有AD采樣模塊，因此不需要再單獨(dú)設(shè)置AD采樣模塊。本具體實(shí)施方式
中，三相電調(diào)理電路的電路原理如圖2所示，其中(a)為分壓電 路，(b)為直流基準(zhǔn)電壓源，(c)為低通濾波電路。該調(diào)理電路將三相交流電調(diào)理為可供AD 采樣(MC9S12DG128的AD模塊采樣范圍為0-5V)的峰峰值小于5V頻率50Hz加2. 5V加直 流偏置的正弦弱電信號(hào)。該三相電調(diào)理電路包括分壓電路、直流基準(zhǔn)電壓源電路和二階低 通濾波電路，通過直流基準(zhǔn)電壓源電路提供直流偏置電壓，將星形連接分壓電路的中性點(diǎn) 與AD采樣電路的參考地相關(guān)聯(lián)并抬高到2. 5V，從而將分壓電路產(chǎn)生的以星形連接中性點(diǎn) 為參考點(diǎn)峰峰值小于5V的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為以AD采樣電路的地為參考點(diǎn)峰峰值小于5V頻 率50Hz加2. 5V加直流偏置的正弦弱電信號(hào)，從而完整的保留交流電的幅值和相位信息。分 壓電路由分壓電阻按星形連接組成，將相電壓為220V的三相交流電轉(zhuǎn)換成峰峰值小于5V 的交流小信號(hào)。圖2中分壓電路原理說明以Pl接口中A對(duì)應(yīng)的一相為例，Rl和R4組成 分壓電路，使該路的輸出Ll相對(duì)于中性點(diǎn)zeroline之間的電壓為峰峰值小于5V的交流小 信號(hào)，注意在沒有添加直流基準(zhǔn)電壓源時(shí)，中性點(diǎn)zeroline和AD采樣電路參考地之間的電 壓為不確定值；直流基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生一個(gè)2. 5V的直流信號(hào)，加在星形連接的分壓電路的中 性點(diǎn)，使分壓電路調(diào)理出的信號(hào)相對(duì)于AD采樣電路的參考地為峰峰值小于5V頻率50Hz加 2. 5V加直流偏置的正弦弱電信號(hào)。直流基準(zhǔn)電壓源電路原理圖說明利用基準(zhǔn)電壓源芯片 TL431，在其3引腳產(chǎn)生一個(gè)5V的直流電壓，然后通過由RlO和C5組成的低通濾波器，再利 用Rll和R12組成的分壓電路使得輸入電壓跟隨器(由UlB運(yùn)放放大器構(gòu)成)的電壓為 2. 5V。將電壓跟隨器的輸出和分壓電路中性點(diǎn)zeroline相連，使分壓電路與AD采樣電路 有相同的參考地并且分壓電路的中性點(diǎn)zeroline與AD采樣電路的參考地之間的電壓為固 定的2. 5V。加入直流基準(zhǔn)電壓源之后，分壓電路的輸出Ll相對(duì)于AD采樣電路的參考地是 峰峰值小于5V頻率50Hz加2. 5V加直流偏置的正弦弱電信號(hào)；二階低通濾波器，濾除高頻 干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，并且因?yàn)檩斎虢o二階低通濾波器的信號(hào)為直流，低通濾波器 中的運(yùn)算放大器只需要一個(gè)正電源，簡(jiǎn)化系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)。本調(diào)理電路可以直接和微處 理器連接從而省略了隔離器件，簡(jiǎn)化了硬件電路。三相交流電通過該調(diào)理電路之后的輸出 波形如圖3所示。本具體實(shí)施方式
中，人機(jī)接口模塊包括用于檢測(cè)結(jié)果顯示的液晶顯示屏和用于控 制參數(shù)輸入的按鍵。本具體實(shí)施方式
中，該檢測(cè)裝置還包括一個(gè)與單片機(jī)連接的蜂鳴器，當(dāng)檢測(cè)到異 常時(shí)，單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。本發(fā)明的三相交流電檢測(cè)裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示，在進(jìn)行三相交流電檢測(cè) 時(shí)，按照以下步驟
步驟A、將三相電分別調(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號(hào)；
步驟B、在一個(gè)周期內(nèi)分別對(duì)各相經(jīng)調(diào)理后的正弦弱電信號(hào)進(jìn)行不斷的AD采樣，并記 錄每相的最大值、最小值以及各自出現(xiàn)的時(shí)間；步驟C、根據(jù)步驟B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后與預(yù)先 設(shè)置的缺相、過壓及欠壓門檻值相比較，判斷是否出現(xiàn)缺相、過壓、欠壓或三相不平衡；根據(jù) 所記錄的三相加直流偏置的正弦弱電信號(hào)的最大值出現(xiàn)的時(shí)間先后順序判斷相序。利用單片機(jī)的AD模塊在一個(gè)周期的時(shí)間(50Hz時(shí)為20ms)內(nèi)對(duì)各相電壓不斷進(jìn) 行采樣，每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)更大或更小的電壓值就記錄該電壓值以及出現(xiàn)的時(shí)間。如圖4所示， 假設(shè)從tl時(shí)刻開始采樣，到t2時(shí)刻采樣到的電壓值大于tl時(shí)刻的電壓，就記錄t2時(shí)刻 的電壓值為最大值；到t3時(shí)刻采樣到的電壓值大于t2時(shí)刻，就記錄t3時(shí)刻的電壓值為最 大值；到t5采樣結(jié)束時(shí)沒有采樣到更大的電壓，所以t3時(shí)刻的電壓值就是最大值，同理可 以得到t4時(shí)刻的電壓值為最小值。通過最大值最小值就可以計(jì)算出峰峰值，然后與預(yù)先設(shè) 置的的缺相、過壓和欠壓門檻值相比較，判斷是否出現(xiàn)缺相、過壓、欠壓或三相不平衡。當(dāng)電 壓正常時(shí)，將檢測(cè)到的電壓值通過人機(jī)接口模塊中的液晶屏顯示并通過CAN總線上傳到上 層管理系統(tǒng)；當(dāng)出現(xiàn)電壓故障時(shí)，液晶屏顯示故障名并通過CAN總線將故障信息及時(shí)上傳 到上層管理系統(tǒng)。相序檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)方法通過檢測(cè)各相最大值出現(xiàn)的時(shí)間順序判斷相序。三相 交流電的相序有正相序和反相序兩種，對(duì)應(yīng)到圖7的三相交流電輸入接口即ABC和ACB兩 種情況。當(dāng)相序?yàn)锳BC時(shí)，在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)ABC三路信號(hào)電壓最大值出現(xiàn)的順序只可 能為ABC、BCA和CAB三種情況；當(dāng)相序?yàn)锳CB時(shí)，只可能為ACB、CBA和BAC三種情況，因此 只要檢測(cè)出三路信號(hào)最大值出現(xiàn)的時(shí)間順序?yàn)锳BC、BCA、CAB、ACB, CBA和BAC中的哪一種 就可以判斷相序?yàn)锳BC還是ACB，其中最大值出現(xiàn)時(shí)間的確定采用前述的求電壓最大值的 方法。因?yàn)槿嘟涣麟娸斎虢涌诘腁BC和單片機(jī)的AD采樣引腳是一一對(duì)應(yīng)的，假設(shè)A對(duì)應(yīng) AD0，B對(duì)應(yīng)AD1，C對(duì)應(yīng)AD2，那么在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)通過檢測(cè)ADO、AD1、AD2最大值出現(xiàn) 時(shí)間順序就可以判斷相序。如圖5(a)所示，某次檢測(cè)，三相交流電輸入接口的ABC經(jīng)過調(diào) 理電路之后的輸出分別為實(shí)線、虛線和點(diǎn)劃線，假設(shè)從t0時(shí)刻開始采樣，到t4時(shí)刻結(jié)束則 在tl、t2、t3時(shí)刻取到最大值，對(duì)應(yīng)相序?yàn)锳BC ；假設(shè)從tl時(shí)刻開始采樣t5時(shí)刻采樣結(jié)束， 則在t2、t3、t5時(shí)刻取得最大值，最大值出現(xiàn)順序?yàn)锽CA ；假設(shè)從t2時(shí)刻開始采樣t6時(shí)刻 采樣結(jié)束，則在t3、t5、t6時(shí)刻取得最大值，最大值出現(xiàn)順序?yàn)镃AB，雖然檢測(cè)到ABC三路的 最大值出現(xiàn)的順序不同但相序都為ABC。相序?yàn)锳CB時(shí)的檢測(cè)示意圖如圖5(b)所示。利用 最大值出現(xiàn)順序檢測(cè)相序的方法，算法簡(jiǎn)單，軟件開銷小，抗干擾能力較強(qiáng)，只有出現(xiàn)如圖6 所示的強(qiáng)干擾，造成最大值檢測(cè)時(shí)間的錯(cuò)位才可能出現(xiàn)相序的誤判。當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，可利用繼電器組的關(guān)斷來控制三相交流電的通斷和輸出相序的 轉(zhuǎn)換。根據(jù)控制信號(hào)的來源可分為兩種情況一種是主控制模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的輸出相 序和門檻電壓，直接控制繼電器組，實(shí)現(xiàn)三相交流電的通斷和輸出相序的轉(zhuǎn)換；第二種利 用CAN通信接口將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的三相交流電信息實(shí)時(shí)上傳給上層管理系統(tǒng)，上層管理系統(tǒng) 通過CAN總線直接控制三相交流電的通斷以及輸出的相序，這非常有利于大型復(fù)雜系統(tǒng)的 網(wǎng)絡(luò)化和實(shí)時(shí)化的監(jiān)測(cè)和控制。
權(quán)利要求
1. 一種三相交流電檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟步驟A、將三相電分別調(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號(hào)；步驟B、在一個(gè)周期內(nèi)分別對(duì)各相經(jīng)調(diào)理后的正弦弱電信號(hào)進(jìn)行不斷的AD采樣，并記 錄每相的最大值、最小值以及各自出現(xiàn)的時(shí)間；步驟C、根據(jù)步驟B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后與預(yù)先 設(shè)置的缺相、過壓及欠壓門檻值相比較，判斷是否出現(xiàn)缺相、過壓、欠壓或三相不平衡；根據(jù) 所記錄的三相加直流偏置的正弦弱電信號(hào)的最大值出現(xiàn)的時(shí)間先后順序判斷相序。
2.如權(quán)利要求1所述三相交流電檢測(cè)方法，其特征在于，所述將三相電分別調(diào)理為加 直流偏置的正弦弱電信號(hào)按照以下方法通過星形連接的電阻組成的帶中性點(diǎn)的分壓電 路，得到相對(duì)于中性點(diǎn)的正弦弱電信號(hào)；再通過與中性點(diǎn)連接的直流基準(zhǔn)電壓源抬高中性 點(diǎn)的電壓，使中性點(diǎn)相對(duì)于AD采樣模塊地的電壓為固定值，從而得到加直流偏置的正弦弱 電信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述三相交流電檢測(cè)方法，其特征在于，所述加直流偏置的正弦弱電 信號(hào)在輸出之前還經(jīng)過低通濾波電路濾除高頻干擾信號(hào)。
4. 一種三相交流電檢測(cè)裝置，包括依次信號(hào)連接的信號(hào)采樣單元、主控模塊、人機(jī)接口 模塊，其特征在于，所述信號(hào)采樣單元包括將三相電分別調(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信 號(hào)的三相電調(diào)理電路，以及對(duì)經(jīng)調(diào)理的加直流偏置的正弦弱電信號(hào)進(jìn)行AD采樣的AD采樣 模塊；所述三相電調(diào)理電路包括由星型連接的電阻組成的帶中性點(diǎn)的分壓電路，以及與所 述分壓電路的中性點(diǎn)連接的直流基準(zhǔn)電壓源。
5.如權(quán)利要求4所述三相交流電檢測(cè)裝置，其特征在于，所述信號(hào)采樣單元還包括用 于濾除所述加直流偏置的正弦弱電信號(hào)中的高頻干擾信號(hào)的低通濾波電路。
6.如權(quán)利要求4或5所述三相交流電檢測(cè)裝置，其特征在于，該裝置還包括與所述主控 模塊連接的并受其控制的繼電器組。
7.如權(quán)利要求4或5所述三相交流電檢測(cè)裝置，其特征在于，該裝置還包括與所述主控 模塊連接的通信接口。
8.如權(quán)利要求7所述三相交流電檢測(cè)裝置，其特征在于，所述通信接口為CAN總線接
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三相交流電檢測(cè)方法。該方法包括以下步驟將三相電分別調(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號(hào)；在一個(gè)周期內(nèi)分別對(duì)各相經(jīng)調(diào)理后的正弦弱電信號(hào)進(jìn)行不斷的AD采樣，并記錄每相的最大值、最小值以及各自出現(xiàn)的時(shí)間；根據(jù)步驟B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后與預(yù)先設(shè)置的缺相、過壓及欠壓門檻值相比較，判斷是否出現(xiàn)缺相、過壓、欠壓或三相不平衡；根據(jù)所記錄的三相加直流偏置的正弦弱電信號(hào)的最大值出現(xiàn)的時(shí)間先后順序判斷相序。本發(fā)明還公開了一種三相交流電檢測(cè)裝置，該裝置利用星形連接的電阻組成的帶中性點(diǎn)的分壓電路以及與中性點(diǎn)連接的直流基準(zhǔn)電壓源將三相電調(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號(hào)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便。
文檔編號(hào)G01R19/25GK102135562SQ20111004186
公開日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者周西峰, 徐揚(yáng), 楊文杰, 郭前崗, 鞠華磊 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)