專利名稱：三相交流電檢測方法及檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種三相交流電檢測方法及檢測裝置。
背景技術：
在工農業生產及日常生活中，常常需要對三相交流電的相序、電壓等物理量進行 實時監控。以三相交流電為電源的電力拖動系統，如起重機和電梯等，三相交流的相序直接 決定設備的運轉方向，在正常運轉過程中，相序一旦反相，運轉方向也隨即反向，極可能造 成設備故障甚至人身傷害，因此在這類設備的控制系統中必須加入相序檢測功能；三相交 流電的過壓會造成設備的過熱，嚴重時會使設備燒毀；欠壓會造成設備的無法啟動，對于正 在運行的電力拖動系統，當負載不變，電壓的降低會導致電流迅速增大，極易造成電機過熱 而燒毀，為保證設備安全需要為系統配備電壓檢測裝置。傳統的三相電相序檢測方式主要有兩類一是，不使用微處理器，構建復雜的硬 件電路進行監控。如利用“過零法”將三相交流電轉換為反映相序的方波信號，再通過邏輯 門電路進行相序檢測；二是，使用微處理器，但需要利用隔離電路進行強弱電的隔離。傳統 的相序檢測技術硬件結構復雜，價格高，軟件開銷大，特別是隨著科技的發展，對檢測裝置 數字化、網絡化和實時性的要求不斷提高，傳統的檢測裝置和方法很難滿足要求。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于克服現有三相交流電檢測技術存在的硬件結構 復雜、成本高的缺陷，提供一種電路結構簡單、實現方便的三相交流電檢測方法及檢測裝置。本發明的三相交流電檢測方法，包括以下步驟 步驟A、將三相電分別調理為加直流偏置的正弦弱電信號；
步驟B、在一個周期內分別對各相經調理后的正弦弱電信號進行不斷的AD采樣，并記 錄每相的最大值、最小值以及各自出現的時間；
步驟C、根據步驟B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后與預先 設置的缺相、過壓及欠壓門檻值相比較，判斷是否出現缺相、過壓、欠壓或三相不平衡；根據 所記錄的三相加直流偏置的正弦弱電信號的最大值出現的時間先后順序判斷相序。所述將三相電分別調理為加直流偏置的正弦弱電信號按照以下方法通過星形連 接的電阻組成的帶中性點的分壓電路，得到相對于中性點的正弦弱電信號；再通過與中性 點連接的直流基準電壓源抬高中性點的電壓，使中性點相對于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。進一步地，所述加直流偏置的正弦弱電信號在輸出之前還經過低通濾波電路濾除 高頻干擾信號。本發明的三相交流電檢測裝置，包括依次信號連接的信號采樣單元、主控模塊、人 機接口模塊，所述信號采樣單元包括將三相電分別調理為加直流偏置的正弦弱電信號的三
3相電調理電路，以及對經調理的加直流偏置的正弦弱電信號進行AD采樣的AD采樣模塊；所 述三相電調理電路包括由星型連接的電阻組成的帶中性點的分壓電路，以及與所述分壓電 路的中性點連接的直流基準電壓源。作為進一步優化方案，所述信號采樣單元還包括用于濾除所述加直流偏置的正弦 弱電信號中的高頻干擾信號的低通濾波電路。作為又一優化方案，本發明的三相交流電檢測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。從而可在檢測到異常時，直接通過繼電器組的關斷來控制三相交 流電的通斷和輸出相序的轉換。進一步地，本發明的三相交流電檢測裝置還包括與所述主控模塊連接的通信接 口。從而可以將現場檢測到的三相交流電信息實時傳輸給上層管理系統。所述通信接口優 選 CAN (Controller Area Network)總線接口。本發明與現有技術相比有如下有益效果
一、本發明外圍硬件電路簡單，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、本發明的相序檢測算法的計算量小，抗干擾能力強，可提供準確的三相交流電相 序信息；
三、本發明可實現相序、相電壓、缺相、欠壓、過壓或三相不平衡的綜合檢測；
四、本發明可以實現現場檢測數據的實時上傳，方便實現數字化和網絡化管理。可以通 過上層管理系統或本地輸入單元，方便實現三相交流電的通斷、輸出相序和欠壓過壓檢測 門檻值的設置；
五、由于硬件簡單、可靠，可以單獨作為一個三相交流電設備的電源監控單元，也可以 方便的移植到其它復雜監控系統中。
圖1為本發明的三相交流電檢測裝置的功能結構框圖2為本發明的三相交流電檢測裝置中三相電調理電路的電路原理圖，其中(a)為分 壓電路，(b)為直流基準電壓源，(c)為低通濾波電路； 圖3為三相交流電通過調理電路之后的信號波形； 圖4為本發明的相電壓檢測原理示意圖5為本發明的三相交流電相序檢測原理示意圖，其中(a)為相序為ABC時的調理信 號，(b)為相序為ACB時的調理信號； 圖6為可能造成相序誤判的示意圖； 圖7為本發明的三相交流電檢測裝置的硬件結構框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明
如圖1所示，本發明的三相交流電檢測裝置包括依次信號連接的信號采樣單元、主控 模塊、人機接口模塊、低通濾波電路、繼電器組以及CAN通信接口，所述信號采樣單元包括 將三相電分別調理為加直流偏置的正弦弱電信號的三相電調理電路，以及對經調理的加直流偏置的正弦弱電信號進行AD采樣的AD采樣模塊；所述三相電調理電路包括由星型連 接的電阻組成的帶中性點的分壓電路，以及與所述分壓電路的中性點連接的直流基準電壓 源。本具體實施方式
中，主控模塊采用飛思卡爾MC9S12DGU8單片機，該單片機集成 有AD采樣模塊，因此不需要再單獨設置AD采樣模塊。本具體實施方式
中，三相電調理電路的電路原理如圖2所示，其中(a)為分壓電 路，(b)為直流基準電壓源，(c)為低通濾波電路。該調理電路將三相交流電調理為可供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。該三相電調理電路包括分壓電路、直流基準電壓源電路和二階低 通濾波電路，通過直流基準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 與AD采樣電路的參考地相關聯并抬高到2. 5V，從而將分壓電路產生的以星形連接中性點 為參考點峰峰值小于5V的交流信號轉換為以AD采樣電路的地為參考點峰峰值小于5V頻 率50Hz加2. 5V加直流偏置的正弦弱電信號，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的三相交流電轉換成峰峰值小于5V 的交流小信號。圖2中分壓電路原理說明以Pl接口中A對應的一相為例，Rl和R4組成 分壓電路，使該路的輸出Ll相對于中性點zeroline之間的電壓為峰峰值小于5V的交流小 信號，注意在沒有添加直流基準電壓源時，中性點zeroline和AD采樣電路參考地之間的電 壓為不確定值；直流基準電壓源產生一個2. 5V的直流信號，加在星形連接的分壓電路的中 性點，使分壓電路調理出的信號相對于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。直流基準電壓源電路原理圖說明利用基準電壓源芯片 TL431，在其3引腳產生一個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運放放大器構成)的電壓為 2. 5V。將電壓跟隨器的輸出和分壓電路中性點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。加入直流基準電壓源之后，分壓電路的輸出Ll相對于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；二階低通濾波器，濾除高頻 干擾，提高系統的抗干擾能力，并且因為輸入給二階低通濾波器的信號為直流，低通濾波器 中的運算放大器只需要一個正電源，簡化系統電源模塊設計。本調理電路可以直接和微處 理器連接從而省略了隔離器件，簡化了硬件電路。三相交流電通過該調理電路之后的輸出 波形如圖3所示。本具體實施方式
中，人機接口模塊包括用于檢測結果顯示的液晶顯示屏和用于控 制參數輸入的按鍵。本具體實施方式
中，該檢測裝置還包括一個與單片機連接的蜂鳴器，當檢測到異 常時，單片機控制蜂鳴器發出報警。本發明的三相交流電檢測裝置的硬件結構如圖7所示，在進行三相交流電檢測 時，按照以下步驟
步驟A、將三相電分別調理為加直流偏置的正弦弱電信號；
步驟B、在一個周期內分別對各相經調理后的正弦弱電信號進行不斷的AD采樣，并記 錄每相的最大值、最小值以及各自出現的時間；步驟C、根據步驟B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后與預先 設置的缺相、過壓及欠壓門檻值相比較，判斷是否出現缺相、過壓、欠壓或三相不平衡；根據 所記錄的三相加直流偏置的正弦弱電信號的最大值出現的時間先后順序判斷相序。利用單片機的AD模塊在一個周期的時間(50Hz時為20ms)內對各相電壓不斷進 行采樣，每當出現一個更大或更小的電壓值就記錄該電壓值以及出現的時間。如圖4所示， 假設從tl時刻開始采樣，到t2時刻采樣到的電壓值大于tl時刻的電壓，就記錄t2時刻 的電壓值為最大值；到t3時刻采樣到的電壓值大于t2時刻，就記錄t3時刻的電壓值為最 大值；到t5采樣結束時沒有采樣到更大的電壓，所以t3時刻的電壓值就是最大值，同理可 以得到t4時刻的電壓值為最小值。通過最大值最小值就可以計算出峰峰值，然后與預先設 置的的缺相、過壓和欠壓門檻值相比較，判斷是否出現缺相、過壓、欠壓或三相不平衡。當電 壓正常時，將檢測到的電壓值通過人機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；當出現電壓故障時，液晶屏顯示故障名并通過CAN總線將故障信息及時上傳 到上層管理系統。相序檢測功能的實現方法通過檢測各相最大值出現的時間順序判斷相序。三相 交流電的相序有正相序和反相序兩種，對應到圖7的三相交流電輸入接口即ABC和ACB兩 種情況。當相序為ABC時，在一個周期的時間內ABC三路信號電壓最大值出現的順序只可 能為ABC、BCA和CAB三種情況；當相序為ACB時，只可能為ACB、CBA和BAC三種情況，因此 只要檢測出三路信號最大值出現的時間順序為ABC、BCA、CAB、ACB, CBA和BAC中的哪一種 就可以判斷相序為ABC還是ACB，其中最大值出現時間的確定采用前述的求電壓最大值的 方法。因為三相交流電輸入接口的ABC和單片機的AD采樣引腳是一一對應的，假設A對應 AD0，B對應AD1，C對應AD2，那么在一個周期的時間內通過檢測ADO、AD1、AD2最大值出現 時間順序就可以判斷相序。如圖5(a)所示，某次檢測，三相交流電輸入接口的ABC經過調 理電路之后的輸出分別為實線、虛線和點劃線，假設從t0時刻開始采樣，到t4時刻結束則 在tl、t2、t3時刻取到最大值，對應相序為ABC ；假設從tl時刻開始采樣t5時刻采樣結束， 則在t2、t3、t5時刻取得最大值，最大值出現順序為BCA ；假設從t2時刻開始采樣t6時刻 采樣結束，則在t3、t5、t6時刻取得最大值，最大值出現順序為CAB，雖然檢測到ABC三路的 最大值出現的順序不同但相序都為ABC。相序為ACB時的檢測示意圖如圖5(b)所示。利用 最大值出現順序檢測相序的方法，算法簡單，軟件開銷小，抗干擾能力較強，只有出現如圖6 所示的強干擾，造成最大值檢測時間的錯位才可能出現相序的誤判。當檢測到異常時，可利用繼電器組的關斷來控制三相交流電的通斷和輸出相序的 轉換。根據控制信號的來源可分為兩種情況一種是主控制模塊根據預先設置好的輸出相 序和門檻電壓，直接控制繼電器組，實現三相交流電的通斷和輸出相序的轉換；第二種利 用CAN通信接口將現場檢測到的三相交流電信息實時上傳給上層管理系統，上層管理系統 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雜系統的 網絡化和實時化的監測和控制。
權利要求
1. 一種三相交流電檢測方法，其特征在于，包括以下步驟步驟A、將三相電分別調理為加直流偏置的正弦弱電信號；步驟B、在一個周期內分別對各相經調理后的正弦弱電信號進行不斷的AD采樣，并記 錄每相的最大值、最小值以及各自出現的時間；步驟C、根據步驟B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后與預先 設置的缺相、過壓及欠壓門檻值相比較，判斷是否出現缺相、過壓、欠壓或三相不平衡；根據 所記錄的三相加直流偏置的正弦弱電信號的最大值出現的時間先后順序判斷相序。
2.如權利要求1所述三相交流電檢測方法，其特征在于，所述將三相電分別調理為加 直流偏置的正弦弱電信號按照以下方法通過星形連接的電阻組成的帶中性點的分壓電 路，得到相對于中性點的正弦弱電信號；再通過與中性點連接的直流基準電壓源抬高中性 點的電壓，使中性點相對于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。
3.如權利要求2所述三相交流電檢測方法，其特征在于，所述加直流偏置的正弦弱電 信號在輸出之前還經過低通濾波電路濾除高頻干擾信號。
4. 一種三相交流電檢測裝置，包括依次信號連接的信號采樣單元、主控模塊、人機接口 模塊，其特征在于，所述信號采樣單元包括將三相電分別調理為加直流偏置的正弦弱電信 號的三相電調理電路，以及對經調理的加直流偏置的正弦弱電信號進行AD采樣的AD采樣 模塊；所述三相電調理電路包括由星型連接的電阻組成的帶中性點的分壓電路，以及與所 述分壓電路的中性點連接的直流基準電壓源。
5.如權利要求4所述三相交流電檢測裝置，其特征在于，所述信號采樣單元還包括用 于濾除所述加直流偏置的正弦弱電信號中的高頻干擾信號的低通濾波電路。
6.如權利要求4或5所述三相交流電檢測裝置，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.如權利要求4或5所述三相交流電檢測裝置，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.如權利要求7所述三相交流電檢測裝置，其特征在于，所述通信接口為CAN總線接
全文摘要
本發明公開了一種三相交流電檢測方法。該方法包括以下步驟將三相電分別調理為加直流偏置的正弦弱電信號；在一個周期內分別對各相經調理后的正弦弱電信號進行不斷的AD采樣，并記錄每相的最大值、最小值以及各自出現的時間；根據步驟B中得到的各相的最大值和最小值得出每一相的峰峰值，然后與預先設置的缺相、過壓及欠壓門檻值相比較，判斷是否出現缺相、過壓、欠壓或三相不平衡；根據所記錄的三相加直流偏置的正弦弱電信號的最大值出現的時間先后順序判斷相序。本發明還公開了一種三相交流電檢測裝置，該裝置利用星形連接的電阻組成的帶中性點的分壓電路以及與中性點連接的直流基準電壓源將三相電調理為加直流偏置的正弦弱電信號。本發明結構簡單、實現方便。
文檔編號G01R19/25GK102135562SQ20111004186
公開日2011年7月27日 申請日期2011年2月22日 優先權日2011年2月22日
發明者周西峰, 徐揚, 楊文杰, 郭前崗, 鞠華磊 申請人:南京郵電大學