三相电源自然换相点检测方法的研究

 在使用三相交流电时，往往要利用三相交流电的自然换相点作为控制的参考点，所以需要对三相交流电的自然换相点进行检测，以保证用电设备的安全可靠运行，同时对三相交流电的频率、相序、缺相情况进行实时监测，并且在三相电源出现异常时，进行相应的告警并做出保护措施。

换相点检测工作原理

三相电源在自然换相点处，两相电压相等，并且是电压反相的起始点，该设计正是利用这一特点实现对自然换相点的检测，如图1所示。
图1 两相正弦电压波形

在一个周期内，u1和u2存在两个交点，即a，b两点。a点是u2>u1的起始点，b点是u1>u2的起始点，该设计对a点进行检测，通过电路变换，在每一个周期的a时刻产生相应的脉冲信号，并将该信号送至单片机的外部中断，单片机对中断进行处理和判断，从而检测到自然换相点，同时通过软件对三相电源的频率、相序以及是否缺相作出判断。

硬件电路设计

三相电源自然换相点的检测有很多方法，大多数是采用模拟电路，通过比较器对相与相之间的电压进行比较，但是这种方法的精度不高，会直接影响输出电压控制的精度；另外也有通过数字电路实现的，但是大多数电路存在器件较多，电路复杂，并占用较多单片机资源的缺点。

传统的检测电路设计：图2是一种传统的数字型自然换相点检测电路的原理图，其中占用了7个I/O口，并且还需要ADC、数值寄存器和脉冲逻辑组合电路。电路相当复杂，在程序设计上也需要进行设计以后才能对自然换相点作出判断。另外这种方法还存在换相点丢失的情况，丢失的概率会随采样频率的降低而增大，极大降低了控制的可靠性。

图2 传统的数字型自然换相点检测电路原理图

检测电路设计

设计了如下检测方法，克服了传统的检测方法存在的问题，如图3。

图3 三相交流电自然换相点检测原理图

当u 1 >u 2 时，稳压管两端电压为5V，电容C1充电，由于C1容值较小。而u 1>u 2 的时间为半个周期，即0.01s，足以保证电容C1充电完成，此时并联在三极管Ｑ1基射极两端的的二极管提供钳位电压，使得三极管工作在截止区，光耦U1的控制二极管不导通，受控三极管截止，单片机外部INT0拉至高电平，当经过a点后，u 2>u 1 ，U2为三极管Q1提供基极电压，同时电容C1提供集射极电压，三极管Q1导通，在这段时间内，C1、控制二极管、R3、Q1形成回路，光耦U1中的受控三极管导通，单片机外部中断INT0下拉至低电平，在这个过程中，单片机对这个下降沿进行捕捉，实现对u1、u2两相交点a进行检测，光耦U1实现了输入端和输出端的电气隔离，同时提高了系统的抗干扰能力。

以同样的方法设计另外两组检测电路，输入电压分别为u 1 和u 3 、u 2 和u 3 ，输出分别为INT1和INT2，完成对同一周期另外两个自然换相点的检测。

脉宽计算

忽略三极管导通压降，由C1、发光二极管、R3组成的回路可以等效成一个RC电路的一阶零输入（图4）。

图4 RC电路的一阶零输入响应

u0为稳压二极管VD的稳定电压，发光二极管的导通压降为VF ，t ≥0时电容储存的能量通过发光二极管和电阻释放出来，在这段时间内发光二极管发光，根据KVL可得：

而，将其带入式（1）得：

根据初始条件u C （ 0 + ） －V F =uC （0－）－VF =u0 －VF，并令式（2）的通解为uC －VF = Aem ,得该一阶齐次微分方程的解为：

令乘积RC =τ，τ为RC电路的时间常数，反映了电容电压uC 的衰减速度，式（3）可写为：

当uC 衰减到小于VF 的值时，二极管截止，

解式（5）得

即二极管导通时间为：秒。

仿真

以上设计方案在Sabe r环境下进行了仿真验证，仿真结果如图5所示，其中两正弦波为三相电源的其中两相电压，脉冲电压为送至单片机外部中断INT0的信号。从图5可以清晰的看到，在自然换相点附近，产生了一组幅值为5V，脉宽约为2ms，频率为50Hz的脉冲信号，而在自然换相点处，产生了一个近乎90度的下降沿，有利于单片机进行捕捉。改变时间常数τ可以改变脉冲电压的脉宽，如图5所示，在自然换相点处产生了一组幅值为5V，脉宽约为10mS，频率为50Hz的脉冲信号。 图5 为经检测电路得到的脉冲电压，图6为不同τ值检测电路得到的脉冲电压。

图5 经检测电路得到的脉冲电压

图6 不同τ值检测电路得到的脉冲电压

软件设计

检测电路得到的脉冲电压信号送至Atmega16单片机进行处理，单片机的程序通过C 语言编制， 主程序流程如图7 所示， 主要分为三个模块： 缺相判定， 频率正常判定和相序判定， 系统正常工作后，三个模块循环执行。

图7 主程序流程图

为了保证系统的安全运行