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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相交流電檢測方法及檢測裝置。
背景技術(shù)：
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，常常需要對三相交流電的相序、電壓等物理量進(jìn)行 實時監(jiān)控。以三相交流電為電源的電力拖動系統(tǒng)，如起重機和電梯等，三相交流的相序直接 決定設(shè)備的運轉(zhuǎn)方向，在正常運轉(zhuǎn)過程中，相序一旦反相，運轉(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功能；三相交 流電的過壓會造成設(shè)備的過熱，嚴(yán)重時會使設(shè)備燒毀；欠壓會造成設(shè)備的無法啟動，對于正 在運行的電力拖動系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載不變，電壓的降低會導(dǎo)致電流迅速增大，極易造成電機過熱 而燒毀，為保證設(shè)備安全需要為系統(tǒng)配備電壓檢測裝置。傳統(tǒng)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(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，再通過邏輯 門電路進(jìn)行相序檢測；二是，使用微處理器，但需要利用隔離電路進(jìn)行強弱電的隔離。傳統(tǒng) 的相序檢測技術(shù)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，軟件開銷大，特別是隨著科技的發(fā)展，對檢測裝置 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和實時性的要求不斷提高，傳統(tǒng)的檢測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)簡單、實現(xiàn)方便的三相交流電檢測方法及檢測裝置。本發(fā)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(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號；
步驟B、在一個周期內(nèi)分別對各相經(jīng)調(diào)理后的正弦弱電信號進(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的最大值出現(xiàn)的時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(zhǔn)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(jìn)一步地，所述加直流偏置的正弦弱電信號在輸出之前還經(jīng)過低通濾波電路濾除 高頻干擾信號。本發(fā)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(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號的三
3相電調(diào)理電路，以及對經(jīng)調(diào)理的加直流偏置的正弦弱電信號進(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(zhǔn)電壓源。作為進(jìn)一步優(yōu)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(yōu)化方案，本發(fā)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(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)場檢測到的三相交流電信息實時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)明的相序檢測算法的計算量小，抗干擾能力強，可提供準(zhǔn)確的三相交流電相 序信息；
三、本發(fā)明可實現(xiàn)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(fā)明可以實現(xiàn)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的實時上傳，方便實現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化管理。可以通 過上層管理系統(tǒng)或本地輸入單元，方便實現(xiàn)三相交流電的通斷、輸出相序和欠壓過壓檢測 門檻值的設(shè)置；
五、由于硬件簡單、可靠，可以單獨作為一個三相交流電設(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)理電路之后的信號波形； 圖4為本發(fā)明的相電壓檢測原理示意圖5為本發(fā)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(diào)理信 號，(b)為相序為ACB時的調(diào)理信號； 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裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(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(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號的三相電調(diào)理電路，以及對經(jīng)調(diào)理的加直流偏置的正弦弱電信號進(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(zhǔn)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(shè)置AD采樣模塊。本具體實施方式
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。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 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 為參考點峰峰值小于5V的交流信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhǔn)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(zhǔn)電壓源產(chǎn)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(diào)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(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(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(zhǔn)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(tǒng)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(tǒng)電源模塊設(shè)計。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。本具體實施方式
中，人機接口模塊包括用于檢測結(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(dāng)檢測到異 常時，單片機控制蜂鳴器發(fā)出報警。本發(fā)明的三相交流電檢測裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示，在進(jìn)行三相交流電檢測 時，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；
步驟B、在一個周期內(nèi)分別對各相經(jīng)調(diào)理后的正弦弱電信號進(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的最大值出現(xiàn)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(nèi)對各相電壓不斷進(jìn) 行采樣，每當(dāng)出現(xiàn)一個更大或更小的電壓值就記錄該電壓值以及出現(xiàn)的時間。如圖4所示， 假設(shè)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(jié)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(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，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(tǒng)；當(dāng)出現(xiàn)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(tǒng)。相序檢測功能的實現(xiàn)方法通過檢測各相最大值出現(xiàn)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(yīng)到圖7的三相交流電輸入接口即ABC和ACB兩 種情況。當(dāng)相序為ABC時，在一個周期的時間內(nèi)ABC三路信號電壓最大值出現(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(xiàn)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(xiàn)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(yīng)的，假設(shè)A對應(yīng) AD0，B對應(yīng)AD1，C對應(yīng)AD2，那么在一個周期的時間內(nèi)通過檢測ADO、AD1、AD2最大值出現(xiàn) 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(jīng)過調(diào) 理電路之后的輸出分別為實線、虛線和點劃線，假設(shè)從t0時刻開始采樣，到t4時刻結(jié)束則 在tl、t2、t3時刻取到最大值，對應(yīng)相序為ABC ；假設(shè)從tl時刻開始采樣t5時刻采樣結(jié)束， 則在t2、t3、t5時刻取得最大值，最大值出現(xiàn)順序為BCA ；假設(shè)從t2時刻開始采樣t6時刻 采樣結(jié)束，則在t3、t5、t6時刻取得最大值，最大值出現(xiàn)順序為CAB，雖然檢測到ABC三路的 最大值出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)相序的誤判。當(dāng)檢測到異常時，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)場檢測到的三相交流電信息實時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)化和實時化的監(jiān)測和控制。
權(quán)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(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號；步驟B、在一個周期內(nèi)分別對各相經(jīng)調(diào)理后的正弦弱電信號進(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的最大值出現(xiàn)的時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(zhǔn)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(quán)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(jīng)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(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信 號的三相電調(diào)理電路，以及對經(jīng)調(diào)理的加直流偏置的正弦弱電信號進(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(zhǔn)電壓源。
5.如權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(fā)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(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號；在一個周期內(nèi)分別對各相經(jīng)調(diào)理后的正弦弱電信號進(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的最大值出現(xiàn)的時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(zhǔn)電壓源將三相電調(diào)理為加直流偏置的正弦弱電信號。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)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(xué)