中心議題：

• 三相電源換相點檢測工作原理
• 三相電源換相點檢測電路設計

解決方案：

• 三相電源換相點檢測硬件電路設計
• 三相電源換相點檢測軟件設計

在使用三相交流電時,，往往要利用三相交流電的自然換相點作為控制的參考點，所以需要對三相交流電的自然換相點進行檢測,，以保證用電設備的安全可靠運行,，同時對三相交流電的頻率、相序,、缺相情況進行實時監(jiān)測,，并且在三相電源出現異常時，進行相應的告警并做出保護措施,。

換相點檢測工作原理

三相電源在自然換相點處,，兩相電壓相等，并且是電壓反相的起始點,，該設計正是利用這一特點實現對自然換相點的檢測,，如圖1所示。

圖1 兩相正弦電壓波形

在一個周期內,，u1和u2存在兩個交點,，即a，b兩點,。a點是u2>u1的起始點,，b點是u1>u2的起始點，該設計對a點進行檢測,，通過電路變換,，在每一個周期的a時刻產生相應的脈沖信號，并將該信號送至單片機的外部中斷,，單片機對中斷進行處理和判斷,，從而檢測到自然換相點，同時通過軟件對三相電源的頻率,、相序以及是否缺相作出判斷,。

硬件電路設計

三相電源自然換相點的檢測有很多方法，大多數是采用模擬電路,，通過比較器對相與相之間的電壓進行比較,，但是這種方法的精度不高，會直接影響輸出電壓控制的精度,；另外也有通過數字電路實現的,，但是大多數電路存在器件較多，電路復雜,，并占用較多單片機資源的缺點,。

傳統的檢測電路設計：圖2是一種傳統的數字型自然換相點檢測電路的原理圖,，其中占用了7個I/O口，并且還需要ADC,、數值寄存器和脈沖邏輯組合電路,。電路相當復雜，在程序設計上也需要進行設計以后才能對自然換相點作出判斷,。另外這種方法還存在換相點丟失的情況，丟失的概率會隨采樣頻率的降低而增大,，極大降低了控制的可靠性,。

圖2 傳統的數字型自然換相點檢測電路原理圖

 


檢測電路設計

設計了如下檢測方法，克服了傳統的檢測方法存在的問題,，如圖3,。

圖3 三相交流電自然換相點檢測原理圖

當u 1 >u 2 時，穩(wěn)壓管兩端電壓為5V,，電容C1充電,，由于C1容值較小。而u 1>u 2 的時間為半個周期,，即0.01s,，足以保證電容C1充電完成，此時并聯在三極管Ｑ1基射極兩端的的二極管提供鉗位電壓,，使得三極管工作在截止區(qū),，光耦U1的控制二極管不導通，受控三極管截止,，單片機外部INT0拉至高電平,，當經過a點后，u 2>u 1 ,，U2為三極管Q1提供基極電壓,，同時電容C1提供集射極電壓，三極管Q1導通,，在這段時間內,，C1、控制二極管,、R3,、Q1形成回路，光耦U1中的受控三極管導通,，單片機外部中斷INT0下拉至低電平,，在這個過程中，單片機對這個下降沿進行捕捉,，實現對u1,、u2兩相交點a進行檢測,，光耦U1實現了輸入端和輸出端的電氣隔離，同時提高了系統的抗干擾能力,。

以同樣的方法設計另外兩組檢測電路,，輸入電壓分別為u 1 和u 3 、u 2 和u 3 ,，輸出分別為INT1和INT2,，完成對同一周期另外兩個自然換相點的檢測。

脈寬計算

忽略三極管導通壓降,，由C1,、發(fā)光二極管、R3組成的回路可以等效成一個RC電路的一階零輸入（圖4）,。

圖4 RC電路的一階零輸入響應

u0為穩(wěn)壓二極管VD的穩(wěn)定電壓,，發(fā)光二極管的導通壓降為VF ，t ≥0時電容儲存的能量通過發(fā)光二極管和電阻釋放出來,，在這段時間內發(fā)光二極管發(fā)光,，根據KVL可得：

而，將其帶入式（1）得：

根據初始條件u C （ 0 + ） －V F =uC （0－）－VF =u0 －VF,，并令式（2）的通解為uC －VF = Aem ,得該一階齊次微分方程的解為：

令乘積RC =τ,，τ為RC電路的時間常數，反映了電容電壓uC 的衰減速度,，式（3）可寫為：

當uC 衰減到小于VF 的值時,，二極管截止，

解式（5）得

即二極管導通時間為：秒,。

仿真

以上設計方案在Sabe r環(huán)境下進行了仿真驗證,，仿真結果如圖5所示，其中兩正弦波為三相電源的其中兩相電壓,，脈沖電壓為送至單片機外部中斷INT0的信號,。從圖5可以清晰的看到，在自然換相點附近,，產生了一組幅值為5V,，脈寬約為2ms，頻率為50Hz的脈沖信號,，而在自然換相點處,，產生了一個近乎90度的下降沿，有利于單片機進行捕捉,。改變時間常數τ可以改變脈沖電壓的脈寬,，如圖5所示，在自然換相點處產生了一組幅值為5V，脈寬約為10mS,，頻率為50Hz的脈沖信號,。 圖5 為經檢測電路得到的脈沖電壓，圖6為不同τ值檢測電路得到的脈沖電壓,。

圖5 經檢測電路得到的脈沖電壓

圖6 不同τ值檢測電路得到的脈沖電壓

軟件設計

檢測電路得到的脈沖電壓信號送至Atmega16單片機進行處理,，單片機的程序通過C 語言編制， 主程序流程如圖7 所示,， 主要分為三個模塊： 缺相判定,， 頻率正常判定和相序判定， 系統正常工作后,，三個模塊循環(huán)執(zhí)行,。

圖7 主程序流程圖

為了保證系統的安全運行，可以根據不同的場合和應用環(huán)境,，添加相應的保護模塊，如在電機控制中,，頻率出現異常后,，停止電機的供電輸出等。

結論

三相電源自然換相點的在三相電源的使用中起著極其重要的作用,，對自然換相點的精確檢測可以有效地提高對三相電源的控制能力,。