模拟电子技术在三相电源相序检测中的应用研究

韩高鹏，张红静

（贵州振华群英电器有限公司<国营第八九一厂> 贵州 贵阳 550018）

1 引言

随着电子技术的迅速发展，模拟电子技术作为电子技术中的重要分支之一，其在当前工业自动化领域中也有着非常广泛的应用，以模拟电子技术为基础的模拟电路与现代许多学科如自动化、电气、数学等都有着密切关系。工业生产中各工控设备中，其内部或多或少都有相关模拟电子技术的工程实践应用[1]。伴随工业自动化技术不断更新进步，模拟电子技术在具体分析方法上也逐渐趋向于系统化、数学化发展。

例如，在很多的工业电子、仪器仪表等设备中，供电方式多采用三相制，往往需要检测三相交流电源的相序以及是否缺相，并通过指示电路来提醒操作人员调整相序或者缺相电源连接。继电器保护自动装置必须明确三相电源的相序。尤其，对只允许单一方向旋转运行的工控用电设备，确定三相交流电的相序极其关键，若相序有误可能会引起其旋转结构件损坏：如飞机上救援时用的控制升降的电机若因相序的改变，而使其旋转运行方向与预设方向相反，严重时可能会导致飞机故障以及危及人身安全。因此，相序检测是非常必要的。

三相电源的相序有正序和逆序之分：到达同一值的顺序为A-B-C-A为正序，A-C-B-A则为逆序。对于相序检测电路研究方法都各有侧重。基于数字逻辑电路，利用光电耦合器将三相正弦交流电压信号转换为方波信号，两相电压转换的方波通过“与”门得到的波形图作为判断依据，其高低电平即可确定正反相序。利用此种原理展开的研究较多，但多数尚未在实际生产中进行应用。

本文将探讨模拟电子技术在三相电源相序检测中的应用研究，并提出了一种新颖的相序检测模拟电路，由简单的电容、电阻组成移相网络，所用元器件少，结构简单，具有较高的检测准确性及可靠性。

2 模拟电路设计

应用模拟电子技术的相关电路称之为模拟电路，检测相序的电路采用模拟电路设计。目前，世界各国的电力系统中电能的生产、传输和供电，绝大多数都采用对称三相制。三相交流电较单相交流电相比有以下几个优势：（1）发电方面：同等尺寸三相式发电机比单相式发电机可提高功率50%；（2）输电方面：输送相同电能，三相输电线路比单相输电线路可节省成本25%，且电能损耗也较单相少；（3）配电方面：制造三相变压器比单相变压器更省材料更经济，且结构简单、性能优良，在不增加任何设备的情况下，可供三相或单相负载共同使用；（4）用电方面：三相电流能产生旋转磁场，从而可制造出结构简单、可靠运行、良好性能、维护方便的三相异步电动机。三相交流电的相序对某些设备有直接的影响：只有相同相序的系统才能并联工作；相序不同三相电动机的转动方向就不同；相序有错，电度表计量就不准确。因此，预先确定三相电源的相序就显得非常重要。三相电相序有两种：正序和反序，A相可任意指定，A相一旦确定，比A相滞后120°为B相，比B相滞后120°为C相[2]。

2.1 相序检测原理

通常将三相交流电正弦波展开见图1(a)，其中、、为各相电压。以A相为基准，可以画出B、C相对A相的电压，即、波形，见图1(b)[3]。

图1 三相正弦波电压及B相、C相对A相电压波形

由图1(b)可知，的相位滞后的相位为60°。如果将U.ba通过移相网络滞后60°，则将与曲线重合；同理，将通过移相网络使得其相位滞后60°，则与的相位差将增大至120°，两者的差值曲线仍为正弦曲线。正是依据这一原理，在判断三相电源相序时，可先以任一相为基准，判断另外二相的相序。例如，选择A相为基准电压，若=0，则说明B、C相序反接；若≠0，则说明B、C相序正接。

2.2 模拟电路设计内容

该模拟电路由两部分构成，第1部分为相序检测部分，第2部分为整流滤波输出部分。模拟电路原理图见图2。

图2 相序检测模拟电路原理图

本模拟电路通过阻、容移相功能，使得测试点P和K的电压大小及相位相同，此时光耦不导通，将高电平输出给控制电路，由控制电路将相序正确信息告知用户。

3 模拟电路相关参数计算

设A相电压相量初相位为0，然后选取第2相为B相，若检测出AB为正序，则B相的电压相量滞后A相120°，即B相电压初相位为-120°；当A、B相均已确定后，根据三相电源相序对称原理，可得C相的电压相量，那么就可以判定 A、B的相序为AB。因此，在三相电压中任意选取两相，作正、反相序判断，就可以判断三相电源的相序。

根据三相交流电知识，三相交流电的相电压函数表达式为：

由公式（1）～（3）可知：各相电压对称且大小相等，频率相同，相位互差120°。线电压的表达式为：

由公式（4）～（6）可知：各线电压对称且大小相等，大小为相电压的倍，相位领先对应的相电压30°，互成120°相位差，对应向量图见图3。

图3 相电压和线电压关系向量图

对图2所示模拟电路通过戴维南叠加定理可得下列方程[4]：

由式（1）、（2）、（4）和（5）可得：

代入（8）式，化简后可得：

P、K点的电压值分别为：

为了使P、K两点的电压相等，需满足：

将（9）和（10）代入（13）（为了选择参数方便，化简时令R2=R3），可得：

以飞机上使用的三相电源（115 V，400 Hz）为例，所以ω=2πf≈2512，并将其代入（15）式可得：

如果C=0.01uF，则R1=68.951 kΩ。而R2和R3数值相等，可根据实际需要取值。

当相序正常时，K点与P点之间电压为0 V，光耦不导通，即输出给控制电路为高电平，由控制电路将相序正确信息告知用户；当相序不正常时，K点与P点之间电压不为零，因此光耦导通，即输出给控制电路为低电平，由控制电路将相序错误信息告知用户。

4 模拟实验结果分析

根据模拟电路原理分析及相关参数计算分析的结果，选择对应的电子元器件，并按照图2原理将其安装在面包板上进行实验测量，同时在控制电路处接一发光二极管，用于相序状态指示，指示模拟电路见图4。

图4 指示模拟电路

在实验过程中发现，当相序正常时，光耦偶尔也会出现导通，指示模拟电路中发光二极管点亮现象。用万用表测量K点与P点之间电压，发现不为零。经分析，发现上述参数在计算过程中，没有考虑后级电路也要消耗电流，因此打破了之前使用的戴维南叠加定理理论计算，所以K点与P点之间电压不为零。经讨论实验，得出在光耦前端加一5 V稳压管（图2中VD5）后，经多次重复实验，该故障现象再未发生；同时也进行了缺相和错相实验，发现该电路经更改后，能实现缺相和错相的检测，发光二极管点亮[5]。

5 结语

本文通过模拟电子技术实现了一种具有相序判别、缺相检测的功能的相序检测模拟电路。该模拟电路结构简单，所用元器件较少，生产成本低，该模拟电路检测的可靠性和准确性均已在实际应用中得以验证。通过笔者对模拟电子技术在三相电源相序检测中的应用情况阐述，希望可以为相关研究提供有工程应用价值的参考依据。

模拟电子技术在所有的电子技术中占有重要地位，将其应用在电路中，能够运用简单的方法处理电路中连续的电信号。模拟电子技术具有原理简单、操作过程简单、生产成本较低、节约资源等特点。正是因为其自身所具有的特点，对电子技术的要求也相对较低。

综上所述，模拟电子技术在生产成本上占据了非常大的优势。正因如此，模拟电子技术在市场经济上的应用也较为广泛。随着我国工业现代化技术水平不断提高，模拟电子技术仍在更新，对于模拟电子技术在工业自动化工程领域中应用也要不断创新、不断提高，同时也是工业自动化高度发展要求。