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

zaishiyongsanxiangjiaoliudianshi，wangwangyaoliyongsanxiangjiaoliudiandeziranhuanxiangdianzuoweikongzhidecankaodian，suoyixuyaoduisanxiangjiaoliudiandeziranhuanxiangdianjinxingjiance，yibaozhengyongdianshebeideanquankekaoyunxing
，tongshiduisanxiangjiaoliudiandepinlv、相序、缺相情況進行實時監測，並且在三相電源出現異常時，進行相應的告警並做出保護措施。

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
，並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shi刻ke產chan生sheng相xiang應ying的de脈mai衝chong信xin號hao，並bing將jiang該gai信xin號hao送song至zhi單dan片pian機ji的de外wai部bu中zhong斷duan
，單dan片pian機ji對dui中zhong斷duan進jin行xing處chu理li和he判pan斷duan，從cong而er檢jian測ce到dao自zi然ran換huan相xiang點dian
，同tong時shi通tong過guo軟ruan件jian對dui三san相xiang電dian源yuan的de頻pin率lv、相序以及是否缺相作出判斷。

硬件電路設計

三(san)相(xiang)電(dian)源(yuan)自(zi)然(ran)換(huan)相(xiang)點(dian)的(de)檢(jian)測(ce)有(you)很(hen)多(duo)方(fang)法(fa)，大(da)多(duo)數(shu)是(shi)采(cai)用(yong)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)，通(tong)過(guo)比(bi)較(jiao)器(qi)對(dui)相(xiang)與(yu)相(xiang)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)，但(dan)是(shi)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)的(de)精(jing)度(du)不(bu)高(gao)

，會(hui)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)控(kong)製(zhi)的(de)精(jing)度(du)
；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，電路複雜
，並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，並且還需要ADC
、數(shu)值(zhi)寄(ji)存(cun)器(qi)和(he)脈(mai)衝(chong)邏(luo)輯(ji)組(zu)合(he)電(dian)路(lu)。電(dian)路(lu)相(xiang)當(dang)複(fu)雜(za)
，在(zai)程(cheng)序(xu)設(she)計(ji)上(shang)也(ye)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)以(yi)後(hou)才(cai)能(neng)對(dui)自(zi)然(ran)換(huan)相(xiang)點(dian)作(zuo)出(chu)判(pan)斷(duan)。另(ling)外(wai)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)還(hai)存(cun)在(zai)換(huan)相(xiang)點(dian)丟(diu)失(shi)的(de)情(qing)況(kuang)，丟(diu)失(shi)的(de)概(gai)率(lv)會(hui)隨(sui)采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)的(de)降(jiang)低(di)而(er)增(zeng)大(da)，極(ji)大(da)降(jiang)低(di)了(le)控(kong)製(zhi)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。

圖2 傳統的數字型自然換相點檢測電路原理圖

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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，穩壓管兩端電壓為5V，電容C1充電，由於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，此時並聯在三極管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，光耦U1的控製二極管不導通，受控三極管截止
，單片機外部INT0拉至高電平，當經過a點後，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
、控製二極管、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，同時提高了係統的抗幹擾能力。

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為穩壓二極管VD的穩定電壓，發光二極管的導通壓降為VF ，t ≥0時電容儲存的能量通過發光二極管和電阻釋放出來，在這段時間內發光二極管發光，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
，並令式（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：

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當uC 衰減到小於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
，脈衝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的脈衝信號，而在自然換相點處
，產生了一個近乎90度的下降沿
，有利於單片機進行捕捉。改變時間常數τ可以改變脈衝電壓的脈寬，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的脈衝信號。 圖5 為經檢測電路得到的脈衝電壓，圖6為不同τ值檢測電路得到的脈衝電壓。

圖5 經檢測電路得到的脈衝電壓

圖6 不同τ值檢測電路得到的脈衝電壓

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軟件設計

檢測電路得到的脈衝電壓信號送至Atmega16單片機進行處理，單片機的程序通過C 語言編製， 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， 係統正常工作後，三個模塊循環執行。

圖7 主程序流程圖

為wei了le保bao證zheng係xi統tong的de安an全quan運yun行xing，可ke以yi根gen據ju不bu同tong的de場chang合he和he應ying用yong環huan境jing
，添tian加jia相xiang應ying的de保bao護hu模mo塊kuai，如ru在zai電dian機ji控kong製zhi中zhong，頻pin率lv出chu現xian異yi常chang後hou
，停ting止zhi電dian機ji的de供gong電dian輸shu出chu等deng。

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製能力。