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zai使shi用yong三san相xiang交jiao流liu電dian時shi，往wang往wang要yao利li用yong三san相xiang交jiao流liu電dian的de自zi然ran換huan相xiang點dian作zuo為wei控kong製zhi的de參can考kao點dian，所suo以yi需xu要yao對dui三san相xiang交jiao流liu電dian的de自zi然ran換huan相xiang點dian進jin行xing檢jian測ce，以yi保bao證zheng用yong電dian設she備bei的de安an全quan可ke靠kao運yun行xing，同tong時shi對dui三san相xiang交jiao流liu電dian的de頻pin率lv、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ashikechanshengxiangyingdemaichongxinhao，bingjianggaixinhaosongzhidanpianjidewaibuzhongduan，danpianjiduizhongduanjinxingchulihepanduan，congerjiancedaoziranhuanxiangdian
，tongshitongguoruanjianduisanxiangdianyuandepinlv、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

weilebaozhengxitongdeanquanyunxing，keyigenjubutongdechangheheyingyonghuanjing，tianjiaxiangyingdebaohumokuai
，ruzaidianjikongzhizhong，pinlvchuxianyichanghou，tingzhidianjidegongdianshuchudeng。

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。