三相交流电源缺相保护电路

张海涛Ξ

(长沙学院物电系，湖南长沙410003)

摘　要：介绍了一个主要由峰值检波器和脉冲宽度鉴别器构成的三相交流电源缺相保护电路.当三相交流电源出现缺相或某相电压过低时，电路动作切断电源，保护用电设备，并发出报警信号.

关键词：三相交流电源；缺相；峰值检波器；脉冲宽度鉴别器

中图分类号:TN710 文献标识码:A 文章编号:1671-119X(2005)01-0016-04

目前世界上电力系统所采用的供电方式，绝大多数是三相制[1].所谓三相制，就是由三个频率相同而相位不同的电压源作为电源供电的体系.这是由于三相制在发电、输电和用电方面都有许多优点.三相电源一般是由三个同频率、等幅值和初相依次相差120°的正弦电压源按一定的方式连接而成.这组电压源称为对称三相电源，依次称为A相、B相和C相，分别记为U A、U B、U C.

U A(t)=U PMcosωt

吊葫芦U B(t)=U PMcos(ωt-120°)

遥控飞机制作U B(t)=U PMcos(ωt+120°)

它们的波形和向量如下图1

(a)波形 (b)向量

图1　三相电压源的波形和向量图

在实际电路中，由于种种原因会出现缺少相序的情况，该情况称之为缺相.如缺少U A，或U B，或U

C.电机在缺少相序的情况下不能启动工作，或者工作不稳定甚至烧毁.为了保护用电设备，特此设计电路在缺相时(相电压过低也视为缺相)起保护及报警作用.

1　设计思想

大体积混凝土降温

考虑到三相电源为交变电源，若正常时U A、U B、U C峰值电压出现为等间隔时间，通常在电路中把时间表示转换为脉冲表示，因而把三个峰值表示为三个脉冲形式，如此转换电路可使用峰值检波器[2].如果出现缺相的情况，即缺少峰值，那么脉冲宽度将变宽.考虑到这样的现象，使用脉冲宽度检测便能判断出是否缺相.大致方框图如图2所示.

图2　脉冲宽度检测框图

2　功能模块实现

(1)实现峰值检波部分

工作原理如图3所示.该峰值检波器由电压比较器μA760与电容C、电阻R、二极管D组成.V I加在比较器的同相输入端，此时比较器输出高电平，反

第15卷第1期2005年3月　湖南工程学院学报

焗炉

Journal of Hunan Institute of Engineering

Vo1.15.No.1

Mar.2005

Ξ收稿日期:2004-06-048

作者简介：张海涛(1972-)，男，讲师，研究方向：微电子与固体电子.

相输入端的电容C 经过二极管、电阻充电到输入信

号的峰值.但由于比较器的输入偏流及二极管的漏电流，电容器上的电压在非充电时间内缓慢放电，故在同相端的输入信号到达峰值那一时刻，比较器才有高电平输出.这样在比较器的输出端出现了一串反映峰值的脉冲信号

图3　峰值检波器

(2)脉冲宽度鉴别部分

工作原理如图4所示：该鉴别器由比较器与运算放大器及电容、电阻、N 沟道的J FET 管组成.Vi 加在运放的反相输入端，如果J FET 栅极为低电平，那么J FET 处于截止状态,J

FET 截止.则Vi 对电容C

充电,

电容C 两端电压VC 上升，由于V c =(Vi/RC )T ，若令V c <V2比较器输出高电平；充电时间持续到J FET 栅极发生电平翻转,J FET 栅极发生电平翻转，此时J FET 导通，电容C 通过J FET

源极漏及开始放

电，电容C 两端电压V c0快速下降,V c0<V 2比较器输出仍为高电平.如此反复对电容充电放电.

图4　鉴别器

3　功能模块仿真测试

为进一步证实设计思想的正确性，我们通过计

算机辅助电子线路设计软件来帮助我们对该电路进行检测.本文中的所有电路图都是通过Protel [3]制作.以下就便通过Pspice 仿真各功能模块电路如图5所示:

通过对各部分的模拟伪真后，发现设计思路基本可行，并无很大的误差，基本能实现设想的情况，对缺相情况时能起到保护作用.

图5　整体电路方框图

通柜

1第1期　张海涛：三相交流电源缺相保护电路　

4　外围辅助电路部分

411　集成稳压电源

此外，我们还要为电路提供供电用的和比较使用的集成稳压源[4]，它是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备.其输出电压大小基本上不受电网电压、负载及环境温度的变化而影响.在本电路中需要两种独立提供稳定电压的电路，第一种是给集成块供电用的电压源，另一种是具有精密电压的供比较器作比较时用的基准电压源.

(1)供电电压源

我们选取CW317，这是一种三端式集成稳压器,

它是在三端固定输出集成稳压器的基础上发展起来的.这种稳压器是鉴于许多电子仪器仪表要求稳定的固定输出电压而设计的.它只有3个外部引出端子：输入端、输出端、公共端.使用灵活方便.它的性能指标是：电压调整率为0.005%～0.02%/V ，电流调整率为0.1%～1.0%，纹波抑制比为-65～-85db.其

电路设计的特点是使集成片的输入电流几乎全部流到输出端，流到公共端的电流非常小，一般为50～100μA ，当负载电流从10mA 变化到额定值时或从3V 输入到最大的额定输入电压时，其公共端可调整节点

电流的变化量为0.2～5μA.基于集成芯片这一特点,

可以用少量的外部元件方便地组成精密可调的稳压器或稳流器电路.它的应用电路如图6:

图6　供电电压源的应用电路

(2)基准电压源

我们选用MAX873，这是一种采用激光修正的

低功耗、低温漂、精密带隙基准电压源，广泛用于便携数字仪表、数据采集系统、A/D 或D/A 转换器中.MAX873可输出2.500V 的基准电压，最在允许偏差为+—115mV ；低温漂，电压温度系数的典型值为3×10-6℃，最大也不超过7×10-6℃；电源电压范围宽，为+415～18V ，最大工作电流为10mA ；低功

耗，静态电流为280

μA.它的应用电路如图7：利用TRIM 端能对基准电压进行微调，调节范围是+—

4%；在此电路中

,C 为消噪电容，取0.1μf ;RP1为

100K 精密多圈电位器，对输出电压微调，调节范围是+—95mV ;RP2为20K 精密多圈电位器，调整RP2可获得0～2.5V 的任意基准电压值.

图7　MAX873基准电压源的应用电路

4.2　控制报警部分

作为三相电机电源缺相保护的一部分，当电源出现问题的时候，它必须能够在第一时刻切断电路，以保护电机不受损伤；并且要能够及时发出信号提醒操作者，不管是可见的还是可闻的.我们可以采用双向可控硅组成电子开关，来控制三相交流电源的通断；另外只用一个红L ED 开关来报警，当然我们可以另加一个音乐芯片.

可控硅[5](SCR )是一种三端可控器件，实现了弱电对强电的控制.它体积小、重量轻、效率高、寿命长、无噪声、

无磨损、维修方便，在工业上应用广泛.可控硅可用作电子开关，以代替触点交流接触器使用.应用交流场合的可控硅器件，我们可以选用双向可控硅，这是因为它具有双向可控的优点.双向可控硅的管心是

用N 型硅单晶片的两面三刀侧扩散形成PN P ，再在两面三刀端设置PN 结，形成N PN PN 五层结构的三极管.它在两个方向均能触发.它用作电子开关时的应用电路如图8所示:

图8　可控硅电子开关的应用电路

在图8中,Vct1为控制电压，当它取值为高电

平时,SCR 导通，所以电源通过SCR 给负载提供电力；而当它取值为低电平时,SCR 截止，负载停止工作.

5　完整的电路结构

完整的电路结构如图9所示，它将前面分析的各功能模块电路有机有结合在一起，能够较好的完成缺相保护功能。

带隙基准81 　湖南工程学院学报　2005年

图9　完整的电路结构

6　结束语

以上的三相交流电源缺相保护电路，是基于在

集成电路方面上的应用，市面上还有其他种类关于三相交流电源缺相保护的电路，主要是使用555定时器与继电器构成的电路[6],555构成单稳延时电路，同时受三相电流互感器输出控制，用继电器控制交流接触器开断.而以上电路是尝试在集成度上进行突破，目标是把电路集成为芯片组，使其功耗减小，稳定性、可靠性提高，电路体积变小.当然电路上可能或多或少存在这样那样的问题，需要在实践中不断发现解决.

参　考　文　献

[1]　李瀚荪.电路分析基础[M ].北京：高等教育出版社,1993.

[2]　李佑光.电力系统继电保护原理[M ].科学出版社,

2003.

[3]　清源计算机工作室.Prote199SE 原理图与PCB 设计

[M ].机械工业出版社,2004.

[4]　沙占友.特种集成电源最新应用技术[M ].人民邮电出

版社,2002.

[5]　赵殿甲.可控硅电路[M ].冶金工业出版社,1980.[6]　新编电子电路大全[M ].中国计量出版社,2001.

E lectric Circuit for Protecting Three -phrase Alternatiy

Current Supply with Lose Phase

ZHAN G Hai -tao

(Dept.of Physics ,Changsha College ,Changsha 410003,China )

Abstract :This paper introduces a kind of electric circuit which mainly consists of a peak detector and a pulse 2width discriminator for protecting the three 2phase alternating 2current supply with loses a phase.When the three 2phase alternating 2current supply with loses a phase or phase voltage is too low ,the circuit will act to cut off the electric source to protect electric installation ,and send warning signals at the same time.

K ey w ords :three 2phase alternating 2current supply ;lose phase ;peak detector ;pulse 2width discriminator

1第1期　张海涛：三相交流电源缺相保护电路　

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