CN103760410A - 一种三相交流电检测电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相交流电检测电路，包括第一、二、三降压模块，第一、二、三减法电路模块和第一、二、三滤波模块，所述第一降压模块输入端与第一三相交流电相连接，输出端分别与所述第一减法电路模块正向输入端和所述第三减法电路模块反向输入端连接，所述第二降压模块输入端与第二三相交流电相连接，输出端分别与所述第二减法电路模块正向输入端和所述第一减法电路模块反向输入端连接，所述第三降压模块输入端与第三三相交流电相连接。本发明用于克服传统三相交流测量电路存在的缺陷，且该发明不需要强制要求接入零线，零线是否接入不会影响实际三相交流电的测量。

Description

一种三相交流电检测电路及测量方法

技术领域

本发明涉及一种三相交流电检测电路及测量方法。 

背景技术

在工业生产中及日常生活中，使用三相交流电为设备进行供电已被广泛应用。但在使用过程中，常常需要实时的对三相电的相序、平衡度、电压量等物理量进行监控。而传统三相电测量电路有一定局限性，主要包括：必须要将三相线的“零线”接入；必须要求一个“直流偏置（+Vref）”电路；“线电压”必须通过“相电压+相位差”来折算。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种三相交流电检测电路及测量方法，用于克服传统三相交流测量电路存在的缺陷，且该发明不需要强制要求接入零线，零线是否接入不会影响实际三相交流电的测量。 

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案： 

一种三相交流电检测电路，它包括第一、二、三降压模块，第一、二、三减法电路模块和第一、二、三滤波模块，所述第一降压模块输 入端与第一三相交流电相连接，输出端分别与所述第一减法电路模块正向输入端和所述第三减法电路模块反向输入端连接，所述第二降压模块输入端与第二三相交流电相连接，输出端分别与所述第二减法电路模块正向输入端和所述第一减法电路模块反向输入端连接，所述第三降压模块输入端与第三三相交流电相连接，输出端分别与所述第三减法电路模块正向输入端和所述第二减法电路模块反向输入端连接，所述第一减法电路模块输出端与所述第一滤波模块输入端连接,所述第二减法电路模块输出端与所述第二滤波模块输入端连接，所述第三减法电路模块输出端与所述第三滤波模块输入端连接，所述第一降压模块接地端、所述第二降压模块接地端和所述第三降压模块接地端接信号地，所述第一滤波模块接地端、所述第二滤波模块接地端和所述第三滤波模块接地端均接地，所述第一滤波模块输出端、所述第二滤波模块输出端和所述第三滤波模块输出端作为信号输出端。 

优选的，所述第三降压模块接地端与三相交流电零线连接。 

优选的，所述第一降压模块，包括第一电阻、第二电阻和第一电容，所述第一电阻一端与第一三相交流电相连接，另一端分别与所述第二电阻一端和所述第一电容一端连接，所述第二电阻另一端和所述第一电容另一端均接地， 

所述第二降压模块，包括第八电阻、第九电阻和第四电容，所述第八电阻一端与第二三相交流电相连接，另一端分别与所述第九电阻一端和所述第四电容一端连接，所述第九电阻另一端和所述第四电容另一端均接地， 

所述第三降压模块，包括第十五电阻、第十六电阻和第七电容，所述第十五电阻一端与第三三相交流电相连接，另一端分别与所述第十六电阻一端和所述第七电容一端连接，所述第十六电阻另一端与三相交流电零线连接，所述第十六电阻另一端和所述第七电容另一端均接地， 

所述第一减法电路模块，包括第三、四、五和六电阻以及第一运算放大器，所述第三电阻一端与所述第一电容一端连接，所述第三电阻另一端分别与所述第五电阻一端和所述第一运算放大器正向输入端连接，所述第五电阻另一端接地，所述第四电阻一端与所述第四电容一端连接，所述第四电阻另一端分别与所述第六电阻一端和所述第一运算放大器反向输入端连接，所述第六电阻另一端与所述第一运算放大器输出端连接， 

所述第二减法电路模块，包括第十、十一、十二和十三电阻以及第二运算放大器，所述第十电阻一端与所述第四电容一端连接，所述第十电阻另一端分别与所述第十二电阻一端和所述第二运算放大器正向输入端连接，所述第十二电阻另一端接地，所述第十一电阻一端与所述第七电容一端连接，所述第十一电阻另一端分别与所述第十三电阻一端和所述第二运算放大器反向输入端连接，所述第十三电阻另一端与所述第二运算放大器输出端连接， 

所述第三减法电路模块，包括第十七、十八、十九和二十电阻以及第三运算放大器，所述第十七电阻一端与所述第七电容一端连接，所述第十七电阻另一端分别与所述第十九电阻一端和所述第三运算 放大器正向输入端连接，所述第十九电阻另一端接地，所述第十八电阻一端与所述第一电容一端连接，所述第十八电阻另一端分别与所述第二十电阻一端和所述第三运算放大器反向输入端连接，所述第二十电阻另一端与所述第三运算放大器输出端连接， 

所述第一滤波模块，包括第七电阻和第三电容，所述第七电阻一端与所述第一运算放大器输出端连接，所述第三电容一端接地，所述第七电阻另一端与所述第三电容另一端连接成节点，该节点作为信号输出端， 

所述第二滤波模块，包括第十四电阻和第六电容，所述第十四电阻一端与所述第二运算放大器输出端连接，所述第六电容一端接地，所述第十四电阻另一端与所述第六电容另一端连接成节点，该节点作为信号输出端， 

所述第三滤波模块，包括第二十一电阻和第九电容，所述第二十一电阻一端与所述第三运算放大器输出端连接，所述第九电容一端接地，所述第二十一电阻另一端与所述第九电容另一端连接成节点，该节点作为信号输出端。 

一种三相交流电测量方法，它包括如下步骤： 

1）将三相交流电的“相电压”通过三相交流电检测电路调理为“线电压”的正弦弱信号； 

2）在设定的时间中，微处理器对调理后的“线电压”正弦弱信号进行连续的AD采样； 

3）对步骤2）中的采样AD值进行算法处理，对三相电进行实 时监控。 

优选的，步骤2）中所述设定的时间大于半个信号周期。 

三个相线和零线通过降压模块进行降压处理，将相线电压的采样信号接入减法电路模块并通过滤波模块产生线电压的正弦弱信号；零线的信号可选连接负载零位。调理后的三相线电压的弱信号接入微处理器，通过微处理器对调理后的弱信号的进行AD采样并处理，可以实现对三相交流电进行实时监控。 

与现有技术相比，本发明的有益效果在于： 

1、不需要强制接入零线，现场适用性相比传统的测量电路广； 

2、直接测量“线电压”不需要通过“相电压+相位差”来折算，减少中间转换环节，线电压测量精度较传统测量电路高； 

3、通过对线电压作测量和计算判断三相电过零顺序，将零线接入与否的不定因素排除，从而保证了三相电的测量测量结果的准确性。 

附图说明

图1是本发明三相交流电检测电路的电路框图； 

图2是本发明一较佳实施例中三相交流电检测电路的电路图； 

图3是图2实施例中相序正确时线电压的正弦弱信号函数图； 

图4是图2实施例中相序错误时线电压的正弦弱信号函数图； 

图5是图2实施例中缺相时线电压的正弦弱信号函数图。 

具体实施方式

参阅图1-5，该三相交流电检测电路包括第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9，第十电阻R10，第十一电阻R11，第十二电阻R12，第十三电阻R13，第十四电阻R14，第十五电阻R15，第十六电阻R16，第十七电阻R17，第十八电阻R18，第十九电阻R19，第二十电阻R20，第二十一电阻R21，第一电容C1，第三电容C3，第四电容C4，第六电容C6，第七电容C7，第九电容C9，第一运算放大器U1，第二运算放大器U2和第三运算放大器U3； 

第一电阻R1一端与第一三相交流电（亦可命名为“三相交流电A”）相L_A连接，另一端分别与第二电阻R2一端和第一电容C1一端连接，第二电阻R2另一端和第一电容C1另一端均接信号地Signal_GND， 

第八电阻R8一端与第二三相交流电（亦可命名为“三相交流电B”）相L_B连接，另一端分别与第九电阻R9一端和第四电容C4一端连接，第九电阻R9另一端和第四电容C4另一端均接信号地Signal_GND， 

第十五电阻R15一端与第三三相交流电（亦可命名为“三相交流电C”）相L_C连接，另一端分别与第十六电阻R16一端和第七电容C7一端连接，第十六电阻R16另一端与三相交流电零线L_N连接，第十六电阻R16另一端和第七电容C7另一端均接信号地Signal_GND， 

第三电阻R3一端与第一电容C1一端连接，第三电阻R3另一端 分别与第五电阻R5一端和第一运算放大器U1正向输入端连接，第五电阻R5另一端接地GND，第四电阻R4一端与第四电容C4一端连接，第四电阻R4另一端分别与第六电阻R6一端和第一运算放大器U1反向输入端连接，第六电阻R6另一端与第一运算放大器U1输出端连接， 

第十电阻R10一端与第四电容C4一端连接，第十电阻R10另一端分别与第十二电阻R12一端和第二运算放大器U2正向输入端连接，第十二电阻R12另一端接地GND，第十一电阻R11一端与第七电容C7一端连接，第十一电阻R11另一端分别与第十三电阻R13一端和第二运算放大器U2反向输入端连接，第十三电阻R13另一端与第二运算放大器U2输出端连接， 

第十七电阻R17一端与第七电容C7一端连接，第十七电阻R17另一端分别与第十九电阻R19一端和第三运算放大器U3正向输入端连接，第十九电阻R19另一端接地GND，第十八电阻R18一端与第一电容C1一端连接，第十八电阻R18另一端分别与第二十电阻R20一端和第三运算放大器U3反向输入端连接，第二十电阻R20另一端与第三运算放大器U3输出端连接， 

第七电阻R7一端与第一运算放大器U1输出端连接，第三电容C3一端接地GND，第七电阻R7另一端与第三电容C3另一端连接成节点，该节点作为信号Signal_AB输出端， 

第十四电阻R14一端与第二运算放大器U2输出端连接，第六电容C6一端接地GND，第十四电阻R14另一端与第六电容C6另一端连接成节点，该节点作为信号Signal_BC输出端， 

第二十一电阻R21一端与第三运算放大器U3输出端连接，第九电容C9一端接地GND，第二十一电阻R21另一端与第九电容C9另一端连接成节点，该节点作为信号Signal_CA输出端。 

其中，第一运算放大器U1、第二运算放大器U2和第三运算放大器U3均采用12V电源。 

测量时，首先将三相交流电的“相电压”通过三相交流电检测电路调理为“线电压”的正弦弱信号。三个相线A相L_A、B相L_B、C相L_C和零线L_N通过降压模块进行降压处理。将相线电压A相L_A和B相L_B的采样信号接入第一减法电路模块并通过第一滤波模块产生线电压（L_AB）的正弦弱信号Signal_AB；将相线电压B相L_B和C相L_C的采样信号接入第二减法电路模块并通过第二滤波模块产生线电压（L_BC）的正弦弱信号Signal_BC；将相线电压C相L_C和A相L_A的采样信号接入第三减法电路模块并通过第三滤模块产生线电压（L_CA）的正弦弱信号Signal_CA；零线L_N的信号可选连接负载零位Signal_GND。 

然后在设定的时间中，微处理器对调理后的线电压正弦弱信号进行连续的AD采样；该步骤主要是将模拟信号数字化，每路信号的AD值独立存放，且每个AD采样点的时间间隔可以根据需要进行实时调整，但必须保证一次采样处理过程中所有AD采样点的时间间隔不变，本实施例中三个线电压AD采样值如表1所示： 

表1 

接着根据表1寻找信号极性变化位置，查询三个线电压的数字化值，寻找三个线电压信号的极性变化点在本次采样过程中的位置，并将三个线电压的第一次极性变化点进行位置排序；确定极性变化点方 法为：监测每组信号的AD值，如果联系两个AD值的极性发生变化，则认为该线电压信号极性发生变化。如表1中Signal_AB的“158，-52”和“-116，118”；Signal_BC的“-144，22”和“115，-76”；Signal_CA的“48，-169”和“67，-111”。该组数据中三个线电压的第一极性变化点顺序为：Signal_CA>Signal_BC>Signal_AB。 

最后，对步骤中的采样AD值进行算法处理，对三相电进行实时监控。 

相序监控功能的实现方法：通过实时检查三个线电压的第一极性变化点顺序判断相序。如图3所示，正确相序情况下的顺序为：Signal_AB-Signal_CA-Signal_BC；如图4所示，错误相序情况下的顺序为：Signal_BC-Signal_CA-Signal_AB。 

缺相监控功能的实现方法：正常情况下，如图3-5所示，三个线电压的第一极性变化点相互分离并按照固定的顺序出现。但是在缺相情况下，如图5所示，所有线电压的极性变化点会重合，并且其中一个线电压的“极性变化点”的方向和其它两个线电压的“极性变化点”的方向相反。 

线电压值测量方法：对每个线电压的第一极性变化点和第三极性变化点之间的n个采样点进行“均方计算”（公式如下），得到该线电压的有效值。 

${\mathrm{RMS}}_{{\mathrm{Line}}_{\mathrm{AB}}}=\sqrt{\frac{{V_{{\mathrm{Line}}_{\mathrm{AB}\left(0\right)}}}^2+...+{V_{{\mathrm{Line}}_{\mathrm{AB}(n-1)}}}^2}{n}}$ Line_AB：线电压 

通过比较三个线电压的有效值来判断过压、欠压和三相是否平衡。 

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种三相交流电检测电路，其特征在于，它包括第一、二、三降压模块，第一、二、三减法电路模块和第一、二、三滤波模块，所述第一降压模块输入端与第一三相交流电相连接，输出端分别与所述第一减法电路模块正向输入端和所述第三减法电路模块反向输入端连接，所述第二降压模块输入端与第二三相交流电相连接，输出端分别与所述第二减法电路模块正向输入端和所述第一减法电路模块反向输入端连接，所述第三降压模块输入端与第三三相交流电相连接，输出端分别与所述第三减法电路模块正向输入端和所述第二减法电路模块反向输入端连接，所述第一减法电路模块输出端与所述第一滤波模块输入端连接,所述第二减法电路模块输出端与所述第二滤波模块输入端连接，所述第三减法电路模块输出端与所述第三滤波模块输入端连接，所述第一降压模块接地端、所述第二降压模块接地端和所述第三降压模块接地端接信号地,所述第一滤波模块接地端、所述第二滤波模块接地端和所述第三滤波模块接地端均接地，所述第一滤波模块输出端、所述第二滤波模块输出端和所述第三滤波模块输出端作为信号输出端。

2.根据权利要求1所述的三相交流电检测电路，其特征在于，所述第三降压模块接地端与三相交流电零线连接。

3.根据权利要求1或2所述的三相交流电检测电路，其特征在于，

所述第一降压模块，包括第一电阻、第二电阻和第一电容，所述第一电阻一端与第一三相交流电相连接，另一端分别与所述第二电阻一端和所述第一电容一端连接，所述第二电阻另一端和所述第一电容另一端均接信号地，

所述第二降压模块，包括第八电阻、第九电阻和第四电容，所述第八电阻一端与第二三相交流电相连接，另一端分别与所述第九电阻一端和所述第四电容一端连接，所述第九电阻另一端和所述第四电容另一端均接信号地，

所述第三降压模块，包括第十五电阻、第十六电阻和第七电容，所述第十五电阻一端与第三三相交流电相连接，另一端分别与所述第十六电阻一端和所述第七电容一端连接，所述第十六电阻另一端与三相交流电零线连接，所述第十六电阻另一端和所述第七电容另一端均接信号地，

所述第一减法电路模块，包括第三、四、五和六电阻以及第一运算放大器，所述第三电阻一端与所述第一电容一端连接，所述第三电阻另一端分别与所述第五电阻一端和所述第一运算放大器正向输入端连接，所述第五电阻另一端接地，所述第四电阻一端与所述第四电容一端连接，所述第四电阻另一端分别与所述第六电阻一端和所述第一运算放大器反向输入端连接，所述第六电阻另一端与所述第一运算放大器输出端连接，

所述第二减法电路模块，包括第十、十一、十二和十三电阻以及第二运算放大器，所述第十电阻一端与所述第四电容一端连接，所述第十电阻另一端分别与所述第十二电阻一端和所述第二运算放大器正向输入端连接，所述第十二电阻另一端接地，所述第十一电阻一端与所述第七电容一端连接，所述第十一电阻另一端分别与所述第十三电阻一端和所述第二运算放大器反向输入端连接，所述第十三电阻另一端与所述第二运算放大器输出端连接，

所述第三减法电路模块，包括第十七、十八、十九和二十电阻以及第三运算放大器，所述第十七电阻一端与所述第七电容一端连接，所述第十七电阻另一端分别与所述第十九电阻一端和所述第三运算放大器正向输入端连接，所述第十九电阻另一端接地，所述第十八电阻一端与所述第一电容一端连接，所述第十八电阻另一端分别与所述第二十电阻一端和所述第三运算放大器反向输入端连接，所述第二十电阻另一端与所述第三运算放大器输出端连接，

所述第一滤波模块，包括第七电阻和第三电容，所述第七电阻一端与所述第一运算放大器输出端连接，所述第三电容一端接地，所述第七电阻另一端与所述第三电容另一端连接成节点，该节点作为信号输出端，

所述第二滤波模块，包括第十四电阻和第六电容，所述第十四电阻一端与所述第二运算放大器输出端连接，所述第六电容一端接地，所述第十四电阻另一端与所述第六电容另一端连接成节点，该节点作为信号输出端，

所述第三滤波模块，包括第二十一电阻和第九电容，所述第二十一电阻一端与所述第三运算放大器输出端连接，所述第九电容一端接地，所述第二十一电阻另一端与所述第九电容另一端连接成节点，该节点作为信号输出端。

4.一种三相交流电测量方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1）将三相交流电的“相电压”通过三相交流电检测电路调理为“线电压”的正弦弱信号；

2）在设定的时间中，微处理器对调理后的“线电压”正弦弱信号进行连续的AD采样；

3）对步骤2）中的采样AD值进行算法处理，对三相电进行实时监控。

5.根据权利要求4所述的三相交流电测量方法，其特征在于，步骤2）中所述设定的时间大于半个信号周期。

Images