仲揚，李少華，施火泉（江南大學，江蘇無錫214122）

  摘要：設計了一種數(shù)字式三相電源多功能保護器，該保護器采用單片機實測三相電壓瞬時值，實現(xiàn)錯相、斷相或三相不平衡、過壓、欠壓保護，滿足保護動作對準確性、快速性的要求=電路結構簡單，性能可靠，使用方便。

  關鍵詞：三相電源；保護器；單片機

  中圖分類號：TM307+．3  文獻標識碼：A  文章編號：1004 -7018(2008) 09 -0011 -02

 

O引 言

    由于供電狀態(tài)和電壓質量的多變性，使得用電設備往往不能一直在額定工作環(huán)境中工作[1]，常出現(xiàn)錯相、斷相或不平衡、過壓、欠壓等故障，給工廠生產和國民經濟造成了極大的損失。因此，超前、準確、及時地判斷電源狀態(tài)，并采取相應保護措施顯得極為重要，目前市場上低成本的電源保護器功能都比較單一，本文設計的三相電源保護器通過單片機采樣三相電壓，通過濾波，數(shù)據(jù)計算迅速作出判斷，能夠很好地解決上述各類問題。

  要對用電設備進行保護，必須快速、準確完成對這些保護所需輸入量的采集，以及根據(jù)各保護昀特點對采集的數(shù)據(jù)進行處理，從而達到有效保護的目的，否則保護的誤動作或不及時也將影響到生產。圖1為電壓瞬時值采樣電路，其主要設計思路是通過三個220 V和一個3 Ω的電阻把每一相工頻電壓的有效值降為1V，同時考慮到單片機采樣不到負值瞬時電壓，于是把各相電路的零點電壓抬高2V，從而確保單片機采樣到的電壓信號在0 -4 V之間，圖中零線N相對參考點的電壓為2 V。單片機對采樣的三相電壓瞬時值，進行均方根運算，即得三相電壓有效值，再按照設定的算法作出斷相或三相不平衡、過壓、欠壓等故障判斷，并輸出跳閘動作信號。三相不平衡、過壓、欠壓的保護動作點可現(xiàn)場設定并保存。

  有些設備嚴格要求輸入三相電壓是正相序，三相交流電機的旋轉方向與電壓相序有關，錯相引起反轉會產生嚴重的后果，因此對錯相保護的快速性有特殊要求。為了實現(xiàn)檢測保護的快速性，采用三相電壓瞬時值比較并產生中斷的方法。如圖2所示，當A相電壓從小于B相電壓增大到大于B相電壓的時刻，如果三相電壓是正相序，此時C相電壓為正峰值電壓（如圖中交點1所在位置），如果三相電壓逆相序.A相和B相互換位置，此時C相電壓為負峰值（如圖中變點2所）此當A相電壓從小于B相電壓到大于B相電壓的時刻只要檢測C相電壓值就可以判斷三相電壓是否錯相，檢測到錯相時，采用速斷保護方法斷開繼電器。

    如圖3所示，采用一個比較器檢測4相和B相電壓，得到一個周期為工頻電源周期，的方波電壓F_int并引入單片機中斷輸圖3相序檢測中斷信號 入端。當單片機上電開始工作，起動A/D轉換，先采樣三相電壓瞬時值，如果U_a>U_b則設置單片機中斷輸入端為下降沿觸發(fā)，否則設置為上升沿觸發(fā)，在F_int上升沿，U_c>U_a=U_b，在F_int下升沿，U_ca=U_b 如圖4巾的跳變沿，它們分別是由圖2中對應交點2、1經過比較器所產生的波形。所以在單片機兩個邊沿中斷中，都可根據(jù)三相電壓瞬時值判斷是否錯相，錯相保護的判斷時間為半個工頻周期T。

    ATMEGA88單片機為本系統(tǒng)核心，它具有8k字節(jié)FALASH存儲器、1 024字節(jié)RAM程存儲器空間，512字節(jié)的EEPROM空間可保存關鍵數(shù)據(jù)，能滿足本系統(tǒng)程序存儲需要。它還具有三個I/0 (PB，PC，PD)、三個計數(shù)器定時器和26個中斷源，其中PC口的六個I0口可用作AD采樣口。圖5為保護器主控電路，其中RY - C為控制繼電器通斷的控制端口：

 

    當上電開始工作，起動A/D轉換，檢測三相電壓各點瞬時值并存儲。在第一個外部跳變沿中斷F_int時，讀取三相電壓，判斷是否錯相，如果是，馬上斷開繼電器，小燈作故障報警，否則依次采樣三相電壓，并計算得到電壓有效值，進一步判斷是否折相或不平衡、過壓、