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三相交流电相序判断器电子信息工程专业

JIUJIANGUNIVERSITY

毕业论文（设计）

题目三相交流电相序判断器

英文题目Three-phaseACphasesequenceforjudgment

院系电子工程学院

专业电子信息工程

姓名

年级二零零三级

指导教师

二零零七年五月

摘要

本文提出了一种新型三相电相序检测器，简单介绍了其工作原理及组成结构，并辅以矢量图分析。

着重从理论上对该电路加以证明，当线路按照ABC相序接好时，该设备能够提醒操作者当前相序。

该三相交流电相序判断器结构简单，所用元器件少：

由单片机、电容、电阻、发光二极管组成,运行结果表明该电路简洁易行，可靠性高，具有较高的实用价值，可广泛应用于逆相序检测系统中。

关键词：

三相电；矢量图；相序检测；单片机

Abstract

Thispaperintroducedstructureandoperatingprincipleofanewkindofcircuitwhichcandetectrevelephasesequenceconnectioninthree-phasepowermeter．Itmainlyexpoundedthecircuitwithveclrdiagramsintheory．

WhenpowermeterisinA-B-C-phase-sequencecondition,thiscircuitwillManntotellmanipulatorthephase．Thecircuitcompodoffewcomponentssuchasmcu，capacilr，resistanceandLED，isverysimple．TheresultsshowthatithasdistinctpracticalvalueandlighreliabilityandCanbede]yusedinreversephase-sequencedetection．

Keywords：

Three·phasepower；Arrowdia；Phase-sequencedetection.MCU

前言

近几年来，随着城市建设步伐的加快，现代电力系统中的供电方式几乎全是采用三相正弦交流电，这是因为三相输电比单相输电节省导线的材料，三相交流电机比单相交流电的性能好，经济效益高。

正是由于这些因素，使得人们必须对三相交流电有较好的理解，才能更好地利用他，使之造福于人类。

但是电是一种看不见摸不着的东西，要想了解他，主要是通对他的频率、相位、电压、电流等数据才能比较与分析，而这些参数的获得，只有通过专用的仪器仪表才行，在电力系统对三相交流电的应用中还有一个重要的参数需要知道——相序。

特别是在变压器的并网运行时，如果将不同相位的交流电相接的话，将造成重大的安全事故，另外在三相交流电机中，若通入的相序改变的话，将直接影响电机的转向。

因此在对这此设备进行操作时，相序的测量变得非常重要的一个参数。

目前电力行业的相序检测装置体积大且价格昂贵，极不利于按装现场使用。

本文讲述了一种进行相序测量的方法，在三相交流电中接入星型不平衡负载，通过测量加在负载上的相电压有效值的方法，在确定了A相后，判断出另两根线的相位，并以数码显示的型式进行相位显示，非常直观，同时将测量回路和被测回路相隔离，提高了系统的安全性。

第一章基本要求与设计方案论证

1.1基本要求

要求交直流电隔离，能自动判定并显示三相电的相序。

1.2设计的基本原理

三相交流电一般是由三相交流发电机产生的。

在发电机中有三个相同的绕组（即线圈）。

三个绕组的始端分别用A、B、C表示，末端分别用X、Y、Z表示。

由于电机结构的原因，这三相绕组所发出的三相电动势的幅值相等，频率相同，相位互差120度。

三相交流发电机的示意图如图1.1

图1.1三相四线制交流发电机示意图

这三相的波形图如下所示：

图1.2三相交流发电机的输出波形

三相交流电在相位上的先后次序称为相序。

由于三相电动势互差120度，周期性地变化，因此相序是相对的，可以将任一相作为A相，但是一旦A相确定，则另外两相也便定下来了，因此三相交流电的相序只有两种，即：

A→B→C和A→C→B。

1.3设计的目的

本课题的设计目的就是以其中任意一相作为A相，判断另外两相的相序，用显示设备显示出来。

1.4设计方案论证

方案一：

三相交流电相序判断器系统的原理图如图1.2所示。

三相交流电相序判断器电路原理（如图1.4）。

该电路利用三相电源的相位关系实现三相电源的相序检测，感应线圈L1、L2分别套在三相电源的任意两相上（不接触），L1感应到相应的信号，经谐振送到A系统，集成电路LM741CN与R1⋯R5构成过零比较器，对感应的信号进行放大、整形（如图1.5）。

输出信号经隔直电容C2，用来控制开关管T1。

L2感应到的信号送到B系统，同理，集成电路与R7⋯Rll构成过零比较器，对感应的信号进行整形放大，输出信号经C4、R13组成的微分电路，产生同频率的正，负尖脉冲，二极管D起削波或限辐作用，削去负尖脉冲，使输出限于正尖脉冲。

当相序正确时，L1为A相，L2为B相（或分别为BC，CA），在L2（B相）由负到正过零时，可控硅T2触发极获得触发电流，此时，LI（A相）电压控制T1导通，使T2的阳极为正，T2导通。

图1.4三相交流电相序判断器电路原理

图1.5对感应的信号进行放大、整形图

方案二：

当A、B、C按正确的相序接人电源时，1、2节点之间的电压很小，不能点亮LED灯；当A、B、C与电源相序接错时，1、2节点之间的电压将增大至一定幅度，点亮LED报警。

考虑以上两个方案，方案1虽可以实现课题要求，但是明显电路复杂，元器件过多，产品稳定性和良品率更差。

相比而言，方案2电路简单可靠，只需要简单地判断电平高低就可以获得相序信息。

因此本设计课题计划以AT89C2051单片机为核心，通过单片机控制整个电路来实现相序检测。

电路中，使用光耦合器隔离电信号隔380V的电压防止电源上的干扰信号影响其他电路，以提高了电路的抗干扰能力。

通过三极管和光耦合器等将相序信息送到单片机，用三只LED发光管和一位共阳数码管来显示相序。

由于三相电动势互差120度，周期性地变化，而相序是相对的，将任一相序设为为A相，一旦A相确定，则另外两相也可以确定下来了，因此，本设计显示的内容为三个灯循环点亮时循环显示A→B→C或者A→C→B。

1.2图三相交流电相序判断器系统原理框架图

此方案电路实现简单。

元器件少，体积小，成本低，尤其是选用单片机AT89C2051便宜，程序容易实现，变于操作，产品稳定性好和良品率高，，抗干扰能力强，效果良好。

1.5小结

本章阐述三相交流电相序判断器的设计基本要求、设计工作原理和设计方案的比较。

设计的基本原理是通过发电机产生三相交流电，通过单片机AT89C2051进行循环检测，并把结果一个数码管和三个发光二极管进行循环显示。

选择方案时考虑到成本，简单方便，性能，可行性等原因，从而选择了第2方案。

第二章系统硬件电路设计

2.1二次侧稳压电源电路的设计与分析

220V市交流电压通过次级变压器输出交流电压、二极管桥式整流、电容C5和C6进行滤波后送入三端稳压集成电路LM7905进行稳压。

经稳压后，在1脚与3脚间输出稳定的5V直流电压，作为系统二次侧的工作电源。

电路如2.1。

图2.1二次侧稳压电源电路

LED5作为电源指灯，可以方便地看出是否有电。

R22保证正常显示，R22＝（12v-2v）/2＝。

瓷片电容C6用于滤除交流电压引入的高频干扰。

由于输入电压是220V，由于IN4004反压400V,1A瞬时30A，正压1.1V反流10UA，所以选用组成二极管桥式整流,且IN4004比较便宜。

目前常用的集成稳压电路主要由78系列和79系列，前者前者输出固定的正5v电压，而后者是输出固定的-5v电压。

由于没有78系列的集成稳压电路，所以选用LM7905，2脚接输入端，3脚接地，1脚输出，从而得到了+5v的电压。

2.2三相线取相序电路

三相线取相序电路结构如图2.2所示，A、B、C分别直接在三相上。

图2.2取相序电路

该电路的工作原理是：

当A、B、C按如图的相序接人电源时，Net1、Net2节点之间的电压很小，不能点亮光耦发光管；当B、C对调时，Net1、Net2节点之间的电压将增大至一定幅度，点亮光耦发光管。

现对节点1、2之间电压变化进行理论分析，图2.3是对图2.2的简化分析图，用于理论分析。

图2.3取相序电路的简化分析图

（2-1）

（2-2）

（2-3）

把以上三个公式进行化简得到下式

（2-4）

因为R1+R-jR=√（R1+R）2+R2∠α

其中：

α=arctg（-R/（R1+R））（-Π/2<α<0）

3R1+R-R=√（3R1+R）2+R2∠β

β＝arctg（-R/（3R1+R））（-Π/2<β<0）

把它们代入式2-4得到

un1-un2=R/（√（R1+R）2+R2）∠α（un+juc-2/（√（3R1+R）2+R2∠βuB））

令R/（√（R1+R）2+R2）＝K1

令2/（√（3R1+R）2＝K2;

则得到：

un1-un2=k1∠-α（uA+juC-k2∠-βuB）=k1∠-α（uA+uC∠900+K2∠（1800-β）uB）

即节点1，2的电压差由（uA+uC∠900+K2∠（1800-β）uB）乘以系数K1后移相一α得到，其中R1、R一旦确定，K1,K2,α,β即为定值。

因此根据（uA+uC∠900+K2∠（1800-β）uB）的矢量图便可确定un1-un2的值。

下面对矢量图进行分析，矢量图中，带箭头的实线表示电路在各种接线方式下各相的矢量，改变电路中各元器件的参数便能调整矢量和的大小。

图2.4相序为A-B-C时矢量图图2.5相序为A-C-B时矢量图

2.3相序检测电路

相对负载中点其中的一种取相电压经R6后，加在稳压管的两端。

由于稳压二极管选用的是30V稳压管。

若所取的相序使稳压二级管导通，使光耦合器导通。

而光敏三极管和地导通。

使得VT1（9012）的b极变为是低电平，而发射极为高电平，导至VT1三极管饱和导通。

VT1的高电平c极接VT2（9013）的b极（即为高电平），而VT2的c极为高电平，三极管9013饱和导通，c极的电压被拉低。

而VT2的c极与单片机的脚相连。

从而把低电平送给单片机P3.4口。

系统据此判断出，此时该端子所接的为一种相序。

反之，稳压二级管截至时，光耦合器不导通，导致VT1、VT2都截至，此时，VT2的c极为高电平，则送高电平信号给二次侧输入单片机。

系统据此判断出，此时该端子所接的为另一种相序。

当导通时的工作过程，内部发光二极发光并射向其内部光敏三极管器件，受光后，饱和导通这个电－＞光－＞电的过程，就实现了输入电信号间既用光来传输，从而通过光耦合器隔离电信号隔380V的电压防止电源上的干扰信号影响其他电路.提高了电路的抗干扰能力。

电路中电阻R5＝10K起限流作用，其通过R5的电流大小为（5-1.7）V/10=0.00033A。

电阻R8＝2.2K也是其限流。

通过R8的电流大小为（5-1.7）V/2.2K=0.0015A.从而保护光耦不会被烧掉。

电阻R7=2.2K的作用是限流其通过的电流大小为（5-1.7）V/2.2K=0.0015A。

三极管（9012、9013）都是起开关作用。

把相应的电平传送给单片机（AT89C2051）。

图2.3相序检测电路

2.4主控制器

主控制器由单片机AT89S2051、振荡电路、复位电路三部分组成，设计原理图如图所示，它称为单片机最小系统。

单片机最小系统的作用有：

负责处理相位检测电路传送的高低电平信号；

检测键盘输入信号。

控制输出相应的显示；

控制整个电路的循环检测。

主控电路如图2.4所示。

2.4.1复位电路

由C9（10uF）,R410K组成复位电路。

当刚开上电时电容为充电，因此RST端为高电平，CPU进入复位状态，即开机复位。

T=1.1RC为充电时间。

2.42振荡电路

此电路选12MHZ的晶振30pF的电容.所以时钟频率为1us。

为了避免振荡电路对系统其他造成的干扰,在我的设计中，使用的pcb板布线来连接这些高频部件。

本来，作为本设计，对单片机的要求是很低的，不应该使用12M的晶振，最好的3.5795M的晶振，由于手上没有其他频率的晶振，所以使用了这种晶振。

2.5显示电路

为了将单片机检测的结果显示出来，采用了三只LED发光管和一位共阳数码管来完成显示。

三只发光二极管对应接入的三根线，当第一只灯亮时，表示数码管显示的是第一根线的信息。

例如，第一灯亮时，数码管显示“A”，就说明第一根线是A相，第二灯亮时，数码管显示“B”，则第二根线所接为B相，第三灯亮时，数码管显示“C”，则第三根线所接为C相。

三只发光管分别由单片机的P3.0、P3.1和P3.2的引脚控制，输出低电平时点亮相应的发光管。

而对于数码管的控制原理与此类似，P1.1到P1.7对别接数码管的七段显示管，通过单片机送出不同的控制字，可以控制数码管完成相应的显示。

显示电路如图2.5（a）、（b）所示

显示电路如图2.5（a）

显示电路如图2.5（b）

2.6三相交流电相序判断器的总体分析

经过以上几节对模块电路完成的功能都有较详细的分析，现对整个系统的设计进行分析。

整个电路图如2.6图所示

变压器次级输出的交流电经全波整流，电容滤波和三端集成稳压后，输出稳定的5V直流电压，作为整个测量电路的工作电源，系统上电后，单片机自动复位，随后进入自检程序，数码管依次循环显示“A、B、C”。

按动启动键，蜂鸣器叫，系统进入相序判断程序。

先亮第一接线柱对应的第一线灯，同时数码管显示该线对应显示这条线的相位，第一条线默认为“A”，延时显示一段时间后，第二线指示灯亮，数码管显示相应的相位，若第二线为B相，则显示“B”；若为C相，则相应显示“C”。

2.7小结

本课题硬件系统的总电路图如附录所示。

硬件系统由二次侧稳压电源电路、相序检测电路、三相线输入电路、主控制器电路和显示电路构成，并分别介绍了。

变压器次级输出的交流电经全波整流，电容滤波和三端集成稳压后，输出稳定的5V直流电压，作为整个测量电路的工作电源。

通过光耦合器进行检测相序。

单片机控制输入和输出，把结果一次次送到LED和数码管进行相应的相序显示。

当系统上电后，单片机自动复位，随后进入自检程序，但是电路此时没有任何动作，系统进入休眠状态，以达到省电的目的。

在按下启动按键后，系退出休眠，进入正常工作，数码管依次循环显示“A－B－C”或“A－C－B”。

图2.6系统总电路原理图

第三章系统软件设计

图3-1主函数流程图：

本设计的软件部分比较简单，主要分为两个部分，一个为主函数，一个为相序检测函数。

系统开机后，首先会给数码管送abc三个字符循环显示，作为自检程序，同时也作为非工作状态的指示，此时三个led灯是不亮的。

按动启动键后，蜂鸣器叫，系统进入相序判断程序。

先亮第一接线柱对应的第一线灯，同时数码管显示该线对应显示这条线的相位，第一条线默认为“A”，延时显示一段时间后，第二线指示灯亮，数码管显示相应的相位，若第二线为B相，则显示“B”；若为C相，则相应显示“C”。

图3-2检测部分流程图

检测程序部分的工作原理是检测输入口P3.5是为高电平还是低电平。

为高电平则证明输入相序为ABC，反之为ACB。

然后，根据相序输出不同的数码管显示。

第四章硬件焊接和调试过程

焊接和调试是毕业设计中重要的环节。

需要的工具有:

数字万用表,示波器,电烙铁,斜口钳,镊子,焊锡丝等。

因为我使用得是电路板制版焊接，所以对制版也有一定得要求。

下面分别描述。

4.1印刷电路板设计过程

我把原理图画好后，首先为每一个元器件寻找或者设计对应得封装，这是很关键的一步。

随后选定板子的大小，边距。

最后就是手工布线了。

完工后的作品如图5-1。

4-1PCB制版图

4.2硬件的焊接顺序

（1）+5V稳压电源。

（2）焊接单片机最小系统,三相线取相序电路，相序检测电路,显示电路。

焊接完毕之后,用万用表的欧姆档测试电路是否是连接完好.

（3）检测三相交流电电路.

4.3调试过程

（1）电源部分进行调试。

整流、滤波部分元件焊上后，接上电源变压器，用交流档测变压器输出电压为12.7V，再用直流档测整流滤波后的电压为直流12V左右，正常，接上三端稳压后再测其输出电压，为稳定的5.04V，这些数据说明电源部全全部工作正常；

（2）显示部分调试

专门编写一个数码管和led灯的点亮测试程序，发现数码管点亮的数据不正常，经过检查，有一个电阻选用错误，更换后，显示正常。

（3）三相电输入和检测部分测试

把三相电接上，光耦暂时不焊接，接上发光二极管，发现，ABC相序灯亮，更换后，灯灭。

测试通过。

（4）综合测试

因为以上各项均测试通过，所以把程序文件烧写后轻易通过测试。

4.4调试经验

注意实物的测试条件，否则易烧坏元件或电路。

调试过程一般是先根据分级测试的数据分析局部电路的性能，并制定出相应的调试方案；局部电路调试完再进行级联调试，最后整体测试、调试。

4.5小结

在对该部分电路进行实验调试时，VCC应输出12V直流稳定的电压，接通电源后电源指示灯亮，正常发光，在开始时系统自动通过复位电容实现开机瞬时自动复位，不需要人进行干扰。

更能体现系统的自动性。

通过先分后总的调试顺序，即先对各个小模块进行调试，后对整个电路调试，电路的各个部分以及整体都能很好的完成各自的功能，整个电路能安全可靠的运行。

参考文献

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总结

本设计是利用三相星形不对称负载在不接中线的情况下，相电压会产生变化的特点来对三相交流电相序进进行判断的设计与制作，它具有高精度，高性能，高可靠性和低价格等优点，是一个值得推广的一种方法

在设计本作品时，通过查阅网络与图书馆搜集到的资料，再加上高小英老师的指导与资料提供，与对三相交流电的认识与研究，设计出了这一套三相交流电相序判断器，基本完成了课题的要求，但是由于设计的理论基础尚浅，对课题的研究经验还不成熟，使得在技术的解决与运用上显得粗糙了一些，在某些技术关键上的叙述不能达到详细、精辟。

但是这个系统的设计却不缺乏自己的特点和创新点，主要表现在：

⑴该产品的互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单易懂，因此体积小；

⑵被测电路与测量电路电气隔离，安全性能较高；

⑶测量结果以数码的形式进行显示，直观性好；

⑷系统控制采用计算机技术，可实现人工智能化操作；

⑸所有元器件全部采用常用件设计，性价比极高，有利于批量进行生产。

由于考虑到了成本使用的问题，在设计上我们使用了51系列单片机的简单型产品AT89C2051，来进行对整体的集中控制，程序编写也比较容易。

该控制器的应用有助于减轻工作人员的劳动强度，搞高工作人员效率，普及家庭，工业的自动化水平，因此大大节省了、物力、财力，因此未来的商机相当大，具有良好的发展前景。

由于本人的水平有限，设计当中，难免会有不少的缺点和不足之处，恳请教导老师批评并改正。

致谢

这四年来，得到院领导和专业老师对我的谆谆教诲和帮助，了解了三相交流电的一些常规知识，单片机技术以及自动控制电路的设计等等，使自己多年来所学的理论知识和实践做到有机的组合，进一步深化巩固自己的理论知识。

同时也让我深深体味到电子是一种更新很快的行业，要想跟上时代，就得自我不断的努力，只靠在学校所学的东西是远远不够的，所以必须在以后的工作的中不断的学习，打下坚定的基础。

在此，我表示衷心的感谢。

尤其是高老师对我的关心和帮助，这次毕业设计能圆满的成功，多是得于指导老师的细心指导和详细的批改。

他无论在理论上还是实践中都给予我有很大的帮助，使我得到不少的提高，这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。

另外，在这次毕业设计中，我还得到很多同学的不少帮助，解决了不少的难题。

在此，我由衷的感谢他们对我的帮助。

附录一源程序

以下程序完成各脚预定义

LED1EQUP3.1;第一线指示

LED2EQUP3.0;第二线指示

LED3EQUP3.2;第三线指示

INEQUP3.3;判断输入

FMQEQUP3.7;蜂鸣器

ANEQUP3.4;启动按键输入

ORG0000H;

AJMPSTART;

ORG000BH

LJMPQIDONG;定时器0,启动转换中断

START:

MOVTMOD,#06;T0为模式2，外部计数方式

MOVTH0,#0FFH;写入初值

MOVTL0,#0FFH

SETBTR0;开启定时器0中断

MOVP1,#0FFH;端口初始化

MOVP3,#0FFH;

MOV50H,#0;启动标志清0

SETBET0;开启定时器0中断

SETBEA;开总中断

MAIN:

SETBLED1;亮一号线指示灯

SETBLED2;

SETBLED3;

MOVR1,#100;

MOVA,#11H;显示"A"

ACALLDISP;

MOVA,50H;

CJNEA,#88H,LOOP1;

AJMPLOOP3