三相电路相序控制

1.绪论

1.1 问题的提出

三相用电设备在相电源发生故障造成缺相或使用时相序有误，一般都会影响其正常工作，严重时会造成设备故障甚至损坏。

对三相电源控制的主要内容包括两个部分，一是开机时对将要进入负载的三相电源的相序进行测试，二是在负载工作过程中对三相电源的各相进行全程缺相监控。考虑到相电源不正常工作时对设备的不良影响，用电设备一般都有一些防范措施，但这些措施通常比较简单，在电源发生故障时响应迟缓，加之检测元件不够准确，调整精度较低，操作不够方便，其保护效果不够理想。而在故障发生后，由于一般设备无故障指示，检修也不很方便。此外，普通保护电路无法对相序是否正确作出指示或自动完成相序的改变。对于有固定相序的负荷，若相序有误，就不能正常工作或造成事故。为了确定相序，以三相交流电机为动力的负载，通常先将三相电源接人负载，然后观察电机的转向以确定相序的正负。另外也可考虑用多踪示波器确定相序，这种方法也适合于其它不允许电源相序接错的负载。但这些方法都较麻烦或不太安全，有的还需专用设备，对于一些频繁变换使用地点的仪器设备，若每次使用前都需确定相序，显然是一件极为麻烦的事。

早期的相序检测电路由电容、电阻组成，虽然结构简单，但电容值较大，用指示灯指示，功耗较大，体积也大，还需人工判别灯的亮度，且不能实现自动检

测；现有的相序检测方法有的使用数字逻辑电路或单片机。

为此，本文提出了一种低成本、低功耗、能监测缺相和检测相序、并能作出相应指示的智能化微机监测系统。由于直接从相电源采集信号，因而本系统的准确性和灵敏度都有很大的提高。而采用微机控制，则使系统存在良好的可扩展性，若某一负载系统需增加某些测控功能，一般只需增加很少的硬件，甚至改变软件即可方便地达到目的。

1.2 三相电源状态分析

三相电源根据各相的相位差及工作状态，大致可分为正序、负序及故障三种状态。

(1)正序A，B，C三相电源前后两相相电压的相位差均为120。，其相序为A—B—C —A一?。大多数用电设备所需要的电源的正常相序为正序，即当为用电设备提供正序三相电源时，设备能正常工作。对相序有要求的负载，一般正常工作电源已设置为正序。

(2)负序A，B，C三相电源前后两相相电压的相位差为120。，但其相序为A—C—B —A一?。

(3)故障相电源的故障主要为缺相，如熔断器开路造成的缺相等。三相电源缺一相或几相时，均会引起负载故障，轻则使设备工作不稳定或无法工作，重则造成设备损坏等严重后果。虽然大部分设备对于缺相有一定的保护措施，但这些保护器件一般动作较慢，设定值准确调整困难，同时在检修时无法指明是哪些相出现故障。若三相全缺，则为停电状态。

2.整体方案的设计

2.1．应用知识简介

（1）单片机又称单片机微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。主芯片PICl2C508是美国Microchip公司推出的8位单片机，PICl2C508的总线结构采用的是数据总线(8位)和指令总线(12位)独立分开的“哈佛结构”，具有精简指令集(RISC)的特点，速度快、效率高、功耗很低等特点。

（2）汇编语言是一种面向机器的计算机低级编程语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。汇编语言保持了机器语言的优点，具有直接和简洁的特点，其代码具有效率高时性强等优点。

2.2 单片机的选择设计

PIC单片机（Peripheral Interface Controller）是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路（IC）。一种具有分散作用（多任务）功能的CPU。与人类相比，大脑就是CPU，PIC共享的部分相当于人的神经系统。

时钟频率与扫描程序的时间和执行程序指令的时间有关系。但不能仅以时钟频率来判断程序处理能力，它还随处理装置的体系结构改变。如果是同样的体系结构，时钟频率较高的处理能力会较强。

这里用字来解释程序容量。用一个指令表示一个字。通常用字节来表示存储器容量。一个字节有8位，每位由1或0组成。PIC16F84A单片机的指令由14位构成。当把1K个子转换成位为：1 x 1,024 x 14 = 14,336位。再转换为字节为：14,336/(8 x 1,024) = 1.75K。在计算存储器的容量时，我们规定 1G字节 = 1,024M字节, 1M字节 = 1,024K字节, 1K字节= 1,024字节.它们不是以1000为倍数，因为这是用二进制计算的缘故。

（1）计算机的物理结构,包括组织结构、容量、该计算机的CPU、存储器以及输入输出设备间的互连。经常特指CPU的组织结构,包括它的寄存器、标志、总线、算术逻辑部件、指令译码与执行机制以及定时和控制部件。

(2）指出某种操作并标识其操作数(如果有操作数的话)的一种语言构造。

(3)作为一个单位来操作(运算)的一个二进制字符串,通常比计算机的一个字短。

(4)处理机内的所有可寻址存储空间以及用于执行指令的其它内存储器。

在计算存储器的容量时，我们规定 1G字节 = 1,024M字节, 1M字节 = 1,024K字节, 1K字节= 1,024字节.它们不是以1000为倍数，因为这是用二进制计算的缘故。用PIC单片机使电路做的很小巧变得可能。因为PIC单片机可以把计算部分、内存、输入和输出等都做在一个芯片内。所以她工作起来效率很高、功能也自由定义还可以灵活的适应不同的控制要求，而不必去更换不同的IC。这样电路才有可能做的很小巧。

主芯片PICl2C508是美国Microchip公司推出的8位单片机，其管脚如图2.1所示。PICl2C508的总线结构采用的是数据总线(8位)和指令总线(12位)独立分开的“哈佛结构”，具有精简指令集(RISC)的特点，速度快、效率高、功耗很低。PICl2C508各管脚的功能如表2.1所示。

图2.1 单片机管脚图

表2.1 单片机管脚功能图

2.3 控制指示电路的设计

为了实现可以三相电源相序控制的要求，为此要求能够在单片机的输出口能观察到相序的结果，控制指示灯状态说明如图2.2：

(1)绿色常亮：正序控制；输出继电器j吸和。

(2)橙色常亮：负序控制；输出继电器j吸和。

(3)绿色闪亮：正序控制；输出继电器j释放。

(4)橙色闪亮：负序控制；输出继电器j释放。

(5)红色闪亮：电源断相保护；输出继电器j释放。

(6)L指示灯暗：L1电源断相。

图2.2 三相电源相序控制图

2.4 硬件电路的设计

三相相序指示的工作过程如下：

首先，利用220V 的三相交流电源经过变压、全波整流、滤波之后得到5V 电源，电路如图2.3所示。其作为芯片及各接口的供电电源，利用此5V 电源作为光电耦合器中三极管的集电极上拉电压以此获得对三相电源Ua、Ub、Uc 的控制相序指示，相序指示电路如图2.4所示。

其次，将三相电源的三相正弦交流电压，通过图4 所示整形电路转换为三相方波输出，三相电源的相序正确，整形电路的输出如图2.5（a）所示；三相电源的相序错误，整形电路的输出如图2.5（b）所示。在控制过程中将三相电源的三相输出RA0、RA1、RA2 直接与单片机PIC12C508 的三个输入口GP3、GP4、GP5 相连，将输出口GP0、GP1、GP2 与发光二极管显示电路相连便可完成对三相电源的

相序指示测试，即GP0、GP2 分别与绿色正序指示发光二极管、橙色负序指示发光二极管、红色电源断相指示发光二极管显示电路相连。

（1）供电电源的设计：电路设计了三个变压器，在每两相电源之间接一个，这样，在电源缺一相的条件下，该装置仍能工作。变压器输人为380v，输出为8v，它们分别经过桥式整流，然后一起进入三端稳压集成电路7805，产生直流5v电源，也就是本装置的工作电源。

图2.3 供电电源硬件电路

图2.4 转换电路

（2）在经过转换电路后220v的交流电源转换为3组脉冲波形，波形图如图所示，因而能够用单片机对相序波形图进行检测，单片机所检测的波形如出现图a所示的就是正确的波形图，图b就是错误的相序波形。

图2.5 波形输出图

（3）本装置的核心部分是单片机，它一直监视着电源的A相和B相和C相。信号取自A相和c相、B相和c相两只变压器的相同输出端。之所以要取相同输出端，是为了保证它们之间的相位差与A相和B相的相位差相同。电路中的三个发光二极管分别用来正相、反相和缺三种状态，它们由单片机的GP1和GP2和GP3控制。正向相序时，GP1输出高电平，发光二极绿亮；反向相序时，GP2输出高电平，发光二极管橙亮；缺相时，GP3都输出高电平，发光二极管红亮。如图2.6

图2.6 方波输出电路

2.5 软件电路的设计

为了实现该三相电源相序的控制功能，综合所选的单片机从而可以开始画出程序流程图如图2.7。三相电源的频率是50Hz，如果相序为A—B—c，A相和B相的相差为120。，也就是说，单片机输出口检测到的峰值与峰值相隔1／150 s。如果相序错误，相序为A—c—B，则相当于A相和B相互相交换的情形，此时单片机检测到的峰值与峰值相隔1／75 s。因此可以首先判断是否为缺相，如不缺相则进一步进行正相还是反相的判断。从而实现了对三相电源相序的控制。

图2.7 程序流程图

2.6 程序框图的编制

程序初始化设置：

UA EQU 3 ; A 相

UB EQU 4 ; B 相

UC EQU 5 ; C 相

ORG 000H

GOTO BO

BO: CLRF19H ；清相序标志

CLRF 18H ；清A 相状态标志

MOVLW 38H ; 设GPIO 口的GP3、GP4、GP5 为输入口“00111000”NOP ；设GPIO 口的GP0、GP1、GP2 为输出口

TRIS 06H

BSF 06H，0 ；关正序显示

BSF 06H，1 ；关负序显示

BSF 06H．2 ；关断相故障显示

BSF 06H，3

BSF 06H，4

BSF 06H，5 ；置输人口线为高电平

MOVLW 064H ；延时lOOms

CALL LAYlMS ：

B1：CLRF 12H ；输入状态寄存器清零

CLRF 19H ：

CLRF 18H ：

MOVLW 14H ；检测次数20次

MOVF 11H ：

B2：MOVLW 38H ：

ANDWF 06H，0 ；取三相电源输入状态

IORWF 12H，1 ；保存输入状态

CALL LEST_M_P；调测相序子程序

MOVLW 01H ；延时lms

CALL LAYlMS

DECFSZ 11H．1

GOT0 R2

3.电路的调试与运行

单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分，但是不能完全分开，一般的方法是排除明显的硬件电路故障，再进行综合的调试，排除可能的软硬件故障。

3.1 硬件电路的调试

拿到电路板后，首先要检查加工质量，并确保没有任何方面的错误，并确保没有任何方面的错误，如短路和短路，尤其要避免电源短路，元器件在安装前要逐一检查，用万用表测其数值，各引脚的电位是否正确。若一切正常，方可在断电的情况下将芯片插入，再次检查各引脚的电位及其逻辑关系，将万用表的探针放到单片机接电源的引脚上检测一下，看是否符合要求。

3.2 软件调试的问题及解决方法

软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上，统调是最后一环，软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方式。前者不需要硬件仿真器，可借助于软件仿真器即可，后者一般需要仿真系统的支持。这个课题，硬件电路首先可以用protel软件进行仿真，再用keil软件来调试程序，通过各个模块程序的单步获跟踪调试，使电路和程序趋于正确，最后统调程序。

3.3 运行的结果

当220v的三相交流电源经过变压整流滤波后，再通过单片机来实现控制，当单片机的输出口的LED灯为绿灯亮时则三相电源为正相相序，当为橙灯亮时则为反相相序，当为红灯亮时则为缺相相序。

4.总结

随着科学技术的迅猛发展，单片机被广泛应用于人们生活的各个领域，社会需要大量掌握单片机技术的人才，单片机的使用方法应该是我们熟练掌握的内容，三相电源相序控制在工业控制方面有巨大的作用，通过对此次单片机课程设计掌握了一种新型的单片机芯片的编程方法和芯片的应用，了解了单片机的工作基本原理和基本编程方法，还了解了单片机编程的软硬件开发环境，提高了综合编辑程序的能力。

此次课程设计最重要的是学习了系统应用单片机实现某种功能的整个过程，能够一个一个步骤的为了实现某种功能而且进行设计，也能对所学的知识连贯起来进行应用。

另外此次课程设计也是对所学强电专业知识与弱点知识的一次结合的应用，为了让单片机能够实现对三相交流电源的控制，因此必须首先想到一种能够用于单片机检测控制的方法，因而必须采用一些硬件电路首先对三相交流电源进行变换，从而用单片机实现控制。更让自己了解到单片机的应用范围的广和实用性。

程序的编制过程也是一个相当繁琐的过程，但只要根据流程图与所要实现功能的不断改进，因而能够逐一把程序编制好，从而完成对功能的实现。

参考文献

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