三相电源断相与相序保护器设计说明书

三相电源断相与相序保护器设计

摘要

三相电源在我们的生活中扮演着一个极其重要的角色，并且运用的地方多于大功率仪器设备上，在原来的传统工业控制中，是由外部电源相序接线的准确性来控制，这样对操作者有较高的要求。为了降低操作者的要求，因此一个缺相与相序保护继电器对于三相电源来说作用是相当大的，三相电源保护继电器的核心是通过单片机编程对三相电检测是否有缺相、错相问题来对电机进行及时的保护。

首先要对三相电源的断相、错相问题故障进行分析，并结合PIC12F675单片机编程的功能，找出可靠性高、实施性强的保护方案，同时通过发光二级管来反馈给使用者所需要的信息。有了保护继电器就可以避免三相电源一些不必要的损失，不仅降低了操作者的要求，同时也减少了很多的物力人力，具有十分重要的意义！

关键词：三相电源，断相检测，错相检测，继电器

目录

摘要 ......................................................... I 第1章绪论 . (1)

1.1 三相电源简介 (1)

1.2 本课题的主要内容 (2)

1.3 工作原理图 (2)

第2章硬件电路设计与实现 (3)

2.1 方案的设计 (3)

2.2 电源模块设计 (5)

2.3电压采样及其电路设计 (6)

2.4 PIC12F675单片机的介绍 (7)

第3章软件设计 (10)

3.1 主程序设计 (10)

3.2 断相检测部分 (11)

3.3 相序检测部分 (12)

第4章系统制作与调试 (13)

4.1 元器件清单 (13)

4.2 硬件与软件调试 (14)

第5章总结与体会 (15)

致谢 (16)

参考文献 (17)

附录 (18)

附录A 原理图 (18)

附录B 程序 (18)

附录C PCB图 (33)

附录D 实物图 (34)

第1章绪论

1.1 三相电源简介

三相交流电是电能的一种输送形式，简称为三相电。三相交流电源，是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流电势组成的电源。三相交流电的用途很多，工业中大部分的交流用电设备，例如电动机，都采用三相交流电，也就是经常提到的三相四线制。而在日常生活中，多使用单相电源，也称为照明电。当采用照明电供电时，使用三相电其中的一相对用电设备供电，例如家用电器，而另外一根线是三相四线之中的第四根线，也就是其中的零线，该零线从三相电的中性点引出。

“三相电”的概念是：线圈在磁场中旋转时，导线切割磁场线会产生感应电动势，它的变化规律可用正弦曲线表示。如果我们取三个线圈，将它们在空间位置上相差点120度角，三个线圈仍旧在磁场中以相同速度旋转，一定会感应出三个频率相同的感应电动势。由于三个线圈在空间位置相差点120度角，故产生的电流亦是三相正弦变化，称为三相正弦交流电。工业用电采用三相电，如三相交流电动机等。任两相之间的电压都是380V AC，任一相的对地电压都是220V AC。分为A相，B相，C相，线路上用L1，L2，L3来表示。能产生幅值相等、频率相等、相位互差120°电势的发电机称为三相发电机；以三相发电机作为电源，称为三相电源；以三相电源供电的电路，称为三相电路。U、V、W称为三相，相与相之间的电压是线电压，电压为380V。相与中线之间称为相电压，电压是220V。三相电的相位关系图如图1-1所示：

图1-1 三相电的相位关系图

1.2 本课题的主要内容

本课题的主要任务是设计一个三相电保护继电器，该保护继电器能够起到对缺相、错相等主要电气故障进行保护的功能，具有故障检测、故障识别、故障指示等，当检测发现缺相故障、相序错误时，继电器工作。由于采用了多种软件、硬件的抗干扰措施，该新型的保护继电器工作非常可靠。

1.3 工作原理图

虽然三相电源断相与相序保护器就有好多不同的设计方案，如何选择就是根据不同的工作电路图来确定不同的设计方案，而本课题选择的是当电路中出现缺相或错相时，保护继电器能识别和指示。其工作原理图如图1-2所示：

图1-2 三相电保护继电器工作原理图

第2章硬件电路设计与实现

2.1 方案的设计

设计的三相电保护继电器整个系统是由硬件和软件组成，硬件是整个系统的载体，而软件是系统的控制中心。

根据工作原理图可以设计出不同的方案，如方案一：来自三相交流电源的三相交流信号经过采样电路降压处理后，变为直流电压送给断相与相序鉴别电路。方案二：来自三相交流电源的三相交流信号经过采样电路降压处理，输出三相电分别经过三组比较器后送给断相与相序鉴别电路。方案三：来自三相交流电源的三相交流信号经过采样电路降压处理后，电压电流同时送给断相与相序鉴别电路，这是最保险的但也是不好操作的方案。而我用的方案系统的基本组成如图2-1所示：

图2-1 系统的基本组成图

从系统的基本组成图就可看出电压/电流采样是整个系统的关键，只有采样出的数据才能让单片机PIC12F675芯片识别处理。不然就无法进行下去，不能判断出是断相还是错相引起的问题。

怎么知道电路中是否出现了断相和相序的问题？这个问题牵扯着一个方案的设计，选择不同的方案就有不同的解决办法，而我所用的方案是当电压/电流

采样过后，根据所给的一组数据（由‘0’和‘1’组成）比较，如果得到的数据与设定的数据一样，说明相序正确；如果得到的数据与设定的数据不同，就判断是断相引起的还是缺相引起的问题。

如何准确无误的判断出是断相还是错相呢？当三相交流电源A、B、C 经降压模块处理后输出三相交流电a、b、c，分别经过三组比较器后，在输出端a、b、c三点可以得到对应于交流电源的三组方波，各点波形如图2-2所示：

图2-2 波形图

同一时刻读取a 、b、c 三点的状态，就可获得一组数据；同样,把三组交