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 (6)2.3电压采样及其电路设计 (7)2.4 PIC12F675单片机的介绍 (8)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,把三组交流电源A、B、C 作各种不同状态组合，同时读取各点的状态，也能得到一组组编码，把这些编码列成表，如表1所示：表1 各组编码列表通过上述的分析过程，对各种状态下的编码进行组合、比较，可以发现它们之间的规律:相序正常(为ABC)时，编码110011101 重复出现；错相时, 编码为110101011；若断相时，既不能得到110011101的编码，也不能得到110101011 的编码，这就为我们正确处理断相与错相提供了理论依据。

2.2 电源模块设计保护系统是否稳定、可靠的工作，电源的设计是非常重要的，其实质是为单片机系统提供稳定的直流供电电压，本设计所需芯片PIC12F675的电源为+5V，因此设计了由集成稳压块7805组成的供电电路。

在电路中使用的7805稳压块有输入端、输出端和公共端，在芯片内部有过流、过热保护以及调整管安全保护电路。

其所需的外部元件少、不需外接元件调整，使用方便、安全可靠，输出稳定性高而广泛用于各种电子设备中，可以作为电压稳定器。

这个电路给系统提供稳定的直流电压，集成稳压块的作用是把非稳定的直流电压变换成稳定的直流电压。

该电源电路有变压器，桥式整流器，滤波电容和三端稳压管7805组成，其工作原理是先通过变压器降压把原来的380V降为9V，然后通过桥式电路整流再通过滤波电容输入到三端稳压管7805，然后在通过滤波输出+5V电压提供芯片使用。

电容主要起到滤波和减少脉动成分的作用。

该电路经实验证明，具有结构简单、经济、实用等特点。

该电源电路如图2-3所示：图2-3 电源电路图2.3电压采样及其电路设计根据三相电的特性得知三相电压的相位差为120度。

三相电的顺序是UV —VW—WU的顺序，当U相电压最大，由下图可知UV导通，最上面的光耦导通，这样芯片就可以采集到这个时候的信号，同理，当V相电压U相电压最高时，芯片采集到相应的信号。

电压采样电路图如图2-4所示：图2-4 电压采样电路图2.4 PIC12F675单片机的介绍PIC12F675是一款只有8个引脚的CMOS单片机如图2-5所示：图2-5 CMOS单片机引脚图它具有的功能是：CPU的特殊功能单片机内部集成了某些处理实时应用所需的特殊电路，使之区别于其他处理器。

PIC12F675系列具有许多这样的功能部件，它们旨在：最大限度地提高系统可靠性；通过减少外部元器件将成本降到最低；提供节能运行模式和代码保护。

这些功能部件是：1.振荡器选择；2.复位：包括上电复位（POR），上电延时定时器（PWRT），振荡器起振定时器（OST），欠压检测（BOD）；3.中断：看门狗定时器（WDT），引脚电平变化可触发中断；4.可编程代码保护。

PIC12F675配备了一个看门狗定时器，可由配置位来控制。

该定时器依靠自带的RC振荡器来运行，提高了可靠性。

有两个定时器提供必要的上电延时。

一个是振荡器起振定时器（OST），旨在确保芯片在晶振达到稳定之前始终处于复位状态。

另一个是上电延时定时器（PWRT），仅在上电时提供72ms（标称值）的固定延时，用来确保器件在供电电压稳定之前处于复位状态。

还有当器件发生欠压时使器件复位的电路，该电路可提供至少72ms 的复位延时。

片上具有了这三种功能，使绝大多数应用无需再外接复位电路。

休眠模式的设计是为了提供电流极低的掉电模式。

用户可通过以下方法将器件从休眠模式唤醒：外部复位：1.看门狗定时器唤醒；2.中断有几种振荡模式可供选择，可使器件适应各种应用。

选择INTOSC 可节约系统成本，而选择LP晶振可以节能。

本设计中的单片机采用5V电源电压，一个引脚接地，一个引脚接电源，GP3—GP5接三相电的信号输入，GP0接电位器，GP1接继电器，GP2接发光二级管。

PIC12F675单片机的各个管脚的功能说明如表2所示：表2 管脚说明（TTL=TTL输入缓冲器，ST=施密特触发器缓冲器）第3章软件设计有了硬件运行平台，必须设计相应的软件才能发挥其应有的功效。

由于软件的灵活性，可以根据系统的要求随意的更改、增减，所以一个应用系统的智能化程度很大部分取决于软件的结构是否合理，功能是否全面。

本系统中的软件主要完成了系统的初始化，故障处理，中断等功能。

各功能模块主要完成对供电线路电流信号进行采样、计算输出控制信号等功能主程序的设计。

3.1 主程序设计主程序主要完成程序初始化、参数设置、响应中断等功能。

主程序示意图如图所示，启动主程序，先进行初始化，包括定义各个引脚的输入输出方向，设置各计数器的初始值，读上次运行期间的故障整定值等。

主程序流程图如图3-1所示：图3-1 主程序示意图3.2 断相检测部分缺相保护是通过检测缺相保护电路输出信号的频率来实现的。

而在实际的处理上，当进入到工作状态后，软件会对采集到的信号进行分析，计算得出三相电是否存在缺相的情况，然后对缺相故障进行分析，作出相对应的分析处理。

断相检测流程图如图3-2所示：图3-2 断相检测流程图3.3 相序检测部分相序检测可通过对采集来的信号与预期值作比较，如果相符则相序正确，执行后续程序；如果不相符则设置数据无效标志，不执行后续程序。

相序检测流程图如图3-3所示：图3-3 相序检测流程图第4章系统制作与调试因为是在学校做的毕业设计，所以工具和材料都比较好找，但在焊接前不仅要考虑用到的元器件，还要考虑到元器件与元器件焊在一起所发生的变化，同时还考虑布局的美观。