三相缺相保護(hù)原理

概述：

三相缺相、相序錯誤保護(hù)器是為三相電源缺相或錯相引起三相系統(tǒng)故障而設(shè)計(jì)的保護(hù)器，主要應(yīng)用在三相系統(tǒng)異?？赡芤鸸I(yè)生產(chǎn)發(fā)生嚴(yán)重事故的場所，比如相序錯誤影響并網(wǎng)逆變器設(shè)備正常工作，電氣控制電動機(jī)反轉(zhuǎn)等。

電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理圖

在三相交流電氣控制系統(tǒng)中，正常三相相序情況下，三相供電電壓為ABC，供電相電壓220V，相電壓380V，工作頻率50Hz，當(dāng)合上刀閘開關(guān)QF1時(shí)，系統(tǒng)帶電，PLC等控制器控制KM1接觸器吸合，KM2接觸器斷開時(shí)，電動機(jī)M開始正向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動頻率為50Hz，合計(jì)3000轉(zhuǎn)/分鐘。當(dāng)控制KM2接觸器吸合，KM1接觸器斷開時(shí)，電動機(jī)M開始反向轉(zhuǎn)動。

運(yùn)行控制設(shè)備可以是礦井提升機(jī)，物料傳送帶等設(shè)備，當(dāng)三相系統(tǒng)相序反向時(shí)，會使提升機(jī)反向運(yùn)行，必定危機(jī)生產(chǎn)安全。

并網(wǎng)逆變器原理圖

在三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)情況下，需要檢測電網(wǎng)正常三相相序，只有在電網(wǎng)相序正常情況下，才允許逆變器并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行，而當(dāng)三相相序不正常或三相缺相情況下，逆變器需要停止運(yùn)行。當(dāng)然，這些保護(hù)功能，逆變器本身都會集成，但在工程驗(yàn)收發(fā)電調(diào)試期間，需要檢測正確的電網(wǎng)相序才能夠進(jìn)行發(fā)電調(diào)試。

三相缺相保護(hù)器特點(diǎn)：

1 三相電壓經(jīng)過串聯(lián)電阻接入保護(hù)器。

2 工作電源為9~36V供電范圍；

3 當(dāng)三相電源不缺相或相序正常時(shí)，保護(hù)器上綠燈亮，當(dāng)缺相或相序錯誤時(shí)，保護(hù)器上紅燈亮。并驅(qū)動繼電器動作，給外部保護(hù)設(shè)備提供保護(hù)接入觸點(diǎn)。

4 適用于三相相序檢測缺相報(bào)警，保護(hù)三相交流電動機(jī)，應(yīng)用在使用三相交流電的工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行相序監(jiān)控和保護(hù)。

三相缺相相序保護(hù)器原理分析：

相序檢測原理圖

設(shè)三相電源分別為UA，UB，UC，經(jīng)過電阻R接入到保護(hù)器，保護(hù)器內(nèi)部由三個(gè)元器件對接入電壓進(jìn)行檢測，分別是電容C接到A相，電阻R1接到B相，電阻R2接到C相。

檢測三個(gè)元器件的電壓UaNo, UbNo, UcNo，根據(jù)三個(gè)元器件的電壓值就可以判斷是否發(fā)生了電壓相序故障。

1 當(dāng)發(fā)生缺相時(shí)，對應(yīng)的元器件不流過電流，因此，與發(fā)生缺相相連接的元器件，如果是電阻器，則電阻兩端的電壓為0V。如果是電容器，可通過檢測電容電流為0A判斷，可知，缺相是一種非常好判斷的故障。

2 當(dāng)發(fā)生相序錯誤時(shí)，三個(gè)元器件的端電壓必然與相序正常情況下元器件端電壓不同。通過判斷元器件兩端的電壓變化情況即可判斷相序是否正常。

根據(jù)KCL，KVL理論可求解三個(gè)元器件的電壓值：

運(yùn)用復(fù)阻抗方法表示電容阻抗為1/Cω，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法，列寫KCL方程：

用相量表示電壓，

令UA=220∠0 V，UB=220∠240 V，UC=220∠120 V，

R=10K，1/ Cω=R1=R2=1K，帶入公式中，計(jì)算Unon：

知道了中心點(diǎn)電壓后，就可以求出電阻R1兩端的電壓：

同樣的方式，可求出R2兩端的電壓：

這里假設(shè)電容所接的一相為A相，當(dāng)相序正常情況下，電阻R1所接的B相電壓，對應(yīng)的R1兩端電壓幅值為25.565V，電阻R2所接的C相電壓，對應(yīng)的R2兩端電壓幅值為15V，可見電阻R1兩端的電壓大于電阻R2兩端的電壓；而當(dāng)相序反向的時(shí)候，會使得電阻R2兩端的電壓大于電阻R1兩端的電壓。這樣就可以通過簡單的阻容網(wǎng)絡(luò)判斷電壓的相序。

到目前為止，我們討論了一種利用硬件實(shí)現(xiàn)電壓相序判斷的方法，是一種簡單低成本的檢測相序方法，現(xiàn)實(shí)中，是否所有的三相設(shè)備都需要配備這種相序保護(hù)器哪？

當(dāng)然不是，有些設(shè)備可以就地取材來判斷相序，比如并網(wǎng)用逆變器設(shè)備。

并網(wǎng)用逆變器設(shè)備由于自身具有采樣網(wǎng)側(cè)電壓的需求，因此，通過數(shù)字處理器（DSP）已經(jīng)知道了三相電壓的大小，那么是否存在一種方法來計(jì)算是否電網(wǎng)存在缺相和相序錯誤，下面來介紹一種軟件檢測電壓缺相的方法：

三相電壓從靜止坐標(biāo)變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，可獲得直流電壓Ud+，即三相交流電壓的正序分量幅值。當(dāng)三相電壓相序反向時(shí)，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的正序直流電壓分量為0，而負(fù)序直流電壓分量的幅值Ud-等于當(dāng)三相電壓相序正常情況下的Ud+值。這樣，僅僅通過軟件計(jì)算就完全可以知道是否發(fā)生了相序錯誤。

什么是靜止坐標(biāo)：簡單講，就是變量按時(shí)間順序進(jìn)行變化，坐標(biāo)軸不變化。

三相交流電壓是隨著時(shí)間按正弦波的形式變化的物理量，可以用幅相坐標(biāo)曲線表示。橫軸為相角ωt坐標(biāo)軸，角度隨時(shí)間做線性變化，縱軸為幅值坐標(biāo)軸，幅值隨著角度按正弦規(guī)律變化。

如果把ωt包含在坐標(biāo)軸變量里，那么這個(gè)關(guān)于ωt的時(shí)間坐標(biāo)，就變化為關(guān)于αβ的兩相靜止坐標(biāo)，兩相靜止坐標(biāo)中αβ都是關(guān)于ωt的函數(shù)變量。

如果把一個(gè)正弦波電壓量u表示成復(fù)指數(shù)形式：

那么，復(fù)指數(shù)形式電壓的實(shí)部就是該正弦波電壓量，虛部是與正弦波電壓成90度關(guān)系的電壓量。把橫坐標(biāo)定義為α軸，表示實(shí)部值，縱坐標(biāo)定義為β軸表示虛部值，這個(gè)新的坐標(biāo)就是兩相靜止坐標(biāo)。那么，Ua的幅值只在α軸上變化，此時(shí)，如果把Ub和Uc兩個(gè)電壓也在一個(gè)坐標(biāo)下表示，那么，就得到了三相電壓的兩相靜止坐標(biāo)表示方式。

假設(shè)Ua初相角為0度，Ub初相角滯后Ua120度，Uc初相角超前Ua120度，那么，他們在兩相靜止坐標(biāo)空間上按順時(shí)針排列。任意時(shí)刻，三相電壓都能夠合成一個(gè)電壓矢量，而合成電壓也是按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的相量。

如果把這個(gè)合成電壓矢量當(dāng)做旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的d軸，把與d軸垂直的軸當(dāng)做q軸，那么就得到了兩相靜止坐標(biāo)到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。顯然Ud相對于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的d軸是靜止的，而旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d軸相對于α軸是旋轉(zhuǎn)的，即旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)是坐標(biāo)軸在旋轉(zhuǎn)。

因此，如果坐標(biāo)中沒有正序分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，只存在負(fù)序分量旋轉(zhuǎn)，則Ud+=0，只有負(fù)序旋轉(zhuǎn)電壓Ud-。

通過程序計(jì)算Ud-，即可判斷是否發(fā)生了相序翻轉(zhuǎn)。