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使用少數幾個被動元件的相位順序指示器
( 10 月 1 日 2006 年)
作者：Metodi Iliev，University of California—Berkeley

在一個三相交流電系統中，帶有三根導線的電源提供的交流電位具有相同頻率以及相對於零電位導線的振幅，從一根導線到下一根導線的相移均為 120°。要建立相位順序（phase sequence）有兩種可能的方法。在第一種可能方法中，第二根導線上的電壓相對於第一根移動 120°，而在第二種可能方法中，會產生一個相關於第一根導線的 –120° 相移。相位次序確定了三相交流電機的旋轉方向，並影響其他需要正確相位順序（正 120° 相移）的設備。你可以使用幾個低價的被動元件來建構相位順序指示器。





圖 1 說明了一種可以檢測這兩種相位順序的概念性電路。對於特定的元件值，適用以下條件：只有當 VS2 正好在 VS1 之前 120° 出現時（這說明了正確的相位順序），R1 和 C2 的電壓才相等，即它們的大小和相位均相同。在這種情況下，A 和 B 點之間的電壓是零。與此相反，只有當 VS2 在 VS3 之前 120°C 時（這對應於相反順序），C2 和 R3 的電壓才相等。


<%@ LANGUAGE="VBSCRIPT" %>
<% Randomize: ord=int(rnd*1000000000) %>


參考圖 2 中的相子（phasor）方塊圖，當 R1 和 C2 的電壓相等時，VC1=–VR2，VC1+VR1=VS1，VC2+VR2=VS2。以下方程式滿足這些條件：|VR1| = |VC2| =(1/2)| VS2|=(1/2)|VS1|，及|VC1| = |VR2| =cos(30°)|VS1| =cos(30°)|VS2|。解以下方程式來計算元件值：|XC1| = tan(60°)×R1= 且 R2=tan(60°)×|XC2|，其中 XC=–j[1/(2π×f×C)]，並且 f 表示 VS 電壓的頻率。



另外，為了確保反向相位順序的檢測，C1=C3 並且 R1=R3，即第三條分支中的元件與第一條分支中的元件相同。圖 3 中的相位順序檢測電路新增了與第一和第三條分支並聯的電阻 R4 和 R5，從而不需要可利用的地線。消除了對地線的需求，這也就規定了|XC1+R1| 和 |XC2+R2| 之間的比例。要想沒有電流從節點 G 流向地，各分支中的電流總和就必須等於零，並且如果把節點 G 和地斷開，那麼它相對於地的電位也是零。



只要 XC1 與 R1、XC2 與 R2、XC3 與 R3 之比如上所述，那麼 R1、C2 和 R3 兩端的電壓降的平衡狀態就能保持。用一個常數乘以任何分支的阻抗，只會影響流過該分支的電流大小。流過任何分支的電流呈現的相位角度與該分支中的電阻兩端電壓相同。圖 4 中的相子方塊圖顯示出圖 3 中的電流。從這張示意圖來看，如果 |I2|=tan(60°)×|I1|，則 I1+I2=–2×I3。因此，I3 的大小是 (I1+I2) 的一半，方向剛好相反。
這些電流的向量方塊圖說明了：如果加進兩股電流，每股的大小等於 I3，相位與 VS1 和 VS3 相同，則產生的總電流大小和相位與 I3 相同，因此，節點 G 的總電流為零：I1+I2+I3+I1'+I3'=I1+I2+2×I3=0。為使電流總和為零，R4=R5=|R1+XC1| = |R1–j[1/(2π×f×C1)]|。圖 3 中的兩個 LED 指示了正確的相位順序或反向的相位順序。當 LED2 亮，LED1 不亮時，節點 A 和 B之間的電壓是 0V，這對應於正確的相位順序。反向相位順序點亮 LED1，而 LED2 不亮。與 LED 並聯的二極體可防止超過 LED 的反向擊穿電壓，並且電阻 R6 和 R7 限制了流過 LED 的正向電流。要想達到更高的靈敏度，可用高輸入阻抗的交流電檢測電路代替 LED。
該電路的最終版本中包含了一些說明所有三個相位是否攜帶電壓的指示器。在圖 3 的電路中，攜帶 0V 的相位點亮兩個 LED。根據應用的不同，可把由 LED 和保護二極體組成的電壓檢測電路與 VS1/VS2/VS3 和節點 G 之間的限流電阻串聯。還可以讓用具有適當串聯電流限制電阻的低功率霓虹燈。
在選擇元件時，應確保它們的值符合以下比例。對於 C1 的任選值，R1=R2=R3=1/(2π×f×C1×tan(60°))、C1=C3、C2=3C1、R4=R5=2×R1。在為 C1 選擇數值時，流過檢測電路的電流應明顯低於流過各分支的電流，這就為 C1 排除了任意的低數值。
 
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