基于TC783A的三相电动机缺相保护电路的设计与实现

吴兴锦

（长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410124）

基于TC783A的三相电动机缺相保护电路的设计与实现

吴兴锦

（长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410124）

介绍用于三相电动机缺相保护装置的设计方法，采用集成芯片TC783A为核心元件实现，有效地解决三相电动机其他保护元件的局限性。具有快速切断控制回路电源的功能及缺相指示和相序指示，试验证明系统工作性能良好。

电动机保护;缺相;信号获取;鉴别;集成芯片TC783A

电动机的保护是为电动机长期、安全地正常运行所设置的各种保护措施。［1］电动机过载保护常用的元件是热继电器。热继电器具有反时限特性，即根据电流过载倍数不同，其动作时间不同，过载电流越大，动作时间越短。而电动机为额定电流时，热继电器是不会动作的。由于热惯性的原因，热继电器不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作。［2］而三相异步电动机运行时，如果电源任一相断开，电动机将在缺相情况下低速运转或堵转，定子电流很大，这是造成电动机绝缘及绕组烧毁的常见故障之一。因此应进行断相保护，或称缺相保护。［3］断相保护的方法在实际电路中常用热继电器、电压继电器、电流继电器与固态断相保护器等来兼带，由于这些元件的局限性，所以这些方法对于中小型电动机的保护并不理想。

因此，针对中小型电动机开发一种体积小、安装方便、性能可靠、成本低廉的电动机缺相保护装置就显得很有必要。目前已经有了很多成熟的以电压检测为基础的相序/缺相检测用集成电路，通过添加必要的外围元件就可以构成电子保护装置，以此辅助热继电器。

1 设计要求分析

电动机的控制通常可以分为直接控制和间接控制。直接控制不需要相应的控制回路，电路简单，一般应用于小功率的电动机;而间接控制则需要相应的控制回路。由于采用了控制回路，所以间接控制可以很方便地实现电动机的远距离控制和条件控制，具有安全，高效，自动化程度高等很多优点，非常适合各种现代化的生产设备所需的电动机系统和大功率电力拖动系统。由于间接控制拥有上述直接控制所不具备的优点，所以目前绝大多数的电动机均采用间接控制。

设计的电子保护装置应该顺应电动机的控制方式，通过对电动机控制回路的电源控制来实现对主电路的电源控制，从而实现对电动机在缺相状态下的保护。根据对设计要求的分析，此保护装置电路：

1）它是一个受条件控制的装置，应该具备对受控信号的获取能力;

2）在获取信号后，应该具备对信号的鉴别能力;

3）它可设定为一个电子开关，应该具备关断能力;

4）能够直观体现条件的出现，应该具备相应的指示能力;

5）它是一个电子装置，应该具备电源提供能力。

由此可将该电子保护装置分设成五个电路部分：信号获取电路、鉴别电路、指示电路、关断电路和电源供给电路。其保护装置的总体框图如图1所示。

图1 电子保护装置总体框图

2 方案的选取

总体框图中，A、B、C三点分别与三相电源的A相、B相和C相连接，是信号获取电路采集高压的检测点，信号获取电路将交流380V的三相交流电变为鉴别电路可以进行鉴别的低压信号，并将此信号提供给鉴别电路使用。在保护装置正常工作时鉴别电路将对信号获取电路送来的三路低压信号进行鉴别，判断三路信号到达的先后次序是否向指示电路发出相应的指示信号;是否有信号缺失（即缺相）的状态出现，并根据鉴别的结果作出是否向关断电路发出关断信号;指示电路在收到鉴别电路所发出的相应信号后则对该信号进行指示，使使用者能够非常直观地观察到电源的状态。IN和OUT是关断电路的输入与输出端，关断电路在没有收到鉴别电路所发出的关断信号时IN和OUT两点间将保持导通状态，一旦收到鉴别电路所发出的关断信号后关断电路将使IN和OUT间呈现关断状态。保护装置就是通过IN与OUT之间的状态来控制三相电动机控制回路电源供给的通断，从而实现对三相电动机的保护。电源供给电路负责保护装置在正常工作时各个电路的电源供给。

2．1 鉴别电路

根据设计方案，鉴别电路是该保护装置的核心电路，其性能将直接影响到该保护装置性能的好坏与可靠性的高低。所以，鉴别电路的设计选取显得尤为关键。

2.1.1 鉴别电路在保护装置中的作用

毫无疑问鉴别电路是该保护装置的核心电路，是其他各个电路之间的纽带和桥梁。它负责连通和处理相关信号，在保护装置正常工作时对信号获取电路送来的三路低压信号进行鉴别，判断三路信号到达的先后次序是否向指示电路发出相应的指示信号;是否有信号缺失（即缺相）的状态出现，并根据鉴别的结果做出是否向关断电路发出关断信号，以便于这两个电路进行相关工作。

2.1.2 鉴别电路的选取

根据鉴别电路在保护装置中的作用和电路设计的基本原则，该电路应当尽可能地简单、可靠，采用集成元件来代替分立元件，使电路简单可靠、经济实用。一般而言，采用多组带有延迟的电压比较器进行一定逻辑组合得以实现。就目前电子市场供应来看，专业化三相相序检测集成模块的供应已经相当成熟。例如KW9703［4］、TH221A［5］、TC783A［6］等很多性能优良、价格低廉、使用方便的集成电路都十分适合作为鉴别电路来使用。因此，本保护装置决定以价格便宜、采用相对方便的专业化集成芯片TC783A作为鉴别电路。

2.1.3 TC783AP介绍

TC783A为三相相序和缺相检测电路，可用于检测三相正弦波电压的相序和缺相状态，同时有保护功能，具有单电源，功耗小，功能强，输入阻抗高，采样方便，外接元件少等优点。既可以使用在控制板上，对三相电压进行指示;也可在电机上使用，对电机的缺相进行保护。

1）TC783A电路具备以下特点

单电源工作，电源电压9－15V。对输入的正弦波电压检测方式为施密特检测，有效去除干扰。动态检测三相电压的存在，分别对三相缺相、正反序输入进行指示。此外还具有过压保护设计，有锁定和不锁定两种输出。

2）电路框图与工作原理：

电路框图见图2，管脚图及功能见表1。

图2 集成芯片TC783A电路图

表1 管脚图与管脚功能表

三相电压信号A、B、C经分压电阻网络分别进入电路1、2、3脚，通过对正弦波进行施密特检测、了解信号的存在并送入缺相检测电路检测后输出指示，电路13脚为内部脉冲发生电路的外接电容约为1～10μF。三相正弦输入正常时，对应A、B、C的输出端12、11、10脚输出为低电平;当某一相没有输入信号时，对应的输出脚上将有高电平。根据缺相检测的结果，在不缺相的情况下相序指示电路将输出相序，在三相电压信号A、B、C进入电路1、2、3脚的状态下，9脚输出高电平指示正序;而在三相电压信号A、C、B进入电路1、2、3脚的状态下，8脚输出高电平指示反序。在缺相状态下，9脚8脚皆输出低电平。

电路另外还设计了保护电路，可对过流、过压信号进行检测和输出。5脚为采样输入端，输入信号与电路内的6V基准比较，并在电路6脚输出。如果采样高于6V，输出高电平。4脚对输出方式将有两种控制选择：4脚接低电平，输出为不锁定输出，即输入高输出高，输入低输出低;4脚接高电平，输出为锁定输出，这时输入高输出高，而输入低后输出仍高，需要4脚接地复位才能输出低。

根据集成芯片TC783A工作原理及管脚功能特性，可确定集成芯片TC783A与其他各个电路的电气连接关系，如图3所示。

图3 电气连接图

2．2 信号获取电路

2.2.1 信号电路的作用与实现

信号电路的作用就是将高压信号转变为低压信号提供给集成芯片TC783A使用。实现该电路的方法有很多，例如可以采用三相同序变压器进行降压，可以通过串电阻或电容进行分压等。采用三相变压器虽然很容易实现该电路的功能，但三相变压器的体积较大、成本较高，所以不利于电路的安装制作和成本控制。而集成芯片TC783A的功耗小，输入阻抗高，采样方便，其输入1、2、3脚只要求有无信号存在就行。因此，本保护装置可采用电阻分压法来实现该电路信号获取方式。如图4所示。以A相为例，单相交流电压220V经过R1和R4接地，其电压值U1的大小如下：

图4 信号获取电路

即在两者的中点取得约10V电压后，经过R7限流，通入TC783A的第1引脚。R10与R13对由直流电源提供的12V电压进行分压，形成的偏置电压UP1大小如下：

UP1向TC783A提供大于6V的检测电压和较低的检测电流以便其更好地对U1进行检测。

2.2.2 元件参数的计算与型号选择

由于三相电源被引入后接成星形，所以R1和R4承受的电压为交流220V。而通入TC783A的电流很小，所以忽略不计。即：

因为其他两组的电阻值和接入的电压完全相同，所以流过的电流大小和功率也相同，既B相和C相取值参照A相。为了防止因缺相而导致的电流增大和其他电流不稳的情况出现，各个电阻的功率应该做出相应的放大调整，放大后的电阻功率如下：

2．3 指示电路

2.3.1 指示电路的作用与实现

指示电路的任务是将输入电动机的三相电源的具体情况直观地反映出来报告给使用者。该电路并非保护装置的核心电路，所以应该尽量简化，使其结构更简单、工作更可靠、成本更低廉。因此采用以发光二极管为主要指示器件的办法来实现该电路，如图5所示。

2.3.2 元件参数的计算与型号选择

可见，指示电路的指示完全是由不同颜色的发光二极管来完成的，由黄色发光二极管来指示输入相序为反相序、由绿色发光二极管来指示输入相序为正相序、从左至右的三个红色发光二极管来表示缺少C/B/A相（输入相序为正相序时）。

发光二极管的工作电流很低（约为5mA）、功率消耗也很小、触发电压也不高（约1．8V～2V），所以为了防止发光二极管被烧毁，应当接入保护用的限流电阻。以D1为例，一旦TC783A鉴别出输入相序为反相序，则其第8引脚为高电平（TC783A的输出高电平约等于VCC），此时12V直流电压通过R16限流后使D1被点亮。根据市场的供应情况和安装要求，选择ф5直径的发光二极管和功率为1/4W、电阻值为3K的电阻串联即可。

图5 指示电路

2．4 关断电路

2.4.1 关断电路的要求与实现

控制电路是本保护装置的执行机构，负责IN和OUT之间的关断或连通控制。为了简化电源供给电路的设计，所以就要求关断电路的输入电压尽可能与TC783A相匹配。为此，选用市场广泛供应的SRD/12VDC/SL/C型直流继电器为执行机构完成该电路的设计。继电器三个脚的这边，外边的两脚是线圈，加12VDC直流电压，不区分正负方向，是电压驱动，线圈直流电阻每个工厂或者灵敏度不同稍有区别，中间一个脚是触点的COM端;另外一边两个脚正向看，左边1是常开，右边2是常闭。如图6所示。

图6 关断电路

指示缺相的三个引脚10、11、12通过三个普通二极管组成的三或门来使三极管Q1工作在开关状态，从而控制继电器U4的工作与否。如果TC783A检测到缺相现象，其10至12引脚将出现一个或一个以上的高电平，从而使三极管导通，进而继电器得电，常闭触点断开，从而分断IN和OUT两个与控制回路连接的接线端。

2.4.2 元件的选择

该电路所采用的器件较少，所以对于器件的选择相对简单。三极管工作在开关状态，所以必须使其在10至12引脚之间出现一个或一个以上高电平时，能够稳定地工作在放大状态，并且其发射极允许流过的最大电流必须大于继电器的工作电流。因此选择国产功率三极管2SC1008和3K/250mW电阻与SRD－12VDC－SL－C型直流继电器构成共发射极放大电路，以此保证在10至12引脚之间出现一个或一个以上高电平时三极管能够稳定地工作在放大状态、继电器能够稳定吸合。

该电路除了采用上述元器件外还将采用三个普通二极管来构成三或门。对于这三个二极管没有特别的要求，只需要能够承受12V的瞬态电压和相应的电流即可。所以，这三个二极管就采用市场供应极为普遍的国产N4004型二极管。

2．5 电源电路

2.5.1 电源供给电路的设计原则与实现

根据设计方案，电源供给电路是本保护装置不可或缺的一个重要组成部分，它负责向鉴别电路TC783A和关断电路的SRD－12DC－SL－C型直流继电器提供工作电压。一般而言三相电动机所运行的电压环境为交流380V/220V，并不提供保护装置所需的直流12V电源。所以电源供给电路若不以简单的电池来替代，则除了稳定的输出直流12V电压外还必须和三相电动机的运行环境相适应。而保护装置若用电池，则需要经常更换，既不经济也不实际。所以电源供给电路必须将交流220V电压转换为直流12V电压提供给鉴别电路TC783A和关断电路的SRD－12DC－SL－C型直流继电器，使其能够正常工作。

根据以上分析，该电路将采用降压——整流——滤波——稳压四步来实现，如图7所示。

图7 电源供给电路

220V市电经过变压器T1的降压作用后变为15V交流电，在经过整流桥2W06的作用后由电容C1进行滤波，最后由三端集成稳压器W7812输出稳定的直流12V电压提供给用电电路。

2.5.2 元件参数的计算与型号选择

由于电源供给电路的任务是向鉴别电路TC783A和关断电路的SRD－12DC－SL－C型直流继电器提供工作电压和必要的电功率，所以变压器T1和整流桥必须满足保护装置的功率要求。经过对主要用电器件的额定功率的叠加可知本保护装置的功率消耗小于1．5W，所以选择输入220V、输出15V及功率2W的变压器和与其相匹配的2W06型整流桥。

电容C1在该电路中作为滤波电容使用。电容对已经全波整流后的电压波形作用效果如图8所示。

图8 波形效果图

电容对电压的滤波原理为：当第一个电压波峰来临时对电容进行首次充电，在电容的放电未完成时下一个电压波峰即来到，此时电容两端还有一定的电压，而电压波峰将会使电容进行强迫充电，从而使电容两端的电压维持在电压波峰峰值和被强迫充电时的剩余电压之间，起到平滑电压波形的作用。因此要求电容必须能够承受峰值电压，且为了使电容的滤波效率得到改善，还要要求电容的时间常数得以增加（即放电时间的延长）。因为时间常数等于负载电阻与电容的电容值的乘积，所以除了要求电容所能够承受的最大电压必须大于峰值电压外还必须要求电容的电容值尽可能大。一般在工频半波条件下要求电容的电容值应该在1000～3300uf之间，而在工频全波条件下电容的电容值应该在220～470uf之间，所以电容C1选择25V/ 470uf。

2．6 总电路原理图与说明

根据以上各分部电路组合，可绘制得到保护装置的原理全图，保护装置的原理总图如图9所示。电路共有六个外接端子，其中A、B、C是接主电路对应的A相、B相和C相，N是接电源的零线，IN和OUT两个接线端与控制回路电源串接。由于每个外接端子的内部都是固有部件，一旦接错，轻则不能正确工作，重则烧坏保护装置，所以必须一一对应。为了防止并联接线柱之间意外短路，柱与柱之间的距离应该尽可能大一些。

图9 总电路原理图

3 结束语

基于TC783A的三相电动机缺相保护电路的设计可以实现所要求的功能，达到快速切断控制回路电源的目的，在三相电动机缺相时，起到保护电机的作用，此保护装置还具有缺相指示和相序指示，满足直观的视觉提示，在实际应用中可降低设备的故障率和修理成本，具有一定的经济性。

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［编校：刘敏］

Design and Im plementation of Three－phase Motor’s Open－phase Protection Circuit Based on TC783A

WU Xingjin
（Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410124）

The paper introduces a design method for three－phase motor open－phase protection device，that is，using integrated chip TC783A as the core components to implement the design，to effectively resolve the limitations of the other protection parts of the three－phasemotor．The protection device has the function of quickly switching off double－circuit supply，and of open－phase indication and phase sequence instructions．The test proves that the system＇s performance is good．

motor protection;open－phase;signal acquisition;identification;integrated chip TC783A

TM343+．2

A

1671－9654（2011）01－045－07

2011－03－02

吴兴锦（1960－），男，湖北恩施人，工程师，研究方向为电气控制。