基于TC783A的三相電動機缺相保護電路的設計與實現

吳興錦

（長沙航空職業技術學院，湖南長沙 410124）

基于TC783A的三相電動機缺相保護電路的設計與實現

吳興錦

（長沙航空職業技術學院，湖南長沙 410124）

介紹用于三相電動機缺相保護裝置的設計方法，采用集成芯片TC783A為核心元件實現，有效地解決三相電動機其他保護元件的局限性。具有快速切斷控制回路電源的功能及缺相指示和相序指示，試驗證明系統工作性能良好。

電動機保護;缺相;信號獲取;鑒別;集成芯片TC783A

電動機的保護是為電動機長期、安全地正常運行所設置的各種保護措施。［1］電動機過載保護常用的元件是熱繼電器。熱繼電器具有反時限特性，即根據電流過載倍數不同，其動作時間不同，過載電流越大，動作時間越短。而電動機為額定電流時，熱繼電器是不會動作的。由于熱慣性的原因，熱繼電器不會受電動機短時過載沖擊電流或短路電流的影響而瞬時動作。［2］而三相異步電動機運行時，如果電源任一相斷開，電動機將在缺相情況下低速運轉或堵轉，定子電流很大，這是造成電動機絕緣及繞組燒毀的常見故障之一。因此應進行斷相保護，或稱缺相保護。［3］斷相保護的方法在實際電路中常用熱繼電器、電壓繼電器、電流繼電器與固態斷相保護器等來兼帶，由于這些元件的局限性，所以這些方法對于中小型電動機的保護并不理想。

因此，針對中小型電動機開發一種體積小、安裝方便、性能可靠、成本低廉的電動機缺相保護裝置就顯得很有必要。目前已經有了很多成熟的以電壓檢測為基礎的相序/缺相檢測用集成電路，通過添加必要的外圍元件就可以構成電子保護裝置，以此輔助熱繼電器。

1 設計要求分析

電動機的控制通常可以分為直接控制和間接控制。直接控制不需要相應的控制回路，電路簡單，一般應用于小功率的電動機;而間接控制則需要相應的控制回路。由于采用了控制回路，所以間接控制可以很方便地實現電動機的遠距離控制和條件控制，具有安全，高效，自動化程度高等很多優點，非常適合各種現代化的生產設備所需的電動機系統和大功率電力拖動系統。由于間接控制擁有上述直接控制所不具備的優點，所以目前絕大多數的電動機均采用間接控制。

設計的電子保護裝置應該順應電動機的控制方式，通過對電動機控制回路的電源控制來實現對主電路的電源控制，從而實現對電動機在缺相狀態下的保護。根據對設計要求的分析，此保護裝置電路：

1）它是一個受條件控制的裝置，應該具備對受控信號的獲取能力;

2）在獲取信號后，應該具備對信號的鑒別能力;

3）它可設定為一個電子開關，應該具備關斷能力;

4）能夠直觀體現條件的出現，應該具備相應的指示能力;

5）它是一個電子裝置，應該具備電源提供能力。

由此可將該電子保護裝置分設成五個電路部分：信號獲取電路、鑒別電路、指示電路、關斷電路和電源供給電路。其保護裝置的總體框圖如圖1所示。

圖1 電子保護裝置總體框圖

2 方案的選取

總體框圖中，A、B、C三點分別與三相電源的A相、B相和C相連接，是信號獲取電路采集高壓的檢測點，信號獲取電路將交流380V的三相交流電變為鑒別電路可以進行鑒別的低壓信號，并將此信號提供給鑒別電路使用。在保護裝置正常工作時鑒別電路將對信號獲取電路送來的三路低壓信號進行鑒別，判斷三路信號到達的先后次序是否向指示電路發出相應的指示信號;是否有信號缺失（即缺相）的狀態出現，并根據鑒別的結果作出是否向關斷電路發出關斷信號;指示電路在收到鑒別電路所發出的相應信號后則對該信號進行指示，使使用者能夠非常直觀地觀察到電源的狀態。IN和OUT是關斷電路的輸入與輸出端，關斷電路在沒有收到鑒別電路所發出的關斷信號時IN和OUT兩點間將保持導通狀態，一旦收到鑒別電路所發出的關斷信號后關斷電路將使IN和OUT間呈現關斷狀態。保護裝置就是通過IN與OUT之間的狀態來控制三相電動機控制回路電源供給的通斷，從而實現對三相電動機的保護。電源供給電路負責保護裝置在正常工作時各個電路的電源供給。

2．1 鑒別電路

根據設計方案，鑒別電路是該保護裝置的核心電路，其性能將直接影響到該保護裝置性能的好壞與可靠性的高低。所以，鑒別電路的設計選取顯得尤為關鍵。

2.1.1 鑒別電路在保護裝置中的作用

毫無疑問鑒別電路是該保護裝置的核心電路，是其他各個電路之間的紐帶和橋梁。它負責連通和處理相關信號，在保護裝置正常工作時對信號獲取電路送來的三路低壓信號進行鑒別，判斷三路信號到達的先后次序是否向指示電路發出相應的指示信號;是否有信號缺失（即缺相）的狀態出現，并根據鑒別的結果做出是否向關斷電路發出關斷信號，以便于這兩個電路進行相關工作。

2.1.2 鑒別電路的選取

根據鑒別電路在保護裝置中的作用和電路設計的基本原則，該電路應當盡可能地簡單、可靠，采用集成元件來代替分立元件，使電路簡單可靠、經濟實用。一般而言，采用多組帶有延遲的電壓比較器進行一定邏輯組合得以實現。就目前電子市場供應來看，專業化三相相序檢測集成模塊的供應已經相當成熟。例如KW9703［4］、TH221A［5］、TC783A［6］等很多性能優良、價格低廉、使用方便的集成電路都十分適合作為鑒別電路來使用。因此，本保護裝置決定以價格便宜、采用相對方便的專業化集成芯片TC783A作為鑒別電路。

2.1.3 TC783AP介紹

TC783A為三相相序和缺相檢測電路，可用于檢測三相正弦波電壓的相序和缺相狀態，同時有保護功能，具有單電源，功耗小，功能強，輸入阻抗高，采樣方便，外接元件少等優點。既可以使用在控制板上，對三相電壓進行指示;也可在電機上使用，對電機的缺相進行保護。

1）TC783A電路具備以下特點

單電源工作，電源電壓9－15V。對輸入的正弦波電壓檢測方式為施密特檢測，有效去除干擾。動態檢測三相電壓的存在，分別對三相缺相、正反序輸入進行指示。此外還具有過壓保護設計，有鎖定和不鎖定兩種輸出。

2）電路框圖與工作原理：

電路框圖見圖2，管腳圖及功能見表1。

圖2 集成芯片TC783A電路圖

表1 管腳圖與管腳功能表

三相電壓信號A、B、C經分壓電阻網絡分別進入電路1、2、3腳，通過對正弦波進行施密特檢測、了解信號的存在并送入缺相檢測電路檢測后輸出指示，電路13腳為內部脈沖發生電路的外接電容約為1～10μF。三相正弦輸入正常時，對應A、B、C的輸出端12、11、10腳輸出為低電平;當某一相沒有輸入信號時，對應的輸出腳上將有高電平。根據缺相檢測的結果，在不缺相的情況下相序指示電路將輸出相序，在三相電壓信號A、B、C進入電路1、2、3腳的狀態下，9腳輸出高電平指示正序;而在三相電壓信號A、C、B進入電路1、2、3腳的狀態下，8腳輸出高電平指示反序。在缺相狀態下，9腳8腳皆輸出低電平。

電路另外還設計了保護電路，可對過流、過壓信號進行檢測和輸出。5腳為采樣輸入端，輸入信號與電路內的6V基準比較，并在電路6腳輸出。如果采樣高于6V，輸出高電平。4腳對輸出方式將有兩種控制選擇：4腳接低電平，輸出為不鎖定輸出，即輸入高輸出高，輸入低輸出低;4腳接高電平，輸出為鎖定輸出，這時輸入高輸出高，而輸入低后輸出仍高，需要4腳接地復位才能輸出低。

根據集成芯片TC783A工作原理及管腳功能特性，可確定集成芯片TC783A與其他各個電路的電氣連接關系，如圖3所示。

圖3 電氣連接圖

2．2 信號獲取電路

2.2.1 信號電路的作用與實現

信號電路的作用就是將高壓信號轉變為低壓信號提供給集成芯片TC783A使用。實現該電路的方法有很多，例如可以采用三相同序變壓器進行降壓，可以通過串電阻或電容進行分壓等。采用三相變壓器雖然很容易實現該電路的功能，但三相變壓器的體積較大、成本較高，所以不利于電路的安裝制作和成本控制。而集成芯片TC783A的功耗小，輸入阻抗高，采樣方便，其輸入1、2、3腳只要求有無信號存在就行。因此，本保護裝置可采用電阻分壓法來實現該電路信號獲取方式。如圖4所示。以A相為例，單相交流電壓220V經過R1和R4接地，其電壓值U1的大小如下：

圖4 信號獲取電路

即在兩者的中點取得約10V電壓后，經過R7限流，通入TC783A的第1引腳。R10與R13對由直流電源提供的12V電壓進行分壓，形成的偏置電壓UP1大小如下：

UP1向TC783A提供大于6V的檢測電壓和較低的檢測電流以便其更好地對U1進行檢測。

2.2.2 元件參數的計算與型號選擇

由于三相電源被引入后接成星形，所以R1和R4承受的電壓為交流220V。而通入TC783A的電流很小，所以忽略不計。即：

因為其他兩組的電阻值和接入的電壓完全相同，所以流過的電流大小和功率也相同，既B相和C相取值參照A相。為了防止因缺相而導致的電流增大和其他電流不穩的情況出現，各個電阻的功率應該做出相應的放大調整，放大后的電阻功率如下：

2．3 指示電路

2.3.1 指示電路的作用與實現

指示電路的任務是將輸入電動機的三相電源的具體情況直觀地反映出來報告給使用者。該電路并非保護裝置的核心電路，所以應該盡量簡化，使其結構更簡單、工作更可靠、成本更低廉。因此采用以發光二極管為主要指示器件的辦法來實現該電路，如圖5所示。

2.3.2 元件參數的計算與型號選擇

可見，指示電路的指示完全是由不同顏色的發光二極管來完成的，由黃色發光二極管來指示輸入相序為反相序、由綠色發光二極管來指示輸入相序為正相序、從左至右的三個紅色發光二極管來表示缺少C/B/A相（輸入相序為正相序時）。

發光二極管的工作電流很低（約為5mA）、功率消耗也很小、觸發電壓也不高（約1．8V～2V），所以為了防止發光二極管被燒毀，應當接入保護用的限流電阻。以D1為例，一旦TC783A鑒別出輸入相序為反相序，則其第8引腳為高電平（TC783A的輸出高電平約等于VCC），此時12V直流電壓通過R16限流后使D1被點亮。根據市場的供應情況和安裝要求，選擇ф5直徑的發光二極管和功率為1/4W、電阻值為3K的電阻串聯即可。

圖5 指示電路

2．4 關斷電路

2.4.1 關斷電路的要求與實現

控制電路是本保護裝置的執行機構，負責IN和OUT之間的關斷或連通控制。為了簡化電源供給電路的設計，所以就要求關斷電路的輸入電壓盡可能與TC783A相匹配。為此，選用市場廣泛供應的SRD/12VDC/SL/C型直流繼電器為執行機構完成該電路的設計。繼電器三個腳的這邊，外邊的兩腳是線圈，加12VDC直流電壓，不區分正負方向，是電壓驅動，線圈直流電阻每個工廠或者靈敏度不同稍有區別，中間一個腳是觸點的COM端;另外一邊兩個腳正向看，左邊1是常開，右邊2是常閉。如圖6所示。

圖6 關斷電路

指示缺相的三個引腳10、11、12通過三個普通二極管組成的三或門來使三極管Q1工作在開關狀態，從而控制繼電器U4的工作與否。如果TC783A檢測到缺相現象，其10至12引腳將出現一個或一個以上的高電平，從而使三極管導通，進而繼電器得電，常閉觸點斷開，從而分斷IN和OUT兩個與控制回路連接的接線端。

2.4.2 元件的選擇

該電路所采用的器件較少，所以對于器件的選擇相對簡單。三極管工作在開關狀態，所以必須使其在10至12引腳之間出現一個或一個以上高電平時，能夠穩定地工作在放大狀態，并且其發射極允許流過的最大電流必須大于繼電器的工作電流。因此選擇國產功率三極管2SC1008和3K/250mW電阻與SRD－12VDC－SL－C型直流繼電器構成共發射極放大電路，以此保證在10至12引腳之間出現一個或一個以上高電平時三極管能夠穩定地工作在放大狀態、繼電器能夠穩定吸合。

該電路除了采用上述元器件外還將采用三個普通二極管來構成三或門。對于這三個二極管沒有特別的要求，只需要能夠承受12V的瞬態電壓和相應的電流即可。所以，這三個二極管就采用市場供應極為普遍的國產N4004型二極管。

2．5 電源電路

2.5.1 電源供給電路的設計原則與實現

根據設計方案，電源供給電路是本保護裝置不可或缺的一個重要組成部分，它負責向鑒別電路TC783A和關斷電路的SRD－12DC－SL－C型直流繼電器提供工作電壓。一般而言三相電動機所運行的電壓環境為交流380V/220V，并不提供保護裝置所需的直流12V電源。所以電源供給電路若不以簡單的電池來替代，則除了穩定的輸出直流12V電壓外還必須和三相電動機的運行環境相適應。而保護裝置若用電池，則需要經常更換，既不經濟也不實際。所以電源供給電路必須將交流220V電壓轉換為直流12V電壓提供給鑒別電路TC783A和關斷電路的SRD－12DC－SL－C型直流繼電器，使其能夠正常工作。

根據以上分析，該電路將采用降壓——整流——濾波——穩壓四步來實現，如圖7所示。

圖7 電源供給電路

220V市電經過變壓器T1的降壓作用后變為15V交流電，在經過整流橋2W06的作用后由電容C1進行濾波，最后由三端集成穩壓器W7812輸出穩定的直流12V電壓提供給用電電路。

2.5.2 元件參數的計算與型號選擇

由于電源供給電路的任務是向鑒別電路TC783A和關斷電路的SRD－12DC－SL－C型直流繼電器提供工作電壓和必要的電功率，所以變壓器T1和整流橋必須滿足保護裝置的功率要求。經過對主要用電器件的額定功率的疊加可知本保護裝置的功率消耗小于1．5W，所以選擇輸入220V、輸出15V及功率2W的變壓器和與其相匹配的2W06型整流橋。

電容C1在該電路中作為濾波電容使用。電容對已經全波整流后的電壓波形作用效果如圖8所示。

圖8 波形效果圖

電容對電壓的濾波原理為：當第一個電壓波峰來臨時對電容進行首次充電，在電容的放電未完成時下一個電壓波峰即來到，此時電容兩端還有一定的電壓，而電壓波峰將會使電容進行強迫充電，從而使電容兩端的電壓維持在電壓波峰峰值和被強迫充電時的剩余電壓之間，起到平滑電壓波形的作用。因此要求電容必須能夠承受峰值電壓，且為了使電容的濾波效率得到改善，還要要求電容的時間常數得以增加（即放電時間的延長）。因為時間常數等于負載電阻與電容的電容值的乘積，所以除了要求電容所能夠承受的最大電壓必須大于峰值電壓外還必須要求電容的電容值盡可能大。一般在工頻半波條件下要求電容的電容值應該在1000～3300uf之間，而在工頻全波條件下電容的電容值應該在220～470uf之間，所以電容C1選擇25V/ 470uf。

2．6 總電路原理圖與說明

根據以上各分部電路組合，可繪制得到保護裝置的原理全圖，保護裝置的原理總圖如圖9所示。電路共有六個外接端子，其中A、B、C是接主電路對應的A相、B相和C相，N是接電源的零線，IN和OUT兩個接線端與控制回路電源串接。由于每個外接端子的內部都是固有部件，一旦接錯，輕則不能正確工作，重則燒壞保護裝置，所以必須一一對應。為了防止并聯接線柱之間意外短路，柱與柱之間的距離應該盡可能大一些。

圖9 總電路原理圖

3 結束語

基于TC783A的三相電動機缺相保護電路的設計可以實現所要求的功能，達到快速切斷控制回路電源的目的，在三相電動機缺相時，起到保護電機的作用，此保護裝置還具有缺相指示和相序指示，滿足直觀的視覺提示，在實際應用中可降低設備的故障率和修理成本，具有一定的經濟性。

［1］許翏．電機與電氣控制技術［M］．北京：機械工業出版社，2005．

［2］王建，等．維修電工（初中級）國家職業資格證書取證問答［M］．北京：機械工業出版社，2005．

［3］李愛軍，任淑．維修電工技能實訓［M］．北京：北京理工大學出版社，2007．

［4］楊幫文．新型集成器件實用電路［M］．北京：電子工業出版社，2002．

［5］李宏．不需零線的三相交流源相序檢測保護器集成電路TH221A［J］．國外電子元器件，2001，（10）．

［6］董業莊．三相相序缺相檢測電路TC783A的性能與應用［J］．電子元器件應用，2001，（11）．

［編校：劉敏］

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

吳興錦（1960－），男，湖北恩施人，工程師，研究方向為電氣控制。