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《電氣技術雜志》2014年第七期

1低電壓欠壓脫扣器方案研究

1.1電磁鐵參數DW50斷路器所采用的欠壓脫扣器，其電磁鐵普遍采用“聯合設計”的電磁鐵，其電參數如下。線圈參數：0.17，7600匝，580；始動電壓（Vs）：150V；工作電壓（Vo）：30V；維持電壓（Vm）：9.5V。電磁鐵可以在一個很寬的電壓范圍內工作。結合斷路器用欠壓脫扣器特點，控制電路應向電磁鐵提供一合適功率，防止電磁鐵“震脫”[3]。

1.2方案研究由電磁鐵特性可知，電磁鐵吸合時的“始動電壓（功率）”往往比“維持電壓（功率）”高出許多。欠壓脫扣器裝配于斷路器中，斷路器主觸頭系統合閘時會產生框架震動，為保持電磁鐵動鐵心不會自行脫落，要求電磁鐵線圈有一個大于維持電壓的“工作電壓（功率）”。無論是直流24V輸入，或是交流24V輸入，控制電路直接驅動電磁鐵，不能正常工作。為此，設計低電壓欠壓脫扣器方案如圖1所示。輸入電壓經EMC電路抗干擾濾波后，形成二次電壓接橋式整流器B1，B1的輸出定義為SP。對于直流電壓輸入，起到極性轉換作用；對于交流輸入，由B1整流為脈動直流。SP經D0隔離、C1濾波后接至升壓電路，同時接電電源電路。電源電路產生12V電壓供升壓電路與開關電路，生產的5V電壓供片機電路。SP同時接由R1、R2組成的采樣電路，采樣信號SA送單片機。單片機控制升壓電路與開關電路。

1.3主電路與儲能電容與一般升壓電路不同，為了避免電磁鐵動——靜鐵心之間的撞擊，提高電磁鐵的工作次數，以始動電壓（功率）足夠、平穩過渡到工作電壓（功率）的方式為最佳。即，VH電壓首先充電到150V（A點），然后接通開關電路（K），依靠電容電荷釋放做功吸合電磁鐵。隨后將輸入電壓提升高工作電壓30V（B點），如圖2（a）所示。設升壓電路中的濾波電容為C2，充電電流為iL，電磁線圈等效為電感DL、內阻DR，開關電路為K，主電路結構如圖2（b）所示。K閉合瞬間，電磁鐵獲得的始動功率是來自輸入電源的電流iL和電容放電電流iC共同產生的功率。電容C2的放電時間t2要大于電磁鐵的觸動時間與吸合時間之和[4]。根據C2對DR的放電功率，有已知電磁鐵觸動與吸合時間之和為5.6ms，電容放電電流取初始電流（I=150V/580）代替，可求出電容器容量為112F，取100F。實驗過程中，通過觀察C2對電磁鐵的放電電流，在電磁鐵動鐵心正好運動到結束時為止。既可以確保電磁鐵可靠吸合，又可以避免動鐵心對靜鐵心之間的過渡沖擊。

2主要單元電路設計

2.1升壓電路單片機發出PWM控制信號CO，經三極管T1放大后推動由T2與T3組成的推挽電路，驅動MOS管T4。儲能電感L1輸入端直接連接VA，輸出端經D1接電容C2。R6與R7、R8組成電壓取樣電路。取樣信號經Z1限幅后接三極管T5，T5集電極信號VINT輸出至單片機。R9、R10分別為T5的基極、集電極偏置電阻。第一階段（空載）升壓時，單片機輸出低電平信號LV，R8可視為短路，分壓比較小，VH電壓值充電到目標值后，VZ擊穿穩壓管Z1，經T5放大后，VINT由高電平轉為低電平,引發單片機中斷。第二階段恒壓時，單片機將輸出信號LV設置為高阻態，R8加入取樣電路，進行同樣的反饋過程。設第一、第二階段取樣信號VZ相同，則可在假設電阻值R6、R7的前提下得到R8具體參數。由于主電容C2取值較大，儲能電感可按電感電流臨界模式估算：由于電磁鐵工作電壓范圍很寬，利用單片機生產PWM控制升壓電路，結合升壓電路反饋信號至單片機，即可滿足電磁鐵的正常工作。

2.2信號采樣圖1中的R1、R2組成電壓采樣回路，采樣信號送入單片機。上電后，單片機首先啟動定時器1定時100ms，并令SA輸入引腳為邊沿觸發中斷方式。在這100ms時間內無中斷觸發，表明為輸入電壓為直流電壓，否則為交流電壓。交流電壓輸入時，中斷觸發定時器2的時間，即為輸入電壓半個周期的時間。舍去第一次、最后一次定時器2記錄的時間，將其余周期時間求均值算出電網周期值，然后均分為32等分，即按每半個周期采樣32點進行采樣，進行有效值計算。對于直流輸入，則直接求32次采樣值的均值。

2.3單片機電路單片機完成信號采樣之外，還控制升壓電路與開關電路。單片機電路包含3位BCD撥碼電路。單片機先行輸出LV低電平，并向升壓電路CO輸入PWM升壓，直至反饋信號VINT為低電平時，將CO置高電平。一旦VINT為高電平時，單片機再度向CO輸入PWM信號進行升壓，保持VH為一恒定啟動高壓。在這過程中，單片機同時檢測輸入電壓的大小，當輸入電壓信號大于85%的Ue后，單片機控制開關電路接通電磁鐵。完成電磁鐵起動之后，單片機置LV為高阻態，同樣使得VH恒定在電磁鐵工作電壓附近。單片機讀取3位BCD撥碼開關狀態。3位BCD撥碼全部斷開時，表示“瞬時”脫扣；3位BCD撥碼其余不同組合狀態，分別表示0.5、1、2、3、5、6、10s欠壓延時斷開時間。當輸入電壓信號小于50%的Ue后，單片機按BCD撥碼不同組合狀態，控制開關電路電磁鐵斷開。單片機全局處于停機（STOP）狀態，采用32等分的定時中斷激活方式工作，既可有效降低自身功耗又提高了抗擾能力。

3結論

欠壓脫扣器在不同的實際應用場合，操作電壓不盡相同，也可能電源頻率不同。對于不同電壓等級、不同電源頻率，使用同一種電磁鐵作為欠壓脫扣的基礎元件，既可以避免斷路器制造過程中的麻煩，又為斷路器性能檢驗提供了方便。本文研究的低電壓交直流欠壓脫扣器，沿用DW50欠壓脫扣器之電磁鐵，充分發揮電子技術的優點，具備抗擾能力強、起動可靠、脫扣準確、延時脫扣的延時時間值精確等優點。產品全面經受1.5倍電網電壓老化、脈沖群考核試驗。提供了一種低電壓下使用較高工作電壓電磁鐵的解決方案。

作者：吳志祥彭穎吳惠娟鄒世偉單位：常州工學院江蘇省武進職業教育中心校 江蘇國星電器有限公司