低電壓交直流通用欠壓脫扣器研究與設計

吳志祥 彭 穎 吳惠娟 鄒世偉

（1. 常州工學院，江蘇 常州 213002；2. 江蘇省武進職業教育中心校，江蘇 常州 213164；3. 江蘇國星電器有限公司，江蘇 常州 213177）

欠壓脫扣器是低壓斷路器中關鍵“部件”之一。設有欠壓脫扣器的斷路器，按照國標[1]規定，當線路電壓下降到一定程度時，切斷電源加以保護，既保護了本級線路下的用電設備，又保護了重要設備的正常運行。

電磁型欠壓脫扣器由測控電路和電磁鐵組成。當線路電壓較高時，測控電路使得電磁鐵得電，電磁鐵線圈中的電磁力迫使動鐵心縮進（吸合），為斷路器主觸頭系統合閘提供條件。當電壓下降到一定值時，測控電路使電磁鐵斷電，動鐵心在復位彈簧作用力下彈出，頂開主觸頭系統的制鎖機構（脫扣），實現斷路器主觸頭系統斷開。

在某些場合下斷路器中使用的直流或交流 24V欠壓脫扣器。較低工作電壓的欠壓脫扣器之電磁鐵，欲脫扣同樣的斷路器（如DW50系列），電磁鐵線圈線徑必須增加，工作電流頗大，調試也比較困難。能否沿用DW50欠壓脫扣器之電磁鐵，是本文研究的主要問題。

1 欠壓脫扣器基本要求

結合國標定義，斷路器企業通常假定輸入電壓達到額定電壓的85%時，要求欠壓脫扣器吸合；輸入電壓降至額定電壓的50%時，要求欠壓脫扣器“欠壓脫扣”。

欠壓脫扣器還必須滿足斷路器之電磁兼容性的全部規定[2]。

對于DW50（框1）斷路器，欠壓脫扣器的脫扣力，應大于20N。

另外，欠壓脫扣的吸合動作形式可分為自吸式與助吸式；脫扣動作形式可以分為瞬時動作型與延時動作型。

2 低電壓欠壓脫扣器方案研究

2.1 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：φ 0.17，7600匝，580Ω；

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]。

2.2 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。

圖1 低電壓欠壓脫扣器

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電壓供單片機電路。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。

2.3 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/580Ω）代替，可求出電容器容量為112μF，取100 μF。

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。

圖2 最佳工作方式與主電路

3 主要單元電路設計

3.1 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：

式中，Ud、TS、ILOD及 D 分別為輸出電壓（VH）、PWM周期時間、負載電流和占空比。

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。

3.2 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。

3.3 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。

4 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。

[1]GB 14048.1—2006/IEC 60947-1: 2001 低壓開關設備和控制設備 第1部分: 總則[S].

[2]GB 14048.2—2008/IEC 60947-2: 2006 低壓開關設備和控制設備 第2部分: 斷路器[S].

[3]陸雯, 黃學. 斷路器欠壓脫扣器抗沖擊設計[J]. 環境技術, 2003(4): 12-15.

[4]賀湘琰. 電器學[M]. 北京: 機械工業出版社, 2007.