低功耗欠电压脱扣器的设计

秦 海 张鹏宇 宋福归 卜浩民

（上海良信电器股份有限公司，上海 200137）

欠电压脱扣器是万能式断路器的一种保护功能附件，在它的端电压降至某一规定范围时，使断路器有延时或无延时断开的一种脱扣器，当电源电压下降（甚至缓慢下降）到额定工作电压的70%～35%范围内，欠电压脱扣器应脱扣；欠电压脱扣器在电源电压等于或低于脱扣器额定工作电压的35%时，欠电压脱扣器应能防止断路器闭合，使该断路器以下的负载电器或电气设备免受欠电压的损坏。在全球对能源安全和节能减排的大背景下，低功耗地安全、可靠用电和精准保护成为研发人员设计开发先进欠电压脱扣器必须考虑的因素。

1 欠电压脱扣器的组成

欠电压脱扣器控制电路由图1五个部分组成：电源部分；时间延迟特性部分；保持线圈恒流源部分；吸动线圈控制部分；线圈及其控制部分。

1.1 电源与电压采样

电源部分的工作原理如图1所示。其输出电压的改变，采用电阻降压方式，通过改变粗调降压电阻Rx和细调电阻Rxx，可得到不同且平稳的输出电压，从而保证脱扣器在标准规定的动作范围内可靠动作。

图1 欠电压脱扣器原理框图

图2 欠电压脱扣器电压采样与电源电路

1.2 延时动作控制电路部分

延时动作控制电路部分如图 3所示，此电路由V1A构成正反馈回路，实现欠压时可以有一个回差，更好地满足产品的动作电压阀值，同时此部分能实时监测电路中供电电压状态，在供电系统处于欠电压状态时，及时将信号反馈给时间延迟部分，经过一段时间的延迟，使保持线圈断电而释放，从而实现了对系统的保护。在不同使用场合，要求断路器有不同的延时动作特性。通过调整拨码开关，来选择延时时间的长短，使断路器满足多种用电场合的需求。

图3 欠电压脱扣器延时动作控制电路

1.3 保持线圈恒流源部分

保持线圈恒流源电路部分如图4所示，采用电阻取样电流、两只晶体管冗余的方式将线圈中的电流反馈给控制开关管，这样在外部电压波动的情况下其仍可以保证供给线圈以恒定的工作电流；当产品使用温度环境变化时，保持线圈阻抗将会随着温度漂移，采用此种恒流模式可以确保不同温度下线圈安匝数不变，综上所述，此方案可以保证脱扣器在使用于不同环境温度下的可靠性，及电压波动频繁环境下的可靠性。

图4 欠电压脱扣器保持线圈恒流源电路

1.4 吸动线圈控制部分

吸动线圈控制部分如图5所示，通过多级与非逻辑电路组成一个单稳态触发器，给吸动线圈提供动作控制信号，此电路的特点是稳定可靠，除了可以有效的滤除干扰信号，还能保证吸动线圈取得一个合适的得电脉宽，从而确保保持线圈不至于过长时间通电而烧毁。当产品需要吸合时，此电路将从电压取样电路获得一个电平翻转，MOS管D15导通，单稳态触发器被触发，吸动线圈得电后执行吸合动作，经过设定的导通脉宽后，单稳态触发结束，吸合线圈失电，吸动过程完成。调节图中的关键电容可以实现吸动脉宽的调节，从而来适应不同的吸动线圈。

图5 欠电压脱扣器吸动线圈控制电路

1.5 线圈动作执行部分

线圈动作执行部分如图6所示，此电路主要是通过开关管（MOSFET、可控硅、晶体晶体管等）D20和D19来分别控制吸动线圈L2和保持线圈L1。正常情况下L2处于断开状态，而L1 处于吸合保持状态，使欠电压脱扣器处于正常工作状态。

图6 欠电压脱扣器线圈动作执行电路

2 具体设计方案

本设计欠压脱扣器的能耗主要产生于于保持线圈和控制开关元件（MOSFET、晶闸管、晶体三极管等）。

当欠压脱扣器处于正常工作状态时，保持线圈L1的直流电阻值为 12.5kΩ（AC220V）和 27.5kΩ（AC380V），其工作功耗仅为：3.5W，最大功率≤5W。而单线圈欠电压脱扣器的正常工作能耗大约在30W左右。从而采用吸动线圈和保持线圈双线绕组的设计方案，可以大大降低欠电压脱扣器的工作功耗。经过实际测量，本设计欠压脱扣器保持线圈功耗为为2.75W（如图7所示）。

图7 欠电压脱扣器实测保持线圈功

3 结论

此方案在降低欠电压脱扣器工作功耗的情况下，还同时提高了在各种使用环境下的可靠性，使用恒流源电路控制保持线圈，使得保持线圈受温度的影响减小到最低，同时满足了欠电压脱扣器EMC电磁兼容的要求。经上海电器检测所试验，按照GB14048.2的试验条件：高温70℃，72h、低温-40℃，72h、湿热 95%、55℃，72H、寿命 3000次、EMC及动作特性，所有验证均满足技术条件要求，判定合格。另外采用吸动线圈控制电路，保证了欠电压脱扣器应用于低压开关设备和控制设备中苛刻的保护动作要求。对断路器所控制的用电系统实施了有效保护。

[1] 王加法.欠电压分励一体化脱扣器的设计[J].江苏电器,2008(11).

[2] 康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2008.

[3] 国家标准：GB 14048.2-2008低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器,2008.