低电压交直流通用欠压脱扣器研究与设计

吴志祥 彭 颖 吴惠娟 邹世伟

（1. 常州工学院，江苏 常州 213002；2. 江苏省武进职业教育中心校，江苏 常州 213164；3. 江苏国星电器有限公司，江苏 常州 213177）

欠压脱扣器是低压断路器中关键“部件”之一。设有欠压脱扣器的断路器，按照国标[1]规定，当线路电压下降到一定程度时，切断电源加以保护，既保护了本级线路下的用电设备，又保护了重要设备的正常运行。

电磁型欠压脱扣器由测控电路和电磁铁组成。当线路电压较高时，测控电路使得电磁铁得电，电磁铁线圈中的电磁力迫使动铁心缩进（吸合），为断路器主触头系统合闸提供条件。当电压下降到一定值时，测控电路使电磁铁断电，动铁心在复位弹簧作用力下弹出，顶开主触头系统的制锁机构（脱扣），实现断路器主触头系统断开。

在某些场合下断路器中使用的直流或交流 24V欠压脱扣器。较低工作电压的欠压脱扣器之电磁铁，欲脱扣同样的断路器（如DW50系列），电磁铁线圈线径必须增加，工作电流颇大，调试也比较困难。能否沿用DW50欠压脱扣器之电磁铁，是本文研究的主要问题。

1 欠压脱扣器基本要求

结合国标定义，断路器企业通常假定输入电压达到额定电压的85%时，要求欠压脱扣器吸合；输入电压降至额定电压的50%时，要求欠压脱扣器“欠压脱扣”。

欠压脱扣器还必须满足断路器之电磁兼容性的全部规定[2]。

对于DW50（框1）断路器，欠压脱扣器的脱扣力，应大于20N。

另外，欠压脱扣的吸合动作形式可分为自吸式与助吸式；脱扣动作形式可以分为瞬时动作型与延时动作型。

2 低电压欠压脱扣器方案研究

2.1 电磁铁参数

DW50断路器所采用的欠压脱扣器，其电磁铁普遍采用“联合设计”的电磁铁，其电参数如下。

线圈参数：φ 0.17，7600匝，580Ω；

始动电压（Vs）：150V；

工作电压（Vo）：30V；

维持电压（Vm）：9.5V。

电磁铁可以在一个很宽的电压范围内工作。结合断路器用欠压脱扣器特点，控制电路应向电磁铁提供一合适功率，防止电磁铁“震脱”[3]。

2.2 方案研究

由电磁铁特性可知，电磁铁吸合时的“始动电压（功率）”往往比“维持电压（功率）”高出许多。欠压脱扣器装配于断路器中，断路器主触头系统合闸时会产生框架震动，为保持电磁铁动铁心不会自行脱落，要求电磁铁线圈有一个大于维持电压的“工作电压（功率）”。

无论是直流24V输入，或是交流24V输入，控制电路直接驱动电磁铁，不能正常工作。为此，设计低电压欠压脱扣器方案如图1所示。

图1 低电压欠压脱扣器

输入电压经EMC电路抗干扰滤波后，形成二次电压接桥式整流器 B1，B1的输出定义为 SP。对于直流电压输入，起到极性转换作用；对于交流输入，由B1整流为脉动直流。SP经D0隔离、C1滤波后接至升压电路，同时接电电源电路。电源电路产生12V电压供升压电路与开关电路，生产的 5V电压供单片机电路。SP同时接由 R1、R2组成的采样电路，采样信号 SA送单片机。单片机控制升压电路与开关电路。

2.3 主电路与储能电容

与一般升压电路不同，为了避免电磁铁动——静铁心之间的撞击，提高电磁铁的工作次数，以始动电压（功率）足够、平稳过渡到工作电压（功率）的方式为最佳。即，VH电压首先充电到 150V（A点），然后接通开关电路（K），依靠电容电荷释放做功吸合电磁铁。随后将输入电压提升高工作电压30V（B点），如图2（a）所示。

设升压电路中的滤波电容为C2，充电电流为iL，电磁线圈等效为电感DL、内阻DR，开关电路为K，主电路结构如图2（b）所示。

K闭合瞬间，电磁铁获得的始动功率是来自输入电源的电流 iL和电容放电电流 iC共同产生的功率。电容C2的放电时间t2要大于电磁铁的触动时间与吸合时间之和[4]。根据C2对DR的放电功率，有

已知电磁铁触动与吸合时间之和为 5.6ms，电容放电电流取初始电流（I=150V/580Ω）代替，可求出电容器容量为112μF，取100 μF。

实验过程中，通过观察 C2对电磁铁的放电电流，在电磁铁动铁心正好运动到结束时为止。既可以确保电磁铁可靠吸合，又可以避免动铁心对静铁心之间的过渡冲击。

图2 最佳工作方式与主电路

3 主要单元电路设计

3.1 升压电路

单片机发出 PWM控制信号CO，经三极管 T1放大后推动由T2与T3组成的推挽电路，驱动MOS管T4。储能电感L1输入端直接连接VA，输出端经D1接电容 C2。R6与 R7、R8组成电压取样电路。取样信号经Z1限幅后接三极管T5，T5集电极信号VINT输出至单片机。R9、R10分别为 T5的基极、集电极偏置电阻。

第一阶段（空载）升压时，单片机输出低电平信号 LV，R8可视为短路，分压比较小，VH电压值充电到目标值后，VZ击穿稳压管Z1，经T5放大后，VINT由高电平转为低电平,引发单片机中断。第二阶段恒压时，单片机将输出信号 LV设置为高阻态，R8加入取样电路，进行同样的反馈过程。

设第一、第二阶段取样信号VZ相同，则可在假设电阻值R6、R7的前提下得到R8具体参数。

由于主电容C2取值较大，储能电感可按电感电流临界模式估算：

式中，Ud、TS、ILOD及 D 分别为输出电压（VH）、PWM周期时间、负载电流和占空比。

由于电磁铁工作电压范围很宽，利用单片机生产 PWM控制升压电路，结合升压电路反馈信号至单片机，即可满足电磁铁的正常工作。

3.2 信号采样

图1中的R1、R2组成电压采样回路，采样信号送入单片机。上电后，单片机首先启动定时器1定时100ms，并令SA输入引脚为边沿触发中断方式。在这100ms时间内无中断触发，表明为输入电压为直流电压，否则为交流电压。交流电压输入时，中断触发定时器2的时间，即为输入电压半个周期的时间。舍去第一次、最后一次定时器2记录的时间，将其余周期时间求均值算出电网周期值，然后均分为32等分，即按每半个周期采样32点进行采样，进行有效值计算。

对于直流输入，则直接求32次采样值的均值。

3.3 单片机电路

单片机完成信号采样之外，还控制升压电路与开关电路。单片机电路包含3位BCD拨码电路。

单片机先行输出LV低电平，并向升压电路CO输入PWM升压，直至反馈信号VINT为低电平时，将CO置高电平。一旦VINT为高电平时，单片机再度向CO输入PWM信号进行升压，保持VH为一恒定启动高压。

在这过程中，单片机同时检测输入电压的大小，当输入电压信号大于85%的Ue后，单片机控制开关电路接通电磁铁。

完成电磁铁起动之后，单片机置LV为高阻态，同样使得VH恒定在电磁铁工作电压附近。

单片机读取3位BCD拨码开关状态。3位BCD拨码全部断开时，表示“瞬时”脱扣；3位BCD拨码其余不同组合状态，分别表示0.5、1、2、3、5、6、10s欠压延时断开时间。

当输入电压信号小于 50%的 Ue后，单片机按BCD拨码不同组合状态，控制开关电路电磁铁断开。

单片机全局处于停机（STOP）状态，采用 32等分的定时中断激活方式工作，既可有效降低自身功耗又提高了抗扰能力。

4 结论

欠压脱扣器在不同的实际应用场合，操作电压不尽相同，也可能电源频率不同。对于不同电压等级、不同电源频率，使用同一种电磁铁作为欠压脱扣的基础元件，既可以避免断路器制造过程中的麻烦，又为断路器性能检验提供了方便。

本文研究的低电压交直流欠压脱扣器，沿用DW50欠压脱扣器之电磁铁，充分发挥电子技术的优点，具备抗扰能力强、起动可靠、脱扣准确、延时脱扣的延时时间值精确等优点。产品全面经受1.5倍电网电压老化、脉冲群考核试验。提供了一种低电压下使用较高工作电压电磁铁的解决方案。

[1]GB 14048.1—2006/IEC 60947-1: 2001 低压开关设备和控制设备 第1部分: 总则[S].

[2]GB 14048.2—2008/IEC 60947-2: 2006 低压开关设备和控制设备 第2部分: 断路器[S].

[3]陆雯, 黄学. 断路器欠压脱扣器抗冲击设计[J]. 环境技术, 2003(4): 12-15.

[4]贺湘琰. 电器学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.