电磁型欠压脱扣器可靠性与关键电路设计*

吴志祥，方晓毅，黄 波，刘丽娟

(1.常州工学院，江苏常州213002;2.江苏国星电器有限公司，江苏常州213177)

电磁型欠压脱扣器可靠性与关键电路设计*

吴志祥1*，方晓毅1，黄 波2，刘丽娟2

(1.常州工学院，江苏常州213002;2.江苏国星电器有限公司，江苏常州213177)

为了提高电磁型欠压脱扣器的可靠性，在评估现有设计方案不足的基础上，通过优化主回路结构，提出了一种新的高可靠性电磁型欠压脱扣器设计方案。结合这种新方案，对主回路、单片机电路与电源电路等关键问题进行具体分析与设计。实验表明，本方案具备整体电路自身功耗仅为毫瓦级水平，动作点准确度达±2 V，并兼顾到成本低廉。方案成功通过了1.3倍电网电压老化与4 kV脉冲群考核试验。

低压断路器;欠压脱扣器;可靠性;电路设计;瞬时脱扣;延时脱扣

由于电网负荷增加等原因，导致电网电压下降时，将对同级线路上的电动机、各类用电设备及线路本身造成较大危害。内嵌欠压脱扣器的断路器，按照国标规定，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，又保护了同级重要设备的正常运行。

欠压脱扣器由脱扣电磁铁和测控电路组成。当线路电压较高时，测控电路使得电磁铁得电，电磁力迫使动铁芯缩进(吸合)，为断路器主触头系合闸提供条件。当电压下降到一定值时，测控电路使电磁铁断电，动铁芯受复位弹簧反作用力弹出，顶开主触头系锁扣机构(脱扣)，主触头系依靠自身储能弹簧力，实现主触头系断开。

当电网线路断电或欠压脱扣器测控电路自身故障时，以电磁铁为主体的电磁型欠压脱扣器具有复位自脱扣能力，故在目前断路器中仍得到了广泛应用。但电磁型欠压脱扣器的测控电路始终输出功率，电子元件易于击穿或老化，电磁铁线圈始终处于通电状态，线圈发热和复位弹簧早期疲软失效等，是电磁型欠压脱扣器的主要缺点。自身故障将导致断路器不能合闸，或触发断路器误分闸。因此，作为低压断路器中核心“元件”的欠压脱扣器，直接关系到电网的安全运行，可靠性十分重要。

1 欠压脱扣器使用环境与定义

低压断路器在我国广泛地区使用，温差、海拔高度、电网过电压等使用环境大不相同，以及中频炉、较大功率变频器等负载不同，体现出很大复杂性。以380 V线路系统为例，某些地区实际电网电压有时高达500余伏，等等。

欠压脱扣器中以电子元件为主的测控电路，抗扰能力最弱。特别是抗过压、脉冲群以及抗谐波能力，是制约欠压脱扣器品质的关键因素。

GB 14048.1—2006《低压开关设备和控制设备第1部分 总则》［1］中的第7.2.1.3等相关条目，对欠压继电器和脱扣器的定义及性能作了定义。且断路器结构，限定了欠压脱扣器的总体尺寸。

欠压脱扣器同时必须满足断路器之电磁兼容性的全部规定［2］。

2 欠压脱扣器的可靠性与方案优化

欠压脱扣器之电磁铁部分，除线圈匝间短路、过热烧毁之外，具有极高可靠性。线圈匝间短路问题可由绕制工艺保证。电磁铁过热问题通常是测控电路部分设计不当所致。测控电路抗扰能力是欠压脱扣器整体抗扰能力的主要环节。

2.1 常用方案的可靠性评估与改进

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，断路器主触头系合闸时框架产生震动，为保持电磁铁动铁芯不会自行脱落，要求电磁铁线圈有一个大于维持电压的“工作电压(功率)”［3］。

电磁铁吸合之后，为降低电磁线圈电压，通常采用PWM(Pulse Width Modulation)法［4-5］，降低线圈端电压为一合适的工作电压(约30 V)。为防止电磁线圈产生的噪音，PWM的基频往往大于10 kHz，执行元件通常是MOS管等电子元件，常用欠压脱扣器主电路如图1(a)所示。

对于输入电压为380V，考虑最大过压系数为1.2，则整流滤波后的直流电压为VH=√2×380×1.2 =645 V。电磁铁工作电压为30 V，MOS管关闭时间约占95%。设有等幅脉冲群干扰，在MOS管关闭期间，脉冲电压被C2积分，VH电压将倍增，严重影响MOS管的安全性。同理，在线路输入端受到雷击等干扰时，MOS管受扰的机率也为95%。这同是图1 (a)所示主电路难以通过EMC测试的根本原因。

大量跟踪数据表明，除EMC组件中压敏电阻损坏之外，MOS管承受高电压与自身发热导致损坏，约占欠压脱扣器故障率的90%左右。

如将一电容器串联在交流输入回路中，图1(a)变换为基于电容降压的主电路，如图1(b)所示。

在开关K闭合之前，输入电压Uin经过C1，由B1整流为直流脉动电压向C2充电。K闭合之后，C1承担降压任务，为电磁铁获得一合适的工作电压。其中的K，可为低频元件，如微型继电器或MOS管等。由于图1(b)中的K，始终处于闭合(接通)状态，对线路输入端高电压脉冲群呈导通状态，C2之积分值VH，大幅地降低。

欠压脱扣器一典型电磁铁直流电阻值为580 Ω，电感量为470 mH。将AC464V交流电压源与± 2 kV脉冲源(周期1 ms，脉冲宽度0.9 ms)串联，即输入峰值电压为±2.657 kV，加载到电路的输入端进行极限仿真。图1(a)、1(b)的仿真结果分别如图1(c)、1(d)所示。图1(c)显示，因MOS管导通时间极短，VH电压值同被充电到2.657 kV。对于图1(d)，电磁铁始终接通，有效泄放脉冲电压，VH电压最大值仅为979 V，验证图1(b)的优越性。

图1 欠压脱扣器主电路

2.2 总体方案优化

变“动”为“静”，由始动电压自动转换为工作电压的高可靠性欠压脱扣器如图2所示。

电网输入电压(220 V/380 V)由EMC电路抗干扰抑制，形成“二次电源”(L1、N1)，经电容C1后由全桥B1整流C2滤波为直流电压VH。VH一方面经电阻R3、R4组成的采样网络，构成充电采样信号SB，另一方面连接到电磁铁。

图2 高可靠电磁型欠压脱扣器

电阻R1与全桥B2串联在L1、N1之间，B2的输出端连接光电耦合器O1，其中R1限制O1中电流的大小。O1的输出端经电阻R2取样，将电网线路输入电压脉动信号SA采样送单片机。

测控电路所用电源，由连接于L1的D0半波整流后获得，可显著降低电源电路功耗。

单片机电路采样SA、SB信号，在SA信号表征大于额定电压的82%，且SB信号表征C2已充满电荷时，输出控制信号SK经开关电路放大后控制电磁铁得电吸合。当输入电压低于额定电压的50% (如为瞬时脱扣)时，单片机关闭控制信号，电磁铁断电，实现欠电压脱扣。

由于在检测SA信号的同时检测SB信号，可确保C2上存储预定的电荷。在开关电路导通时刻，电荷全部经电磁铁线圈释放，确保电磁铁可靠吸合。之后，串联在交流回路的C1承担降压任务，选取合适的电容量参数，可获得合适的电磁铁工作电压。

显然，该方案既满足始动电压高、工作电压低的电磁铁固有电气特性，又具备开关电路处于“静止”态的自身电路特性，因此，本方案具有高可靠性与便利性。

3 关键电路设计

高可靠欠压脱扣器要解决电磁铁可靠吸合并为电磁铁提供合适的工作电压，相对准确的动作点电压判断及瞬时或延时脱扣问题。

3.1 主回路设计

输入电压Uin、C1、B1、C2、电磁铁与开关电路组成主回路。设电磁铁线圈直流电阻为R，电磁铁工作电压为VW，忽略全桥B1压降及内阻后有:

针对不同工作电压电磁铁的要求，由式(1)可计算出合适的电容器C1容量参数。

电磁铁可靠吸合，电路必须向电磁铁提供合适的“始动功率”。始动功率几乎都由C2提供。C2对电磁铁的放电时间，必须大于电磁铁的触动时间与运动时间之和［6-8］。

C2被充电的电压为V0，电磁铁工作电压为VW，因C2放电时间极短，故可简化为:

电磁铁始动功率P及动作时间tx已知，且认为C2对电磁铁的放电电压从V0下降到VW的时间t，大于等于tx，由式(3)便可求得C2的具体参数。

220 V、380 V电压等级用欠压脱扣器，主回路一组典型参数如表1。

表1 220 V/380 V主回路典型参数

3.2 单片机电路

现今单片机或SOC(System On Chip)，含有上电清零、电源电压低—复位、内置A/D转换器、可设定A/D转换器参考电压(VREF)、温度感知、振荡器可被停止(STOP模式)以及在STOP模式下可“定时激活”等先进功能。为最简设计脱扣器提供了方便。以廉价型单片机PIC12F675为主控元件的单片机电路如图3所示。

图3 单片机电路

令GP4、GP5为I/O模式，分别控制电源电路及开关电路。令GP0、GP1及GP2为ADC模式，分别采样SA、SB及延时时间设置信号T。3位拨码开关SW，全部断开时，为瞬间脱扣，其余7种逻辑组合分别表示7种延时脱扣时间值。

先行设置单片机SA引脚为中断边沿触发方式，上电的6个周期里，如果中断时间相等，则计算出电网周期并等分为32份，即32点采样。在尚未吸合的阶段，单片机轮流采样SA、SB信号。对SA信号进行有效值计算，进而判断VH是否满足吸合条件。在以后的阶段里，单片机仅仅采样SA信号，判断是否脱扣以及是瞬时脱扣或是延时脱扣。

3.3 电源电路

“欠电压”、线路输入电压断电或电压跌落至25%后的一段时间内重新恢复正常电压，欠压脱扣器都必须正常工作。以及为防止单片机“死机”，电源电路设计极为重要。

由D0整流后的半波电压经过简易线性稳压为12 V，Z1保护后向C4充电，一方面向超低功耗稳压W1供电，另一方面向开关电路供电。W1输出电压VCC为单片机提供工作电压。同时，12 V电压向C3充电，R5限制充电电流，如图4所示。

图4 电源电路

在线路输入电压高于0.7Ue的时段里，单片机输出控制信号SC为低电平，使能T1导通，C3被充电。在线路输入电压低于0.4Ue的时段里，单片机使能T1截止，C3由D3续流，保证线路输入电压在更低的情况下，测控电路继续正常工作。

单片机“全局”使能为STOP模式，采用定时时钟激活方式工作，消耗电流呈脉动形式，平均工作电流为0.52mA@5 V。这为电源电路可靠性提供的保证。

4 实验波形

基于图2原理设计的欠压、过压脱扣器，以220 V线路电压的欠压脱扣为例，记录的C2上的电压VH及电磁铁线圈电流如下图5所示。图中标有(a)～(h)点的曲线为VH电压曲线，锯齿状曲线为电磁铁线圈电流曲线。

脱扣器上电之后，C2被充电，充电电压值为0.82Ue的√2倍，即255 V(b点)，充电时间约为200 ms，为启动电磁铁做好了准备。单片机检测SA、SB信号满足吸合条件，控制开关电路接通电磁铁，电磁铁线圈电流迅速增加，VH电压同时快速下降到 c点，电磁铁被强力启动。尔后，C1承担降压任务，C2承担滤波作用，电磁铁获得在一合适工作电压，约为30 V，(c点——d点段)

线路电压切换到额定值 50%的过程中(e点——f点段)VH电压同时下降。下降的线路电压信号SA被单片机检测确认，单片机按预设的0.1 s延时，延时时间到(f点——g点段)，控制开关电路断开电磁铁，电磁铁电流消失，VH电压恢复充电(g点——h点段)

图5 电压、电流波形图

5 结语

欠压脱扣器可靠性表现为上电可靠吸合，工作期间安全运行，抗扰能力强，电网电压欠压时的瞬时脱扣或准确延时脱扣4个环节。这里从实际出发，通过优化电路结构为主要手段，兼论了电源电路等关键环节。主电路结构决定了主电容C2放电特性能确保电磁铁可靠吸合，且有效减轻了静、动铁芯之间的撞击。测控电路整体自身功耗毫瓦级水平，功能全面，动作点准确度达±2 V，并兼顾成本低廉，抗扰能力极强。实验经受1.3倍电网电压老化、4 kV脉冲群考核试验。为断路器提供了一种高可靠欠压脱扣器设计方案。

［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］王永忠.断路器欠压脱扣器的优化设计［J］.低压电器，2012 (2):17-19.

［5］莫红文.欠电压/分励脱扣器电路:中国，02138669.2［P］.2005 -06-15.

［6］贺湘琰.电器学［M］北京:机械工业出版社，2007:117-119.

［7］彭新奇，刘红霞.电磁铁的动作曲线在分析问题中的应用［J］.电气开关，2008(4):49-50.

［8］史秋明.直流电磁铁的动特性研究［J］.自动化仪表，2007，28 (5):20-23.

Research and Design of Under-Voltage Releaser*

WU Zhixiang1*，FANG Xiaoyi1，HUANG Bo2，LIU Lijuan2
(1.Changzhou Institute of Technology，Changzhou Jiangsu 213002，China; 2.Jaingsu Guoxing Electrical Co.Ltd.Changzhou Jiangsu 213177，China)

In order to improve the reliability of electromagnetic type undervoltage release，based on the deficiency analysis of the existing scheme，a new scheme of a reliable electromagnetic undervoltage releaser is proposed by optimizing structure ofmain circuit.With the new scheme，the specific analysis and design ofmain circuit，single-chip microcomputer circuit and power circuit are demonstrated.Experiments show that the new scheme has the advantages that the overall power consumption of the new scheme circuit itself is onlymilliwatts and the accuracy of action point is limited within plus orminus 2 V while the cost is quite low.The scheme has successfully passed the 1.3 times rated voltage aging test and the 4 kV EFT test.

low voltage circuit breaker;under-voltage releaser;reliability;circuit design;instantaneous trip; delay trip

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.032

TM 561 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0134-04

项目来源:常州市知识产权计划项目(CK20122008)

2013-04-28修改日期:2013-05-17

EEACC:5140;8140

吴志祥(1960-)，男，汉族，江苏常州人，常州工学院副教授、高级工程师，主要研究方向为嵌入式系统技术与应用、智能电器，wzx6067@163.com。