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低电压欠压脱扣器研究与设计

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《电气技术杂志》2014年第七期

1低电压欠压脱扣器方案研究

1.1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:0.17,7600匝,580;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]。

1.2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。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。

1.3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/580)代替,可求出电容器容量为112F,取100F。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。

2主要单元电路设计

2.1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: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。

2.2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。

2.3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。

3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。

作者:吴志祥彭颖吴惠娟邹世伟单位:常州工学院江苏省武进职业教育中心校 江苏国星电器有限公司

电气技术杂志责任编辑:田老师    阅读:人次