低功耗欠電壓脫扣器的設計

秦 海 張鵬宇 宋福歸 卜浩民

（上海良信電器股份有限公司，上海 200137）

欠電壓脫扣器是萬能式斷路器的一種保護功能附件，在它的端電壓降至某一規(guī)定范圍時，使斷路器有延時或無延時斷開的一種脫扣器，當電源電壓下降（甚至緩慢下降）到額定工作電壓的70%～35%范圍內，欠電壓脫扣器應脫扣；欠電壓脫扣器在電源電壓等于或低于脫扣器額定工作電壓的35%時，欠電壓脫扣器應能防止斷路器閉合，使該斷路器以下的負載電器或電氣設備免受欠電壓的損壞。在全球對能源安全和節(jié)能減排的大背景下，低功耗地安全、可靠用電和精準保護成為研發(fā)人員設計開發(fā)先進欠電壓脫扣器必須考慮的因素。

1 欠電壓脫扣器的組成

欠電壓脫扣器控制電路由圖1五個部分組成：電源部分；時間延遲特性部分；保持線圈恒流源部分；吸動線圈控制部分；線圈及其控制部分。

1.1 電源與電壓采樣

電源部分的工作原理如圖1所示。其輸出電壓的改變，采用電阻降壓方式，通過改變粗調降壓電阻Rx和細調電阻Rxx，可得到不同且平穩(wěn)的輸出電壓，從而保證脫扣器在標準規(guī)定的動作范圍內可靠動作。

圖1 欠電壓脫扣器原理框圖

圖2 欠電壓脫扣器電壓采樣與電源電路

1.2 延時動作控制電路部分

延時動作控制電路部分如圖 3所示，此電路由V1A構成正反饋回路，實現(xiàn)欠壓時可以有一個回差，更好地滿足產品的動作電壓閥值，同時此部分能實時監(jiān)測電路中供電電壓狀態(tài)，在供電系統(tǒng)處于欠電壓狀態(tài)時，及時將信號反饋給時間延遲部分，經過一段時間的延遲，使保持線圈斷電而釋放，從而實現(xiàn)了對系統(tǒng)的保護。在不同使用場合，要求斷路器有不同的延時動作特性。通過調整撥碼開關，來選擇延時時間的長短，使斷路器滿足多種用電場合的需求。

圖3 欠電壓脫扣器延時動作控制電路

1.3 保持線圈恒流源部分

保持線圈恒流源電路部分如圖4所示，采用電阻取樣電流、兩只晶體管冗余的方式將線圈中的電流反饋給控制開關管，這樣在外部電壓波動的情況下其仍可以保證供給線圈以恒定的工作電流；當產品使用溫度環(huán)境變化時，保持線圈阻抗將會隨著溫度漂移，采用此種恒流模式可以確保不同溫度下線圈安匝數(shù)不變，綜上所述，此方案可以保證脫扣器在使用于不同環(huán)境溫度下的可靠性，及電壓波動頻繁環(huán)境下的可靠性。

圖4 欠電壓脫扣器保持線圈恒流源電路

1.4 吸動線圈控制部分

吸動線圈控制部分如圖5所示，通過多級與非邏輯電路組成一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，給吸動線圈提供動作控制信號，此電路的特點是穩(wěn)定可靠，除了可以有效的濾除干擾信號，還能保證吸動線圈取得一個合適的得電脈寬，從而確保保持線圈不至于過長時間通電而燒毀。當產品需要吸合時，此電路將從電壓取樣電路獲得一個電平翻轉，MOS管D15導通，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā)，吸動線圈得電后執(zhí)行吸合動作，經過設定的導通脈寬后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)結束，吸合線圈失電，吸動過程完成。調節(jié)圖中的關鍵電容可以實現(xiàn)吸動脈寬的調節(jié)，從而來適應不同的吸動線圈。

圖5 欠電壓脫扣器吸動線圈控制電路

1.5 線圈動作執(zhí)行部分

線圈動作執(zhí)行部分如圖6所示，此電路主要是通過開關管（MOSFET、可控硅、晶體晶體管等）D20和D19來分別控制吸動線圈L2和保持線圈L1。正常情況下L2處于斷開狀態(tài)，而L1 處于吸合保持狀態(tài)，使欠電壓脫扣器處于正常工作狀態(tài)。

圖6 欠電壓脫扣器線圈動作執(zhí)行電路

2 具體設計方案

本設計欠壓脫扣器的能耗主要產生于于保持線圈和控制開關元件（MOSFET、晶閘管、晶體三極管等）。

當欠壓脫扣器處于正常工作狀態(tài)時，保持線圈L1的直流電阻值為 12.5kΩ（AC220V）和 27.5kΩ（AC380V），其工作功耗僅為：3.5W，最大功率≤5W。而單線圈欠電壓脫扣器的正常工作能耗大約在30W左右。從而采用吸動線圈和保持線圈雙線繞組的設計方案，可以大大降低欠電壓脫扣器的工作功耗。經過實際測量，本設計欠壓脫扣器保持線圈功耗為為2.75W（如圖7所示）。

圖7 欠電壓脫扣器實測保持線圈功

3 結論

此方案在降低欠電壓脫扣器工作功耗的情況下，還同時提高了在各種使用環(huán)境下的可靠性，使用恒流源電路控制保持線圈，使得保持線圈受溫度的影響減小到最低，同時滿足了欠電壓脫扣器EMC電磁兼容的要求。經上海電器檢測所試驗，按照GB14048.2的試驗條件：高溫70℃，72h、低溫-40℃，72h、濕熱 95%、55℃，72H、壽命 3000次、EMC及動作特性，所有驗證均滿足技術條件要求，判定合格。另外采用吸動線圈控制電路，保證了欠電壓脫扣器應用于低壓開關設備和控制設備中苛刻的保護動作要求。對斷路器所控制的用電系統(tǒng)實施了有效保護。

[1] 王加法.欠電壓分勵一體化脫扣器的設計[J].江蘇電器,2008(11).

[2] 康華光.電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2008.

[3] 國家標準：GB 14048.2-2008低壓開關設備和控制設備 第2部分:斷路器,2008.