高可靠低功耗的電磁欠壓脫扣器的研究和設(shè)計

張國明,陳 閩（三信國際電器上海有限公司,201209）

高可靠低功耗的電磁欠壓脫扣器的研究和設(shè)計

張國明,陳 閩
（三信國際電器上海有限公司,201209）

為提高欠壓脫扣器的可靠性和降低產(chǎn)品功耗，采用了雙濾波和雙采集形式的電路模式。對欠壓脫扣器的工作原理進行了分析和相應(yīng)電路的設(shè)計，并對生產(chǎn)上的一些關(guān)鍵技術(shù)工藝提出了要求。

電磁欠壓脫扣器；勵磁線圈；電路設(shè)計

0 引言

隨著我國電力工業(yè)中城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)的改造，以及低壓配電系統(tǒng)自動化程度的不斷提高。低壓配電產(chǎn)品配備電氣附件越來越普遍，欠壓脫扣器就是低壓配電系統(tǒng)中的一種重要電氣附件之一。已被廣泛應(yīng)用于檢測、低壓保護以及電力系統(tǒng)監(jiān)測中。因欠壓脫扣器一直處于工作狀態(tài)，電磁線圈容易發(fā)熱，影響產(chǎn)品工作的穩(wěn)定性和使用壽命等。而發(fā)熱主要源于工作狀態(tài)的較大的額定工作電流。因此降低額定工作電流，可以控制電磁線圈發(fā)熱現(xiàn)象，有效地延長電氣使用壽命。

1 欠壓脫扣器的基本要求和工作原理

欠壓脫扣器作為低壓斷路器中的重要元件之一，對欠壓—分閘起著關(guān)鍵性作用。按照GB14048.1-2006《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分 總則》中對欠壓脫扣器的定義和性能的規(guī)定：欠電壓繼電器或脫扣器是指當(dāng)繼電器或脫扣器的端電壓降至預(yù)定值時，使機械開關(guān)電器有延時或無延時斷開或閉合的繼電器或脫扣器。欠電壓繼電器或脫扣器與開關(guān)電器組合在一起，當(dāng)外施電壓下降，甚至緩慢下降至額定電壓的70%至35%范圍內(nèi)，與開關(guān)電器組合一起的欠電壓繼電器和脫扣器應(yīng)動作，使電器斷開。當(dāng)外施電壓低于欠壓繼電器或脫扣器的額定電壓的35%時，欠壓繼電器或脫扣器應(yīng)防止電器閉合。當(dāng)電源電壓等于或高于其額定電壓的85%時，欠壓繼電器或脫扣器應(yīng)保證電器能閉合。

電磁式欠壓脫扣器是基于電磁鐵原理。利用通電的線圈產(chǎn)生的電磁力來克服反作用彈簧的反彈力，從而使低壓電器產(chǎn)品得以保持正常的工作狀態(tài)。當(dāng)電磁力不能抵消反作用彈簧的反彈力（即出現(xiàn)欠壓）時，反力彈簧拉動銜鐵，推動產(chǎn)品的脫扣機構(gòu)，達(dá)到斷開電路，保護家用電器的目的。

2 欠壓脫扣器的整體設(shè)計

為了降低電磁線圈的電流，欠壓脫扣器采用永磁鐵和電磁線圈共同作用來克服反作用彈簧的彈簧力。使勵磁線圈產(chǎn)生的電磁力的方向與永磁鐵產(chǎn)生的吸力方向相同。而與反作用彈簧產(chǎn)生的反彈力方向相反。這樣一來就可以通過調(diào)節(jié)電磁鐵的磁力大小來控制產(chǎn)品的工作狀態(tài)。通過減小永磁鐵吸力和反作用彈簧彈的彈力之間的相對差值，來降低電磁鐵的勵磁線圈的工作電流，從而達(dá)到降低功耗的目的。

2.1 電磁欠壓脫扣器工作分析

脫扣器主要由勵磁線圈、磁軛、銜鐵、永久磁鐵、反作用力彈簧及推桿等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電磁脫扣器結(jié)構(gòu)簡圖

在圖中，永久磁鐵是由磁鋼制成，磁鋼通過充退磁校準(zhǔn)保留一定量的剩磁量。使磁鋼沿磁軛所產(chǎn)生的吸力與反作用彈簧的反力比較接近，形成一個固定的差值ΔF，勵磁線圈是由具有一定絕緣強度的漆包線繞制而成，使勵磁線圈在規(guī)定的電壓下能夠產(chǎn)生相對于ΔF的電磁吸力。

永久磁鐵沿磁軛的吸力Fm和勵磁線圈產(chǎn)生的電磁力FP之合力與反作用彈簧的反力FS形成了一對作用力和反作用力。在電路正常電壓下，欠壓脫扣器的銜鐵，在永久磁鐵所產(chǎn)生的吸力Fm和勵磁線圈所產(chǎn)生的電磁力FP的共同作用將其牢牢地吸持在磁軛的極面上。此時永久磁鐵吸力Fm和勵磁線圈的電磁吸力FP之和大于反作用彈簧對銜鐵的反力FS，因此銜鐵能可靠地吸持在磁軛的極面上。當(dāng)電路出現(xiàn)欠壓時，欠壓脫扣器的勵磁線圈的電磁吸力FP減小或消失，此時反作用彈簧力FS大于永磁鐵的吸力Fm和電磁吸力FP之和，從而銜鐵就在彈簧反作用力FS的作用下釋放，推動產(chǎn)品脫扣。其力的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 脫扣器銜鐵作用關(guān)系圖

2.2 控制電路設(shè)計

為了盡可能地簡化控制電路，研究高可靠性和低功耗電磁欠壓脫扣器。電子控制部分主要采用了雙濾波電路、雙采集和控制電路，在滿足欠壓脫扣器的功能的基礎(chǔ)上，又降低功耗，有效地延長了使用壽命。具體電路圖如圖3所示。

圖3 欠壓脫扣器電子電路

在圖中，電路主要由EMC抑制電路、整流電路、濾波電路、采樣電路、驅(qū)動電路及其三極管等組成。其中R1是壓敏電阻，可以有效地抑制干擾實現(xiàn)電磁兼容；VD1-VD4構(gòu)成橋式整流橋，全波整流形成脈動直流電壓；C1、C2是濾波電容，本設(shè)計采用大電容和小電容相結(jié)合的雙電容濾波技術(shù)，可以有效地降低脈動波紋系數(shù)和提升高效平滑的直流輸出，R2是限流電阻，串聯(lián)在電路中有效地降低了輸入電壓和額定工作狀態(tài)的電流；VD5穩(wěn)壓二極管，選擇合適的耐壓值的穩(wěn)壓管與后端電路組合，可以有效地設(shè)置欠壓脫扣器的欠壓閾值電壓；R3、R4為采樣分壓電路，為三極管提供合適的基極工作電壓，同時也是采樣電路的組成部分，與穩(wěn)壓管相結(jié)合實現(xiàn)兩級采樣電路，不僅可以使得欠壓采樣信號更為準(zhǔn)確，而且可以更有效地控制電路的額定工作電流；C3是延時電容，根據(jù)電容放電時間公式

t = RC*Ln[（V1-V0）/（V1-Vt）]

式中：V0為電容上的初始電壓值；

V1為電容最終可充到或放到的電壓值；

Vt為t時刻電容上的電壓值。

從公式中可以看出隨著電容值得增大，延時時間也隨著變長。從而根據(jù)不同的延時時間要求選擇合適容值的電容。

3 生產(chǎn)和設(shè)計工藝要求

在日常的生產(chǎn)和使用過程中有一些會導(dǎo)致產(chǎn)品無法正常工作的問題，如產(chǎn)品誤動作，產(chǎn)品易損壞等。下面僅對一些常見的原因進行粗略分析和相對應(yīng)的生產(chǎn)工藝要求。

3.1 執(zhí)行部分的工藝要求

在交流欠壓脫扣器中，如：①欠壓脫扣器在使用過程中有噪聲，其原因可能是磁軛和銜鐵的吸合面磨削不平或生產(chǎn)裝配過程中吸合面有雜質(zhì)，使吸合面不能完全良好地吸合，導(dǎo)致導(dǎo)磁通路不暢；②勵磁線圈繞制不均勻或松緊不一致，當(dāng)電路中電流有微小的波動時，對電磁力會有較大的影響；③如果脫扣器的密閉性不好，在使用過程中灰塵可能進入粘附在銜鐵工作面上，導(dǎo)致產(chǎn)品使用不良等。因此在生產(chǎn)過程中要求：①脫扣器產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境要求在潔凈工作室，生產(chǎn)人員要統(tǒng)一穿戴防塵服裝，規(guī)范生產(chǎn)操作流程；②產(chǎn)品零配件采用高精度設(shè)計，使零配件配合尺寸盡可能地最小化。

3.2 電路部分設(shè)計基本原則和注意事項

除了元器件的選擇和電路設(shè)計之外，良好的印制電路板（PCB）設(shè)計在電磁兼容性中也是一個非常重要的因素。PCB 中EMC設(shè)計的關(guān)鍵是，盡可能減小回流面積，讓回流路徑按照設(shè)計的方向流動。具體的設(shè)計有：

(1) 在線路板PCB的布線上，盡量使高壓與低壓部分分開、頂層與底層走線方向盡量垂直，以減小相互之間的干擾；

(2) 在空間的布置上，因功率元件產(chǎn)熱比較大，要留足空間，有利于工作過程中的產(chǎn)品散熱；

(3) 電子元件的選材上要盡量選取高精度，低誤差的元器件；

(4) 在成品后，對整體產(chǎn)品做老化實驗，在電子元器件運行一定的時間后再次校驗產(chǎn)品的性能，嚴(yán)格FQC檢驗，使欠壓脫扣器故障得到了很好的控制，用戶給予充分的肯定。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的高可靠，地功耗電磁欠壓脫扣器方案整體功耗低，額定工作電流2-4mA，采樣精度高，EMC抗干擾能力強。在電壓波動比較大、線路比較復(fù)雜的電網(wǎng)中，采用低壓斷路器配備欠壓脫扣裝置附件是比較合理的選擇。

[1] GB 14048.1-2006/IEC 60947-1:2001低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分：總則[S]．

[2] GB 14048.2-2008/IEC 60947-2:2006低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第2部分：斷路器[S]．

[3] 吳志祥,周祥才,嚴(yán)曉芬.高可靠永磁欠壓脫扣器的研究與設(shè)計[J].低壓電器,2013(14):28-31.

[4] 王永忠.斷路器欠壓脫扣器的優(yōu)化設(shè)計[J].低壓電器,2012(2):17-19.

[5] 侯根發(fā).電磁式漏電開關(guān)中的漏電脫扣器[J].1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.38-44.

Research and Design of Highly Reliable and low-power Electromagnetic Under Voltage Release

Zhang Guoming,Chen Min
(SASSIN International Electric Shanghai Co.,Ltd.,Shanghai,201209)

In order to improve the reliability of the undervoltage release and reduce the power consumption, we use the dual filtering and dual capture circuit mode.Analysis the working principle of the undervoltage release,designe the circuit accordingly,and put forward the requirements of the key technical process in production process.

Electromagnetic undervoltage release;Excitation coil;Circuit design

張國明（1984-），男，碩士研究生，研究方向智能電器，現(xiàn)場總線技術(shù)。

陳閩（1982-），男，碩士研究生，研究方向機械設(shè)計，低壓電器方向。