預(yù)付費(fèi)電能表用斷路器控制器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)

范 建 國(guó)

(上海良信電器股份有限公司, 上海 201206)

0 引 言

隨著智能費(fèi)控系統(tǒng)的推廣普及,作為配套產(chǎn)品的預(yù)付費(fèi)電能表用斷路器也被大量應(yīng)用。作為整個(gè)費(fèi)控系統(tǒng)中執(zhí)行供電或斷電的關(guān)鍵部件,其重要性不言而喻。如果預(yù)付費(fèi)電能表用斷路器在使用過程中出現(xiàn)可靠性問題,譬如欠費(fèi)不分閘、有費(fèi)誤分閘等,就對(duì)用戶、電網(wǎng)公司造成很大的損失。而預(yù)付費(fèi)電能表用斷路器的可靠性很大程度上取決于斷路器中控制器可靠性的高低[1-3]。

近幾年,隨著預(yù)付費(fèi)電能表用斷路器的批量應(yīng)用,針對(duì)該產(chǎn)品技術(shù)的研究逐漸增多。文獻(xiàn)[4]研究了一種能自動(dòng)分/合閘及通信的控制器,實(shí)現(xiàn)了基本的預(yù)付費(fèi)控制功能。文獻(xiàn)[5]提出了預(yù)付費(fèi)電能表用斷路器控制器的電路優(yōu)化設(shè)計(jì),但未提及與電機(jī)的匹配設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6]提出基于STM8芯片的預(yù)付費(fèi)自動(dòng)分/合閘控制系統(tǒng)。

本文依據(jù)Q/GDW 11421—2015《電能表外置斷路器技術(shù)規(guī)范》[2]的要求,提出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)階段模型的理念?；谠摾砟?深入分析了電源、驅(qū)動(dòng)及與負(fù)載匹配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。電源設(shè)計(jì)在滿足功耗的基礎(chǔ)上,要匹配斷路器分、合過程中最大功率的需求,以及電容參數(shù)ESR的選擇對(duì)低溫動(dòng)作的影響。驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)采用成本、體積更具優(yōu)勢(shì)的H橋芯片,利用芯片具備的停止、剎車模式進(jìn)行靈活的產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)控制。與傳統(tǒng)預(yù)付費(fèi)斷路器相比,采用該方法設(shè)計(jì)的產(chǎn)品除了體積小、成本低、功耗低、可靠性高之外,可以從根本上解決低溫產(chǎn)品動(dòng)作不穩(wěn)定的問題。

1 電能表外置斷路器系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

電能表外置斷路器在智能費(fèi)控系統(tǒng)中的主要作用是根據(jù)用戶有無欠費(fèi),控制供電回路的自動(dòng)斷開及接通,以及對(duì)供電回路過載、短路故障的保護(hù)[7]。外置斷路器的輸入控制信號(hào)是有無欠費(fèi)的狀態(tài)信息,輸出是回路的斷開、接通及相對(duì)應(yīng)的反饋信息,斷路器的自動(dòng)分合操作采用電機(jī)加齒輪傳動(dòng)的方式。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。C端即為有無欠費(fèi)的狀態(tài)信息,F端即為輸出回路反饋信息,執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電機(jī)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。斷路器中控制器主要由電源、MCU控制、位置檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、外部控制信號(hào)采樣等部分組成,控制器原理框圖如圖2所示。母線電源AC 230 V經(jīng)過整流、濾波轉(zhuǎn)變?yōu)槠交绷?電源控制電路確定后端電源電路的開/關(guān)工作狀態(tài),電源電路實(shí)現(xiàn)主電壓的降壓;外部控制信號(hào)即為費(fèi)控狀態(tài)信息,通過采樣電路實(shí)現(xiàn)備用電壓的降壓及費(fèi)控信號(hào)的采集;電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)及位置檢測(cè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)合閘/分閘;MCU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、計(jì)算、判斷、控制及驅(qū)動(dòng)等核心功能。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 控制器原理框圖

2 電能表外置斷路器控制器電源設(shè)計(jì)

為了滿足Q/GDW 11421—2015中4.2.13“控制單元合閘后,每相線消耗的穩(wěn)態(tài)電流應(yīng)小于0.2 mA”的要求,電源電路如圖3所示。母線電源AC 230 V經(jīng)過R1與RV1組成的浪涌抑制回路后再經(jīng)過VD1、VD2、C1整流及濾波,形成平滑的直流波形供DC/DC芯片U1進(jìn)行降壓變換。R6、R7、VT1、R8、C4組成了電源開/關(guān)控制電路,通過MCU系統(tǒng)對(duì)IO信號(hào)的控制,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品分/合閘時(shí)啟動(dòng)開關(guān)電源工作,穩(wěn)態(tài)工作時(shí)則關(guān)斷開關(guān)電源確保低功耗指標(biāo)的要求。R2、R3、VD4、C3建立的VSample信號(hào)除了供電源開/關(guān)控制電路使用,還作為系統(tǒng)電源的采樣信號(hào),與費(fèi)控采樣信號(hào)組合使用形成可靠的邏輯判斷。

圖3 電源電路

根據(jù)產(chǎn)品合/分閘所需的最大轉(zhuǎn)矩確定電機(jī)的選型,通過分析合/分閘過程電機(jī)的電流發(fā)現(xiàn)合閘過程的參數(shù)要求為關(guān)鍵因素,進(jìn)一步分析產(chǎn)品合閘過程的電機(jī)電流,可以得出合閘過程的細(xì)分階段。電機(jī)驅(qū)動(dòng)階段模型如圖4所示。A階段:啟動(dòng);B階段:空載運(yùn)行,由于空載轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)轉(zhuǎn)速增加,慣性增加;C 階段:產(chǎn)品合閘;D 階段:停車或剎車狀態(tài)。由圖4分析可知,啟動(dòng)階段近似堵轉(zhuǎn)過程,電流出現(xiàn)瞬態(tài)峰值,該階段對(duì)電源的峰值功率要求較高,是電源關(guān)鍵參數(shù)選擇的重要依據(jù)。空載運(yùn)行階段電流相對(duì)平穩(wěn)且所需功率偏低,直觀上分析對(duì)電源參數(shù)的設(shè)計(jì)影響不大,但實(shí)際上此階段電機(jī)產(chǎn)生的慣量將影響到合閘階段的參數(shù),也即影響電源的參數(shù)設(shè)計(jì)。合閘階段對(duì)電源的穩(wěn)態(tài)功率要求較高,需要電源設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的穩(wěn)態(tài)功率匹配。D階段可分為兩種模式:圖4中是剎車模式,可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的準(zhǔn)確定位或短時(shí)反轉(zhuǎn)需求;停車模式即電機(jī)自由停車,將不會(huì)出現(xiàn)圖4中的尖峰電流,實(shí)際應(yīng)用需要根據(jù)產(chǎn)品的動(dòng)作要求進(jìn)行合理選擇。D階段主要也是考慮電源的峰值功率參數(shù)。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)階段模型

實(shí)際設(shè)計(jì)中,按照產(chǎn)品理論轉(zhuǎn)矩及對(duì)照電機(jī)參數(shù)表所查看到的對(duì)應(yīng)電流,會(huì)比實(shí)測(cè)的電流要大。分析合閘過程波形可得,B階段的存在,電機(jī)啟動(dòng)后,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致在合閘過程有一段時(shí)間是空載,電機(jī)轉(zhuǎn)速快速增加,到達(dá)電機(jī)合閘階段(C階段)。由于電機(jī)慣量的存在,所以實(shí)際所需的電源輸出功率減小。如實(shí)際中產(chǎn)品A的轉(zhuǎn)矩是產(chǎn)品B的2倍,而通過實(shí)測(cè)電機(jī)峰值電流波形計(jì)算,功率約增大50%,因此電源設(shè)計(jì)時(shí),功率參數(shù)需要結(jié)合電機(jī)理論階段模型及實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù),進(jìn)行合理的調(diào)整和優(yōu)化。

以實(shí)際案例進(jìn)行計(jì)算分析,實(shí)測(cè)產(chǎn)品合閘過程直流電機(jī)電流如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)產(chǎn)品合閘過程直流電機(jī)電流

電源設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)需要關(guān)注其他因素的影響,① 低溫環(huán)境:由于低溫下電機(jī)線圈阻抗及電容ESR的影響,峰值電流會(huì)上升,大約是常溫下的1.3倍,故要考慮合理的功率余量;② 產(chǎn)品傳動(dòng)特性:若產(chǎn)品空載運(yùn)行階段距離變化,則電源功率需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

此外,可以使用軟件的方法降低對(duì)電源的要求,如采取軟啟動(dòng)的方式,程序如圖6所示。

unsigned char duty;

for(duty=1;duty<8;duty++)

{

MotorForward();

while(g_Flag==0);

g_Flag = 0;

MotorStop();

Delay200us(20);

MotorForward();

while(g_Flag==0);

g_Flag = 0;

MotorStop();

Delay200us(10);

MotorForward();

}

圖6 程序

3 電能表外置斷路器控制器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)采用體積、成本更具優(yōu)勢(shì)的H橋芯片,內(nèi)置的剎車功能可提供精準(zhǔn)定位的設(shè)計(jì)需求?？刂破黩?qū)動(dòng)(順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))如圖7所示。當(dāng)VT1管和VT4管導(dǎo)通時(shí),電流從電源正極經(jīng)VT1從左至右穿過電機(jī),然后再經(jīng)VT4回到電源負(fù)極。該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。控制器驅(qū)動(dòng)(逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))如圖8所示。當(dāng)VT2管和VT3管導(dǎo)通時(shí),電流將從右至左流過電機(jī),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)(電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針方向)。

圖7 控制器驅(qū)動(dòng)(順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))

圖8 控制器驅(qū)動(dòng)(逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))

常規(guī)的的H橋電路有3個(gè)邏輯:正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/停止,而集成芯片一般多出一個(gè)剎車的狀態(tài)邏輯。停止及剎車的區(qū)別:停止控制,只是關(guān)閉H橋中的控制管,停止給電機(jī)供電,但電機(jī)運(yùn)動(dòng)慣性,仍會(huì)繼續(xù)滑行,滑行距離與沖量有關(guān);剎車不僅斷電,而且控制電機(jī)的能量釋放,用于精準(zhǔn)定位?？刂七壿嬋绫?所示。采用剎車控制模式時(shí),有很大的反向能量需要釋放,故出現(xiàn)D階段峰值電流,因此反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),需要確認(rèn)能量釋放后再進(jìn)行操作,以免對(duì)電源產(chǎn)生較大沖擊而影響動(dòng)作特性。剎車模式除了精準(zhǔn)定位外,也可應(yīng)用于停車短時(shí)反轉(zhuǎn)的需求,避免直接反轉(zhuǎn)對(duì)電源造成的沖擊。如采用停車模式,D階段將消失。

表1 控制邏輯

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出電機(jī)驅(qū)動(dòng)階段模型的理念,基于該理念對(duì)外置斷路器控制器電源、驅(qū)動(dòng)及負(fù)載匹配的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和計(jì)算,確定了影響產(chǎn)品控制器可靠性的關(guān)鍵因素,保證了產(chǎn)品在符合標(biāo)準(zhǔn)情況下長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性,徹底解決了低溫產(chǎn)品動(dòng)作不穩(wěn)定的問題。通過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試及實(shí)際應(yīng)用,產(chǎn)品在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上,具有體積小、成本低、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),特別是解決了-40 ℃低溫動(dòng)作特性?？偨Y(jié)如下:

(1) 外置斷路器控制器的設(shè)計(jì)首先要確定清楚驅(qū)動(dòng)對(duì)象的具體參數(shù),即電機(jī)的參數(shù),電機(jī)的參數(shù)曲線要匹配好產(chǎn)品工作過程轉(zhuǎn)矩、速度的要求及效率最大化。

(2) 電源的設(shè)計(jì)務(wù)必要分析清楚負(fù)載動(dòng)作過程的每個(gè)階段(電機(jī)驅(qū)動(dòng)階段模型)以及對(duì)每個(gè)階段動(dòng)作參數(shù)影響的因素,設(shè)計(jì)時(shí)瞬態(tài)參數(shù)與穩(wěn)態(tài)參數(shù)要兼顧考慮;同時(shí)還要分析產(chǎn)品受環(huán)境影響參數(shù)的變化要求。

(3) 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)仍然是以負(fù)載的動(dòng)作過程為基礎(chǔ),選用H橋集成芯片,體積、成本更具優(yōu)勢(shì)。采用芯片自帶的剎車功能,可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確定位及保障了短時(shí)反轉(zhuǎn)運(yùn)行的可靠性。