用于智能塑殼斷路器的交直流分勵(lì)模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)

段艷艷

（浙江德力西國(guó)際電工有限公司 杭州 310024）

引言

分勵(lì)脫扣器在電子式塑殼斷路器中雖然作為附件為用戶選擇，但在用電安全保護(hù)中有著重要的作用，特別是消防用電系統(tǒng)。分勵(lì)脫扣器作為塑殼斷路器的附件必須滿足斷路器的電磁兼容性的全部規(guī)定[1]，在首先滿足斷路器的電磁兼容性的前提下，還必須符合低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備總則中之規(guī)定[2]，在額定控制電源電壓的（70～110）%（交流在額定頻率下）范圍內(nèi)，在電器規(guī)定的所有工作條件下分勵(lì)脫扣器應(yīng)發(fā)生動(dòng)作，可靠使斷路器斷開(kāi)，與時(shí)間繼電器配合使用時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)遠(yuǎn)距離控制斷路器的分?jǐn)?。斷路器?dòng)作后，分勵(lì)脫扣線圈應(yīng)不再導(dǎo)通，所以使分勵(lì)脫扣器動(dòng)作的電平應(yīng)是一定寬度的脈沖信號(hào)，此種脈寬控制，可以使遠(yuǎn)距離控制按鍵或命令不受導(dǎo)通時(shí)間限制。

本設(shè)計(jì)使分勵(lì)脫扣器在特殊場(chǎng)合的應(yīng)用更加安全可靠：在消防用電電路設(shè)計(jì)中，一方面要保證消防用電負(fù)荷的用電可靠性，另一方面還要避免非消防線路在火災(zāi)情況下發(fā)生短路、過(guò)載引發(fā)次生災(zāi)害并保證消防隊(duì)員的安全。這就涉及到了怎樣在火災(zāi)時(shí)切除非消防負(fù)荷，分勵(lì)脫扣器常用在遠(yuǎn)距離自動(dòng)斷電的控制上，現(xiàn)在用的最多的就是消防控制室切斷非消防電源。民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定[3]，在遇到火災(zāi)時(shí)，應(yīng)采用消防聯(lián)動(dòng)控制、集中控制、分散與集中相結(jié)合控制。但無(wú)論采用何種方式，應(yīng)將分勵(lì)脫扣器的控制電源和按鈕開(kāi)關(guān)安裝在消防控制室，并明確規(guī)定了設(shè)有消火栓按鈕控制回路的電壓不宜采用230 V或大于50 V的交直流電壓，因?yàn)樵谑褂孟鹚〞r(shí)可能有大量水從箱內(nèi)溢出，弄濕整個(gè)箱體，不慎會(huì)使消火栓箱或消防龍帶電傷及消防人員。為人身安全，在《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，消防聯(lián)動(dòng)裝置應(yīng)采用直流24 V電壓。

1 現(xiàn)狀

目前塑殼斷路器配有兩種分勵(lì)脫扣器，按分勵(lì)脫扣器主要工作原理分，一種是利用交流脫扣線圈和微動(dòng)開(kāi)關(guān)組合的工作方式（為便于區(qū)分簡(jiǎn)稱AC型），另一種是由外接電源降壓后用直流脈沖驅(qū)動(dòng)直流脫扣線圈動(dòng)作的工作方式（簡(jiǎn)稱DC型）見(jiàn)圖1。

圖1 分勵(lì)模塊主要工作方式

AC型按供電電壓分有AC230 V、AC400 V、AC/DC110 V、DC24 V。當(dāng)用戶需要用DC24 V分勵(lì)脫扣器，需加裝DC24 V繼電器擴(kuò)容。

AC型使用中的缺陷：一是穩(wěn)定性較差，除了線圈工作的不穩(wěn)定性引起外，還有分勵(lì)脫扣器中微動(dòng)開(kāi)關(guān)和彈片同本機(jī)結(jié)構(gòu)件的配合度要求達(dá)不到引起拒動(dòng)；二是斷路器空間限制，部分殼架需要增加其它輔助裝置時(shí)，空間位置不夠。三是當(dāng)控制電源為DC24 V，還需要增加直流繼電器，而在實(shí)際使用中有用戶反映分勵(lì)脫扣器動(dòng)作不穩(wěn)定，經(jīng)查詢分析，當(dāng)DC24 V電源距離斷路器較遠(yuǎn)時(shí)，DC24 V的線損會(huì)影響繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)的可靠吸合，從而導(dǎo)致分勵(lì)線圈工作不穩(wěn)定。

DC型研發(fā)的可行性：主要是為解決電子式塑殼斷路器中AC型分勵(lì)脫扣器的使用缺陷，同時(shí)當(dāng)用戶需要DC24 V分勵(lì)脫扣器時(shí)，無(wú)需再加裝DC24 V繼電器。DC型三種工作電源可用同一個(gè)模塊，用戶只需根據(jù)模塊接線柱電源指示接線即可。目前電子式塑殼斷路器內(nèi)已具有脫扣器，DC型分勵(lì)脫扣器動(dòng)作執(zhí)行部件具備借用的條件，只需借助斷路器內(nèi)部脫扣器，執(zhí)行分勵(lì)命令發(fā)給脫扣器即可。

2 DC型分勵(lì)脫扣器方案考慮

目前市場(chǎng)上使用的DC型分勵(lì)脫扣器方案大都是電源降壓后產(chǎn)生穩(wěn)壓低電壓供單片機(jī)工作，利用軟件編程，單片機(jī)采集上電信號(hào)后，發(fā)固定脈沖電平驅(qū)動(dòng)TTL管或MOS管帶動(dòng)電子塑殼斷路器內(nèi)部的脫扣器動(dòng)作，使斷路器執(zhí)行分?jǐn)嗖僮?。這種方案因技術(shù)成熟實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較快捷，但因其內(nèi)部有單片機(jī)，對(duì)使用環(huán)境要求會(huì)較高，且裝配、調(diào)試、檢測(cè)等生產(chǎn)工序要求也會(huì)較多，導(dǎo)致生產(chǎn)成本偏高?？紤]到產(chǎn)品功能單一，為提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，此方案不是最佳。以前市場(chǎng)上也有利用單一的模擬電路的方案實(shí)現(xiàn)分勵(lì)動(dòng)作的，但其電路電壓檢測(cè)及驅(qū)動(dòng)脫扣器動(dòng)作的脈沖電壓主要是依據(jù)電容上電、掉電特性實(shí)現(xiàn)，而一般的電容價(jià)格便宜，但其容值波動(dòng)范圍大，特別是長(zhǎng)期工作后受溫度影響其容值會(huì)有較大變化，這會(huì)導(dǎo)致分勵(lì)脫扣器的工作條件偏離出廠時(shí)的檢驗(yàn)要求，進(jìn)一步導(dǎo)致工作的不穩(wěn)定。綜合考慮兩種方案及產(chǎn)品在市場(chǎng)的實(shí)際使用情況，提出并實(shí)現(xiàn)了新的方案。新方案中利用了電壓檢測(cè)集成塊及脈沖發(fā)生器，不論是脫扣器的動(dòng)作電源還是驅(qū)動(dòng)脫扣器動(dòng)作的脈沖都得到了技術(shù)參數(shù)上的可靠保證。

3 DC分勵(lì)脫扣器方案設(shè)計(jì)

供電電源，電源選擇根據(jù)用戶需求有AC230 V、AC400 V、AC/DC110 V、DC24 V，所以電源電路設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足五種電源供電要求。分勵(lì)脫扣器主要確保在一定額定工作電壓范圍內(nèi)使脫扣器可靠動(dòng)作，參考電子式塑殼斷路器在單相0.5 In的額定情況下，需可靠工作，而斷路器內(nèi)互感器二次側(cè)電流此時(shí)大概30 mA左右，再加上電容預(yù)儲(chǔ)能，脫扣器就會(huì)穩(wěn)定可靠工作。再考慮電源回路上的自損耗及脫扣器工作時(shí)的最大功耗，電源功率不需太大，預(yù)設(shè)計(jì)在（2～3）W即可，經(jīng)多次各種電壓范圍內(nèi)測(cè)試證明，DC型分勵(lì)模塊設(shè)計(jì)在此功率內(nèi)完全可以滿足產(chǎn)品可靠工作。

3.1 DC分勵(lì)脫扣器電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電路設(shè)計(jì)功能圖如圖2，開(kāi)關(guān)電源部分是常規(guī)電路，不再詳細(xì)介紹，針對(duì)電壓穩(wěn)壓檢測(cè)及脈沖產(chǎn)生調(diào)控電路作闡述。

圖2 分勵(lì)模塊原理導(dǎo)圖

3.1.1 電壓檢測(cè)、穩(wěn)壓電路

不論DC分勵(lì)模塊供電電壓是五中電源中的哪一種，都需要經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓檢測(cè)，如果沒(méi)有電壓檢測(cè)，分勵(lì)模塊上電瞬間會(huì)給電子脫扣器驅(qū)動(dòng)電路發(fā)一脈沖電平，使脫扣電路導(dǎo)通，但又因?yàn)樯想娝查g脫扣電壓不穩(wěn)，脫扣回路電流不充足，脫扣器容易處在抖動(dòng)狀態(tài)。電壓檢測(cè)及穩(wěn)壓電路如圖3。功能主要有電壓檢測(cè)集成塊HT7027A和自鎖穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)。HT7027A是一組采用 CMOS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三端低功耗電壓檢測(cè)器,高輸入電壓范圍 （高達(dá) 30 V），輸出電壓精度：±3 %，靜態(tài)電流：3 μA，低溫度系數(shù)。其電壓檢測(cè)器能檢測(cè)固定的電壓，范圍從 2.2 V 到 5.0 V。電壓檢測(cè)器由高精度低功耗的標(biāo)準(zhǔn)電壓源、比較器、遲滯電路以及輸出驅(qū)動(dòng)器組成。采用CMOS 技術(shù)制造，因而確保了低功率消耗。當(dāng)電壓低于脫扣器動(dòng)作電壓時(shí)，HT7027處于復(fù)位狀態(tài)，輸出低電平，NPN三極管Q5發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏，Q5處于反向截止?fàn)顟B(tài)；P溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q3控制門(mén)處于高電平截止，脫扣器處于失電狀態(tài)，不會(huì)動(dòng)作，同時(shí)PNP三極管Q2處于反向截止?fàn)顟B(tài)，Q5繼續(xù)保持反向截止?fàn)顟B(tài)，Q3穩(wěn)定在截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)隨著主回路電壓電流逐漸穩(wěn)定，HT7027輸出腳輸出高電平，Q5發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，Q5處于導(dǎo)通狀態(tài)；Q3控制門(mén)處于低電平，Q3導(dǎo)通，脫扣器供電電源正常，同時(shí)Q2發(fā)射結(jié)反正偏，集電結(jié)正偏，Q2導(dǎo)通，Q5基集電平處于更加高穩(wěn)定狀態(tài)，Q3也處于持續(xù)穩(wěn)定導(dǎo)通脫狀態(tài)，脫扣器工作電源持續(xù)穩(wěn)定，從外接電源接通到脫扣器電源正常波形圖如圖4。

圖3 電壓檢測(cè)及穩(wěn)壓電路

圖4 工作電源啟動(dòng)輸出波形

3.1.2 脈沖產(chǎn)生電路

脈沖產(chǎn)生電路是主要有脈沖發(fā)生器NE555組成[4]，如圖5，產(chǎn)生脈沖寬度主要有R5、C7數(shù)值選擇有關(guān)，不帶負(fù)載時(shí)脈寬計(jì)算公式可參考T=1.1*R5*C7，負(fù)載大小不同時(shí)，有效脈寬會(huì)有不同程度的減少，這需要根據(jù)實(shí)際負(fù)載調(diào)整。用可調(diào)直流源摸底測(cè)試脫扣器動(dòng)作脈沖，如圖6，可知電壓越高，動(dòng)作脈沖越窄，把脫扣器供電電壓調(diào)整到12 V±20 %，測(cè)得脫扣器穩(wěn)定動(dòng)作脈沖需大于等于8 ms，考慮到量產(chǎn)后的脫扣器動(dòng)作脈沖會(huì)有波動(dòng)，調(diào)整C7參數(shù)，使有效脈沖寬度在（50～80）ms之間，經(jīng)過(guò)多次頻繁上電掉電操作，脫扣器都可以無(wú)抖動(dòng)的穩(wěn)定動(dòng)作。在批量摸底測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)如果脈沖寬度較大，例如大于100 ms，DC分勵(lì)模塊電源燈有閃爍現(xiàn)象。原因分析，是脫扣器線圈內(nèi)阻較小，脫扣線圈如果導(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，回路電流需求就會(huì)較大，脫扣器電源的儲(chǔ)能電容也已無(wú)法滿足要求，回路輸出電壓降低，電源指示燈熄滅；回路電壓降低后，脫扣器驅(qū)動(dòng)回路不再處于導(dǎo)通狀態(tài)，回路輸出電源又升高，電源指示燈亮，用示波器觀察脫扣器工作電源波形，會(huì)發(fā)現(xiàn)電源有跌落又穩(wěn)定的重復(fù)過(guò)程。

圖5 脈沖產(chǎn)生電路

圖6 動(dòng)作脈沖寬度測(cè)量

4 總結(jié)

DC型分勵(lì)模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是解決老產(chǎn)品在市場(chǎng)使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及降低生產(chǎn)成本。對(duì)比使用單片機(jī)方案，成本有明顯降低，同時(shí)提升了分勵(lì)脫扣器安全工作電壓范圍，外接交流電壓時(shí)采用了開(kāi)關(guān)電源方案，大大提高了產(chǎn)品工作效率，所以產(chǎn)品安全工作電壓范圍充分滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之要求；外接DC24 V時(shí)，電壓線損降到到63 % 時(shí)，脫扣器依然可以穩(wěn)定工作，滿足了斷路器長(zhǎng)距離接入消防系統(tǒng)的需求。