CN104269819A - 一种电磁型欠压脱扣器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁型欠压脱扣器，包括滤波电路、全桥整流电路、采样电路、单片机电路、驱动电路、电磁铁和为单片机电路、驱动电路供电的电源电路，所述的滤波电路的电源输入端与电网相连，所述的滤波电路的输出端与全桥整流器的输入端相连，所述的全桥整流器输出端分别与电磁铁的一端、电源电路的输入端及采样电路的输入端相连，所述的电源电路的一输出端与单片机电路相连，所述的电源电路的另一输出端与驱动电路相连，所述的采样电路的输出端与单片机电路相连，所述的单片机电路的输出端与驱动电路相连，所述的驱动电路与电磁铁的线圈绕组相连。本发明一种电磁型欠压脱扣器，在不增加电路成本的前提下、吸合可靠，运行安全、线圈发热量小、能实现欠压瞬时脱扣与欠压延时脱扣。

Description

一种电磁型欠压脱扣器

技术领域

本发明涉及低压电器脱扣器领域，尤其涉及一种电磁型欠压脱扣器。 

背景技术

欠压脱扣器是断路器，尤其是框架式断路器的重要元件之一。欠电压脱扣器是在它的端电压降至某一规定范围时，使断路器有延时或无延时断开的一种脱扣器，当电源电压下降，甚至缓慢下降到额定工作电压的70％至35％范围内，欠电压脱扣器应运作，欠电压脱扣器在电源电压等于脱扣器额定工作电压的35％时，欠电压脱扣器应能防止断路器闭全，脱扣器线圈失电，线圈内活动衔铁有复位弹簧顶出—脱扣；电源电压等于或大于85％欠电压脱扣器的额定工作电压时，在热态条件下，应能保证断路器可靠闭合，脱扣器线圈得电，线圈内活动衔铁有线圈电磁力克服弹簧力吸入并保持一定力矩—吸合。欠压脱扣的本质，是防止断路器下级电器设备工作在欠压状态下电流过大后，电器设备自身发热加重的有效措施。 

现有电磁型欠压脱扣器普遍存在线圈发热量高，欠压脱扣器启动力矩小或电路过于复杂等问题；特别是越来越小型化的断路器的要求，欠压脱扣器也小型化。小型化的欠压脱扣器多半以塑料件为线圈骨架，塑件骨架易型变、老化、尘埃污染等不良因素影响，导致活动衔铁常有被“卡死（不吸合）”等现象发生。即便是全金属化结构的小型欠压脱扣器，也有类似现象发生。最终致使到断路器不能合闸，影响了电网运行。 

为了增加吸合可靠性，通常采取加大电磁铁线圈线径或减少线圈匝数（降低直流电阻），即加大线圈电流的方法来实现。过大的线圈电流在电磁铁吸合完成之后，极易发热。为了降低发热，采用脉宽调制或斩波调制的技术措施，降低线圈平均工作电流。但过低的线圈直流电阻，调制器件负荷严重增加，调制器件容易发热，或严重影响调制器件安全性，或为了提高调制器件的安全性需要增加调制器件的成本。 

研究一种在不增加硬件成本、仅通过改变电磁型欠压脱扣器控制流程的方法，将提高欠压脱扣器自身品质，进一步提高电网运行质量。 

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种启动力矩大、线圈发热量小、无不吸合现象、电路简单，能在恶劣环境下可靠吸合与脱扣的一种电磁型欠压脱扣器。 

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电磁型欠压脱扣器，包括滤波电路、全桥整流电路、采样电路、单片机电路、驱动电路、电磁铁和为单片机电路、驱动电路供电的电源电路，所述的滤波电路的电源输入端与电网相连，所述的滤波电路的输出端与全桥整流器的输入端相连，所述的全桥整流器输出端分别与电磁铁的一端、电源电路的输入端及采样电路的输入端相连，所述的电源电路的一输出端与单片机电路相连，所述的电源电路的另一输出端与驱动电路相连，所述的采样电路的输出端与单片机电路相连，所述的单片机电路的输出端与驱动电路相连，所述的驱动电路与电磁铁的线圈绕组相连。 

所述的单片机电路包括用于采集表征电源电压高低的SA信号采样电路，所述的单片机电路用于驱动电路通断的信号发送。 

所述的单片机电路包括单片机或SOC及周边辅助电路。 

所述的滤波电路为EMC滤波电路电路，所述的EMC滤波电路的输出端与全桥整流桥的输入端相连，所述的全桥整流桥的输出正端分别与电源电路、电磁铁的公共端及采样电路相连，所述的全桥整流桥的输出负端为参考地线。 

所述的SA信号采样电路包括依次与VH串联后第一分压电阻器和第二分压电阻器，所述的第二分压电阻器两端并联有第一电容器，所述的SA信号采样电路为第一分压电阻器和第二分压电阻器之间引出的电压。 

所述的驱动电路是MOS驱动电路或者是SCR驱动电路。 

所述的电源电路是串联式降压电源或开关式隔离或非隔离电源。 

所述的电磁铁是单线圈电磁型电磁铁，所述的电磁铁的线圈绕组并联有反向二极管，用于续流线圈关断时的反峰电流，保护驱动电路。 

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：1、在常见的电磁型单线圈脱扣器的基础上，在不增加硬件成本的前提下，通过改变控制方式，实现可靠吸合、运行低功耗、整体发热量小。 

2、为了提高吸合可靠性，本发明中对线圈绕组采取预吸合动作（类似于“抖动”——谐振）的工作控制方式，进一步提高吸合可靠性。通过单片机程序计算电网电压上升速率，通过控制线圈绕组的预动作功率及时间，使得活动衔铁执行1/4到1/2之间吸合行程后返回。当电网电压信号满足吸合条件时，对线圈绕组的施加全电压，使得活动衔铁执行全程吸合。对于不同的电网电压上升速率，从预动作完成时间起，到满足吸合条件时的时间止的时间段时间，与衔铁的“固有时间（谐振频率之倒数）”相吻合，实现谐振式吸合，确保百分之百吸合。 

3、进一步地，采用本发明的欠压脱扣器，现有脱扣电磁铁可减小工作电流的情况下，仍能实现可靠吸合。既可降低电磁铁成本，又可提高调制功率器件的安全性。 

4、本发明的欠压脱扣器，当电磁铁吸合之后，对线圈绕组进行“中心对称”的斩波式控制，既提高了开关器件的安全性，降低电磁辐射，又使得电磁铁不会发热。 

5、本发明的欠压脱扣器，在电网电压过零点左右不进行斩波式控制。以确保过零点附近的瞬时功率仍然大于最小维持功率。 

6、本发明欠压脱扣器中的控制流程，适用于任何形式的单线圈电磁铁的控制。 

7、单片机电路采用电网电压信号的同时，检测电网电压的过零信号，为中心对称式斩波式控制提供时间基准。 

8、本发明的欠压脱扣器，适用于电网电压频率不同、电压等级不同的任何交流电网中。 

综上，本发明一种电磁型欠压脱扣器，在不增加电路成本的前提下、吸合可靠，运行安全、线圈发热量小、能实现欠压瞬时脱扣与欠压延时脱扣。 

附图说明

图1是本发明一种电磁型欠压脱扣器实施例1的电路原理图。 

图2是本发明一种电磁型欠压脱扣器中的控制过程原理图。 

图3是本发明一种电磁型欠压脱扣器中的电源电路。 

图4是本发明一种电磁型欠压脱扣器中的单片机电路。 

图5是本发明一种电磁型欠压脱扣器中的驱动电路。 

图中：1、EMC滤波电路，2、电源电路，3、单片机电路，4、驱动电路，5、电磁铁，6、采样电路。 

具体实施方式

下面根据说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的解释。 

如图1所示，一种电磁型欠压脱扣器，包括EMC滤波电路1、全桥整流电路、采样电路6、单片机电路3、驱动电路4、电磁铁5和为单片机电路3、驱动电路4供电的电源电路2。所述的EMC滤波电路1的电源输入端与电网相连，所述的EMC滤波电路1的输出端与全桥整流器的输入端相连。全桥整流器输出正端分别与电磁铁5的公共端、电源电路2的输入端及采样电路6的输入端相连，全桥整流器输出负端为参考地端。电源电路2的输出一端与单片机电路3相连，电源电路2的另一输出端与驱动电路4相连，采样电路6的输出端与单片机电路3相连，单片机电路3的输出端驱动电路4相连，驱动电路4与电磁铁5的线圈绕组相连。所述的单片机电路3包括用于采集表征电源电压高低的SA信号采样电路，所述的单片机电路3用于驱动电路4通断的信号发送。对电磁铁5平均电压采用中心斩波式控制，与PWM法相比，斩波器件开关频率低，自身功耗低，电磁辐射小，斩波器件安全性高。所述的单片机电路3包括单片机或SOC及周边辅助电路。BCD拨码开关：在需要延时脱扣的场合，设置不同的拨码开关组合，所述的单片机电路3读取此信号后，确定延时脱扣的延时时间； 

BCD拨码开关：在需要特定动作循环次数、或非等周期动作的设定

单片机电路3：如果BCD拨码开关表示的延时时间不为零，且当SA信号小于电网额定电压的50%后开始延时，直到延时时间结束，使驱动电路4断开线圈绕组。

所述的SA信号采样电路包括依次与全桥整流桥输出端（VH）串联后第一分压电阻器（R1）和第二分压电阻器（R2、接地），所述的第二分压电阻器（R2）两端并联有第一电容器（C0），所述的SA信号为第一分压电阻器（R1）和第二分压电阻器（R2）之间引出的电压。 

所述的驱动电路4是MOS驱动电路（含MOS管）或者是SCR驱动电路（含SCR）。 

所述的电源电路2是串联式降压电源或开关式隔离或非隔离电源。电源输出3.3V（或5V）（VCC）为单片机电路3提供工作电压，电源输出12V（或15V）为驱动电路4提供工作电压。 

所述的电磁铁5是单线圈电磁型电磁铁，所述的电磁铁5的线圈绕组并联有反向二极管D1，用于续流线圈关断时的反峰电流，保护驱动电路4。 

为了清晰说明作为实施例的控制过程原理，将电网电压“上升—平稳—下降”作横向展开，进一步说明如图2所示。 

步骤1：单片机上电复位以后，转换表征电网电压高低的采样信号SA，在电网电压上升的过程中，单片机电路3不断重复计算电网电压上升速率，当SA在50%附近时（t1），单片机电路3发出第一个控制信号，通过驱动电路4对线圈绕组进行控制（W1），实施预动作（S1）。预动作的时间点，与电网电压上升速率成正比。即电压上升越快，预动作时间点（t1）越前。预动作的功率强度，与电网电压上升速率成反比。即电压上升越快，预动作的功率强度越小，但限定在衔铁总行程的1/4到1/2之间。 

步骤2：当SA高于80%时（t2），单片机电路3向线圈绕组发出第二个全电压控制信号（W2），活动衔铁被吸合。其中△t= t2- t1，单片机程序通过预先可知的电磁铁5活动衔铁的临界震荡时间TS，尽可能使△t=TS。 

步骤3：电磁铁5吸合之后，单片机电路3通过斩波控制方式，调节线圈绕组上的平均电压（W3、W4）。 

步骤4：当SA低于50%时（t3），单片机电路3根据拨码开关的设定状态，如为瞬时脱扣，通过驱动电路4断开线圈绕组电压，电磁铁5脱扣；当为延时脱扣，则待延时时间到达后（t4），单片机电路3通过控制驱动电路4，使电磁铁5脱扣。 

本方法适用于任何形式的单线圈电磁铁的控制。 

如图3所示。连接于全桥整流桥输出端的VH电压，电阻器RW2为三极管WT提供基极电压的稳压管Z1提供偏置电流；电阻器RW1部分降压，三极管WT调压，电容器CD1滤波，输出12V（15V）电压，为驱动电路4提供工作电压。12V电压经微功耗稳压器W1稳压为3.3V（5V）为微处理器电路提供工作电压，其中电容器CD2作进一步滤波，电容器CD3消除高频噪声。 

如图4所示。单片机的GP5用于采样表征电网电压高低的SA信号；GP4连接于GP5，定义为SZ，用于电网电压过零点信号检测，为斩波控制提供时间基准。GP0输出第一控制（P1）信号，连接于驱动电路4；GP1可设定基本I/O口线。电阻器R3、R4～R6及3位拨码开关SW组成延时值设定，3位拨码开关SW全部断开时，GP2电压为高电平，表示“瞬时脱扣”，其余逻辑组合值可表达7种延时值时间。GP2对T进行A/D转换，实现瞬时脱扣及延时（值）脱扣功能确定。 

如图5所示。来自单片机的控制信号P1，低电平时，三极管T1射极被电阻器RT1偏置而导通，三极管T2也同时导通，12V电压经电阻器RT4限流，加载到MOS管T4栅极，T4导通，线圈得电。此时，三极管T3基极无偏置电压而截止。高电平时，三极管T1射极被电阻器RT1反向偏置而截止，三极管T2基极由电阻器RT3上拉为高电平而截止；三极管T3基极由电阻器RT2偏置而导通，MOS管T4栅极电荷被释放，线圈失电。为提高MOS管T4的开关速度，驱动电路4中设有加速电容器C1与C2。 

Claims (8)

1.一种电磁型欠压脱扣器，其特征在于包括滤波电路、全桥整流电路、采样电路、单片机电路、驱动电路、电磁铁和为单片机电路、驱动电路供电的电源电路，所述的滤波电路的电源输入端与电网相连，所述的滤波电路的输出端与全桥整流器的输入端相连，所述的全桥整流器输出端分别与电磁铁的一端、电源电路的输入端及采样电路的输入端相连，所述的电源电路的一输出端与单片机电路相连，所述的电源电路的另一输出端与驱动电路相连，所述的采样电路的输出端与单片机电路相连，所述的单片机电路的输出端与驱动电路相连，所述的驱动电路与电磁铁的线圈绕组相连。

2.根据权利要求1所述的一种电磁型欠压脱扣器，其特征在于所述的单片机电路包括用于采集表征电源电压高低的SA信号采样电路，所述的单片机电路用于驱动电路通断的信号发送。

3.根据权利要求1所述的一种电磁型欠压脱扣器，其特征在于所述的单片机电路包括单片机或SOC及周边辅助电路。

4.根据权利要求1所述的一种电磁型欠压脱扣器，其特征在于所述的滤波电路为EMC滤波电路电路，所述的EMC滤波电路的输出端与全桥整流桥的输入端相连，所述的全桥整流桥的输出正端分别与电源电路、电磁铁的公共端及采样电路相连，所述的全桥整流桥的输出负端为参考地线。

5.根据权利要2所述的一种电磁型欠压脱扣器，其特征在于所述的SA信号采样电路包括依次与VH串联后第一分压电阻器和第二分压电阻器，所述的第二分压电阻器两端并联有第一电容器，所述的SA信号采样电路为第一分压电阻器和第二分压电阻器之间引出的电压。

6.根据权利要求1所述的一种电磁型欠压脱扣器，其特征在于所述的驱动电路是MOS驱动电路或者是SCR驱动电路。

7.根据权利要求1所述的一种电磁型欠压脱扣器，其特征在于所述的电源电路是串联式降压电源或开关式隔离或非隔离电源。

8.根据权利要求1所述的一种电磁型欠压脱扣器，其特征在于所述的电磁铁是单线圈电磁型电磁铁，所述的电磁铁的线圈绕组并联有反向二极管，用于续流线圈关断时的反峰电流，保护驱动电路。