CN104659741B - 一种双线圈欠压脱扣器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双线圈欠压脱扣器，包括用于双向抑制来自电网和内部电路产生的干扰信号的EMC滤波电路，还包括整流电路、取样电路、PWM电路、第一开关电路、电源电路、比较电路、门栓电路、微分电路、第二开关电路和双线圈欠压电磁铁；所述的双线圈欠压电磁铁包括保持绕组、强启动绕组和动铁芯。本发明既保证了电网电压在高于额定电压85％时的可靠吸合，又保证了电网电压低于额定电压50％时的可靠脱扣。强启动绕组较大功率与保持绕组较小功率，既可以实现高可靠吸合，又兼顾了低功率运行保持，可有效避免电磁铁发热。此外，这种双线圈欠压脱扣器的电源电路串联于第二开关电路中之后，在充分简化整体电路的前提下，有效提高了电路能效。

Description

一种双线圈欠压脱扣器

技术领域

本发明涉及低压断路器脱扣技术，尤其涉及一种双线圈欠压脱扣器。

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。GB14148.1-2006《低压开关设备和控制设备总则》和GB14048.2—2008《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》的规定，欠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，欠压脱扣器应动作，欠压脱扣器在电源电压等于脱扣器额定工作电压的35％时，欠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。

现有的欠压脱扣器，分永磁型和电磁型二大类。前者因无“复位弹簧”，在控制板故障时，不能自复位脱扣。后者虽然形式多样，但多半是单线圈工作方式制。由电磁铁特性可知，电磁铁吸合时的始动电压高(功率大)，保持电压低(功率小)。因此，以单线圈欠压脱扣电磁铁为主体的欠压脱扣器，要么采用较为复杂的控制线路，实现“高——低”控制，进而保证其可靠性(如，一种电磁型欠压脱扣器-200910183845.8)；要么采用直接PWM控制，如，基于PWM控制的欠压脱扣器-201320798970.1等，对于单线圈欠压脱扣器，当电网电压在120％至50％范围内波动时，由于单线圈线径粗、电感小，PWM控制脉冲的占空比变化极大，电网电压高时，控制脉宽极窄，同时还由于斩波电压高，瞬时电流大等问题存在，特别容易引起功率输出电路发热、失控或过压击穿。

电磁型欠压脱扣器及其控制方法-201310655595.X，所公开的一种双线圈欠压脱扣器，基于微处理器技术，采用临界震荡的整体方案，思路清晰、效果良好。但实现较为困难，制造工艺要求严，制作成本较高，尤其是采用微处理器之后，特别容易受电磁辐射等干扰。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有欠压脱扣器启动力小，容易出现不吸合的现象，正常工作时电磁铁平均工作电压不稳定、容易发热、电路过于复杂、抗扰能力弱或实现较为困难等技术问题。本发明提供的一种双线圈欠压脱扣器，欠压电磁铁设有二组线圈，一组为强力脱扣线圈，另一组为维持线圈。利用强力脱扣与脱扣维持各自优点解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双线圈欠压脱扣器，包括用于双向抑制来自电网和内部电路产生的干扰信号的EMC滤波电路，还包括整流电路、取样电路、PWM电路、第一开关电路、电源电路、比较电路、门栓电路、微分电路、第二开关电路和双线圈欠压电磁铁；所述的双线圈欠压电磁铁包括保持绕组、强启动绕组和动铁芯。

所述的整流电路将电网输入的交流电压整流为直流电压，所述的取样电路对直流电压进行分压取样，所述的PWM电路根据取样电压的大小输出占空比随变的方波信号，所述的第一开关电路驱动双线圈欠压电磁铁中的保持绕组并向电源电路供电同时接受门栓电路的控制，所述的比较电路将电网电压取样信号和基准电压信号进行比较后输出电平信号，所述门栓电路将将比较器输出的低电平信号转换为高电平脉冲信号封锁PWM脉冲信号，所述微分电路将电平信号转换为脉冲信号传递到第二开关电路，所述第二开关电路驱动双线圈欠压电磁铁中的强启动绕组，所述的电源电路将第一开关电路中的主功率器件导通时段内的电流整定为直流电压供比较电路及PWM电路使用。

进一步，所述的双线圈欠压电磁铁的强启动绕组线圈匝数少，线径粗，工作电流大，在电网电压大于额定电压的85％时，单独通电60ms以上的脉冲，确保电磁铁之动铁芯克服复位弹簧力，即“吸入”，为断路器提供合闸条件；保持绕组线圈匝数多，线径细，工作电流小，通电状态，在强启动绕组作用下，能可靠维持欠压电磁铁动铁芯保持吸合状态，直至电网电压小于额定电压的50％时，保持绕组控制信号被切断，欠压电磁铁动铁芯受复位弹簧力作用，即“弹出”，实现欠电压脱扣；保持绕组仅单独工作时，所生产的电磁力不足以克服动铁芯的弹簧力，不会导致动铁芯吸入。

进一步，电网电压上电后，第一开关电路处于导通态，整流后的直流电压经保持绕组——第一开关电路——电源电路，整体电路所需要的供电电压VCC被逐步建立；逐步升高的供电电压VCC使得PWM电路开始工作，第一开关电路“放大”PWM电路脉冲，在第一开关电路导通期间，电源充电回路仍然按整流后的直流电压经保持绕组——第一开关电路——电源电路，VCC电源得以稳定。

进一步，所述PWM电路在电源建立之后便开始以一频率振荡工作，其电路输出方波的占空比与电网电压成反比；第一开关电路接受方波控制电磁铁保持绕组以恒压方式进行工作。

进一步，第一开关电路既接受来自PWM脉冲信号，又接受门栓电路的控制；当且仅当门栓电路输出一个控制信号时，第一开关电路使得保持绕组停止工作这段时间。

进一步，在电网电压小于额定电压的85％时，所示比较电路输出低电平；大于85％时比较电路翻转输出高电平；当电网电压小于额定电压的50％时比较电路翻转输出低电平，即比较电路复位。

进一步，所述微分电路将来自比较电路的高电平信号，微分成周期为100ms左右的脉冲信号，此信号经所述第二开关电路控制电磁铁强力线圈导通，实现强吸合。

进一步，所述电网电压小于额定电压的50％时，所述比较电路复位，一方面为下一次动作准备，另一方面经门栓电路转换为一正脉冲，此正脉冲封锁第一开关电路，使得保持绕组停止工作这个脉冲时段；欠压电磁铁动铁芯受复位弹簧力作用“弹出”，实现欠压脱扣。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种的电源电路串联于第一开关电路中之后，在充分优化整体电路的前提下，有效提高电路能效，成本极为低廉、抗干扰能力强、极易制造等优点的双线圈欠压脱扣器。这种双线圈欠压脱扣器既保证了电网电压在高于额定电压85％时的可靠吸合，又保证了电网电压低于额定电压50％时的可靠脱扣。吸合时，由强启动绕组提供较大电磁力但通电时间极短，以实现高可靠吸合；吸合后，由工作电流较小的维持绕组保持吸合状态。强启动绕组较大功率与保持绕组较小功率，两者特点相结合，既可以实现高可靠吸合，又兼顾了低功率运行保持，可有效避免电磁铁发热。此外，这种双线圈欠压脱扣器的电源电路串联于第一开关电路中之后，在充分简化整体电路的前提下，有效提高了电路能效。电路整体简单，成本低廉、抗干扰能力强等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明双线圈欠压脱扣器的电路组成模块示意图。

图2是本发明双线圈欠压脱扣器的实施例一的电路原理图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明双线圈欠压脱扣器，包括用于双向抑制来自电网和内部电路产生的干扰信号的EMC滤波电路，还包括整流电路、取样电路、PWM电路、第一开关电路、电源电路、比较电路、门栓电路、微分电路、第二开关电路和双线圈欠压电磁铁。所述的整流电路将电网输入的交流电压整流为直流电压，所述的取样电路对直流电压进行分压取样，所述的PWM电路根据取样电压的大小输出占空比随变的方波信号，所述的第一开关电路驱动双线圈欠压电磁铁中的保持绕组并向电源电路供电同时接受门栓电路的控制，所述的比较电路将电网电压取样信号和基准电压信号进行比较后输出电平信号，所述门栓电路将将比较器输出的低电平信号转换为高电平脉冲信号封锁PWM脉冲信号，所述微分电路将电平信号转换为脉冲信号驱动第二开关电路，所述第二开关电路驱动双线圈欠压电磁铁中的强启动绕组，所述的电源电路将第一开关电路中的主功率器件导通时段内的电流整定为直流电压供比较电路及PWM电路使用，所述的双线圈欠压电磁铁由保持绕组、强启动绕组和动铁芯等相关部件组成。

所述的双线圈欠压电磁铁由强启动绕组、保持绕组和动铁芯等相关部件组成。强启动绕组线圈匝数少，线径粗，工作电流大，在电网电压大于额定电压的85％时，单独通电60ms以上的脉冲，可确保电磁铁之动铁芯克服复位弹簧力——“吸入”，为断路器提供合闸条件；保持绕组线圈匝数多，线径细，工作电流小，通电状态，在强启动绕组作用下，能可靠维持欠压电磁铁动铁芯保持吸合状态，直至电网电压小于额定电压的50％时，保持绕组控制信号被切断，欠压电磁铁动铁芯受复位弹簧力作用——“弹出”，实现欠电压脱扣。保持绕组仅单独工作时，所生产的电磁力不足以克服动铁芯的弹簧力，不会导致动铁芯吸入。

电网电压上电后，第一开关电路处于导通态，整流后的直流电压经保持绕组——第一开关电路——电源电路，整体电路所需要的VCC被逐步建立。逐步升高的VCC使得PWM电路开始工作，第一开关电路“放大”PWM电路脉冲，在第一开关电路导通期间，电源充电回路仍然按整流后的直流电压经保持绕组——第一开关电路——电源电路，VCC电源得以稳定。

所述PWM电路在电源建立之后便开始以一频率振荡工作，其电路输出方波的占空比与电网电压成反比。第一开关电路接受方波控制电磁铁保持绕组以恒压方式进行工作。

第一开关电路既接受来自PWM脉冲信号，又接受门栓电路的控制。当且仅当门栓电路输出一个控制信号时，第一开关电路使得保持绕停止工作这段时间。

在电网电压小于额定电压的85％时，所示比较电路输出低电平；大于85％时比较电路翻转输出高电平；当电网电压小于额定电压的50％时比较电路翻转输出低电平(比较电路复位)。

所述微分电路将来自比较电路的高电平信号，微分成周期为100ms左右的脉冲信号，此信号经所述第二开关电路控制电磁铁强力线圈导通，实现强吸合。

所述电网电压小于额定电压的50％时，所述比较电路复位，一方面为下一次动作准备，另一方面经门栓电路转换为一正脉冲，此正脉冲封锁第一开关电路，使得保持绕组停止工作这个脉冲时段。欠压电磁铁动铁芯受复位弹簧力作用“弹出”——实现欠压脱扣。

实施例一，如图2所示，

C1、L1与C2组成EMC滤波电路，双向抑制来自电网与电路内部产生的干扰信号。输入电源连接L、N，经EMC滤波电路连接于全波整流桥BG1，整流后的全波电压定义为VH。VH经R1、R2和C3组成的分压取样电路滤波，形成取样电压定义为VS。

VS经同相跟随器U1A隔离，传送到由R3、R4、R5、R6、C4和U1B组成的PWM电路，PWM电路输出方波信号的占空比与VS成反比，即VS越高，占空比越小，以期使得保持绕组的工作电压为一恒定值。

PWM电路输出的方波信号经R7限流控制三极管T1、NMOS管T2、稳压管Z1和上拉电阻R8组成的第一开关电路。当方波信号为高电平时，T1导通，流经R8中的电流，经T1集电极至发射极到地，T1集电极电压(VB)为低，T2无栅极电压而截止，保持绕组无电流流过。当方波信号为低电平时，T1截止，流经R8中的电流被稳压管Z1钳位，T1集电极电压(VB)为高，T2获得栅极电压而导通，保持绕组流过工作电流。如此往复，保持绕组以一恒定电压工作。

由二极管D2、电容器C5及稳压管Z2组成的电源电路，在T2导通期间，流过保持绕组中的电流通过二极管D2隔离向C5充电，C5上的电压定义为工作电压VCC。Z2用于限幅C5上的充电电压，从而保证VCC的稳定性。

因上电阶段，PWM电路无工作电源，T1处于截止态，T2处于导通态，故C5被充电，VCC电压被建立。在脉宽调制阶段中的每个低电平阶段，T1截止、T2导通，故能可靠地获得VCC电压。

VS经同相跟随器U1C隔离，传递到由R9、R10、R11、R12和U1D组成的比较电路，当VS小于额定值的85％时，比较器VD小于VR，输出低电平VE。当VS大于额定值的85％时，比较器VD大于VR，输出高电平VE，并通过R10反馈进一步抬高VD。

高电平VE经由C7与R13组成的微分电路微分，形成一脉冲信号VF。脉冲信号控制NMOS管T3导通，强启动绕组得电工作一个脉冲周期，实现“强吸合”动作。

在强吸合动作作用之下，由于保持绕组已在工作状态，故维持动铁芯“吸合”状态。

当电网电压低于额定值的50％时，比较电路中的VD小于VR，比较电路复位，输出低电平VE，为下一次动作做准备。

C7、R14、R15和三极管T4组成门栓电路。在电源电压VCC建立之后，由R15对C7充电，使得T4基极为高电平，T4截止。当VE由高电平翻转为低电平时，因C7两端电压不能突变，T4基极同为低电平，T4导通，VCC经R14限流对T1基极强制拉高，封锁PWM信号，T1导通，T2截止，保持绕组断电。随着R15对C7的不断充电，T4基极电位不断升高直至T4截止，门栓电路撤销对T1的控制，PWM信号通过T1、T2继续控制保持绕组工作，电源电压VCC得以继续维持。从VE由高电平翻转为低电平时起，直至T4再次截止的这段时间，由R15与C7的时间常数确定(设计为40-60ms，大于维持绕组的电磁常数)。这段时间，也即是保持绕组“停止工作”的时间。因保持绕组停止工作，电磁力消失，电磁铁动铁芯在复位弹簧作用下自动弹出，顶开断路器“锁扣机构”，实现欠电压脱扣。

综上所述，本发明的双线圈欠压脱扣器既保证了电网电压在高于额定电压85％时的可靠吸合，又保证了电网电压低于额定电压50％时的可靠脱扣。吸合时，由强启动绕组提供较大电磁力但通电时间极短，以实现高可靠吸合；吸合后，由工作电流较小的维持绕组保持吸合状态。强启动绕组较大功率与保持绕组较小功率，两者特点相结合，既可以实现高可靠吸合，又兼顾了低功率运行保持，可有效避免电磁铁发热。此外，这种双线圈欠压脱扣器的电源电路串联于第一开关电路中之后，在充分简化整体电路的前提下，有效提高了电路能效。电路整体简单，成本低廉、抗干扰能力强等优点。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种双线圈欠压脱扣器，其特征在于：包括用于双向抑制来自电网和内部电路产生的干扰信号的EMC滤波电路，还包括整流电路、取样电路、PWM电路、第一开关电路、电源电路、比较电路、门栓电路、微分电路、第二开关电路和双线圈欠压电磁铁；所述的双线圈欠压电磁铁包括保持绕组、强启动绕组和动铁芯；

所述的整流电路将电网输入的交流电压整流为直流电压，所述的取样电路对直流电压进行分压取样，所述的PWM电路根据取样电压的大小输出占空比随变的方波信号，所述的第一开关电路驱动双线圈欠压电磁铁中的保持绕组并向电源电路供电同时接受门栓电路的控制，即电源电路串联于第一开关电路中，所述的比较电路将电网电压取样信号和基准电压信号进行比较后输出电平信号，所述门栓电路将比较器输出的低电平信号转换为高电平脉冲信号封锁PWM脉冲信号，所述微分电路将电平信号转换为脉冲信号传递到第二开关电路，所述第二开关电路驱动双线圈欠压电磁铁中的强启动绕组，所述的电源电路将第一开关电路中的主功率器件导通时段内的电流整定为直流电压供比较电路及PWM电路使用；

电网电压上电后，第一开关电路处于导通态，整流后的直流电压经保持绕组——第一开关电路——电源电路，整体电路所需要的供电电压VCC被逐步建立；逐步升高的供电电压VCC使得PWM电路开始工作，第一开关电路“放大”PWM电路脉冲，在第一开关电路导通期间，电源充电回路仍然按整流后的直流电压经保持绕组——第一开关电路——电源电路，VCC电源得以稳定。

2.如权利要求1所述的双线圈欠压脱扣器，其特征在于：所述的双线圈欠压电磁铁的强启动绕组线圈匝数少，线径粗，工作电流大，在电网电压大于额定电压的85％时，单独通电60ms以上的脉冲，确保电磁铁之动铁芯克服复位弹簧力，即“吸入”，为断路器提供合闸条件；保持绕组线圈匝数多，线径细，工作电流小，通电状态，在强启动绕组作用下，能可靠维持欠压电磁铁动铁芯保持吸合状态，直至电网电压小于额定电压的50％时，保持绕组控制信号被切断，欠压电磁铁动铁芯受复位弹簧力作用，即“弹出”，实现欠电压脱扣；保持绕组仅单独工作时，所生产的电磁力不足以克服动铁芯的弹簧力，不会导致动铁芯吸入。

3.如权利要求1所述的双线圈欠压脱扣器，其特征在于：所述PWM电路在电源建立之后便开始以一频率振荡工作，其电路输出方波的占空比与电网电压成反比；第一开关电路接受方波控制电磁铁保持绕组以恒压方式进行工作。

4.如权利要求1所述的双线圈欠压脱扣器，其特征在于：第一开关电路既接受来自PWM脉冲信号，又接受门栓电路的控制；当且仅当门栓电路输出一个控制信号时，第一开关电路使得保持绕组停止工作这段时间。

5.如权利要求1所述的双线圈欠压脱扣器，其特征在于：在电网电压小于额定电压的85％时，所示比较电路输出呈低电平状态；大于85％时比较电路翻转输出高电平；当电网电压小于额定电压的50％时比较电路翻转输出低电平，即比较电路复位。

6.如权利要求1所述的双线圈欠压脱扣器，其特征在于：所述微分电路将来自比较电路的高电平信号，微分成周期为100ms的脉冲信号，此信号经所述第二开关电路控制电磁铁强力线圈导通，实现强吸合。

7.如权利要求1所述的双线圈欠压脱扣器，其特征在于：所述电网电压小于额定电压的50％时，所述比较电路复位，一方面为下一次动作准备，另一方面经门栓电路转换为一正脉冲，此正脉冲封锁第一开关电路，使得保持绕组停止工作这个脉冲时段；欠压电磁铁动铁芯受复位弹簧力作用“弹出”，实现欠压脱扣。