用于智能塑殼斷路器的交直流分勵模塊的優化設計

段艷艷

（浙江德力西國際電工有限公司 杭州 310024）

引言

分勵脫扣器在電子式塑殼斷路器中雖然作為附件為用戶選擇，但在用電安全保護中有著重要的作用，特別是消防用電系統。分勵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，還必須符合低壓開關設備和控制設備總則中之規定[2]，在額定控制電源電壓的（70～110）%（交流在額定頻率下）范圍內，在電器規定的所有工作條件下分勵脫扣器應發生動作，可靠使斷路器斷開，與時間繼電器配合使用時還可以實現延時遠距離控制斷路器的分斷。斷路器動作后，分勵脫扣線圈應不再導通，所以使分勵脫扣器動作的電平應是一定寬度的脈沖信號，此種脈寬控制，可以使遠距離控制按鍵或命令不受導通時間限制。

本設計使分勵脫扣器在特殊場合的應用更加安全可靠：在消防用電電路設計中，一方面要保證消防用電負荷的用電可靠性，另一方面還要避免非消防線路在火災情況下發生短路、過載引發次生災害并保證消防隊員的安全。這就涉及到了怎樣在火災時切除非消防負荷，分勵脫扣器常用在遠距離自動斷電的控制上，現在用的最多的就是消防控制室切斷非消防電源。民用建筑設計規范中規定[3]，在遇到火災時，應采用消防聯動控制、集中控制、分散與集中相結合控制。但無論采用何種方式，應將分勵脫扣器的控制電源和按鈕開關安裝在消防控制室，并明確規定了設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，因為在使用消火栓時可能有大量水從箱內溢出，弄濕整個箱體，不慎會使消火栓箱或消防龍帶電傷及消防人員。為人身安全，在《火災自動報警系統設計規范》中規定，消防聯動裝置應采用直流24 V電壓。

1 現狀

目前塑殼斷路器配有兩種分勵脫扣器，按分勵脫扣器主要工作原理分，一種是利用交流脫扣線圈和微動開關組合的工作方式（為便于區分簡稱AC型），另一種是由外接電源降壓后用直流脈沖驅動直流脫扣線圈動作的工作方式（簡稱DC型）見圖1。

圖1 分勵模塊主要工作方式

AC型按供電電壓分有AC230 V、AC400 V、AC/DC110 V、DC24 V。當用戶需要用DC24 V分勵脫扣器，需加裝DC24 V繼電器擴容。

AC型使用中的缺陷：一是穩定性較差，除了線圈工作的不穩定性引起外，還有分勵脫扣器中微動開關和彈片同本機結構件的配合度要求達不到引起拒動；二是斷路器空間限制，部分殼架需要增加其它輔助裝置時，空間位置不夠。三是當控制電源為DC24 V，還需要增加直流繼電器，而在實際使用中有用戶反映分勵脫扣器動作不穩定，經查詢分析，當DC24 V電源距離斷路器較遠時，DC24 V的線損會影響繼電器常開觸點的可靠吸合，從而導致分勵線圈工作不穩定。

DC型研發的可行性：主要是為解決電子式塑殼斷路器中AC型分勵脫扣器的使用缺陷，同時當用戶需要DC24 V分勵脫扣器時，無需再加裝DC24 V繼電器。DC型三種工作電源可用同一個模塊，用戶只需根據模塊接線柱電源指示接線即可。目前電子式塑殼斷路器內已具有脫扣器，DC型分勵脫扣器動作執行部件具備借用的條件，只需借助斷路器內部脫扣器，執行分勵命令發給脫扣器即可。

2 DC型分勵脫扣器方案考慮

目前市場上使用的DC型分勵脫扣器方案大都是電源降壓后產生穩壓低電壓供單片機工作，利用軟件編程，單片機采集上電信號后，發固定脈沖電平驅動TTL管或MOS管帶動電子塑殼斷路器內部的脫扣器動作，使斷路器執行分斷操作。這種方案因技術成熟實現起來比較快捷，但因其內部有單片機，對使用環境要求會較高，且裝配、調試、檢測等生產工序要求也會較多，導致生產成本偏高。考慮到產品功能單一，為提高產品市場競爭力，此方案不是最佳。以前市場上也有利用單一的模擬電路的方案實現分勵動作的，但其電路電壓檢測及驅動脫扣器動作的脈沖電壓主要是依據電容上電、掉電特性實現，而一般的電容價格便宜，但其容值波動范圍大，特別是長期工作后受溫度影響其容值會有較大變化，這會導致分勵脫扣器的工作條件偏離出廠時的檢驗要求，進一步導致工作的不穩定。綜合考慮兩種方案及產品在市場的實際使用情況，提出并實現了新的方案。新方案中利用了電壓檢測集成塊及脈沖發生器，不論是脫扣器的動作電源還是驅動脫扣器動作的脈沖都得到了技術參數上的可靠保證。

3 DC分勵脫扣器方案設計

供電電源，電源選擇根據用戶需求有AC230 V、AC400 V、AC/DC110 V、DC24 V，所以電源電路設計應能滿足五種電源供電要求。分勵脫扣器主要確保在一定額定工作電壓范圍內使脫扣器可靠動作，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，而斷路器內互感器二次側電流此時大概30 mA左右，再加上電容預儲能，脫扣器就會穩定可靠工作。再考慮電源回路上的自損耗及脫扣器工作時的最大功耗，電源功率不需太大，預設計在（2～3）W即可，經多次各種電壓范圍內測試證明，DC型分勵模塊設計在此功率內完全可以滿足產品可靠工作。

3.1 DC分勵脫扣器電路設計要點

電路設計功能圖如圖2，開關電源部分是常規電路，不再詳細介紹，針對電壓穩壓檢測及脈沖產生調控電路作闡述。

圖2 分勵模塊原理導圖

3.1.1 電壓檢測、穩壓電路

不論DC分勵模塊供電電壓是五中電源中的哪一種，都需要經過穩壓檢測，如果沒有電壓檢測，分勵模塊上電瞬間會給電子脫扣器驅動電路發一脈沖電平，使脫扣電路導通，但又因為上電瞬間脫扣電壓不穩，脫扣回路電流不充足，脫扣器容易處在抖動狀態。電壓檢測及穩壓電路如圖3。功能主要有電壓檢測集成塊HT7027A和自鎖穩壓電路實現。HT7027A是一組采用 CMOS 技術實現的三端低功耗電壓檢測器,高輸入電壓范圍 （高達 30 V），輸出電壓精度：±3 %，靜態電流：3 μA，低溫度系數。其電壓檢測器能檢測固定的電壓，范圍從 2.2 V 到 5.0 V。電壓檢測器由高精度低功耗的標準電壓源、比較器、遲滯電路以及輸出驅動器組成。采用CMOS 技術制造，因而確保了低功率消耗。當電壓低于脫扣器動作電壓時，HT7027處于復位狀態，輸出低電平，NPN三極管Q5發射結反偏，集電結反偏，Q5處于反向截止狀態；P溝道場效應晶體管Q3控制門處于高電平截止，脫扣器處于失電狀態，不會動作，同時PNP三極管Q2處于反向截止狀態，Q5繼續保持反向截止狀態，Q3穩定在截止狀態。當隨著主回路電壓電流逐漸穩定，HT7027輸出腳輸出高電平，Q5發射結正偏，集電結正偏，Q5處于導通狀態；Q3控制門處于低電平，Q3導通，脫扣器供電電源正常，同時Q2發射結反正偏，集電結正偏，Q2導通，Q5基集電平處于更加高穩定狀態，Q3也處于持續穩定導通脫狀態，脫扣器工作電源持續穩定，從外接電源接通到脫扣器電源正常波形圖如圖4。

圖3 電壓檢測及穩壓電路

圖4 工作電源啟動輸出波形

3.1.2 脈沖產生電路

脈沖產生電路是主要有脈沖發生器NE555組成[4]，如圖5，產生脈沖寬度主要有R5、C7數值選擇有關，不帶負載時脈寬計算公式可參考T=1.1*R5*C7，負載大小不同時，有效脈寬會有不同程度的減少，這需要根據實際負載調整。用可調直流源摸底測試脫扣器動作脈沖，如圖6，可知電壓越高，動作脈沖越窄，把脫扣器供電電壓調整到12 V±20 %，測得脫扣器穩定動作脈沖需大于等于8 ms，考慮到量產后的脫扣器動作脈沖會有波動，調整C7參數，使有效脈沖寬度在（50～80）ms之間，經過多次頻繁上電掉電操作，脫扣器都可以無抖動的穩定動作。在批量摸底測試中，發現如果脈沖寬度較大，例如大于100 ms，DC分勵模塊電源燈有閃爍現象。原因分析，是脫扣器線圈內阻較小，脫扣線圈如果導通時間過長，回路電流需求就會較大，脫扣器電源的儲能電容也已無法滿足要求，回路輸出電壓降低，電源指示燈熄滅；回路電壓降低后，脫扣器驅動回路不再處于導通狀態，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，會發現電源有跌落又穩定的重復過程。

圖5 脈沖產生電路

圖6 動作脈沖寬度測量

4 總結

DC型分勵模塊優化設計的目的是解決老產品在市場使用中發現的問題及降低生產成本。對比使用單片機方案，成本有明顯降低，同時提升了分勵脫扣器安全工作電壓范圍，外接交流電壓時采用了開關電源方案，大大提高了產品工作效率，所以產品安全工作電壓范圍充分滿足國家標準規定之要求；外接DC24 V時，電壓線損降到到63 % 時，脫扣器依然可以穩定工作，滿足了斷路器長距離接入消防系統的需求。