高可靠低功耗的电磁欠压脱扣器的研究和设计

张国明,陈 闽（三信国际电器上海有限公司,201209）

高可靠低功耗的电磁欠压脱扣器的研究和设计

张国明,陈 闽
（三信国际电器上海有限公司,201209）

为提高欠压脱扣器的可靠性和降低产品功耗，采用了双滤波和双采集形式的电路模式。对欠压脱扣器的工作原理进行了分析和相应电路的设计，并对生产上的一些关键技术工艺提出了要求。

电磁欠压脱扣器；励磁线圈；电路设计

0 引言

随着我国电力工业中城网和农网的改造，以及低压配电系统自动化程度的不断提高。低压配电产品配备电气附件越来越普遍，欠压脱扣器就是低压配电系统中的一种重要电气附件之一。已被广泛应用于检测、低压保护以及电力系统监测中。因欠压脱扣器一直处于工作状态，电磁线圈容易发热，影响产品工作的稳定性和使用寿命等。而发热主要源于工作状态的较大的额定工作电流。因此降低额定工作电流，可以控制电磁线圈发热现象，有效地延长电气使用寿命。

1 欠压脱扣器的基本要求和工作原理

欠压脱扣器作为低压断路器中的重要元件之一，对欠压—分闸起着关键性作用。按照GB14048.1-2006《低压开关设备和控制设备 第1部分 总则》中对欠压脱扣器的定义和性能的规定：欠电压继电器或脱扣器是指当继电器或脱扣器的端电压降至预定值时，使机械开关电器有延时或无延时断开或闭合的继电器或脱扣器。欠电压继电器或脱扣器与开关电器组合在一起，当外施电压下降，甚至缓慢下降至额定电压的70%至35%范围内，与开关电器组合一起的欠电压继电器和脱扣器应动作，使电器断开。当外施电压低于欠压继电器或脱扣器的额定电压的35%时，欠压继电器或脱扣器应防止电器闭合。当电源电压等于或高于其额定电压的85%时，欠压继电器或脱扣器应保证电器能闭合。

电磁式欠压脱扣器是基于电磁铁原理。利用通电的线圈产生的电磁力来克服反作用弹簧的反弹力，从而使低压电器产品得以保持正常的工作状态。当电磁力不能抵消反作用弹簧的反弹力（即出现欠压）时，反力弹簧拉动衔铁，推动产品的脱扣机构，达到断开电路，保护家用电器的目的。

2 欠压脱扣器的整体设计

为了降低电磁线圈的电流，欠压脱扣器采用永磁铁和电磁线圈共同作用来克服反作用弹簧的弹簧力。使励磁线圈产生的电磁力的方向与永磁铁产生的吸力方向相同。而与反作用弹簧产生的反弹力方向相反。这样一来就可以通过调节电磁铁的磁力大小来控制产品的工作状态。通过减小永磁铁吸力和反作用弹簧弹的弹力之间的相对差值，来降低电磁铁的励磁线圈的工作电流，从而达到降低功耗的目的。

2.1 电磁欠压脱扣器工作分析

脱扣器主要由励磁线圈、磁轭、衔铁、永久磁铁、反作用力弹簧及推杆等组成，其结构如图1所示。

图1 电磁脱扣器结构简图

在图中，永久磁铁是由磁钢制成，磁钢通过充退磁校准保留一定量的剩磁量。使磁钢沿磁轭所产生的吸力与反作用弹簧的反力比较接近，形成一个固定的差值ΔF，励磁线圈是由具有一定绝缘强度的漆包线绕制而成，使励磁线圈在规定的电压下能够产生相对于ΔF的电磁吸力。

永久磁铁沿磁轭的吸力Fm和励磁线圈产生的电磁力FP之合力与反作用弹簧的反力FS形成了一对作用力和反作用力。在电路正常电压下，欠压脱扣器的衔铁，在永久磁铁所产生的吸力Fm和励磁线圈所产生的电磁力FP的共同作用将其牢牢地吸持在磁轭的极面上。此时永久磁铁吸力Fm和励磁线圈的电磁吸力FP之和大于反作用弹簧对衔铁的反力FS，因此衔铁能可靠地吸持在磁轭的极面上。当电路出现欠压时，欠压脱扣器的励磁线圈的电磁吸力FP减小或消失，此时反作用弹簧力FS大于永磁铁的吸力Fm和电磁吸力FP之和，从而衔铁就在弹簧反作用力FS的作用下释放，推动产品脱扣。其力的结构示意图如图2所示。

图2 脱扣器衔铁作用关系图

2.2 控制电路设计

为了尽可能地简化控制电路，研究高可靠性和低功耗电磁欠压脱扣器。电子控制部分主要采用了双滤波电路、双采集和控制电路，在满足欠压脱扣器的功能的基础上，又降低功耗，有效地延长了使用寿命。具体电路图如图3所示。

图3 欠压脱扣器电子电路

在图中，电路主要由EMC抑制电路、整流电路、滤波电路、采样电路、驱动电路及其三极管等组成。其中R1是压敏电阻，可以有效地抑制干扰实现电磁兼容；VD1-VD4构成桥式整流桥，全波整流形成脉动直流电压；C1、C2是滤波电容，本设计采用大电容和小电容相结合的双电容滤波技术，可以有效地降低脉动波纹系数和提升高效平滑的直流输出，R2是限流电阻，串联在电路中有效地降低了输入电压和额定工作状态的电流；VD5稳压二极管，选择合适的耐压值的稳压管与后端电路组合，可以有效地设置欠压脱扣器的欠压阈值电压；R3、R4为采样分压电路，为三极管提供合适的基极工作电压，同时也是采样电路的组成部分，与稳压管相结合实现两级采样电路，不仅可以使得欠压采样信号更为准确，而且可以更有效地控制电路的额定工作电流；C3是延时电容，根据电容放电时间公式

t = RC*Ln[（V1-V0）/（V1-Vt）]

式中：V0为电容上的初始电压值；

V1为电容最终可充到或放到的电压值；

Vt为t时刻电容上的电压值。

从公式中可以看出随着电容值得增大，延时时间也随着变长。从而根据不同的延时时间要求选择合适容值的电容。

3 生产和设计工艺要求

在日常的生产和使用过程中有一些会导致产品无法正常工作的问题，如产品误动作，产品易损坏等。下面仅对一些常见的原因进行粗略分析和相对应的生产工艺要求。

3.1 执行部分的工艺要求

在交流欠压脱扣器中，如：①欠压脱扣器在使用过程中有噪声，其原因可能是磁轭和衔铁的吸合面磨削不平或生产装配过程中吸合面有杂质，使吸合面不能完全良好地吸合，导致导磁通路不畅；②励磁线圈绕制不均匀或松紧不一致，当电路中电流有微小的波动时，对电磁力会有较大的影响；③如果脱扣器的密闭性不好，在使用过程中灰尘可能进入粘附在衔铁工作面上，导致产品使用不良等。因此在生产过程中要求：①脱扣器产品的生产环境要求在洁净工作室，生产人员要统一穿戴防尘服装，规范生产操作流程；②产品零配件采用高精度设计，使零配件配合尺寸尽可能地最小化。

3.2 电路部分设计基本原则和注意事项

除了元器件的选择和电路设计之外，良好的印制电路板（PCB）设计在电磁兼容性中也是一个非常重要的因素。PCB 中EMC设计的关键是，尽可能减小回流面积，让回流路径按照设计的方向流动。具体的设计有：

(1) 在线路板PCB的布线上，尽量使高压与低压部分分开、顶层与底层走线方向尽量垂直，以减小相互之间的干扰；

(2) 在空间的布置上，因功率元件产热比较大，要留足空间，有利于工作过程中的产品散热；

(3) 电子元件的选材上要尽量选取高精度，低误差的元器件；

(4) 在成品后，对整体产品做老化实验，在电子元器件运行一定的时间后再次校验产品的性能，严格FQC检验，使欠压脱扣器故障得到了很好的控制，用户给予充分的肯定。

4 结语

本文设计的高可靠，地功耗电磁欠压脱扣器方案整体功耗低，额定工作电流2-4mA，采样精度高，EMC抗干扰能力强。在电压波动比较大、线路比较复杂的电网中，采用低压断路器配备欠压脱扣装置附件是比较合理的选择。

[1] GB 14048.1-2006/IEC 60947-1:2001低压开关设备和控制设备第1部分：总则[S]．

[2] GB 14048.2-2008/IEC 60947-2:2006低压开关设备和控制设备第2部分：断路器[S]．

[3] 吴志祥,周祥才,严晓芬.高可靠永磁欠压脱扣器的研究与设计[J].低压电器,2013(14):28-31.

[4] 王永忠.断路器欠压脱扣器的优化设计[J].低压电器,2012(2):17-19.

[5] 侯根发.电磁式漏电开关中的漏电脱扣器[J].1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.38-44.

Research and Design of Highly Reliable and low-power Electromagnetic Under Voltage Release

Zhang Guoming,Chen Min
(SASSIN International Electric Shanghai Co.,Ltd.,Shanghai,201209)

In order to improve the reliability of the undervoltage release and reduce the power consumption, we use the dual filtering and dual capture circuit mode.Analysis the working principle of the undervoltage release,designe the circuit accordingly,and put forward the requirements of the key technical process in production process.

Electromagnetic undervoltage release;Excitation coil;Circuit design

张国明（1984-），男，硕士研究生，研究方向智能电器，现场总线技术。

陈闽（1982-），男，硕士研究生，研究方向机械设计，低压电器方向。