用于智能塑壳断路器的交直流分励模块的优化设计

段艳艳

（浙江德力西国际电工有限公司 杭州 310024）

引言

分励脱扣器在电子式塑壳断路器中虽然作为附件为用户选择，但在用电安全保护中有着重要的作用，特别是消防用电系统。分励脱扣器作为塑壳断路器的附件必须满足断路器的电磁兼容性的全部规定[1]，在首先满足断路器的电磁兼容性的前提下，还必须符合低压开关设备和控制设备总则中之规定[2]，在额定控制电源电压的（70～110）%（交流在额定频率下）范围内，在电器规定的所有工作条件下分励脱扣器应发生动作，可靠使断路器断开，与时间继电器配合使用时还可以实现延时远距离控制断路器的分断。断路器动作后，分励脱扣线圈应不再导通，所以使分励脱扣器动作的电平应是一定宽度的脉冲信号，此种脉宽控制，可以使远距离控制按键或命令不受导通时间限制。

本设计使分励脱扣器在特殊场合的应用更加安全可靠：在消防用电电路设计中，一方面要保证消防用电负荷的用电可靠性，另一方面还要避免非消防线路在火灾情况下发生短路、过载引发次生灾害并保证消防队员的安全。这就涉及到了怎样在火灾时切除非消防负荷，分励脱扣器常用在远距离自动断电的控制上，现在用的最多的就是消防控制室切断非消防电源。民用建筑设计规范中规定[3]，在遇到火灾时，应采用消防联动控制、集中控制、分散与集中相结合控制。但无论采用何种方式，应将分励脱扣器的控制电源和按钮开关安装在消防控制室，并明确规定了设有消火栓按钮控制回路的电压不宜采用230 V或大于50 V的交直流电压，因为在使用消火栓时可能有大量水从箱内溢出，弄湿整个箱体，不慎会使消火栓箱或消防龙带电伤及消防人员。为人身安全，在《火灾自动报警系统设计规范》中规定，消防联动装置应采用直流24 V电压。

1 现状

目前塑壳断路器配有两种分励脱扣器，按分励脱扣器主要工作原理分，一种是利用交流脱扣线圈和微动开关组合的工作方式（为便于区分简称AC型），另一种是由外接电源降压后用直流脉冲驱动直流脱扣线圈动作的工作方式（简称DC型）见图1。

图1 分励模块主要工作方式

AC型按供电电压分有AC230 V、AC400 V、AC/DC110 V、DC24 V。当用户需要用DC24 V分励脱扣器，需加装DC24 V继电器扩容。

AC型使用中的缺陷：一是稳定性较差，除了线圈工作的不稳定性引起外，还有分励脱扣器中微动开关和弹片同本机结构件的配合度要求达不到引起拒动；二是断路器空间限制，部分壳架需要增加其它辅助装置时，空间位置不够。三是当控制电源为DC24 V，还需要增加直流继电器，而在实际使用中有用户反映分励脱扣器动作不稳定，经查询分析，当DC24 V电源距离断路器较远时，DC24 V的线损会影响继电器常开触点的可靠吸合，从而导致分励线圈工作不稳定。

DC型研发的可行性：主要是为解决电子式塑壳断路器中AC型分励脱扣器的使用缺陷，同时当用户需要DC24 V分励脱扣器时，无需再加装DC24 V继电器。DC型三种工作电源可用同一个模块，用户只需根据模块接线柱电源指示接线即可。目前电子式塑壳断路器内已具有脱扣器，DC型分励脱扣器动作执行部件具备借用的条件，只需借助断路器内部脱扣器，执行分励命令发给脱扣器即可。

2 DC型分励脱扣器方案考虑

目前市场上使用的DC型分励脱扣器方案大都是电源降压后产生稳压低电压供单片机工作，利用软件编程，单片机采集上电信号后，发固定脉冲电平驱动TTL管或MOS管带动电子塑壳断路器内部的脱扣器动作，使断路器执行分断操作。这种方案因技术成熟实现起来比较快捷，但因其内部有单片机，对使用环境要求会较高，且装配、调试、检测等生产工序要求也会较多，导致生产成本偏高。考虑到产品功能单一，为提高产品市场竞争力，此方案不是最佳。以前市场上也有利用单一的模拟电路的方案实现分励动作的，但其电路电压检测及驱动脱扣器动作的脉冲电压主要是依据电容上电、掉电特性实现，而一般的电容价格便宜，但其容值波动范围大，特别是长期工作后受温度影响其容值会有较大变化，这会导致分励脱扣器的工作条件偏离出厂时的检验要求，进一步导致工作的不稳定。综合考虑两种方案及产品在市场的实际使用情况，提出并实现了新的方案。新方案中利用了电压检测集成块及脉冲发生器，不论是脱扣器的动作电源还是驱动脱扣器动作的脉冲都得到了技术参数上的可靠保证。

3 DC分励脱扣器方案设计

供电电源，电源选择根据用户需求有AC230 V、AC400 V、AC/DC110 V、DC24 V，所以电源电路设计应能满足五种电源供电要求。分励脱扣器主要确保在一定额定工作电压范围内使脱扣器可靠动作，参考电子式塑壳断路器在单相0.5 In的额定情况下，需可靠工作，而断路器内互感器二次侧电流此时大概30 mA左右，再加上电容预储能，脱扣器就会稳定可靠工作。再考虑电源回路上的自损耗及脱扣器工作时的最大功耗，电源功率不需太大，预设计在（2～3）W即可，经多次各种电压范围内测试证明，DC型分励模块设计在此功率内完全可以满足产品可靠工作。

3.1 DC分励脱扣器电路设计要点

电路设计功能图如图2，开关电源部分是常规电路，不再详细介绍，针对电压稳压检测及脉冲产生调控电路作阐述。

图2 分励模块原理导图

3.1.1 电压检测、稳压电路

不论DC分励模块供电电压是五中电源中的哪一种，都需要经过稳压检测，如果没有电压检测，分励模块上电瞬间会给电子脱扣器驱动电路发一脉冲电平，使脱扣电路导通，但又因为上电瞬间脱扣电压不稳，脱扣回路电流不充足，脱扣器容易处在抖动状态。电压检测及稳压电路如图3。功能主要有电压检测集成块HT7027A和自锁稳压电路实现。HT7027A是一组采用 CMOS 技术实现的三端低功耗电压检测器,高输入电压范围 （高达 30 V），输出电压精度：±3 %，静态电流：3 μA，低温度系数。其电压检测器能检测固定的电压，范围从 2.2 V 到 5.0 V。电压检测器由高精度低功耗的标准电压源、比较器、迟滞电路以及输出驱动器组成。采用CMOS 技术制造，因而确保了低功率消耗。当电压低于脱扣器动作电压时，HT7027处于复位状态，输出低电平，NPN三极管Q5发射结反偏，集电结反偏，Q5处于反向截止状态；P沟道场效应晶体管Q3控制门处于高电平截止，脱扣器处于失电状态，不会动作，同时PNP三极管Q2处于反向截止状态，Q5继续保持反向截止状态，Q3稳定在截止状态。当随着主回路电压电流逐渐稳定，HT7027输出脚输出高电平，Q5发射结正偏，集电结正偏，Q5处于导通状态；Q3控制门处于低电平，Q3导通，脱扣器供电电源正常，同时Q2发射结反正偏，集电结正偏，Q2导通，Q5基集电平处于更加高稳定状态，Q3也处于持续稳定导通脱状态，脱扣器工作电源持续稳定，从外接电源接通到脱扣器电源正常波形图如图4。

图3 电压检测及稳压电路

图4 工作电源启动输出波形

3.1.2 脉冲产生电路

脉冲产生电路是主要有脉冲发生器NE555组成[4]，如图5，产生脉冲宽度主要有R5、C7数值选择有关，不带负载时脉宽计算公式可参考T=1.1*R5*C7，负载大小不同时，有效脉宽会有不同程度的减少，这需要根据实际负载调整。用可调直流源摸底测试脱扣器动作脉冲，如图6，可知电压越高，动作脉冲越窄，把脱扣器供电电压调整到12 V±20 %，测得脱扣器稳定动作脉冲需大于等于8 ms，考虑到量产后的脱扣器动作脉冲会有波动，调整C7参数，使有效脉冲宽度在（50～80）ms之间，经过多次频繁上电掉电操作，脱扣器都可以无抖动的稳定动作。在批量摸底测试中，发现如果脉冲宽度较大，例如大于100 ms，DC分励模块电源灯有闪烁现象。原因分析，是脱扣器线圈内阻较小，脱扣线圈如果导通时间过长，回路电流需求就会较大，脱扣器电源的储能电容也已无法满足要求，回路输出电压降低，电源指示灯熄灭；回路电压降低后，脱扣器驱动回路不再处于导通状态，回路输出电源又升高，电源指示灯亮，用示波器观察脱扣器工作电源波形，会发现电源有跌落又稳定的重复过程。

图5 脉冲产生电路

图6 动作脉冲宽度测量

4 总结

DC型分励模块优化设计的目的是解决老产品在市场使用中发现的问题及降低生产成本。对比使用单片机方案，成本有明显降低，同时提升了分励脱扣器安全工作电压范围，外接交流电压时采用了开关电源方案，大大提高了产品工作效率，所以产品安全工作电压范围充分满足国家标准规定之要求；外接DC24 V时，电压线损降到到63 % 时，脱扣器依然可以稳定工作，满足了断路器长距离接入消防系统的需求。