吳志祥，高 波，蔣文賢，黃 波

（1.常州工學(xué)院，江蘇 常州 213002；2.江蘇國星電器有限公司，江蘇 常州 213177）

基于SoC的DW450斷路器用欠壓脫扣器研究與設(shè)計(jì)

吳志祥1，高 波1，蔣文賢2，黃 波2

（1.常州工學(xué)院，江蘇 常州 213002；2.江蘇國星電器有限公司，江蘇 常州 213177）

針對新一代智能型低壓萬能式DW450斷路器體積明顯縮小，且對內(nèi)嵌電子單元要求更高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于SoC（system-on-chip）的高性能欠壓脫扣器。在現(xiàn)有DW45電磁型欠壓脫扣器的基礎(chǔ)上，分析存在的問題，提出基于電容降壓、電容充放電的新方案。實(shí)驗(yàn)表明：該欠壓脫扣器方案整體電路簡潔，在78mm×30mm×35mm的空間里實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)或延時(shí)欠壓脫扣；動作點(diǎn)準(zhǔn)確度達(dá)±2V，測控電路工作電流僅為0.73mA@5V。為新一代智能型低壓萬能式DW450斷路器提供一種高可靠的小型化欠壓脫扣器優(yōu)選方案。

DW450斷路器；欠壓脫扣器；電路設(shè)計(jì)；SoC系統(tǒng)；瞬時(shí)脫扣；延時(shí)脫扣

0 引 言

DW450斷路器作為新一代智能型低壓萬能式斷路器，具有智能化、可通信、體積小、短路分?jǐn)嗄芰Ω吆捅Ｗo(hù)功能完善等特點(diǎn)[1-2]，逐步成為智能電網(wǎng)中的主要配電單元。新一代斷路器整體體積縮小，對內(nèi)嵌電子單元提出了更高要求。如何在DW45電磁型欠壓脫扣器的基礎(chǔ)上，分析原有存在的問題，提出更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，研制適用DW450系列斷路器的高性能欠壓脫扣器，是目前急需解決的問題。

欠壓脫扣器作為斷路器中內(nèi)嵌的重要元件，對欠壓脫扣-斷路器分閘起著關(guān)鍵作用。設(shè)有欠壓脫扣器的斷路器，按照國標(biāo)[3]規(guī)定，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降到一定程度時(shí)，斷路器分閘切斷電源，既保護(hù)了重要設(shè)備的正常運(yùn)行，又保護(hù)了本級電網(wǎng)下的用電設(shè)備。欠壓脫扣器通常由測控電路與脫扣執(zhí)行部件組成。執(zhí)行部件可分為電磁型[4]和永磁型[5]兩類。執(zhí)行部件故障率較低，故欠壓脫扣器品質(zhì)，主要由測控電路決定。欠壓脫扣器同時(shí)必須滿足斷路器電磁兼容性的全部規(guī)定[6]。

電磁型欠壓脫扣器采用電磁鐵為執(zhí)行部件，控制電路首先向電磁鐵發(fā)出一個(gè)較大的始動脈沖功率，然后保持電磁鐵處于一定功率狀態(tài)，以克服復(fù)位彈簧力并保持動鐵芯處在吸合位置，為斷路器主觸頭系合閘提供條件。當(dāng)電壓下降到一定值時(shí)，測控電路使電磁鐵斷電，動鐵芯受復(fù)位彈簧反作用力彈出，頂開鎖扣機(jī)構(gòu)（脫扣），主觸頭系依靠自身儲能彈簧力，斷開主觸頭系。因電磁型部件在斷電后具有復(fù)位自脫扣能力，在目前斷路器中仍得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有DW45電磁型欠壓脫扣器體積較大，普遍采用交流線路輸入電壓，經(jīng)過整流、濾波，獲得直流工作電壓后，使用脈沖寬帶調(diào)制（pulse width modulation，PWM）法[7-8]，降低線圈端電壓至一合適的平均工作電壓（約30V）。因其PWM占空比過?。s為5%），使得PWM主控元件（MOS管）截止期間受過壓、脈沖群的干擾機(jī)率達(dá)95%，嚴(yán)重影響MOS管的安全性。在現(xiàn)有欠壓脫扣器方案故障原因總和中，MOS管損壞約占主要原因的90%。

1 DW450欠壓脫扣方案研究

如將一電容器串聯(lián)在交流輸入回路中，在電磁鐵得電之前，通過該電容器對主回路中的濾波電容充電。電磁鐵得電之后，該電容器成為降壓電容，為電磁鐵提供一合適電壓，則主控電路中無“活動”元件，可靠性將大幅度提高。在此基礎(chǔ)上，電路整體簡潔、電磁鐵吸合可靠，在脫扣時(shí)，脫扣力滿足要求且脫扣電壓值準(zhǔn)確。基于這一思路設(shè)計(jì)的欠壓脫扣器方案如圖1所示。

線路輸入電壓（220V/380V）從L、N輸入，經(jīng)EMC電路抗干擾抑制，形成“二次電源”L1、N1。設(shè)輸入電壓為0.85Ue，經(jīng)過電容器C1由全橋B1整流后向電容器C2充電，經(jīng)過t1時(shí)間后，VH電壓被充電到a點(diǎn)控制開關(guān)電路接通電磁鐵，C2上的電荷經(jīng)電磁鐵釋放，電磁鐵被強(qiáng)力啟動，VH電壓下降到b點(diǎn)。輸入電壓增加，則電磁鐵端電壓增加。輸入電壓逐步下降到0.5Ue時(shí)，VH電壓下降到c點(diǎn)，SoC控制開關(guān)電路斷開電磁鐵?；陔娙萁祲旱那穳好摽燮麟妷哼\(yùn)行狀態(tài)如圖2所示。

圖1 DW450欠壓脫扣器方案

圖2 脫扣器電壓運(yùn)行狀態(tài)圖

方案中，電阻R3、R4對VH分壓后的電壓信號SB送入SoC，用于檢測C2的充電電壓值，Z2作限幅保護(hù)。L1經(jīng)過二極管D0半波整流向電源電路供電，同時(shí)由電阻R1、R2組成電網(wǎng)的半波取樣電路，取樣信號SA送SoC，Z1限幅SA信號。電源電路產(chǎn)生12V電壓供開關(guān)電路，生產(chǎn)的5V電壓供SoC電路。

因采用SoC作為主控芯片，大為簡化電路整體設(shè)計(jì)。在正常電壓區(qū)間，電磁鐵處于被接通狀態(tài)，開關(guān)電路（MOS管）始終處于“靜態(tài)”導(dǎo)通狀態(tài)，對脈沖群等干擾呈現(xiàn)極低阻抗，承受干擾電壓的幾率幾乎為零，可靠性得到大幅度提高。

2 主要單元電路設(shè)計(jì)

2.1 電磁鐵參數(shù)

DW450欠壓脫扣器的電磁鐵，其主要參數(shù)設(shè)計(jì)為：線圈采用φ0.11mm漆包線繞制5600匝，直流電阻410Ω，電感量700mH；始動電壓（US）120V；工作電壓（UW）30V；維持電壓（UM）9.5V；脫扣力大于22N。

2.2 主電容與儲能電容

圖1中的C1串聯(lián)在交流回路，B1整流后向C2充電，在開關(guān)電路接通之前，C2上的充電電壓為輸入電壓的開關(guān)電路接通之后，C2起到濾波作用。

將電磁鐵等效為一電阻R與一電感L串聯(lián)。設(shè)線路輸入電壓為Uin，忽略全橋B1壓降及內(nèi)阻，電磁鐵工作電壓UW為電磁鐵獲得一合適工作電壓，C1容量為

C2上的VH電壓，除了滿足始動電壓之外，C2所提供的功率還必須滿足電磁鐵完全吸合之需要，即向電磁鐵提供足夠的“始動功率”?；駽2對電磁鐵的放電時(shí)間，必須大于電磁鐵的觸動時(shí)間與運(yùn)動時(shí)間之和[9]。設(shè)C2被充電到a點(diǎn)時(shí)的電壓值為U0，電磁鐵始動功率為P，則C2為

已知電磁鐵觸動時(shí)間與運(yùn)動時(shí)間之和為t，且認(rèn)為U0放電到UW（b點(diǎn)）時(shí)，電磁鐵完成吸合，由式（2）可求得C2的具體數(shù)值。式（2）中的t，其含義如圖2中的t2所示。

以220V電壓等級為例，由C1、B1、C2及電磁鐵組成的主回路，其電磁鐵端電壓VH及電磁鐵功率，隨輸入電壓的變化特性如圖3所示。

圖3 電磁鐵電壓及功率曲線

由圖3可知，輸入為額定電壓時(shí)，電磁鐵端電壓及功率分別為31.4V、1.7W；輸入降為110V時(shí)，電磁鐵端電壓及功率分別為16.6V、0.48W。完全滿足電磁鐵電氣參數(shù)特性要求。

2.3 SoC電路設(shè)計(jì)

片上系統(tǒng)（system on chip，SoC）電路包括SoC和用于設(shè)定延時(shí)脫扣時(shí)限的3位撥碼接口電路。

現(xiàn)今單片機(jī)或SoC，含有電源欠電壓-復(fù)位、內(nèi)置比較器、內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器、可設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓（VREF）、振蕩器可被停止（STOP模式）以及在STOP模式下可“定時(shí)激活”等先進(jìn)功能[10]，選用體積小、功能強(qiáng)的SoC，可顯著簡化電路，縮小線路板面積。結(jié)合圖1特點(diǎn)，選用廉價(jià)型ATtiny13為主的SoC電路，如圖4所示。

圖4 SoC電路

PB2、PB3和PB4設(shè)置為ADC模式，分別采樣SA、 SB和T信號。PB0作輸出控制信號，PB5為復(fù)位腳。3位撥碼開關(guān)SW及周邊電阻組成時(shí)間值給定電路，撥碼開關(guān)全部斷開時(shí)，PB4電壓為VCC電壓，脫扣器執(zhí)行瞬時(shí)脫扣動作。其余7種組合方式，ADC2轉(zhuǎn)換出的二進(jìn)制數(shù)，分別表示0.5～10.5s不同的延時(shí)脫扣時(shí)間值。

2.4 開關(guān)電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電路用來接通電磁鐵。圖5所示的電路簡單，且可低電平驅(qū)動。當(dāng)來自SoC的控制信號ON信號為低電平時(shí)，T1基極被偏置，T2導(dǎo)通，T3獲得柵極電壓導(dǎo)通，電磁鐵得電吸合。當(dāng)ON高電平時(shí)，T1截止，T2無基極電流而截止，T3柵極被RT3下拉為低電平截止，電磁鐵斷電釋放脫扣。

圖5 開關(guān)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

充分發(fā)揮SoC的性能，可進(jìn)一步增強(qiáng)欠壓脫扣器的功能，如自動識別50Hz或60Hz線路輸入電壓頻率等。

3.1 電網(wǎng)周期捕捉

SoC上電之后，令片內(nèi)比較器+輸入端與內(nèi)部基準(zhǔn)源（CVREF）連接，連接于采樣信號的PB1（AIN1）與CVREF比較，即ACIS1：ACIS0=11模式，比較器輸出中斷，控制定時(shí)器（T/C0）啟動與停止，獲得線路輸入電壓半周期的時(shí)間值。時(shí)間值t0、t1、…、t9十個(gè)數(shù)值進(jìn)入隊(duì)列，對隊(duì)列中的數(shù)組“去大”、“去小”求累加和，右移2次，求得電網(wǎng)周期T。

將電網(wǎng)周期T除以32，得到每周期采樣時(shí)間間隔值tS，tS由T/C0完成定時(shí)，即在一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)采樣32次。

3.2 有效值計(jì)算與及判據(jù)

為避免開方運(yùn)算，縮短程序運(yùn)行時(shí)間，將有效值算法定義改寫為下式：

PB2（ADC1）對線路輸入電壓信號SA按時(shí)間周期tS采樣，共計(jì)采樣32次后，按式（3）進(jìn)行有效值計(jì)算一次。

電磁鐵吸合之前，在每次有效值計(jì)算完成后，對C2充電的SB信號采樣，由PB3（ADC3）直接采樣后保存為VSB。

3.3 主控流程圖設(shè)計(jì)

吸合值UA、欠壓脫扣值UR各自平方除以2和C2充電目標(biāo)值UE作為常數(shù)存放。SoC上電初始化后，先行讀取3位撥碼開關(guān)設(shè)定的時(shí)間值，進(jìn)入“空閑模式”。

定時(shí)器定時(shí)tS時(shí)間到了，激活CPU的同時(shí)，啟動A/D采樣SA信號，并判斷是否完成了一個(gè)周期的采樣。

當(dāng)VSA＞UA時(shí)，進(jìn)一步判斷VSB是否大于UE，若大于時(shí)，SoC輸出ON信號為低電平，控制開關(guān)電路接通電磁鐵。接著判斷VSA是否小于UR，小于時(shí)判斷是瞬時(shí)脫扣還是延時(shí)脫扣。瞬時(shí)脫扣狀態(tài)時(shí)，SoC輸出ON信號轉(zhuǎn)為高電平，控制開關(guān)電路斷開電磁鐵實(shí)現(xiàn)脫扣。否則，繼續(xù)完成設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后脫扣。主控流程圖如圖6所示。

表1 DW450與DW45欠壓脫扣器參數(shù)對比

主控程序中，加入了“空閑模式”，使得CPU消耗電流明顯降低，既減輕了電源電路的功耗，又進(jìn)一步提高了測控電路的可靠性。

4 結(jié)束語

本文研究的脫扣器，由主電路結(jié)構(gòu)決定了C1、C2的工作性質(zhì)，既為電磁鐵提供了較大的始動功率，又自動地為電磁鐵提供了合適的工作電壓。電磁鐵獲得的始動功率大，吸合可靠，且電磁鐵靜、動鐵芯之間的撞擊小，在狹小的塑殼空間里實(shí)現(xiàn)了電磁機(jī)構(gòu)與控制電路一體化?！叭f次”疲勞試驗(yàn)表明，脫扣器塑殼部分的形變可忽略不計(jì)，基本參數(shù)對比見表1。脫扣器整體電路簡潔，瞬時(shí)或延時(shí)欠壓脫扣功能全面。測控電路工作電流僅為0.73mA@5V。經(jīng)受1.3倍電網(wǎng)電壓老化，通過了4 kV脈沖群考核試驗(yàn)。為DW450斷路器提供了一種高可靠小型化欠壓脫扣器方案。

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Research and design of undervoltage release used in DW450 circuit breaker based on SoC

WU Zhi-xiang1，GAO Bo1，JIANG Wen-xian2，HUANG Bo2
（1.Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002，China；2.Jaingsu Guoxing Electrical Co.，Ltd.，Changzhou 213177，China）

Considering that the new generation of intelligent DW450 low pressure universal type circuit breaker significantly reducesin size and hashigherrequirementsforthe embedded electronic units，a high-performance undervoltage release，based on SoC，has been worked out. On the basis ofthe problem analysisconcerning the existing DW45 type electromagnetic undervoltage release，the paper puts forward a new scheme based on the key technique of capacitance step-down and capacitor charging-discharging.Experimental results show that the whole circuit of the new undervoltage release is concise and capable of realizing the instantaneous undervoltage tripping or delay undervoltage tripping in 78 mm×30 mm×35 mm space.The accuracy of the action point is limited within plus or minus 2 V and the working current of measurement and control circuit is 0.73mA@5V only.In short，it provides an optimization scheme of a highly reliable and miniaturized undervoltage release for the new generation of intelligent DW450 low pressure universal type circuit breaker.

DW450 circuit breaker；undervoltage release；circuit design；SoC system；instantaneous trip；delay trip

TM561；TM76；TM930.12；TP273

：A

：1674-5124（2014)06-0064-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.017

2014-04-21；

：2014-06-09

常州市知識產(chǎn)權(quán)計(jì)劃項(xiàng)目（CK20122008）

吳志祥（1960-），男，江蘇常州市人，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、智能電器。