适用于低频和中频控制系统的欠压脱扣器

2018-04-23李志宏周云红

现代建筑电气 2018年2期

李志宏, 周云红

(1.上海良信电器股份有限公司, 上海 201206;2.南京工程学院电力工程学院, 江苏南京 210000)

0 引言

在工业配电系统中会用到大量的低压电器,其中断路器是最广泛的元器件之一。为了满足不同配电系统的要求,断路器不仅要具备过载、短路等保护功能,还要具备远程分合闸、信号反馈、断路器状态反馈、主回路电压检测等附加功能,因此断路器在设计之初就考虑这些问题,增加电动操作机构、辅助触头、报警触头、分励脱扣器、欠压脱扣器等附件。

欠压脱扣器为了防止设备在低压运行或用于下级双电源转换开关切换,当控制电压低于某设计值时会动作,进而就会强制断开断路器。目前,万能式断路器使用的欠压脱扣器附件多为自吸式,自吸式的性能明显优于助吸式,但是在实际应用过程中发现自吸式欠压脱扣器出现失效的现象。

针对此问题,本文设计一款专门适用于抗谐波干扰的欠压脱扣器,以满足用户的要求。

1 欠压脱扣器

1.1 欠压脱扣器概念

用电设备额定电压和允许的电压波动范围低于允许的波动范围,称为欠压。欠压脱扣器就是当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脱扣器。欠压脱扣器是断路器的主要附件之一,用于被保护对象额定的电压范围内使断路器断开电路或不能接通电路,使断路器下级负载电路或设备在低压状况下运行。

1.2 欠压脱扣器分类

欠电压脱扣器按动作时间分瞬时和延时,其中延时又分为短延时(0.2～3 s)和长延时(3～10 s);按电流种类分交流和直流;按磁体的性质分永磁式和软磁式;按工作方式分电子式和电磁式;按吸合方式分自吸式和助吸式。

1.3 常见的欠压脱扣器工作原理

1.3.1 电磁式欠压脱扣器

电磁式欠电压脱扣器是电磁一体化机构,主要包括控制电路和电磁系统两大部分。其中,电磁系统由励磁线圈、铁心(静铁心和动铁心)、磁轭支持板和反作用力弹簧等组成。欠电压脱扣器大部分为电磁式,保护原理和结构形式也基本相同,目前国内的DW15万能式断路器基本上采用这种欠电压脱扣器。

当欠压脱扣器安装在断路器内部时,与衔铁(动铁心)相连的脱扣杆(板)或拉杆与断路器的脱扣板操作机构的连杆相连或相对(中间留有一定间隙,作为动作行程)。欠压脱扣器电路的进线接在断路器的相线端,其输出端接励磁线圈。当欠压脱扣器两端电源电压在85%Us～110%Us时,控制电路保证接通励磁线圈,衔铁被吸合,断路器处于运行状态;当电源电压下降到欠压脱扣器额定电压的35%Us～70%Us时,控制模块关断励磁线圈,欠压脱扣器无电磁吸力,在反力弹簧的作用下衔铁被打开,脱扣杆撞击断路器的脱扣板或破坏四连杆机构的平衡,使断路器断开。

1.3.2 电子式欠压脱扣器

电子式欠压脱扣器主要分电子整流欠压脱扣器和延时欠压脱扣器。电子整流欠压脱扣器主要采用二极管半波整流,变交流为直流,以降低线圈温升等。半波整流欠压脱扣器工作原理如图1所示。

图1 半波整流欠压脱扣器工作原理

阻容式延时欠压脱扣器延时电路是RC积分电路,借电容器的放电时间获取延时时间,采用阻容放电原理,由电阻、电容、二极管组成半波整流,当电源电压为正常值(85%Ue～110%Ue)时,经整流后电源对电容充电,给欠压脱扣器线圈提供正常吸合电压,当电源电压为70%Ue～35%Ue时,电容对线圈放电,使欠压线圈在给定的时间内吸合,以保证欠压脱扣器延时,断路器断开。阻容式延时欠压脱扣器工作原理如图2所示。

图2 阻容式延时欠压脱扣器工作原理

1.3.3 永磁式欠压脱扣器

具有欠压脱扣器的永磁机构是在壳体上部设有端盖、端盖内的欠压铁心、欠压线圈组成的欠压脱扣器,并在该机构中央设置上下导杆,在动铁心腔体内的下导杆外部套有弹簧。由于设置独立的欠压脱扣器,加上导杆、弹簧及其他部分的有机结合,可为断路器处于稳定的合闸状态提供保持力,当主电路产生欠电压时,欠压脱扣器的吸合力下降,促进可靠分闸,有效提高操作控制的灵敏度。且欠压脱扣器的磁路、控制与合/分闸磁路、控制相互之间无影响,还具有结构简单紧凑、控制稳定可靠、操作调整方便等优点。

当外施电压≥85%Ue时,永磁式欠压脱扣器的吸合完全依靠永久磁铁的磁场作用来完成吸合,当外施电压下降到55%Ue时,电磁线圈产生与永久磁铁相反的磁场,使脱扣器完成脱扣,实现分断开关功能。

永磁式欠压脱扣器解决传统欠压脱扣器温升高、误动作、故障率高等问题,提高低压开关设备和控制设备运行的安全性、可靠性。

1.3.4 智能型欠压脱扣器

智能型欠压脱扣器由单片机控制电路和执行元件两部分组成,并具有延时可调等特点。单片机控制电路由抗干扰电路、电源电路、取样电路、延时选择电路、微处理器控制电路、继电器电路等构成;执行元件主要包括永磁式欠电压脱扣器或智能脱扣器等。

整机工作过程概述如下:额定电压输入后,微处理器控制电路稳定工作,监控外施电压的变化,当外施电压≥85%Ue时,微处理器输出的吸合指令使脱扣器吸合;当外施电压下降到动作设定值时,微处理器开始进入延时状态,微处理器输出脱扣指令,使脱扣器完成脱扣,实现分断开关功能,在延时过程中如果外施电压恢复到85%Ue,脱扣器不断开,进入正常工作状态;当外施电压达到0时,单片机控制电路起动延时电路,有效、准确地断开脱扣器。

2 适合于低频电源柜的欠压脱扣器

2.1 欠压脱扣器的应用

供配电系统中负荷的不断变化,电网电压波动比较大,对电动机、各类用电设备以及线路造成极大的危害。对于不十分重要的场所,采用欠压脱扣器(安装在断路器内部)或PLC方案来切断电源,保护下级回路,确保重要设备的正常运行。

目前,低压电器行业内万能式断路器常用的欠压脱扣器附件结构为自吸式,该附件产品性能稳定、可靠,但发现在某些特殊环境下欠压脱扣器出现瞬间失效的现象,导致设备不能正常运行。

2.2 故障原因分析

通过监控中频焊机正常运行时状况,时刻监测欠压脱扣器两端电压的变化,找到发生欠压脱扣器失效的原因。中频焊机控制柜工作时经整流逆变后,控制线路中的频率为1～1.2 kHz,功率为1 000 kW,正常工作时工作电流最高达1 500 A。万能式断路器的产品型号NDW1-2000 C2000A/3M/3P,欠压脱扣器的工作电压为AC 220 V。检验设备采用万用表、示波器等。

欠压脱扣器工作原理简图如图3所示。

图3 欠压脱扣器工作原理简图

当焊机电源柜通电后,设备未加负载和加负载后两种情况下,欠压脱扣器进线端两端电压变化不大,如图4所示,按照欠压脱扣器的设计要求,正常工作电压为85%Us～110%Us,不会出现跳闸的现象。

图4 电压波形

在焊机未加负载和加负载两种情况下,欠压脱扣器电源模块输出端脉冲波形如图5所示。

图5 欠压脱扣器电源模块输出端脉冲波形

由图5可知,在焊机加载时,设备产生的电磁干扰严重影响欠压脱扣器,使失真的波形无法推动功率MOS管导通,使串联在MOS管上面的线圈失电释放,断路器断开。计算出波形发生器输出波形的频率约为100 Hz,波形占空比为37.5%,脱扣器导通占空比为24%。

2.3 新型欠压脱扣器特点

对欠压脱扣器的电路板重新设计,包括元器件和布线,电路板的驱动电路改为单片机,单片机在工作时会输出稳定的矩形波(PWM),抗干扰性能强。新型线圈驱动单元如图6所示。工作原理:当单片机输出端PC5发出一控制信号,三极管TX1饱和导通,+15 V正电压加至MOS管TX4栅极使之导通。当TX4导通后,储能电容向正向线圈放电,驱动衔铁吸合,实现驱动功能。