吴志祥，高 波，蒋文贤，黄 波

（1.常州工学院，江苏 常州 213002；2.江苏国星电器有限公司，江苏 常州 213177）

基于SoC的DW450断路器用欠压脱扣器研究与设计

吴志祥1，高 波1，蒋文贤2，黄 波2

（1.常州工学院，江苏 常州 213002；2.江苏国星电器有限公司，江苏 常州 213177）

针对新一代智能型低压万能式DW450断路器体积明显缩小，且对内嵌电子单元要求更高等特点，设计一种基于SoC（system-on-chip）的高性能欠压脱扣器。在现有DW45电磁型欠压脱扣器的基础上，分析存在的问题，提出基于电容降压、电容充放电的新方案。实验表明：该欠压脱扣器方案整体电路简洁，在78mm×30mm×35mm的空间里实现瞬时或延时欠压脱扣；动作点准确度达±2V，测控电路工作电流仅为0.73mA@5V。为新一代智能型低压万能式DW450断路器提供一种高可靠的小型化欠压脱扣器优选方案。

DW450断路器；欠压脱扣器；电路设计；SoC系统；瞬时脱扣；延时脱扣

0 引 言

DW450断路器作为新一代智能型低压万能式断路器，具有智能化、可通信、体积小、短路分断能力高和保护功能完善等特点[1-2]，逐步成为智能电网中的主要配电单元。新一代断路器整体体积缩小，对内嵌电子单元提出了更高要求。如何在DW45电磁型欠压脱扣器的基础上，分析原有存在的问题，提出更优的设计方案，研制适用DW450系列断路器的高性能欠压脱扣器，是目前急需解决的问题。

欠压脱扣器作为断路器中内嵌的重要元件，对欠压脱扣-断路器分闸起着关键作用。设有欠压脱扣器的断路器，按照国标[3]规定，当电网电压下降到一定程度时，断路器分闸切断电源，既保护了重要设备的正常运行，又保护了本级电网下的用电设备。欠压脱扣器通常由测控电路与脱扣执行部件组成。执行部件可分为电磁型[4]和永磁型[5]两类。执行部件故障率较低，故欠压脱扣器品质，主要由测控电路决定。欠压脱扣器同时必须满足断路器电磁兼容性的全部规定[6]。

电磁型欠压脱扣器采用电磁铁为执行部件，控制电路首先向电磁铁发出一个较大的始动脉冲功率，然后保持电磁铁处于一定功率状态，以克服复位弹簧力并保持动铁芯处在吸合位置，为断路器主触头系合闸提供条件。当电压下降到一定值时，测控电路使电磁铁断电，动铁芯受复位弹簧反作用力弹出，顶开锁扣机构（脱扣），主触头系依靠自身储能弹簧力，断开主触头系。因电磁型部件在断电后具有复位自脱扣能力，在目前断路器中仍得到广泛应用。

现有DW45电磁型欠压脱扣器体积较大，普遍采用交流线路输入电压，经过整流、滤波，获得直流工作电压后，使用脉冲宽带调制（pulse width modulation，PWM）法[7-8]，降低线圈端电压至一合适的平均工作电压（约30V）。因其PWM占空比过小（约为5%），使得PWM主控元件（MOS管）截止期间受过压、脉冲群的干扰机率达95%，严重影响MOS管的安全性。在现有欠压脱扣器方案故障原因总和中，MOS管损坏约占主要原因的90%。

1 DW450欠压脱扣方案研究

如将一电容器串联在交流输入回路中，在电磁铁得电之前，通过该电容器对主回路中的滤波电容充电。电磁铁得电之后，该电容器成为降压电容，为电磁铁提供一合适电压，则主控电路中无“活动”元件，可靠性将大幅度提高。在此基础上，电路整体简洁、电磁铁吸合可靠，在脱扣时，脱扣力满足要求且脱扣电压值准确。基于这一思路设计的欠压脱扣器方案如图1所示。

线路输入电压（220V/380V）从L、N输入，经EMC电路抗干扰抑制，形成“二次电源”L1、N1。设输入电压为0.85Ue，经过电容器C1由全桥B1整流后向电容器C2充电，经过t1时间后，VH电压被充电到a点控制开关电路接通电磁铁，C2上的电荷经电磁铁释放，电磁铁被强力启动，VH电压下降到b点。输入电压增加，则电磁铁端电压增加。输入电压逐步下降到0.5Ue时，VH电压下降到c点，SoC控制开关电路断开电磁铁。基于电容降压的欠压脱扣器电压运行状态如图2所示。

图1 DW450欠压脱扣器方案

图2 脱扣器电压运行状态图

方案中，电阻R3、R4对VH分压后的电压信号SB送入SoC，用于检测C2的充电电压值，Z2作限幅保护。L1经过二极管D0半波整流向电源电路供电，同时由电阻R1、R2组成电网的半波取样电路，取样信号SA送SoC，Z1限幅SA信号。电源电路产生12V电压供开关电路，生产的5V电压供SoC电路。

因采用SoC作为主控芯片，大为简化电路整体设计。在正常电压区间，电磁铁处于被接通状态，开关电路（MOS管）始终处于“静态”导通状态，对脉冲群等干扰呈现极低阻抗，承受干扰电压的几率几乎为零，可靠性得到大幅度提高。

2 主要单元电路设计

2.1 电磁铁参数

DW450欠压脱扣器的电磁铁，其主要参数设计为：线圈采用φ0.11mm漆包线绕制5600匝，直流电阻410Ω，电感量700mH；始动电压（US）120V；工作电压（UW）30V；维持电压（UM）9.5V；脱扣力大于22N。

2.2 主电容与储能电容

图1中的C1串联在交流回路，B1整流后向C2充电，在开关电路接通之前，C2上的充电电压为输入电压的开关电路接通之后，C2起到滤波作用。

将电磁铁等效为一电阻R与一电感L串联。设线路输入电压为Uin，忽略全桥B1压降及内阻，电磁铁工作电压UW为电磁铁获得一合适工作电压，C1容量为

C2上的VH电压，除了满足始动电压之外，C2所提供的功率还必须满足电磁铁完全吸合之需要，即向电磁铁提供足够的“始动功率”。或C2对电磁铁的放电时间，必须大于电磁铁的触动时间与运动时间之和[9]。设C2被充电到a点时的电压值为U0，电磁铁始动功率为P，则C2为

已知电磁铁触动时间与运动时间之和为t，且认为U0放电到UW（b点）时，电磁铁完成吸合，由式（2）可求得C2的具体数值。式（2）中的t，其含义如图2中的t2所示。

以220V电压等级为例，由C1、B1、C2及电磁铁组成的主回路，其电磁铁端电压VH及电磁铁功率，随输入电压的变化特性如图3所示。

图3 电磁铁电压及功率曲线

由图3可知，输入为额定电压时，电磁铁端电压及功率分别为31.4V、1.7W；输入降为110V时，电磁铁端电压及功率分别为16.6V、0.48W。完全满足电磁铁电气参数特性要求。

2.3 SoC电路设计

片上系统（system on chip，SoC）电路包括SoC和用于设定延时脱扣时限的3位拨码接口电路。

现今单片机或SoC，含有电源欠电压-复位、内置比较器、内置A/D转换器、可设定A/D转换器参考电压（VREF）、振荡器可被停止（STOP模式）以及在STOP模式下可“定时激活”等先进功能[10]，选用体积小、功能强的SoC，可显著简化电路，缩小线路板面积。结合图1特点，选用廉价型ATtiny13为主的SoC电路，如图4所示。

图4 SoC电路

PB2、PB3和PB4设置为ADC模式，分别采样SA、 SB和T信号。PB0作输出控制信号，PB5为复位脚。3位拨码开关SW及周边电阻组成时间值给定电路，拨码开关全部断开时，PB4电压为VCC电压，脱扣器执行瞬时脱扣动作。其余7种组合方式，ADC2转换出的二进制数，分别表示0.5～10.5s不同的延时脱扣时间值。

2.4 开关电路设计

开关电路用来接通电磁铁。图5所示的电路简单，且可低电平驱动。当来自SoC的控制信号ON信号为低电平时，T1基极被偏置，T2导通，T3获得栅极电压导通，电磁铁得电吸合。当ON高电平时，T1截止，T2无基极电流而截止，T3栅极被RT3下拉为低电平截止，电磁铁断电释放脱扣。

图5 开关电路

3 软件设计

充分发挥SoC的性能，可进一步增强欠压脱扣器的功能，如自动识别50Hz或60Hz线路输入电压频率等。

3.1 电网周期捕捉

SoC上电之后，令片内比较器+输入端与内部基准源（CVREF）连接，连接于采样信号的PB1（AIN1）与CVREF比较，即ACIS1：ACIS0=11模式，比较器输出中断，控制定时器（T/C0）启动与停止，获得线路输入电压半周期的时间值。时间值t0、t1、…、t9十个数值进入队列，对队列中的数组“去大”、“去小”求累加和，右移2次，求得电网周期T。

将电网周期T除以32，得到每周期采样时间间隔值tS，tS由T/C0完成定时，即在一个电网周期内采样32次。

3.2 有效值计算与及判据

为避免开方运算，缩短程序运行时间，将有效值算法定义改写为下式：

PB2（ADC1）对线路输入电压信号SA按时间周期tS采样，共计采样32次后，按式（3）进行有效值计算一次。

电磁铁吸合之前，在每次有效值计算完成后，对C2充电的SB信号采样，由PB3（ADC3）直接采样后保存为VSB。

3.3 主控流程图设计

吸合值UA、欠压脱扣值UR各自平方除以2和C2充电目标值UE作为常数存放。SoC上电初始化后，先行读取3位拨码开关设定的时间值，进入“空闲模式”。

定时器定时tS时间到了，激活CPU的同时，启动A/D采样SA信号，并判断是否完成了一个周期的采样。

当VSA＞UA时，进一步判断VSB是否大于UE，若大于时，SoC输出ON信号为低电平，控制开关电路接通电磁铁。接着判断VSA是否小于UR，小于时判断是瞬时脱扣还是延时脱扣。瞬时脱扣状态时，SoC输出ON信号转为高电平，控制开关电路断开电磁铁实现脱扣。否则，继续完成设定的延时时间后脱扣。主控流程图如图6所示。

表1 DW450与DW45欠压脱扣器参数对比

主控程序中，加入了“空闲模式”，使得CPU消耗电流明显降低，既减轻了电源电路的功耗，又进一步提高了测控电路的可靠性。

4 结束语

本文研究的脱扣器，由主电路结构决定了C1、C2的工作性质，既为电磁铁提供了较大的始动功率，又自动地为电磁铁提供了合适的工作电压。电磁铁获得的始动功率大，吸合可靠，且电磁铁静、动铁芯之间的撞击小，在狭小的塑壳空间里实现了电磁机构与控制电路一体化。“万次”疲劳试验表明，脱扣器塑壳部分的形变可忽略不计，基本参数对比见表1。脱扣器整体电路简洁，瞬时或延时欠压脱扣功能全面。测控电路工作电流仅为0.73mA@5V。经受1.3倍电网电压老化，通过了4 kV脉冲群考核试验。为DW450断路器提供了一种高可靠小型化欠压脱扣器方案。

[1]陈培国.新一代DW450-1600智能型低压万能式断路器[J].低压电器，2005（1）：8-14.

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[9]贺湘琰.电器学[M].北京：机械工业出版社，2007：29-90.

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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

常州市知识产权计划项目（CK20122008）

吴志祥（1960-），男，江苏常州市人，副教授，研究方向为电力电子技术、智能电器。