电磁型欠压脱扣器及其控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种电磁型欠压脱扣器，包括滤波整流电路、采样电路、电源电路、控制模块、驱动模块和电磁铁，所述启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，这种电磁型欠压脱扣器极其控制方法，通过微型计算机进行控制电路控制，控制思路清晰，电路结构精简巧妙；电路设置了启动绕组和工作绕组双线圈电磁铁，启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，启动绕组工作电流大，启动力矩大，可确保电磁铁吸合；工作绕组工作电流小，提供电磁铁的维持吸合的基本功率，发热量极小。
【专利说明】电磁型欠压脱扣器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及欠压脱扣【技术领域】，尤其涉及一种电磁型欠压脱扣器及其控制方法。【背景技术】
[0002]欠压脱扣器是断路器，尤其是框架式断路器的重要元件之一。欠电压脱扣器是在它的端电压降至某一规定范围时，使断路器有延时或无延时断开的一种脱扣器，当电源电压下降，甚至缓慢下降到额定工作电压的70%至35%范围内，欠电压脱扣器应运作，欠电压脱扣器在电源电压等于脱扣器额定工作电压的35 %时，欠电压脱扣器应能防止断路器闭全，脱扣器线圈失电，线圈内活动衔铁有复位弹簧顶出一脱扣；电源电压等于或大于85%欠电压脱扣器的额定工作电压时，在热态条件下，应能保证断路器可靠闭合，脱扣器线圈得电，线圈内活动衔铁有线圈电磁力克服弹簧力吸入并保持一定力矩一吸合。欠压脱扣的本质，是防止断路器下级电器设备工作在欠压状态下电流过大后，电器设备自身发热加重的有效措施。
[0003]现有电磁型欠压脱扣器普遍存在线圈发热量高、欠压脱扣器启动力矩小和电路过于复杂等问题；特别是越来越小型化的断路器的要求，欠压脱扣器也小型化，小型化的欠压脱扣器多半以塑料件为线圈骨架，塑件骨架易受高温、型变、老化、尘埃污染等不良因素影响，导致活动衔铁常有被“卡死(不吸合)”等现象发生；即便是全金属化结构的小型欠压脱扣器，也有类似现象发生；最终致使到断路器不能合闸，影响了电网运行，但如果增加电磁铁的维持功率，便会导致线圈发热量高，导致脱扣器被烧坏。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:为了解决现有电磁型欠压脱扣器普遍存在线圈发热量高、欠压脱扣器启动力矩小和电路过于复杂等问题，本发明提供了一种电磁型欠压脱扣器及其控制方法来解决上述问题。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种电磁型欠压脱扣器，包括滤波整流电路、采样电路、电源电路、控制模块、驱动模块和电磁铁，所述滤波整流电路的输入端接电网电压并在输出端输出直流电压VH，所述直流电压VH接入到电源电路和采样电路，所述电源电路输出第一工作电压VCC1到控制模块和驱动模块，输出第二工作电压VCC2到驱动模块，所处采样电路输出采样信号SA到控制模块，所述电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯上的启动绕组和工作绕组，所述启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，所述驱动模块包括第一驱动电路和第二驱动电路，所述控制模块向第一驱动电路输出第一控制信号P1，所述第一驱动电路的输出端与启动绕组的一端连接，所述启动绕组的另外一端接直流电压VH，所述控制模块向第二驱动电路输出第二控制信号P2，所述第二驱动电路的输出端与工作绕组的一端连接，所述工作绕组的另外一端接直流电压VH。
[0006]具体的，所述滤波整流电路包括EMC电路和整流桥B1，所述EMC电路的输入端接电网电压，输出端与整流桥连接，所述整流桥B1的负输出端接地，正输出端输出直流电压VH，所述采样电路包括电阻Rl、R2和并联在电阻R2两端的电容C0，电容C0用于抗高频干扰，所述整流桥B1的正输出端依次串联电阻R1、R2后接地，所述采样信号SA为电阻R1和电阻R2之间的引出电压。
[0007]所述电源电路包括电阻RW1、RW2、三极管WT、稳压二极管Z1、电容⑶1、⑶2、⑶3和三端稳压器W1，所述整流桥B1的正输出端接电阻RW1的一端和RW2的一端，所述电阻RW1的另外一端与三极管WT的集电极连接，所述电阻RW2的另外一端与三极管WT的基极连接，所述三极管WT的基极还与稳压二极管Z1连接，所述三极管WT的发射极输出所述第二工作电压VCC2，所述三极管WT的发射极还接电容⑶1和三端稳压器W1的输入端，所述三端稳压器W1的输出端输出所述第一工作电压VCC1，所述三端稳压器W1的输出端与电容CD2、CD3连接，电源电路还可以是串联式降压电源、开关式隔离或者非隔离电源，第一工作电压VCC1为12V或者15V，第二工作电压VCC2为3.3V或者5V。
[0008]所述控制模块包括单片机PIC12F675和拨码开关SW，所述单片机PIC12F675的GP0引脚输出第一控制信号Pl，GP1引脚输出第二控制信号P2，GP2引脚与拨码开关SW连接，GP3引脚设定为MCLR，作为复位输入端，GP4引脚和GP5引脚接采样信号SA，GP4引脚用于电网电压的过零检测，铁芯完全吸合后，对第二控制信号P2的输出进行斩波控制，防止工作绕组发热；VSS引脚与三端稳压器W1的输出端连接，VDD引脚接地。 [0009]所述第一驱动电路包括三极管ΤΙ、T2、T3、电阻RT1、RT2、RT3、RT4、电容Cl、C2和M0S管Q1，所述电容C1并联在电阻RT1两端，所述电容C2并联在电阻RT2两端，所述三极管T1的基极接三端稳压器W1的输出端，集电极分别与电阻RT3的一端和三极管T2的基极连接，发射极与电阻RT1的一端连接，所述电阻RT1的另外一端接单片机PIC12F675的GP0引脚，所述电阻RT3的另外一端接第一工作电压VCC1，所述单片机PIC12F675的GP0引脚还与电阻RT2的一端连接，电阻RT2的另外一端接三极管T3的基极，所述三极管T3的发射极接地，集电极分别与电阻RT4的一端和M0S管的栅极连接，所述电阻RT4的另外一端与三极管T2的集电极连接，所述三极管T2的发射极接第一工作电压VCC1，所述M0S管的源极接地，漏极接启动绕组的一端，所述启动绕组的另外一端接整流桥B1的正输出端，所述第二驱动电路可以与第一驱动电路的结构完全相同，也可以是不同的例如SCR驱动电路。
[0010]所述启动绕组的两端还并联有反向二极管D1，所述工作绕组的两端还并联有反向二极管D2，反向二极管D1和D2用于续流启动绕组和工作绕组在关断时间反峰电流，保护第一驱动电路和第二驱动电路。
[0011]一种电磁型欠压脱扣器的控制方法，包括:
[0012](a)输入电网电压前，在单片机PIC12F675中录入程序，通过程序设定第一电压值U1、第二电压值U2和第三电压值U3，电网电压的额定电压值为Ue，28%Ue≤U1≤32%Ue，48%Ue ≤ U2 ≤ 52%Ue,80%Ue ≤ U3 ≤ 85%Ue ；
[0013](b)电网电压输入滤波整流电路，电压值从0升至额定电压值Ue，
[0014]当采样信号SA=U1时，GP1引脚输出第二控制信号P2，第二驱动电路控制工作绕组持续得电，铁芯为脱扣状态；
[0015]当米样信号SA=U2时，时间点为t1; GPO引脚输出第一控制信号P1,第一控制信号P1为一个的脉冲信号，脉冲时间宽度h，第二驱动电路控制启动绕组短暂得电后失电，铁芯完成预吸合动作，即根据脉冲时间宽度h，铁芯执行完全吸合的行程1/2~1/4后返回为脱扣状态；
[0016]当采样信号SA=U3时，时间点为t2，GPO引脚输出第一控制信号P1，第一控制信号P1为一个脉冲信号，第二驱动电路控制启动绕组得电，铁芯完全吸合后并维持为吸合状态；
[0017](c )当电网电压的电压值从额定电压值Ue逐渐降低，采样信号SA=U2时，GP1引脚停止输出第二控制信号P2，第二驱动电路停止驱动工作绕组，工作绕组失电，铁芯脱扣。
[0018]所述电磁铁的临界振荡周期为Ts，(b)中单片机PIC12F675计算得到电网电压的电压值的上升速度为s，根据s和Ts设定U2和U3，使t2-ti ^ Ts，从而实现谐振式吸合，确保铁芯的可靠吸合。
[0019](b)中所述单片机PIC12F675通过GP4引脚进行电网电压过零检测，并以过零点为时间基准对第二控制信号P2的输出进行斩波控制，斩波控制降低第一驱动电路和第二驱动电路中开关元件的电压应力，在过零点附近不斩波，以保持过零点附近瞬时功率仍然大于电磁铁最小维持功率。
[0020]特别的，(c)中调节拨码开关SW并将信号T输入GP2，所述单片机PIC12F675对信号T进行A/D转换并控制GP1引脚的 断开时间，使电磁铁延时脱扣或者瞬时脱扣。
[0021 ] 本发明的有益效果是，这种电磁型欠压脱扣器极其控制方法，通过微型计算机进行控制电路控制，控制思路清晰，电路结构精简巧妙；电路设置了启动绕组和工作绕组双线圈电磁铁，启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，启动绕组工作电流大，启动力矩大，可确保电磁铁吸合；工作绕组工作电流小，提供电磁铁的维持吸合的基本功率，发热量极小。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0023]图1是本发明电磁型欠压脱扣器最优实施例的电路原理图。
[0024]图2是本发明电磁型欠压脱扣器最优实施例的电源电路的原理图。
[0025]图3是本发明电磁型欠压脱扣器最优实施例的控制模块的原理图。
[0026]图4是本发明电磁型欠压脱扣器最优实施例的第一驱动电路的原理图。
[0027]图5是本发明电磁型欠压脱扣器最优实施例的控制过程原理图。
【具体实施方式】
[0028]现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0029]如图1~5所示，本发 明提供了一种电磁型欠压脱扣器，包括滤波整流电路、采样电路、电源电路、控制模块、驱动模块和电磁铁，滤波整流电路的输入端接电网电压并在输出端输出直流电压VH，直流电压VH接入到电源电路和采样电路，电源电路输出第一工作电压VCC1到控制模块和驱动模块，输出第二工作电压VCC2到驱动模块，所处采样电路输出采样信号SA到控制模块，电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯上的启动绕组和工作绕组，启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，驱动模块包括第一驱动电路和第二驱动电路，控制模块向第一驱动电路输出第一控制信号P1，第一驱动电路的输出端与启动绕组的一端连接，启动绕组的另外一端接直流电压VH，控制模块向第二驱动电路输出第二控制信号P2，第二驱动电路的输出端与工作绕组的一端连接，工作绕组的另外一端接直流电压VH，滤波整流电路包括EMC电路和整流桥Bl，EMC电路的输入端接电网电压，输出端与整流桥连接，整流桥B1的负输出端接地，正输出端输出直流电压VH，采样电路包括电阻R1、R2和并联在电阻R2两端的电容C0，电容C0用于抗高频干扰，整流桥B1的正输出端依次串联电阻R1、R2后接地，采样信号SA为电阻R1和电阻R2之间的引出电压，电源电路包括电阻RW1、RW2、三极管WT、稳压二极管Z1、电容⑶1、⑶2、⑶3和三端稳压器W1，整流桥B1的正输出端接电阻RW1的一端和RW2的一端，电阻RW1的另外一端与三极管WT的集电极连接，电阻RW2的另外一端与三极管WT的基极连接，三极管WT的基极还与稳压二极管Z1连接，三极管WT的发射极输出第二工作电压VCC2，三极管WT的发射极还接电容CD1和三端稳压器W1的输入端，三端稳压器W1的输出端输出第一工作电压VCC1,三端稳压器W1的输出端与电容CD2、CD3连接，电源电路还可以是串联式降压电源、开关式隔离或者非隔离电源，第一工作电压VCC1为12V，第二工作电压VCC2为5V，控制模块包括单片机PIC12F675和拨码开关SW，单片机PIC12F675的GPO引脚输出第一控制信号Pl，GP1引脚输出第二控制信号P2，GP2引脚与拨码开关SW连接，GP3引脚设定为MCLR，作为复位输入端，GP4引脚和GP5引脚接采样信号SA，GP4引脚用于电网电压的过零检测，铁芯完全吸合后，对第二控制信号P2的输出进 行斩波控制，防止工作绕组发热；VSS引脚与三端稳压器W1的输出端连接，VDD引脚接地，第一驱动电路包括三极管ΤΙ、T2、T3、电阻RT1、RT2、RT3、RT4、电容Cl、C2和MOS管Q1，电容C1并联在电阻RT1两端，电容C2并联在电阻RT2两端，电容Cl、C2为加速电容，三极管T1的基极接三端稳压器W1的输出端，集电极分别与电阻RT3的一端和三极管T2的基极连接，发射极与电阻RT1的一端连接，电阻RT1的另外一端接单片机PIC12F675的GPO引脚，电阻RT3的另外一端接第一工作电压VCC1，单片机PIC12F675的GPO引脚还与电阻RT2的一端连接，电阻RT2的另外一端接三极管T3的基极，三极管T3的发射极接地，集电极分别与电阻RT4的一端和MOS管的栅极连接，电阻RT4的另外一端与三极管T2的集电极连接，三极管T2的发射极接第一工作电压VCC1，MOS管的源极接地，漏极接启动绕组的一端；第一控制信号P1低电平时，三极管T1的发射极被电阻RT1偏置而导通，三极管T2也同时导通，12V电压经电阻RT4限流，加载到MOS管T4，T4导通，启动绕组得电，此时，三极管Τ3基极无偏置电压而截止；第一控制信号Ρ1高电平时，三极管Τ1的发射极被电阻RT1反向偏置而截止，三极管Τ2的基极由电阻RT3上拉为高电平而截止，三极管Τ3的基极由电阻RT2偏置而导通，MOS管Τ4的栅极电荷被释放，启动绕组失电；启动绕组的另外一端接整流桥Β1的正输出端，第二驱动电路可以与第一驱动电路的结构完全相同，也可以是不同的例如SCR驱动电路，启动绕组的两端还并联有反向二极管D1，工作绕组的两端还并联有反向二极管D2，反向二极管D1和D2用于续流启动绕组和工作绕组在关断时间反峰电流，保护第一驱动电路和第二驱动电路。
[0030]一种电磁型欠压脱扣器的控制方法，包括:
[0031](a)输入电网电压前，在单片机PIC12F675中录入程序，通过程序设定第一电压值U1、第二电压值U2和第三电压值U3，电网电压的额定电压值为Ue，28%Ue≤U1≤32%Ue，48%Ue ≤U2 ≤52%Ue,80%Ue ≤U3 ≤85%Ue ；
[0032](b)电网电压输入滤波整流电路，电压值从0升至额定电压值Ue，[0033]当采样信号SA=U1时，GP1引脚输出第二控制信号P2，第二驱动电路控制工作绕组持续得电，铁芯为脱扣状态，工作绕组获得维持电磁铁吸合的基本功率；
[0034]当采样信号SA=U2时，时间点为t1; GPO引脚输出第一控制信号P1，第一控制信号P1为一个的脉冲信号，脉冲时间宽度h，第二驱动电路控制启动绕组短暂得电后失电，铁芯完成预吸合动作，即根据脉冲时间宽度h，铁芯执行完全吸合的行程1/3后返回为脱扣状态，铁芯执行预吸合动作的行程越短电磁铁的临界振荡周期为Ts，单片机PIC12F675计算得到电网电压的电压值的上升速度为s，脉冲时间宽度h与电网电压的上升速度s成反比，即上升速度s越大，t0越小；
[0035]当米样信号SA=U3时，时间点为t2, GPO引脚输出第一控制信号Pl,第一控制信号P1为一个脉冲信号，第二驱动电路控制启动绕组得电，铁芯完全吸合后并维持为吸合状态，根据s和Ts设定U2和U3，使tftfl；，从而实现谐振式吸合，确保铁芯的可靠吸合；单片机PIC12F675通过GP4引脚进行电网电压过零检测，并以过零点为时间基准对第二控制信号P2的输出进行斩波控制，斩波控制降低第一驱动电路和第二驱动电路中开关元件的电压应力，在过零点附近不斩波，以保持过零点附近瞬时功率仍然大于电磁铁最小维持功率；
[0036](c )当电网电压的电压值从额定电压值Ue逐渐降低，采样信号SA=U2时，GP 1引脚停止输出第二控制信号P2，第二驱动电路停止驱动工作绕组，工作绕组失电，铁芯由电磁铁内部复位弹簧力作用弹出，顶开断路器锁扣机构，实现断路器脱扣分闸；调节拨码开关SW并将信号T输入GP2，单片机PIC12F675对信号T进行A/D转换并控制GP1引脚的断开时间，拨码开关SW为三位拨码开关，全部断开是，信号T电压值最高，表示瞬时脱扣，其它组合可表示七种延时值。
[0037]以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
【权利要求】
1.一种电磁型欠压脱扣器，其特征在于:包括滤波整流电路、采样电路、电源电路、控制模块、驱动模块和电磁铁，所述滤波整流电路的输入端接电网电压并在输出端输出直流电压VH，所述直流电压VH接入到电源电路和采样电路，所述电源电路输出第一工作电压VCC1到控制模块和驱动模块，输出第二工作电压VCC2到驱动模块，所处采样电路输出采样信号SA到控制模块，所述电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯上的启动绕组和工作绕组，所述启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，所述驱动模块包括第一驱动电路和第二驱动电路，所述控制模块向第一驱动电路输出第一控制信号P1，所述第一驱动电路的输出端与启动绕组的一端连接，所述启动绕组的另外一端接直流电压VH，所述控制模块向第二驱动电路输出第二控制信号P2，所述第二驱动电路的输出端与工作绕组的一端连接，所述工作绕组的另外一端接直流电压VH。
2.如权利要求1所述的电磁型欠压脱扣器，其特征在于:所述滤波整流电路包括EMC电路和整流桥B1，所述EMC电路的输入端接电网电压，输出端与整流桥连接，所述整流桥B1的负输出端接地，正输出端输出直流电压VH，所述采样电路包括电阻Rl、R2和并联在电阻R2两端的电容C0，所述整流桥B1的正输出端依次串联电阻Rl、R2后接地，所述采样信号SA为电阻R1和电阻R2之间的引出电压。
3.如权利要求2所述的电磁型欠压脱扣器，其特征在于:所述电源电路包括电阻RW1、RW2、三极管WT和三端稳压器W1，所述整流桥B1的正输出端接电阻RW1的一端和RW2的一端，所述电阻RW1的另外一端与三极管WT的集电极连接，所述电阻RW2的另外一端与三极管WT的基极连接，所述三极管WT的发射极输出所述第二工作电压VCC2，三端稳压器W1的输入端，所述三端稳压器W1的输出端输出所述第一工作电压VCC1。
4.如权利要求3所述的电磁型欠压脱扣器，其特征在于:所述控制模块包括单片机PIC12F675和拨码开 关SW，所述单片机PIC12F675的GPO引脚输出第一控制信号P1，GP1引脚输出第二控制信号P2，GP2引脚与拨码开关SW连接，GP3引脚设定为MCLR，GP4引脚和GP5引脚接采样信号SA，VSS引脚与三端稳压器W1的输出端连接，VDD引脚接地。
5.如权利要求4所述的电磁型欠压脱扣器，其特征在于:所述第一驱动电路包括三极管ΤΙ、T2、T3、电阻RT1、RT2、RT3、RT4、电容Cl、C2和MOS管Q1，所述电容C1并联在电阻RT1两端，所述电容C2并联在电阻RT2两端，所述三极管T1的基极接三端稳压器W1的输出端，集电极分别与电阻RT3的一端和三极管T2的基极连接，发射极与电阻RT1的一端连接，所述电阻RT1的另外一端接单片机PIC12F675的GPO引脚，所述电阻RT3的另外一端接第一工作电压VCC1，所述单片机PIC12F675的GPO引脚还与电阻RT2的一端连接，电阻RT2的另外一端接三极管T3的基极，所述三极管T3的发射极接地，集电极分别与电阻RT4的一端和MOS管的栅极连接，所述电阻RT4的另外一端与三极管T2的集电极连接，所述三极管T2的发射极接第一工作电压VCC1，所述MOS管的源极接地，漏极接启动绕组的一端，所述启动绕组的另外一端接整流桥B1的正输出端。
6.如权利要求5所述的电磁型欠压脱扣器，其特征在于:所述启动绕组的两端还并联有反向二极管D1，所述工作绕组的两端还并联有反向二极管D2。
7.如权利要求1~6任意一项所述的电磁型欠压脱扣器的控制方法，其特征在于:包括:(a)输入电网电压前，在单片机PIC12F675中录入程序，通过程序设定第一电压值U1、第二电压值U2和第三电压值U3，电网电压的额定电压值为Ue，28%Ue≤U1≤32%Ue，48%Ue ≤ U2 ≤ 52%Ue,80%Ue ≤ U3 ≤ 85%Ue ；(b)电网电压输入滤波整流电路，电压值从0升至额定电压值Ue，当采样信号SA=U1时，GP1引脚输出第二控制信号P2，第二驱动电路控制工作绕组持续得电，铁芯为脱扣状态；当采样信号SA=U2时，时间点为tpGPO引脚输出第一控制信号P1，第一控制信号P1为一个的脉冲信号，脉冲时间宽度h，第二驱动电路控制启动绕组短暂得电后失电，铁芯完成预吸合动作，即根据脉冲时间宽度h，铁芯执行完全吸合的行程1/2~1/4后返回为脱扣状态；当采样信号SA=U3时，时间点为t2，GP0引脚输出第一控制信号P1，第一控制信号P1为一个脉冲信号，第二驱动电路控制启动绕组得电，铁芯完全吸合后并维持为吸合状态；(c)当电网电压的电压值从额定电压值Ue逐渐降低，采样信号SA=U2时，GP1引脚停止输出第二控制信号P2，第二驱动电路停止驱动工作绕组，工作绕组失电，铁芯脱扣。
8.如权利要求7所述的电磁型欠压脱扣器的控制方法，其特征在于:所述电磁铁的临界振荡周期为Ts，(b)中单片机PIC12F675计算得到电网电压的电压值的上升速度为s，根据s和Ts设定U2和U3，使t2-ti~Ts。
9.如权利要求7所述的电磁型欠压脱扣器的控制方法，其特征在于:(b)中所述单片机PIC12F675通过GP4引脚进行电网电压过零检测，并以过零点为时间基准对第二控制信号P2的输出进行斩波控制。
10.如权利要求7所述的电磁型欠压脱扣器的控制方法，其特征在于:(C)中调节拨码开关SW并将信号T输入GP2，所述单片机PIC12F675对信号T进行A/D转换并控制GP1引脚的断开时间，使电磁铁延时脱扣或者瞬时脱扣。
【文档编号】H02H3/24GK103647250SQ201310655595
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】吴志祥, 李春鸿, 黄波, 蒋文贤 申请人:江苏国星电器有限公司, 常州工学院