智能化脱扣器脱扣电路的设计

　　摘 要：介绍了智能化脱扣器脱扣电路的设计，设计结合了模拟脱扣电路，增加了抗干扰的脉宽检测电路。
　　关键词：脱扣电路，智能化脱扣器，脉宽检测
　　1 引言
　　智能化脱扣器是以现代的微处理器为，通过信号采集，数据处理，故障诊断来实现对断路器的智能控制。脱扣电路是智能脱扣器的执行电路，接收单片机发出的脱扣命令，输出驱动磁通变换器动作，使断路器断开。脱扣电路的稳定性和可靠性，关系整个脱扣器的性能。
　　脱扣电路应具有抗干扰、工作可靠的特性。
　　2 电路设计
　　智能化脱扣器脱扣电路的结构如所示，在微处理器脱扣控制电路的基础上，加入了模拟脱扣电路，作为后备保护。模拟脱扣电路用于系统上电初期的短路电流保护和系统运行期间特大短路电流的保护。
　　微处理器在上电初期要进行上电初始化，无法实现保护。模拟脱扣电路采用硬件比较器电路可以快速判断出断路器接通时出现短路的情况，并做出相应的动作进行保护。在微处理器运行期间，模拟脱扣电路实现特大短路电流的判断，如果出现特大短路电流，微处理器没有来得及反应，则模拟脱扣电路可作出相应的判断和动作。因此数字脱扣和模拟脱扣相结合，两者互补，增加了脱扣器的可靠性。模拟脱扣电路采用比较器鉴幅电路来实现，每一相使用两个比较器来完成。电流信号 Ia、Ib、Ic的幅值同参考电平VRE+和VRE—进行比较。比较器采用LM393，其输出是集电极开路的，因此中所有电压比较器输出并联起来，通过一个上拉电阻接Vcc实现线与功能。在正常情况下，微处理器没有发出脱扣信号且电流信号的幅值在基准电压范围内，则比较器的并联输出UTRIP被上拉电阻拉高，否则只要任一电压比较器输出为低，则UTRIP被拉低。UTRIP信号接脉宽检测电路，进行抗干扰处理，如果UTRIP的低脉冲维持一定的宽度，则单稳态触发器被触发，UOUT输出一定宽度的脉冲通过驱动电路使磁通变换器打开，从而分断断路器。
　　2.1 脉宽检测电路
　　采用上述比较器鉴幅电路，在实际系统运行中由于干扰的存在，比较器的输出会出现一些不必要的窄脉冲，如果直接接单稳态触发电
　　路，会产生误动作。为了消除干扰，在比较器的输出端加了脉宽检测电路，该电路由一个555器件组成，输出接由另一个555器件构成的单稳态触发电路，电路及其工作波形如所示。
　　脉宽检测电路的工作原理如下：UTRIP、UTH、UQ、UOUT表示图中各个结点。UTRIP来自电压比较器并联的输出端。在正常情况下，比较器输出高阻，此时图中NPN三极管导通，UTH被三极管嵌位在其饱和电压0.3V以下，UQ输出高电平。当电流越限或单片机发出脱扣指令，比较器输出将把UTRIP拉低，则NPN三极管截止，此时接UTH的电容通过电阻R5、R6开始充电，UTH电压升高。如果UTRIP低脉冲保持一定的宽度，UTH随着电容充电上升并达到2/3Vcc，则UQ输出低电平，触发其后由个555器件构成的单稳态电路，UOUT输出一个一定宽度的脉冲。由电路的工作波形可知，由于电容充电需要一定的时间，因此该脉宽检测电路只有在UTRIP输出低脉冲宽度保持一定的时间才能使UOUT触发。如果UTRIP的脉冲过窄，UTH电压达不到2/3VCC，则UOUT不会触发，因此通过该电路可以消除前级比较器出现的干扰问题。上述电容充电使UTH电压上升到2/3VCC的时间为T0，设充电电阻为R，电容为C，则T0≈ln3RC≈1.1RC (1)
　　

　　中的充电电阻由R5和R6串联而成。即R＝(R5+R6)。单稳态触发电路的输出Uout的宽度T1。
　　T1≈1.1RC (2)
　　R、C为相应的充电电阻值和电容值。
　　上述电路中的电容电阻值根据实际比较器输出脉冲的情况适当的取值。
　　2.2 可切换的参考电平设计
　　模拟脱扣电路实现在上电初期的短路电流判断和系统运行期间的特大短路电流的判断，在实际的应用中，上电初期的短路电流判断只在100ms内起作用，其后即在当微处理器初始化完毕开始正常运行，模拟脱扣电路则进行特大短路电流的判断，两种不同短路情况，其电流定值不同。如40/50kA，即上电瞬间短路判断电流定值为40kA，运行期间特大短路电流判断定值为50kA，因此要实现不同短路电流判断，中比较器的参考电压要能进行切换。本文设计的可切换参考电平电路如所示，电平的切换通过图中所示的微处理器的P1.1引脚来控制，设计采用两个3.3V的稳压管D2和D4，通过反相加法电路得到VRE—，在系统上电初期，微处理器I/O引脚为高阻或输入状态，此时稳压管D4不起作用，此时的VRE—为：
　　

　　该参考电压为实现上电短路判断的参考电平，在微处理器初始化完毕后，P1.1输出低电平，此时稳压管D4的3.3V电压加入VRE—，有
　　

　　该参考电平作为运行期间特大短路电流的参考电平。VRE—经过反相电路得VRE+。因此的电路可实现两个不同参考电平的切换。
　　(3)和(4)式中电阻的取值根据实际的短路电流定值来确定。
　　

　　3 结论
　　本文设计的智能化脱扣器脱扣电路，结合了数字脱扣和模拟脱扣电路，使系统更为可靠，电路中采用了脉宽检测电路实现了抗干扰的设计。通过在实际的智能脱扣器系统中的应用验证了本文设计的正确，经过测试，该电路可以可靠稳定地工作。
　　参考文献
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　　[2] 梁锦．第三代电子脱扣器的脱扣电路[J]．现代电子技术，2002(3)
　　[3] 欧阳森，王克星等．基于实时多任务操作系统的新型智能脱扣器[J]．电工技术杂志，2002(10)
　　[4]. LM393 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM393_1059532.html.