第34卷第1期杭州电子科技大学学报Vol．34，No．12014年1月JournalofHangzhouDianziUniversityJan．2014doi:10．3969/j．issn．1001－9146．2014．01－021一种智能塑壳断路器自生电源设计周亚军，李晓军，颜喜清(杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018)摘要:自生电源是智能低压断路器控制器设计中的关键技术之一。该文设计了一种用于智能低压塑壳断路器的自生电源，应用电流互感器从被保护线路感应出电流，经整流后给储能电容充电，建立电源电压，采用脉宽调制技术控制输出电压。为保证自生电源质量，采取一种变参数PID控制策略实现稳压，同时通过前馈调节补偿输入电流的扰动。实验表明，该自生电源稳定度高，抗干扰能力强。关键词:断路器;自生电源;脉宽调制;前馈－反馈调节中图分类号:TM561文献标识码:A文章编号:1001－9146(2014)01－0087－040引言低压断路器是配电系统中一种重要的保护电器和操作电器，随着配电系统自动化程度的提高，正由热磁式向智能式发展［1－2］。国标规定，低压断路器电子式控制器至少应具有一个由被保护线路能量产生的自生电源。当前对自生电源的研究主要针对大容量高压断路器或框架式断路器，一般采用专用电源控制芯片，不适应塑壳断路器对成本和体积的要求［3－4］。本文设计了一种用于智能塑壳断路器的自生电源，使用嵌入式CPU作为主控单元，采用数字化PWM控制方式，并根据自生电源特点设计控制算法，提高电源的稳定性。1电路设计自生电源主回路如图1所示，3个电流互感器分别从被保护线路感应得到交流电流，经过整流后(图1中整流电路只给出A相)，三相叠加得到直流输入电流iin，给储能电容C2、C3充电，使电容两端的电压上升，得到输出电压Vout。嵌入式CPU(STM32f107VC)输出脉宽调制(PWM)信号，控制MOS管Q1的开通与关断。当图1自生电源电路图PWM信号为低电平时，Q1截止，输入电流除提供输出电流iout外还给储能电容充电，使输出电压升高。反之PWM信号处在高电平时，Q1导通，输入电流全部流过Q1通路，储能电容放电使输出电压降低。收稿日期:2013－06－20基金项目:浙江省重大科技专项资助项目(2011C01021)作者简介:周亚军(1956－)，女，浙江杭州人，教授级高级工程师，运动控制与嵌入式系统．调节PWM信号的占空比即可控制输出电压。储能电容C2、C3的选型影响着电源的寿命和可靠性［5－6］。将电容器视作理想电容，则则电容容值［7］C、纹波电压ΔVout应满足以下关系。C=ρioutΔVoutf(1)取C=100μF，f=4kHz，可使断路器控制器额定运行时(本文对应电流互感器副边电流每相60mA，iin=180mA，iout约为70mA)，纹波电压约为0．1V。实际电容器都带有等效串联电阻(ESＲ)，电流流过ESＲ会产生热量，造成电容寿命缩短［8］。因此，本文选用ESＲ较小的钽电容，并且采取2个47μF电容并联的方式来等效，进一步减小电容的ESＲ，既能延长电容的使用寿命，又可减小ESＲ产生的纹波电压分量。在储能电容两端并联1个0．1μF的陶瓷电容C4，可增强对高频分量的滤波效果。为防止输入电流中的尖峰脉冲对电路板产生破坏，在Q1之前并联一个瞬态抑制二极管D1，以吸收浪涌功率，将两极间的电压箝位于预定值，保护电路中的元器件。经过自生电源调理，输出电压可以稳定在12V，可以作为脱扣线圈的驱动电源，再通过两个稳压芯片分别产生控制器工作所需3．3V和5V电源。2控制策略自生电源是一个恒值控制系统，控制的任务是抑制各种扰动的影响，得到稳定的输出电压。系统中存在的扰动主要有负载扰动和输入扰动两种。第一种扰动由电源负载功率的变化引起，如断路器LED灯闪烁以及网络通信等，其扰动幅度较小;而第二种扰动则由被保护线路电流变化引起，随着电网中用电器的启动、关停甚至是电网故障，输入电流发生较大幅度的瞬时变化，变化速率很快。反馈控制根据输出量得到实时误差，并依据误差产生控制作用来消除误差，能够抑制这两种扰动的影响。这种基于误差消除误差的原理决定了在扰动的作用下，输出量必须首先偏离设定值，然后才能产生控制作用，故而对上述第一种较小的扰动能够起到良好的控制效果，而对于第二种较为剧烈的扰动，简单的反馈控制难以取得理想的动态性能。前馈控制依据扰...