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智能電表外置微型斷路器方案設計

發布時間:2017-12-12 17:21    發布者:eechina
關鍵詞: 智能電表 , 斷路器
作者:TI公司華東區工程師 Johnny Guo, Daniel Fang, Martin Yu

隨著智能電網建設的推進,智能電能表費控系統作為量大面廣的基礎,受到國家電網公司和南方電網公司的重視。為進一步提高電能表費控系統的可靠性,加強電能表外置斷路器的質量控制,確保電力系統智能管理、智能服務的安全穩定運行,國家電網公司和南方電網公司分別在2015制定了《電能表外置斷路器技術規范》,中國質量認證中心(CQC)在2016年5月份研發并推出了電能表外置斷路器的認證業務。

電能表外置微型斷路器(以下簡稱:微型斷路器)是配合智能電能表實現智能費控功能的關鍵器件,額定電流相對較大(>60A)的智能電能表一般采用微型斷路器的方式來實現各種費控功能。

圖1是微型斷路器示意圖。微型斷路器是配合智能電表使用,可以實現欠費自動分閘斷電,續費自動合閘續電的功能。微型斷路器和電表之間有兩根線連接,分別是控制信號線和反饋線。控制線采用AC220V電平方式,控制單元供電從控制信號線取電,拉閘動作時可以從相線短暫用電,動作結束后相線泄露電流需要小于0.2mA。反饋信號也采用AC220V電平方式,內部串聯100kΩ電阻后輸出。控制單元上包含一個用于帶動執行機構的直流馬達,通過馬達動作帶動斷路器分閘和合閘,并由位置傳感器檢測馬達的實際位置。


圖 1.  電能表外置斷路器示意圖

根據《電能表外置斷路器技術規范》,微型斷路器需要滿足以下技術要求:
1)       額定控制電平電壓:AC220V;
2)       額定控制電平電流:≤ 1mA;
3)       相線泄露電流:控制單元合閘后,每相線消耗的穩態電流小于0.2mA;
4)       額定頻率:50Hz或60Hz;
5)       自動合閘時間:≤3s;
6)       上電延時:≥ 4s。

外置微型斷路器為全自動斷路器,具備欠費分閘、付費合閘、費控狀態指示、欠費脫口保持、狀態反饋等功能。根據設計要求,圖2所示為推薦的微型斷路器系統框圖。


圖 2.  微型斷路器系統框圖

微型斷路器的技術參數中有要求相線泄露電流在控制單元合閘后,每相線消耗的穩態電流小于0.2mA,因此必須要采用超低功耗的MCU。根據微型斷路器控制單元的功能和性能,總結MCU的具體技術要求:
1)      低功耗:不超過150uA;
2)      Flash: 4KB左右;
3)      RAM:1KB左右;
4)      具備片內EEPROM;
5)      封裝:20 腳,TSSOP封裝;
6)      ADC:10位或12位,1通道。

根據以上的MCU具體技術要求,我們選擇了MSP430FR鐵電系列的MSP430FR2111,這是TI公司為微型斷路器、充電寶、電子煙等領域量身定制的超低功耗的MCU。

MCU發出的合閘和分閘指令需要由直流電機來執行,并最終帶動執行機構完成動作。這個系統里采用DRV8848方案,其一組控制輸出直接驅動直流電機執行指令,另一組輸出用來控制位置霍爾傳感器DRV5023的供電電源通斷,以降低合閘后的系統功耗,從而達到0.2mA輸入電流的要求。

微型斷路器需要從交流供電線取電,且方案對體積要求較高,因此方案選用集成MOSFET的UCC28910原邊控制反激方案。UCC28910 是專門用于隔離反激式電源,在無需光耦合器的情況下提供穩定的輸出電壓和電流,其內置的700V 啟動和智能電源管理模塊可以在保證器件實現高壓啟動情況下,使器件在正常工作期間將內部高壓啟動電流源關閉,因此方案可實現極低的待機功率,以滿足0.2mA輸入電流要求。UCC28910輸出電壓為12V,給微型斷路器的直流電機和位置霍爾傳感器供電,同時通過TLV70433將12V轉化為3.3V給MCU供電。
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