三電源自動轉換開關操作機構設計及其仿真研究

李文華，常惜陽，王端陽，王 俊

（1.河北工業(yè)大學 電器研究所，天津 300130；2.浙江正泰電器股份有限公司，浙江 樂清 325000；3.天水二一三電器有限公司，甘肅 天水 741001）

三電源自動轉換開關操作機構設計及其仿真研究

李文華1，常惜陽1，王端陽2，王 俊3

（1.河北工業(yè)大學 電器研究所，天津 300130；2.浙江正泰電器股份有限公司，浙江 樂清 325000；3.天水二一三電器有限公司，甘肅 天水 741001）

三電源自動轉換開關是三電源供電系統(tǒng)連續(xù)供電的關鍵，其操作機構是實現(xiàn)電源切換的核心．本文介紹了三電源自動轉換開關的研究現(xiàn)狀和組成，并從三電源供電系統(tǒng)的使用要求出發(fā)，設計了一種可用于三電源自動轉換開關的操作機構，給出了工作原理和控制方案．最后通過虛擬樣機技術對該機構進行了三維建模和運動學仿真，結果表明該機構可以達到三電源自動轉換開關的工作要求．

三電源；操作機構；虛擬樣機技術；運動學仿真；自動轉換開關

0 引言

隨著工業(yè)現(xiàn)代化和科技水平的提高，多種行業(yè)對供電安全性、連續(xù)性、可靠性的要求也隨之提高，依據(jù)負載的性能及要求，需在兩路或者多路電源間進行切換，以保證連續(xù)供電．國家標準《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50052-2009）中規(guī)定：一級負荷中特別重要的負荷供電，除應由雙重電源供電外，尚應增設應急電源，并嚴禁將其它負荷接入應急供電系統(tǒng)．三電源自動轉換開關就是為滿足這一供電要求而設計的，它具有電源狀態(tài)檢測、電源間自動切換等功能，能夠防止故障電源向負載供電，避免因電源故障等造成經(jīng)濟損失．

目前，三電源自動轉換開關的研究仍處于起步階段，特別是操作機構的研究資料幾乎沒有，可用于三電源自動轉換開關的操作機構僅有三電源自動轉換開關驅動操作機構[1]和三電源電動操作機構[2]．但是前者的操作機構中的斷路器手柄在分閘中必定隨著驅動彈簧的振動將兩路供電電源同時切入供電系統(tǒng)，造成短路；而后者的操作機構需要2個電機的準確配合才能實現(xiàn)3路供電電源的切換，增加了結構的復雜性，降低了可靠性．針對上述可用于三電源自動轉換開關的操作機構存在的問題，本文提出了一種新可用于三電源自動轉換開關的單電機操作機構，不僅可在任意時刻、任意方向均能實現(xiàn)3路電源之間的切換和對不同規(guī)格功能的斷路器進行操作，而且也能實現(xiàn)雙電源自動轉換開關與三電源自動轉換開關功能的通用．

1 三電源自動轉換開關

三電源供電系統(tǒng)多應用在機場、石化、煤礦等場合[3-5]，采用備自投切換方式，即主供電源異常時切換到備用供電電源，而備用供電電源異常時將由第3路供電電源進行供電[6-7]．對于3路供電電源間的切換，可采用模糊控制算法對其電能質量進行模糊處理，將切換方式轉化為專家控制算法的規(guī)則庫，并置于控制器中．根據(jù)3路供電電源的電能質量模糊處理后的結果，在控制器中查表，實現(xiàn)3路供電電源間的切換[8]．

三電源自動轉換開關與雙電源相似，均是以MCU為控制核心，以機電聯(lián)鎖機構為執(zhí)行元件[9]，主要由電壓頻率采樣電路、控制器、操作機構、斷路器等組成，如圖1所示．

圖1 三電源的組成框圖Fig.1 Block diagram of the three power supply structure

當控制器檢測到常用電源的電壓或頻率出現(xiàn)的偏差超出用戶設定的范圍或相序錯誤時，微機控制程序依據(jù)電源切換控制策略，通過延時（可調）電路驅動相應的指令向電動操動機構發(fā)出指令．操作機構將常用電源斷路器分閘，在備用電源參數(shù)正常的情況下，執(zhí)行備用電源斷路器合閘指令；否則，在緊急電源參數(shù)正常的情況下，將緊急電源斷路器合閘，或者，操作機構不動作．三電源自動轉換開關可最大限度地保證對各種重要負荷場合持續(xù)供電，減少故障時間．

三電源自動轉換開關控制器的設計必須考慮電氣互鎖，同時3臺斷路器的機構操作部分應設置機械互鎖裝置，即同時由切換規(guī)則以及斷路器狀態(tài)來確定控制輸出命令，從而保證當1個斷路器處于合閘狀態(tài)時不會發(fā)出另2個斷路器的合閘信號，進一步提高自動轉換開關供電的可靠性．

2 三電源自動轉換開關操作機構的結構與原理

三電源自動轉換開關要求其操作機構每次只對1路供電電源進行操作，對其它兩路供電電源不操作，在對其他供電電源操作之前必須完成本次供電電源的切除，而且必須保證3路供電電源間的機械互鎖．

本文所設計的操作機構中3個斷路器對應的機構相同且適用于3個斷路器在空間中排列為一條直線的操作，其可在任意位置任意方向均能實現(xiàn)3路電源之間的切換，也可對不同規(guī)格功能的斷路器進行操作，保證3路供電電源間的機械互鎖，并且實現(xiàn)雙電源自動轉換開關與三電源自動轉換開關功能的通用．由于3個斷路器的分合閘機構一樣，本文僅表示出1個斷路器分合閘的機構簡圖，如圖2．

圖2 機構簡圖Fig.2 Diagram ofmechanism

機構簡圖分析如下：主動齒輪與從動齒輪嚙合，帶動固定在從動齒輪偏心孔上的連桿推動桿件運動．根據(jù)機構簡圖的分析，本文提出了一種三電源自動轉換開關的操作機構，如圖3所示，并參見圖3說明．

圖3 操作機構示意圖Fig.3 Schematic diagram of operatingmechanism

該機構中電機為動力來源，斷路器的通斷主要由不完全齒輪、從動齒輪、連桿、連接板、接通推板和關斷推板完成，斷路器手柄與斷路器固定在一起．轉動組件是由電機、通過聯(lián)軸器與電機連接的旋轉軸、第1不完全齒輪、第2不完全齒輪和第3不完全齒輪、位于旋轉軸上端的下圓板以及固定安裝在下圓板上的上圓板和角位移傳感器共同構成的．該機構可以分別調節(jié)接通推板、關斷推板與連接板的距離來調節(jié)斷路器手柄移動的距離，實現(xiàn)對不同規(guī)格功能斷路器的操作．

本文設計的三電源自動轉換開關操作機構中不完全齒輪的齒分為2組，2組齒輪所占的弧度均為，2組齒之間相距的最小弧度為3個不完全齒輪圓周上的齒在空間中呈120°交錯裝配，3個不完全齒輪的齒在空間中兩兩相距弧度均為三電源自動轉換開關的操作機構應滿足角度約束條件如下

3 三電源自動轉換開關操作機構的控制原理

3.1 操作機構停止位置示意圖

對于3個斷路器通斷的準確控制，該操作機構采用了角位移傳感器來獲得第1不完全齒輪的2組齒相距最小弧度為20°的中間位置信息，而斷路器的接通和分斷的位置示意圖如圖4所示．

圖4 斷路器接通和分斷的位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the circuitbreakers' connected and brokeoff position

A、B和C點位置信息分別表示斷路器I、II、III的合閘狀態(tài)，O點位置信息表示該操作機構的初始狀態(tài)即3個斷路器均處于分閘狀態(tài)，A1、A2、B1、B2、C1和C2點位置信息分別表示斷路器I、斷路器II和斷路器III的分閘狀態(tài)．

3.2 角位移傳感器信號采集電路設計

機構采用霍爾式角位移傳感器WDH22 0505來檢測第1不完全齒輪的兩組齒相距最小弧度為20°的中間轉過的角度，如圖5所示為角位移信號采集電路圖．角位移傳感器WDH22 0505的有效電氣轉角為360°，其電壓信號經(jīng)過降壓輸入到MCU的A/D端口[10]，進而實現(xiàn)控制器對于操作機構角度位移的實時檢測．

3.3 控制方案

以斷路器I的通斷對該機構的運動過程進行闡述，斷路器I的結構示意圖如圖6所示，2A為斷路器I的手柄．

電機驅動轉動組件從圖6的位置開始順時針運動到A1時，第1不完全齒輪的1組齒帶動從動齒輪逆時針運動，固定在從動齒輪偏心孔上的連桿將驅動連接板、接通推板和關斷推板運動，接通推板和關斷推板將推動斷路器I手柄運動，使斷路器I處于合閘狀態(tài)，此時第1不完全齒輪兩組齒相距最小弧度為20°的中間位于A點位置，角位移傳感器獲得信息，電機停轉，斷路器II和斷路器III處于分閘狀態(tài)．

圖5 角位移傳感器信號采集電路Fig.5 Angular displacementsensor signal acquisition circuit

圖6 斷路器I的結構示意圖Fig.6 Block diagram of the circuitbreaker structure

轉動組件在A點位置逆時針運動時，第1不完全齒輪的一組齒帶動從動齒輪順時針運動，固定在從動齒輪偏心孔上的連桿將驅動連接板、接通推板和關斷推板運動，接通推板和關斷推板將推動斷路器I手柄運動，使斷路器I處于分閘狀態(tài)，此時第1不完全齒輪的兩組齒相距最小弧度為20°的中間位于A1點位置時，角位移傳感器獲得信息，電機停轉，斷路器II和斷路器III仍處于分閘．

轉動組件在A點位置順時針運動時，第1不完全齒輪的另一組齒帶動從動齒輪逆時針運動，固定在從動齒輪偏心孔上的連桿將驅動連接板、接通推板和關斷推板運動，接通推板和關斷推板將推動斷路器手柄運動，使斷路器I處于分閘狀態(tài)，此時第1不完全齒輪的兩組齒相距最小弧度為20°的中間位于A2點位置，角位移傳感器獲得信息，電機停轉，斷路器II和斷路器III仍處于分閘狀態(tài)．斷路器II和斷路器III的分合閘可以參照斷路器I的分合閘過程．

由上述分析的闡述，并結合操作機構中轉換機構和執(zhí)行機構的設計可知，斷路器I、II和III在任意位置任意方向均能實現(xiàn)3路電源之間的切換并能夠保證3路供電電源間機械互鎖．

4 操作機構的運動學仿真

虛擬樣機技術是一項新生的工程技術，電氣工程師可借助這項技術在計算機上建立電器產(chǎn)品機械系統(tǒng)的模型，模擬現(xiàn)實環(huán)境下系統(tǒng)的運動和動力特性，并根據(jù)仿真結果細化和優(yōu)化系統(tǒng)設計，從而為樣機的設計和制造提供參數(shù)依據(jù)[10-12]．本文通過Pro/E軟件對該機構進行了三維建模，如圖7所示．在其機構仿真環(huán)境中，對操作機構進行運動學仿真，觀察該機構的3路電源之間的機械聯(lián)鎖和電機正反轉情況下3路供電電源的任意切換情況．

圖7 三維仿真模型Fig.7 Three-dimensionalsimulationmodel

本文以圖6為初始位置并結合其控制方案進行仿真，以斷路器I手柄的位置變化為分析對象．電機由O點運動到A點時，斷路器I合閘情況如圖8a）所示；電機由A點運動到A2如圖8b）所示．

從圖8中可以看出，第1不完全齒輪均在電機正反轉時可分別實現(xiàn)斷路器的I合閘或分閘，而斷路器I手柄的位置變化約為14mm．在整個電機運動過程中，斷路器II和斷路器III的手柄位置均沒有變化．仿真分析說明該操作機構可以在任意時刻任意方向實現(xiàn)3路電源的任意切換，并且能夠達到三電源自動轉換開關對其操作機構的要求．

圖8 斷路器I手柄位置變化圖Fig.8 The changeof position of handleof the circuitbreaker I

5 結束語

本文對三電源自動轉換開關的研究現(xiàn)狀進行了闡述，并對現(xiàn)有操作機構的問題進行了分析，提出了一種可用于三電源自動轉換開關的操作機構．運用虛擬樣機軟件Pro/E完成了三電源自動轉換開關操作機構的三維建模與運動學仿真，結果表明該機構完全可以實現(xiàn)3路供電電源的任意切換，并且仿真結果為三電源自動轉換開關的控制策略的研究提供了參考依據(jù)，也為三電源自動轉換開關類似的操作機構及相關機構的設計與研發(fā)提供了參考和依據(jù)．

[1]李文華，劉文霞，孟憲春，等．三電源自動轉換開關驅動操作機構 [P]．中國：CN104008931A，2014-08-27．

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[責任編輯 代俊秋]

Research on operatingmechanism design and simulation for three powerautomatic transfer switch

LIWenhua1，CHANG Xiyang1，WANG Duanyang2，WANG Jun3

(1.ElectricalApparatus Institute,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China;2.Zhejiang CHINT Apparatus Lim ited Company,Zhejiang Yueqing325000,China;3.Tianshui213 Electrical Apparatus Limited Company,Gansu Tianshui741001,China)

Threepowerautomatic transfersw itch is thekey of threepowersupply system to supply continuouspower,and itsoperatingmechanism is the core to actualize the power sw itch.This paper introduces the research statusand structure of the threepowerautomatic transfersw itch,and designs theoperatingmechanism of the threepowersupply system,and gives theworking principleand controlscheme.Finally,the3Dmodeling and kinematicssimulation of themechanism is carried outby the virtualprototyping technology.The resultsshow that themechanism can achieveautomatic conversion.

threepower;operatingmechanism;virtualprototype technology;kinematicssimulation;automatic transfer sw itch

TP303

A

1007-2373(2016)04-0001-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.04.001

2015-10-19

國家自然科學基金（51377044）

李文華（1973-），男（漢族），教授，博士．