一種自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器動(dòng)作控制原理的設(shè)計(jì)

安建珍 丁豪 王軍

摘 要：自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ATSE）實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯循環(huán)轉(zhuǎn)換過程，需要完成常用電源端的合閘和分閘，然后備用電源端的合閘和分閘，整個(gè)過程都需要電磁系統(tǒng)推動(dòng)操作機(jī)構(gòu)完成，普通產(chǎn)品一般應(yīng)由兩個(gè)、三個(gè)或者四個(gè)磁系統(tǒng)完成，但設(shè)計(jì)為僅由一個(gè)電磁系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，需要一套先進(jìn)合理的電氣控制回路和控制邏輯流程，經(jīng)由所配置智能控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)出指令，然后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件接觸器、繼電器等電器元件動(dòng)作，為電磁系統(tǒng)動(dòng)作做出選擇并提供電源，完成所需要的擲投結(jié)果。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)；電磁系統(tǒng)；智能控制器；控制流程；轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TM564.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）14-0104-02

1 引言

自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器從電器級(jí)別來分，分為CC級(jí)、CB級(jí)和PC級(jí)，CC級(jí)是由兩臺(tái)接觸器聯(lián)鎖組合的，市場(chǎng)上基本上看不到了；CB級(jí)是由兩臺(tái)斷路器加一套機(jī)械聯(lián)鎖、電動(dòng)機(jī)操作機(jī)構(gòu)組成，市場(chǎng)上五花八門，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，有一體式，有分體式，性能差別很大；但PC級(jí)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器就比較專業(yè)化，雖然生產(chǎn)的企業(yè)也不少，但真正性能可靠、技術(shù)指標(biāo)高、動(dòng)作可靠、大容量的產(chǎn)品不多。PC級(jí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器按照位置分有二位置、三位置，二位置就是開關(guān)不是常用電源合閘就是備用電源合閘，沒有中間位置，三位置正好就是有中間位置，也就是雙分位，二位置開關(guān)常用電源的合閘指令也就是備用電源的分閘指令，常用電源的分閘指令也就是備用電源的合閘指令，而三位置開關(guān)常用電源的合分閘和備用電源的合分閘必須經(jīng)過中間位置，也就是說是針對(duì)中間位置的，比如：常用電源分閘，是指觸頭從常用電源位置分開，回到中間位置，如何執(zhí)行備用電源合閘，觸頭從中間位置合到備用電源。自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器動(dòng)作控制原理就是針對(duì)一種特殊結(jié)構(gòu)的三位置開關(guān)實(shí)現(xiàn)循環(huán)轉(zhuǎn)換而提出的工作原理。

2 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的操作機(jī)構(gòu)

2.1 電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁系統(tǒng)磁力的大小是克服主力彈簧擺臂旋轉(zhuǎn)過死點(diǎn)所需要的最小力，也就是說開關(guān)合分閘時(shí)磁系統(tǒng)吸合壓縮主彈簧，擺臂擺動(dòng)，經(jīng)過最低點(diǎn)（死點(diǎn)），然后彈簧釋放彈力，推動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)靜觸頭閉合時(shí)，也要保證克服動(dòng)觸頭壓縮彈簧，最終位置所需要的超程；當(dāng)開關(guān)分閘時(shí)，要保證開關(guān)動(dòng)靜觸頭打開后到最大開距時(shí)最小的動(dòng)觸頭彈跳。開關(guān)的磁系統(tǒng)和彈簧結(jié)構(gòu)如圖1設(shè)計(jì)。電磁力根據(jù)麥克斯韋修正公式計(jì)算；線圈參數(shù)計(jì)算如下：線徑根據(jù)公式d=來計(jì)算；線圈匝數(shù)根據(jù)公式計(jì)算：W=；彈簧的計(jì)算公式為：剛度為：P=。這些計(jì)算結(jié)果都是理論值，需要在開關(guān)上進(jìn)行模擬試驗(yàn)修正，根據(jù)開關(guān)額定電流大小，做最終的數(shù)據(jù)優(yōu)化。

2.2 擺臂和主轉(zhuǎn)軸的連接關(guān)系

擺臂、主軸和連桿的結(jié)構(gòu)如圖1，擺臂以轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)繞固定軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，行程為半圓，它的起動(dòng)和終點(diǎn)都是由側(cè)板半圓弧端點(diǎn)限位，擺臂是由和磁系統(tǒng)動(dòng)鐵芯帶動(dòng)的惰輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)擺臂在自然狀態(tài)下，擺臂的行程是進(jìn)入常用電源，牽引的是常用電源主軸，開關(guān)只能常用電源合分，如果要在備用電源合分，必須在選擇電磁鐵牽引下向下拉選擇機(jī)構(gòu)，讓擺臂進(jìn)入備用電源移動(dòng)導(dǎo)軌，這時(shí)當(dāng)磁系統(tǒng)得電操作時(shí)，擺臂自然牽引的是備用電源主軸，備用電源端動(dòng)靜觸頭合分閘。這個(gè)過程就是三連桿的動(dòng)作原理。

2.3 電磁系統(tǒng)和惰輪的連接關(guān)系：

開關(guān)所需要的動(dòng)力都來此于這個(gè)單一的磁系統(tǒng)，動(dòng)力的釋放載體就是惰輪機(jī)構(gòu)，靜鐵芯、線圈、磁軛都固定在開關(guān)的固定位置，動(dòng)鐵芯是可以上下移動(dòng)，動(dòng)鐵芯和惰輪由一個(gè)不銹鋼的連桿連接，連桿選用不銹鋼是防止動(dòng)鐵芯在吸合時(shí)有漏磁，減弱吸合力。動(dòng)鐵芯的行程是由惰輪旋轉(zhuǎn)的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)決定的，也就是擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的行程，電磁系統(tǒng)的吸力大小還跟動(dòng)靜鐵芯之間的氣隙有關(guān)，氣隙的距離要大于動(dòng)鐵芯吸合時(shí)惰輪達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)的距離，惰輪還有一個(gè)作用就是慣性作用，在線圈吸合時(shí)起到加速作用，氣隙的調(diào)試是非常重要的環(huán)節(jié)，要保證最大吸合力和足夠的行程，根據(jù)產(chǎn)品的作業(yè)指導(dǎo)書確定。

3 動(dòng)作控制電氣原理和實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的轉(zhuǎn)換是由所配置控制器來實(shí)時(shí)監(jiān)控并發(fā)出指令動(dòng)作的，如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)部機(jī)構(gòu)有序轉(zhuǎn)換就要嚴(yán)格執(zhí)行控制電氣原理，常用電源和備用電源的信號(hào)必須送到控制器，控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控電源質(zhì)量。

3.1 電氣組成主要元器件

在這個(gè)電氣控制系統(tǒng)中，我們選用了一組帶機(jī)械聯(lián)鎖的接觸器KM1和KM2，作為常用電源和備用電源直接提供線圈電源，保證只能有一路電源工作。為了保證常用電源的合分閘和備用電源的合分閘之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間問題，我們也選用了一個(gè)時(shí)間繼電器T，保證了轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間差。

3.2 電氣控制原理圖及動(dòng)作流程

電氣控制原理圖如圖2，電磁系統(tǒng)的作用就是保證自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器在需要開關(guān)動(dòng)作時(shí)可靠動(dòng)作，完成轉(zhuǎn)換任務(wù)，所有的邏輯功能都由智能控制器來發(fā)出，保證邏輯流程的完整性，還有就是要實(shí)現(xiàn)開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間的最短化，控制原理就是在機(jī)械操作機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上而進(jìn)行的電動(dòng)操作原理。動(dòng)作流程是按照常用電源合閘、常用電源分閘、雙分位置、備用電源合閘、備用電源分閘、雙分位置這樣一個(gè)循環(huán)動(dòng)作流程。

3.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ATSE）的動(dòng)作時(shí)間關(guān)系

自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)在執(zhí)行這個(gè)控制原理的過程中，有一個(gè)非常重要的量就是時(shí)間，主要包括總轉(zhuǎn)換時(shí)間（tz）、轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間（tg）、斷電時(shí)間（td）、返回轉(zhuǎn)換時(shí)間（tr）、人為延時(shí)時(shí)間（T），動(dòng)作時(shí)間示意圖如圖6。我們追求的是時(shí)間越短越好，但對(duì)開關(guān)的機(jī)械性能要求很高，保證開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)同電源相與相、相對(duì)地，兩路電源相與相、相對(duì)地之間達(dá)到絕緣要求，絕緣電壓達(dá)到12kA。

4 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ATSE）所配智能控制器軟硬件技術(shù)

控制器是自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的中樞大腦，控制器實(shí)時(shí)接收電路中電參數(shù)的變化，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生異常時(shí)發(fā)出指令開關(guān)動(dòng)作，保護(hù)用電安全。

4.1 控制器的硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)采樣輸入和兩路電源的轉(zhuǎn)換控制輸出單元、人機(jī)接口單元，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器硬件結(jié)構(gòu)圖。

4.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的語言程序設(shè)計(jì)方案，軟件部分包括電壓、頻率采樣，合分閘位置檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理，報(bào)警輸出、故障記錄、通信功能等。自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器軟件流程。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目研究成果將為機(jī)場(chǎng)、移動(dòng)電信數(shù)據(jù)中心、電網(wǎng)、鐵路、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、地鐵、軍用場(chǎng)所等重要用電場(chǎng)所提供大容量智能化的 ATSE 產(chǎn)品，解決這些場(chǎng)所持續(xù)、可靠供電需求。本項(xiàng)目產(chǎn)品技術(shù)水平達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平，將為社會(huì)和公司實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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