一種自動轉換開關電器動作控制原理的設計

安建珍 丁豪 王軍

摘 要：自動轉換開關電器（ATSE）實現一個邏輯循環轉換過程，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，整個過程都需要電磁系統推動操作機構完成，普通產品一般應由兩個、三個或者四個磁系統完成，但設計為僅由一個電磁系統來實現，需要一套先進合理的電氣控制回路和控制邏輯流程，經由所配置智能控制器實時監控、發出指令，然后驅動執行元件接觸器、繼電器等電器元件動作，為電磁系統動作做出選擇并提供電源，完成所需要的擲投結果。

關鍵詞：自動轉換開關；電磁系統；智能控制器；控制流程；轉換

中圖分類號：TM564.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0104-02

1 引言

自動轉換開關電器從電器級別來分，分為CC級、CB級和PC級，CC級是由兩臺接觸器聯鎖組合的，市場上基本上看不到了；CB級是由兩臺斷路器加一套機械聯鎖、電動機操作機構組成，市場上五花八門，結構形式多種多樣，有一體式，有分體式，性能差別很大；但PC級的自動轉換開關電器就比較專業化，雖然生產的企業也不少，但真正性能可靠、技術指標高、動作可靠、大容量的產品不多。PC級自動轉換開關電器按照位置分有二位置、三位置，二位置就是開關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，而三位置開關常用電源的合分閘和備用電源的合分閘必須經過中間位置，也就是說是針對中間位置的，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，如何執行備用電源合閘，觸頭從中間位置合到備用電源。自動轉換開關電器動作控制原理就是針對一種特殊結構的三位置開關實現循環轉換而提出的工作原理。

2 自動轉換開關電器的操作機構

2.1 電磁系統結構

電磁系統磁力的大小是克服主力彈簧擺臂旋轉過死點所需要的最小力，也就是說開關合分閘時磁系統吸合壓縮主彈簧，擺臂擺動，經過最低點（死點），然后彈簧釋放彈力，推動轉軸轉動，當動靜觸頭閉合時，也要保證克服動觸頭壓縮彈簧，最終位置所需要的超程；當開關分閘時，要保證開關動靜觸頭打開后到最大開距時最小的動觸頭彈跳。開關的磁系統和彈簧結構如圖1設計。電磁力根據麥克斯韋修正公式計算；線圈參數計算如下：線徑根據公式d=來計算；線圈匝數根據公式計算：W=；彈簧的計算公式為：剛度為：P=。這些計算結果都是理論值，需要在開關上進行模擬試驗修正，根據開關額定電流大小，做最終的數據優化。

2.2 擺臂和主轉軸的連接關系

擺臂、主軸和連桿的結構如圖1，擺臂以轉動支點繞固定軌跡轉動，行程為半圓，它的起動和終點都是由側板半圓弧端點限位，擺臂是由和磁系統動鐵芯帶動的惰輪一起轉動，當擺臂在自然狀態下，擺臂的行程是進入常用電源，牽引的是常用電源主軸，開關只能常用電源合分，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構，讓擺臂進入備用電源移動導軌，這時當磁系統得電操作時，擺臂自然牽引的是備用電源主軸，備用電源端動靜觸頭合分閘。這個過程就是三連桿的動作原理。

2.3 電磁系統和惰輪的連接關系：

開關所需要的動力都來此于這個單一的磁系統，動力的釋放載體就是惰輪機構，靜鐵芯、線圈、磁軛都固定在開關的固定位置，動鐵芯是可以上下移動，動鐵芯和惰輪由一個不銹鋼的連桿連接，連桿選用不銹鋼是防止動鐵芯在吸合時有漏磁，減弱吸合力。動鐵芯的行程是由惰輪旋轉的最低點和最高點決定的，也就是擺臂轉動所需要的行程，電磁系統的吸力大小還跟動靜鐵芯之間的氣隙有關，氣隙的距離要大于動鐵芯吸合時惰輪達到最高點時的距離，惰輪還有一個作用就是慣性作用，在線圈吸合時起到加速作用，氣隙的調試是非常重要的環節，要保證最大吸合力和足夠的行程，根據產品的作業指導書確定。

3 動作控制電氣原理和實現

自動轉換開關電器的轉換是由所配置控制器來實時監控并發出指令動作的，如何實現內部機構有序轉換就要嚴格執行控制電氣原理，常用電源和備用電源的信號必須送到控制器，控制器實時監控電源質量。

3.1 電氣組成主要元器件

在這個電氣控制系統中，我們選用了一組帶機械聯鎖的接觸器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換時間問題，我們也選用了一個時間繼電器T，保證了轉換之間的時間差。

3.2 電氣控制原理圖及動作流程

電氣控制原理圖如圖2，電磁系統的作用就是保證自動轉換開關電器在需要開關動作時可靠動作，完成轉換任務，所有的邏輯功能都由智能控制器來發出，保證邏輯流程的完整性，還有就是要實現開關轉換時間的最短化，控制原理就是在機械操作機構的基礎上而進行的電動操作原理。動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、雙分位置這樣一個循環動作流程。

3.3 自動轉換開關電器（ATSE）的動作時間關系

自動轉換開關在執行這個控制原理的過程中，有一個非常重要的量就是時間，主要包括總轉換時間（tz）、轉換動作時間（tg）、斷電時間（td）、返回轉換時間（tr）、人為延時時間（T），動作時間示意圖如圖6。我們追求的是時間越短越好，但對開關的機械性能要求很高，保證開關轉換時同電源相與相、相對地，兩路電源相與相、相對地之間達到絕緣要求，絕緣電壓達到12kA。

4 自動轉換開關電器（ATSE）所配智能控制器軟硬件技術

控制器是自動轉換開關電器的中樞大腦，控制器實時接收電路中電參數的變化，當電網發生異常時發出指令開關動作，保護用電安全。

4.1 控制器的硬件設計

硬件設計主要包括信號采樣輸入和兩路電源的轉換控制輸出單元、人機接口單元，自動轉換開關控制器硬件結構圖。

4.2 控制器軟件設計

軟件設計采用模塊化的語言程序設計方案，軟件部分包括電壓、頻率采樣，合分閘位置檢測，數據處理，報警輸出、故障記錄、通信功能等。自動轉換開關控制器軟件流程。

5 結語

本項目研究成果將為機場、移動電信數據中心、電網、鐵路、計算機數據中心、醫院、地鐵、軍用場所等重要用電場所提供大容量智能化的 ATSE 產品，解決這些場所持續、可靠供電需求。本項目產品技術水平達到國內領先、國際先進水平，將為社會和公司實現一定的經濟效益。

參考文獻

[1]國家標準GB/T140481-2012《低壓開關設備和控制設備 第一部分：總則》[S].

[2]國家標準GB/T14048.11-2016《低壓開關設備和控制設備 第6-1部分：多功能電器 轉換開關電器》[S].

[3]國家標準GB/T31142-2014《轉換開關電器（TSE）選擇和使用導則》[S].