机电一体化自动转换开关设计.docx

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机电一体化自动转换开关设计

题目：

机电一体化自动转换开关设计

摘要

机电一体化双电源自动转换开关是开关家族中的新品，主要应用于需连续供电的某些重要场所。

本文主要介绍了机电一体化双电源自动转换开关的电气控制原理和机械结构设计。

其次结合理论和设计经验，分析了自动切换器的可靠性和安全性。

其中，可靠性与安全性分析，既是本课题的重点，也是检验本课题研究对象是否合格，衡量设计结果有无意义的一关键所在。

通过理论（分析）和计算，可以得出以下结论：

机械系统的结构，既保证了常用电源与备用电源只有一个供电，也可手动，电动联锁，通过机械联锁，保证系统的可靠性和安全性。

综上所述，系统能比较准确地测量各相电压参数，根据测量结果产生相应执行动作。

整个机构设计简单，动作准确，使用方便，可靠性好，能满足设计要求。

该产品具有很好的发展前景和现实意义。

关键词：

机电一体化；自动转换开关；断路器；触发器；可靠性

Abstract

Automatictransferswitchingequipmentismainlyusedforcriticalimplyofthepower,whichisoneofswitchingequipmentthattransferthepowerfromoneloadtoanother.

Atfirstthepaperrespectivelyintroducestheelectriccontrolprincipleofautomatictransferswitchingequipment﹙ATSE﹚,andtheframingdesignofmechanicalsystem,andthencorrespondinglygivesthesystemframingchartandtheprincipleframingchartofhardwareoftheelectriccontrollingsystem.Next,combiningwiththeoryandtheexperienceofdesigning,analyzethereliabilityandthesafetyofATSE,whichisnotonlyonepointoftheresearch,isalsoonekeypointtomeasureiftheresearchmakessense.Bytheoryandamountofcount,wecanmaketheflowingconclusion.

Theframingofmechanicsystemmakessurethatbetweenutilitypowerandthegeneratoronlyoneofthemprovideselectricitytokeeponthereliabilityandsafetyofthesystem.

Aboveofall,allmechanism,designedsimply,actingaccuratelyandreliably,employingconveniently.Theproductishavinggoodforegroundandpracticalsignificance.

目录

第1章绪论……………………………………………………………………………1

1.1课题概况………………………………………………………………………1

1.1.1当前双电源转换开关的现状……………………………………………1

1.1.2双电源转换开关的发展……………………………………………………2

1.1.3研究本课题的目的及意义…………………………………………………2

1.2课题研究的内容………………………………………………………………3

1.2.1课题研究涉及的有关概念…………………………………………………3

1.2.2课题研究的主要技术性内容………………………………………………3

第2章系统方案确定及控制原理………………………………………………5

2.1系统方案确定…………………………………………………………………5

2.1.1自动转换开关的组成………………………………………………………5

2.1.2系统方案的确定……………………………………………………………5

2.2开关结构特点及功能…………………………………………………………5

2.2.1开关结构特点………………………………………………………………5

2.2.2功能…………………………………………………………………………6

第3章控制系统设计……………………………………………………………7

3.1控制系统电气元件简介………………………………………………………7

3.1.1SPT604电压传感器………………………………………………………7

3.1.2LM393电压比较器…………………………………………………………7

3.1.3NE555施密特触发器………………………………………………………7

3.1.4中间继电器…………………………………………………………………7

3.1.5ULN2003A达林顿晶体管…………………………………………………7

3.1.6塑料外壳式低压断路器……………………………………………………8

3.1.7跳线………………………………………………………………………8

3.2报警电路设计………………………………………………………………8

第4章机械结构设计…………………………………………………………9

4.1机械结构设计要求…………………………………………………………9

4.2电机的选用…………………………………………………………………9

4.2.1电机功率的确定…………………………………………………………9

4.2.2电机类型的选择…………………………………………………………9

4.3系统机械传动路线…………………………………………………………10

4.4主要零件设计………………………………………………………………10

4.4.1主轴的设计………………………………………………………………10

4.4.2齿轮的设计………………………………………………………………10

4.4.3六方离合销的设计………………………………………………………10

第5章系统可靠性分析………………………………………………………11

5.1电气控制部分可靠性分析…………………………………………………11

5.2机械传动部分可靠性分析…………………………………………………11

5.3总体注意事项………………………………………………………………11

结论………………………………………………………………………………13

参考文献…………………………………………………………………………14

第1章绪论

1.1课题概况

机场、医院、高楼、消防以及重要的军事设施，一旦发生停电事故，将产生严重后果。

因此诸多场所应配备双电源紧急供电系统，将负载电路从一个电源转换至另一个备用电源，以保证正常的供电需求。

随着自动化技术水平的不断提高，机械系统的控制正经历一场新的革命，以前由机械构件完成的控制功能正通过电信号来驱动执行器完成，从而具有更高的稳定性和可靠性。

机电自动转换开关也就此呼之欲出，它是一种机电一体化程度较高的高新技术机电结合产品，具有独特的机电一体化设计，高的性能价格比，是开关家族中的新品。

机电自动转换开关中的双电源转换开关的技术水平、先进性和可靠性，直接影响人们日常生活场所的用电设备的水平和可靠性，用电设备的水平和可靠性，关系到用电人员的安全和生命。

随着我国工业的发展、自动化程度的普及、人类生活质量的不断改善，人们对电源可靠性的要求越来越迫切，由此双电源转换开关的重要性日益提高。

此外，根据我国高层民用建筑设计防火规范规定：

“一类高层建筑应按一级负荷供电，二类高层建筑应按二级负荷要求供电。

”“高层建筑的消防控制室、消防水泵、消防电梯、防烟、排烟、风机等的供电，应在最末一级配电箱处设置双电源、甚至三电源自动转换装置。

可见，随着现代化智能建筑的日益增多．双电源转换开关的应用更加广泛。

所以工业发达国家都把双电源转换开关的研制、生产列为产业重点加以发展，并使之高新技术化、智能化。

本文结合最新资料，国内外厂商产品说明书及有关会议论文、信息等情况，并在此基础上进行一些补充，就当前双电源转换开关的现状及发展进行如下综述。

1.1.1当前双电源转换开关的现状

我国双电源转换开关的研制和生产在八十年代初还是空白．国内许多需双电源切换场所不得不采用普通接触器作为投切电器或采用手动双投刀开关、两只塑壳开关及断路器联合使用达到双电源转换这一目的。

采用普通交流接触器作为投切电器存在以下问题：

耗电、噪音、切换不可靠及投切容量受普通交流接触器容量限制。

采用手动双投刀开关、两只塑壳开关及断路器联合使用达到转换双电源这一目的．会造成配电设备体积庞大、切换速度慢、使用寿命短、维护保养困难、切换可靠性差。

八十年代中期，针对国内市场急需高性能的双电源自动转换开关的现状，国内外部份电器代理商、发展商从国外相继引进了日本共立继器株式会社的MZ、VSK系列高、低压双电源转换开关，韩国始永重电机株式会社的SYF、SYB、SYNB型双电源转换开关及美国的Zenith公司的ZTS口系列双电源转换开关．通过这些产品的引进，丰富了我国电器元件的品种，一定程度缓和了我国一些急需双电源转换场所用电设备的需求。

表1所列是具有代表性的各国双电源转换开关的性能数据。

从下表可以看出：

短路分断能力高、投切容量大、体积小、操作可靠性高、产品智能化是当前具有国际水平的双电源自动转换开关的最基本的特征。

这里特别值得一提的是：

九十年代初，我国江苏泰州航海电器总厂的科研人员在中国船电委的帮助下，在广泛调研、充分吸收国外同类产品先进技术、先进性能、先进制造水平的基础上，自力更生研制成功具有自我知识产权的新型HC92系列电磁转换开关。

全部零部件均实现国产化生产，填补国内空白。

其动作性能、技术性能参数可与国外同类产品相媲美，技术水平属国际上八十年代末期水平。

这一产品的研制成功并批量投产，一定程度上缩短了我国双电源转换开关与国际发达国家先进水平的差距。

1.1.2双电源转换开关的发展

随着科学技术的不断发展．近十年来，国外双电源转换开关发展非常迅速．它融合了现代材料、机电、测量、控制和微机技术。

产品不断更新换代，其结构和技术性能有了崭新的变化，促进双电源转换开关向大容量、高分断方向发展。

此外电子技术的发展，特别是集成电路和微处理器技术的发展与进步，对传统的电磁机械保护式双电源转换开关已经产生了深刻的影响．可以这样说．离开了电子技术，双电源转换开关将不可能获得大的发展。

（1）采用微处理控制器实现双电源转换开关高性能、多功能和智能化为了扩大双电源转换开关只单纯起转换双电源之作用．到可对转换开关和开关设备实现远程监控。

建立可靠的管理控制接口，实现设备的安全及经济运行。

这一方面．美国Zenith公司是双电源转换开关研制、开发最杰出的代表。

美国Zenith的系列ZST口双电源转换开关通过MX200高级微处理控制器的ZNET200网络通讯系统配合使用，提供对系统参数、警报功能及数据采集的直接控制。

系统还因ZENT200远程通讯端口的配装，达到使用信号器modem或PC进行控制的目的。

Zenith公司的MX200微处理控制器、ZENT200网络通讯系统均以微处理控制系统为核心，控制单元均由数据采集、智能识别和执行机构三个模块构成，另根据需要可加装显示模块、通讯模块及检测模块，极大丰富了双电源转换开关的智能化功能，可见采用微电子技术是双电源转换开关实现多功能化和智能化晟有效的办法。

（2）新技术、新材料、新工艺的应用促进双电源转换开关向结构模块化、大容量、高分断方向发展

随着现代科学技术的高速发展，世界工业发达国家对构成双电源转换开关这一电器元件的基础材料，诸如：

电触头材料、磁性材料、电阻材料、热双金属材料及绝缘材料的研究和开发十分重视。

特别指出的是由于电触头材料的性能直接影响开关电器的通断容量、寿命和运行的可靠性；绝缘材料的机械性能、电性能以及耐热性、耐水性、耐候性、耐油性、耐放射性等性能的优劣，直接影响双电源转换开关向小型化、高性能、高可靠性方向发展．所以工业发达国家对电触头、绝缘材料的研制、开发更加重视。

此外．随着计算机运用领域不断扩大，双电源转换开关的设计与其它低压电器一样，普遍采用计算机辅助设计，这样设计出的产品更可靠、更合理。

基于某些场所的用电设备对电源可靠性的要求越来越高．美、法、日、韩等国著名的电器公司，十分重视当代新技术、新材料、新工艺和新理论运用于双电源转换开关产品的性能改进和技术更新，并研制出具有当代国际先进水平的小体积、大容量、高分断、结构模块化、产品性能智能化的双电源转换开关。

1.1.3研究本课题的目的及意义

为保证重要负载供电的连续性，双电源自动转换开关的应用需求已越来越大，技术性能要求也越来越高，对产品的合理选择就显得更加重要。

其产品的技术水平、先进性和可靠性，关系到用电人员的安全和生命。

转换一旦失败将会造成多种危害，电源间的短路或重要负荷断电（甚至短暂停电），其后果都是严重的，这不仅仅会带来经济损失（使生产停顿、金融瘫痪），也可能造成社会问题（使生命及安全处于危险之中）。

因此，工业发达国家都把自动转换开关电器的生产、使用列为重点产品加以规范。

而我国自动转换开关电器的研制和生产在90年代初还处于空白状态，也没有国家标准。

也就其目前的发展现状来看，对双电源自动转换开关的研制和生产已是刻不容缓。

否则，就无法满足因人们生活质量的不断改善而对电源可靠性的要求越来越迫切，功能更完善的发展要求。

进而填补我国在这一领域的空白，改变国内甚至国际市场格局。

1.2课题研究的内容

1.2.1课题研究涉及的有关概念

1.双电源自动转换

常用电源与备用电源之间的转换方式无需人力操作电器即能完成规定的转换功能，如常用电源被检测到失电时，则自动将负载从常用电源换接至备用电源，在常用电源恢复正常时，则自动将负载返回到常用电源。

2.自动转换开关

自动转换开关简称为ATS，automatictransferswitching的缩写。

由一个或几个转换开关电器与其它必需的转换控制器组成，用于检测电源电路，并将一个或几个负载电路从一路电源自动切换至另一路电源的开关电器。

3.被检测的电源偏差

即被检测的电源特性的改变。

当电源特性偏离规定限值﹙如电源电压任意一相欠压、过压、断相﹚时，被检测到的电源偏差将作为信号使开关动作。

4.转换动作时间

测定从电源被检测到偏差的瞬间至主触头闭合备用电源截止的时间，特意引入的时间除外。

5.总动作时间

转换动作时间加上特意引入的延时。

6.返回转换时间

从常用电源完全恢复正常的瞬间起至一组触头闭合常用电源的瞬间为止的时间加上特意的引入延时。

1.2.2课题研究的主要技术性内容

ATSE的型式分为：

（1）分装式制造商提供开关部分和自动控制器部分，供用户自行组合、安装。

（2）组装式将开关部分、自动控制器等装入箱（柜）内，断路器的进线端可装刀开关或隔离开关（检修时作隔离用），断路器的负载端，按用户的需要装分路开关。

ATSE开关主要是由开关本体和控制器两部分组成：

（1）开关本体

具备很高的抗冲击电流能力，并且可频繁转换；具有可靠的机械联锁，确保任何状态下两路电源不能并列运行；不允许带熔丝或脱跳装置，以防止双电源开关因过载而造成输出端无电现象；具备0位功能，并且隔离距离大，以便能够承受更高的冲击电压（8KV）以上；四级开关具备N级先合后分的功能，以防止ATS在切换时，不同系统中N线上电位漂移，使电流走向不一致或分流，造成剩余电流保护装置误动作。

（2）控制器

采用微处理器智能化产品，检测模块应具有较高的检测精度和宽的参数设定范围，包括电压、频率、延时时间等；具备良好的电磁兼容性，应能承受住主回路的电压波动，浪涌保护，谐波干扰，电磁干扰等；转换时间快，且延时可调；可为用户提供各种信号及消防联动接口，通信接口。

2．基本功能？

？

？

（1）监视常用电源（电源I）和备用电源（电源Ⅱ）是否正常；

（2）常用电源（电源I）与备用电源（电源Ⅱ）的自动切换；

（3）执行部件（断路器）在操作运行时，应具备良好、可靠的电气和机械联锁，切实防止同时接通常用和备用电源；

（4）执行部件（断路器）对电源、线路和电气设备具有过载、短路保护功能（如果采用带过载、短路保护的剩余电流动作断路器作执行部件，则还有触电、漏电保护性能）

ATSE的电气联锁和机械联锁

1．电气联锁

（1）手动切换装置利用两台断路器的辅助触头（或报警触头）与它们各自的分励脱扣器联线，实现电气联锁；

（2）自动切换装置由两台断路器的辅助触头、报警触头和它们的电动操作机构上的微动开关（行程开关）等组成。

当自动控制器指令断路器A（常用电源）合闸，由于两台断路器的辅助触头、报警触头及电动操作机构的行程开关的位置变换，使断路器B（备用电源）的电动操作机构无法通电合闸；反之，断路器B合闸，断路器A无法通电合闸。

2．机械联锁

机械联锁在两台断路器面板上用连杆相连（曲轴连杆），一台断路器闭合，另一台必须断开。

或在两台断路器的安装底座下设置连杆，断路器A合闸的同时，使它的连动杆另一端的推杆推到断路器B的动、静触头之间（将它卡死，使动、静触头无法接通）；反过来，断路器B合闸，它的另一端的推杆被推进断路器A的动、静触头之间。

另外，开关在工作时要求两个断路器当且仅当有一个工作，但在负载电路发生障时需要维修又要求能够完全停止供电，即二路电源必须断开，这就要求机械要设有手动装置用来将两个电源断开，且手动装置不影响电动，故必须设有一离合机构以便手动电动分离。

第2章系统方案确定及功能

2.1系统方案确定

2.1.1自动转换开关的组成

自动转换开关一般由两部分组成：

开关本体+控制器。

1.控制器：

主要用来检测被监测电源（两路）工作状况，当被监测的电源发生故障（如任意一相断相、欠压、失压或频率出现偏差）时，控制器发出动作指令。

2.开关本体：

带着负载从一个电源自动转换至另一个电源。

2.1.2系统方案的确定

经过对自动转换开关的基本组成（开关本体+控制器）的认真分析，系统的控制方案也就可从这两方面着手。

1.控制器方面：

随着自动化控制技术的迅猛发展，引领着控制器控制方式也有了快速的发展和长足的进步。

主要诞生出以下三种形式：

（1）转换器控制系统：

本系统主要是由低压电器分立元件﹙如欠压继电器，时间继电器﹚组成的。

其缺点就是体积较大，性能单一。

（2）模拟电路控制系统：

它是应用模拟电路设计出的电子产品，比转换器控制器产品的性能等方面都有较大地提高，但可靠性的问题以及设定的参数不可调等因素，限制了它的应用。

（3）智能型转换器控制系统：

它以数字电路为基础，以CPU为核心，大大提高了转换控制器功能，其体积小，可靠性高，深受用户的欢迎。

但其控制成本会特别高，控制精度也较高，也就不利于一般的控制场合。

2.开关本体方面：

根据国际电工委员会IEC一60947—6国际标准规定，自动转换开关开关本体又有PC（整体式）与CB级（断路器）两个级别之分。

（1）PC级：

它是采用接触器或电磁开关作常用电源和备用电源的相互切换的专用开关。

它具有结构简单、体积小、自身联锁、转换速度快（0．2s内）、安全可靠等优点，而且该自动转换开关能够接通、承载。

但是，其耗电大、有噪声、工作可靠性差、投切容量受限制。

更主要的是它不能切断短路电流，需要配备短路保护电器，以至整个系统的造价较高。

（2）CB级：

由两台断路器加机械连锁组成，它具有短路保护功能，配有过流脱扣器，其主要触头能够接通并切断短路电流。

除本体作为自动转换开关使用外，还具备过载、短路以及其它保护功能，从而实现对负载的两段或三段及其它保护功能等。

结合上述两个方面，并综合其他多方面因素，如生产成本，控制的合理性等等，分析得出：

采用CB级的模拟电路控制系统较为经济、较为适宜。

该系统主要由电压传感器、控制电路、动力传动电机、机械转换及联锁装置、断路器等组成。

2.2开关结构特点及功能

2.2.1开关结构特点

本开关的系统控制方案已确定为CB级模拟电路控制系统。

按照此类系统设计生产出的产品，主要是应用于不频繁切换的100～1250A的低压双电源装置电路中。

其最为显著的结构特点是机构中的断路器以分断电弧为己任，要求机构快速脱扣。

这种断路器采用的是带有电动操作机构的塑料外壳式断路器，一般不承受短时耐受电流，触头压力较小。

当供电电路发生短路时，断路器的动触头被斥开并产生限流作用，从而分断短路电流。

其触头材料常常选择银钨、银碳化钨材料配对，这有利于分断电弧。

它具有过载、短路保护性能，能够适应CB级既能接通、承载线路负载，它的主触头又能够接通并用来分断短路电流的要求。

若需要有三段保护，即在塑壳式断路器的过载长延时、短路瞬时的二段保护外，增加一短路短延时，或者直接采用万能式断路器。

除此之外，它还具有如下一些特点：

（1）切换速度快，耐热冲击；

（2）工程费用低（一台自动转换开关可以取代两台断路器）；

（3）高可靠性，内部执行部件（断路器）具备良好、可靠的电气和机械联锁，切实防止同时接通常用和备用电源，避免了两台断路器只有电气联锁的不稳定性；

（4）具有单一导通性，即主电源接通，备用电源必定断开，反之亦然；

（5）具有明显的切换显示，除开关本体具有主备电源的切换显示外，还可通过辅助开关控制指示灯来达到指示主备电源的投入情况。

最多可对六相八线（双电源）同时进行线检测、监控；

（6）维修方便。

2.2.2功能

该开关除了具有监视常用电源和备用电源是否正常，自动切换等基本功能外，还有如下一些功能：

（1）执行部件（断路器）对电源、线路和电气设备具有过载、短路保护功能（如果采用带过载、短路保护的剩余电流动作断路器作执行部件，则还有触电、漏电保护性能）；

（2）常用及备用电源工作情况显示、脱扣报警等功能；

（3）可以根据不同的用户要求，利用跳线端子的灵活性将电路设置成多种工作状态（自投自复，自投不自复，带启动发电机等）；

（4）为了适应各种不同操作场合的需要，同时具备手动和自动控制方式。

一般情况下手动控制方式局限于无负荷分合的检修场合。

第3章控制系统设计

3.1控制系统电气元件简介

3.1.1SPT604电压传感器

电压传感器是采用电磁感应、光电隔离和频率调制等不同技术，准确测量电网或电路中的交流电压、直流电压、脉冲电压和混合电压，将其变换为直接可用的跟踪电压、直流电压、直流电流或频率输出，输出值与被测电压成线性比例，输入输出高度隔离，频带宽，响应快，动态性能好。

可用作计量检测，或作控制、调节装置中的反馈取样元件。

常用的电压传感器主要有SPT602/SPT604（商用）/SPT604（工业级）等。

3.1.2LM393电压比较器

LM393系列由两个偏移电压指标低达2.0的独立精密电压比较器构成。

常用来判断输入信号电位之间的相对大小，所以它至少有两个输入端。

一般在电压比较器的一个输入端加门限电位作为基准电压，其大小可根据