一种自动转换开关电器
安建珍 丁豪 王军
摘 要：自动转换开关电器（ATSE）实现一个逻辑循环转换过程，需要完成常用电源端的合闸和分闸，然后备用电源端的合闸和分闸，整个过程都需要电磁系统推动操作机构完成，普通产品一般应由两个、三个或者四个磁系统完成，但设计为仅由一个电磁系统来实现，需要一套先进合理的电气控制回路和控制逻辑流程，经由所配置智能控制器实时监控、发出指令，然后驱动执行元件接触器、继电器等电器元件动作，为电磁系统动作做出选择并提供电源，完成所需要的掷投结果。
关键词：自动转换开关；电磁系统；智能控制器；控制流程；转换
中图分类号：TM564.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）14-0104-02
1 引言
自动转换开关电器从电器级别来分，分为CC级、CB级和PC级，CC级是由两台接触器联锁组合的，市场上基本上看不到了；CB级是由两台断路器加一套机械联锁、电动机操作机构组成，市场上五花八门，结构形式多种多样，有一体式，有分体式，性能差别很大；但PC级的自动转换开关电器就比较专业化，虽然生产的企业也不少，但真正性能可靠、技术指标高、动作可靠、大容量的产品不多。PC级自动转换开关电器按照位置分有二位置、三位置，二位置就是开关不是常用电源合闸就是备用电源合闸，没有中间位置，三位置正好就是有中间位置，也就是双分位，二位置开关常用电源的合闸指令也就是备用电源的分闸指令，常用电源的分闸指令也就是备用电源的合闸指令，而三位置开关常用电源的合分闸和备用电源的合分闸必须经过中间位置，也就是说是针对中间位置的，比如：常用电源分闸，是指触头从常用电源位置分开，回到中间位置，如何执行备用电源合闸，触头从中间位置合到备用电源。自动转换开关电器动作控制原理就是针对一种特殊结构的三位置开关实现循环转换而提出的工作原理。
2 自动转换开关电器的操作机构
2.1 电磁系统结构
电磁系统磁力的大小是克服主力弹簧摆臂旋转过死点所需要的最小力，也就是说开关合分闸时磁系统吸合压缩主弹簧，摆臂摆动，经过最低点（死点），然后弹簧释放弹力，推动转轴转动，当动静触头闭合时，也要保证克服动触头压缩弹簧，最终位置所需要的超程；當开关分闸时，要保证开关动静触头打开后到最大开距时最小的动触头弹跳。开关的磁系统和弹簧结构如图1设计。电磁力根据麦克斯韦修正公式计算；线圈参数计算如下：线径根据公式d=来计算；线圈匝数根据公式计算：W=；弹簧的计算公式为：刚度为：P=。这些计算结果都是理论值，需要在开关上进行模拟试验修正，根据开关额定电流大小，做最终的数据优化。
2.2 摆臂和主转轴的连接关系
摆臂、主轴和连杆的结构如图1，摆臂以转动支点绕固定轨迹转动，行程为半圆，它的起动和终点都是由侧板半圆弧端点限位，摆臂是由和磁系统动铁芯带动的惰轮一起转动，当摆臂在自然状态下，摆臂的行程是进入常用电源，牵引的是常用电源主轴，开关只能常用电源合分，如果要在备用电源合分，必须在选择电磁铁牵引下向下拉选择机构，让摆臂进入备用电源移动导轨，这时当磁系统得电操作时，摆臂自然牵引的是备用电源主轴，备用电源端动静触头合分闸。这个过程就是三连杆的动作原理。
2.3 电磁系统和惰轮的连接关系：
开关所需要的动力都来此于这个单一的磁系统，动力的释放载体就是惰轮机构，静铁芯、线圈、磁轭都固定在开关的固定位置，动铁芯是可以上下移动，动铁芯和惰轮由一个不锈钢的连杆连接，连杆选用不锈钢是防止动铁芯在吸合时有漏磁，减弱吸合力。动铁芯的行程是由惰轮旋转的最低点和最高点决定的，也就是摆臂转动所需要的行程，电磁系统的吸力大小还跟动静铁芯之间的气隙有关，气隙的距离要大于动铁芯吸合时惰轮达到最高点时的距离，惰轮还有一个作用就是惯性作用，在线圈吸合时起到加速作用，气隙的调试是非常重要的环节，要保证最大吸合力和足够的行程，根据产品的作业指导书确定。
3 动作控制电气原理和实现
自动转换开关电器的转换是由所配置控制器来实时监控并发出指令动作的，如何实现内部机构有序转换就要严格执行控制电气原理，常用电源和备用电源的信号必须送到控制器，控制器实时监控电源质量。
3.1 电气组成主要元器件
在这个电气控制系统中，我们选用了一组带机械联锁的接触器KM1和KM2，作为常用电源和备用电源直接提供线圈电源，保证只能有一路电源工作。为了保证常用电源的合分闸和备用电源的合分闸之间的转换时间问题，我们也选用了一个时间继电器T，保证了转换之间的时间差。
3.2 电气控制原理图及动作流程
电气控制原理图如图2，电磁系统的作用就是保证自动转换开关电器在需要开关动作时可靠动作，完成转换任务，所有的逻辑功能都由智能控制器来发出，保证逻辑流程的完整性，还有就是要实现开关转换时间的最短化，控制原理就是在机械操作机构的基础上而进行的电动操作原理。动作流程是按照常用电源合闸、常用电源分闸、双分位置、备用电源合闸、备用电源分闸、双分位置这样一个循环动作流程。
3.3 自动转换开关电器（ATSE）的动作时间关系
自动转换开关在执行这个控制原理的过程中，有一个非常重要的量就是时间，主要包括总转换时间（tz）、转换动作时间（tg）、断电时间（td）、返回转换时间（tr）、人为延时时间（T），动作时间示意图如图6。我们追求的是时间越短越好，但对开关的机械性能要求很高，保证开关转换时同电源相与相、相对地，两路电源相与相、相对地之间达到绝缘要求，绝缘电压达到12kA。
4 自动转换开关电器（ATSE）所配智能控制器软硬件技术
控制器是自动转换开关电器的中枢大脑，控制器实时接收电路中电参数的变化，当电网发生异常时发出指令开关动作，保护用电安全。
4.1 控制器的硬件设计
硬件设计主要包括信号采样输入和两路电源的转换控制输出单元、人机接口单元，自动转换开关控制器硬件结构图。
4.2 控制器软件设计
软件设计采用模块化的语言程序设计方案，软件部分包括电压、频率采样，合分闸位置检测，数据处理，报警输出、故障记录、通信功能等。自动转换开关控制器软件流程。
5 结语
本项目研究成果将为机场、移动电信数据中心、电网、铁路、计算机数据中心、医院、地铁、军用场所等重要用电场所提供大容量智能化的 ATSE 产品，解决这些场所持续、可靠供电需求。本项目产品技术水平达到国内领先、国际先进水平，将为社会和公司实现一定的经济效益。
参考文献
[1]国家标准GB/T140481-2012《低压开关设备和控制设备 第一部分：总则》[S].
[2]国家标准GB/T14048.11-2016《低压开关设备和控制设备 第6-1部分：多功能电器 转换开关电器》[S].
[3]国家标准GB/T31142-2014《转换开关电器（TSE）选择和使用导则》[S].
