2022年机电一体化自动转换开关设计方案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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掌握原理和机械结构 设计；其次结合理论和设计体会,分析了自动切换器的牢靠性和安全性；其中,牢靠性与安全性分析,既是本课题的重点,也是检验本课题讨论对象是否合格,衡量设计结果有无意义的一关键所在；通过理论 结论：采纳微处理掌握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；建立牢靠的治理掌握接

2、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高级微处理掌握器的 ZNET200网络通讯 系统协作使用,供应对系统参数、警报功能及数据采集的直接掌握；系统仍因ZENT200远程通讯端口的配装,达到使用信号器modem 或 PC进行掌握的目的；Zenith 公司的 MX200微处理掌握器、 ZENT200网络通讯系统均以微处理掌握系统 为核心,掌握单元均由数据采集、智能识别和执行机构三个模块构成,另依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

3、 功能,可见采纳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5 / 19 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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、高分断方向进展 随着现代科学技术的高速进展,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 料及绝缘材料的讨论和开发特别重视；特殊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、寿命和运行的牢靠性；绝缘材料的机械性能、电性能 以及耐热性、耐水性、耐候

4、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、高牢靠性方向进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；此外随着运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,普遍采纳运算机帮助设计,这样设计 出的产品更牢靠、更合理；基于某些场所的用电设备对电源牢靠性的要求越来越 高美、法、日、韩等国闻名的电器公司,特别重视当代新技术、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 讨论本课题的目的及意义为保证重

5、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,对产品的合理挑选就显得更加重要；其产品的技 术水平、先进性和牢靠性,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 ,其后果都是严峻的,这不仅仅会带来经济缺失 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急之中；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 岁月初仍处于空白状态,也没有国家标准；也就其目前的进呈现状来看,对双电 源自动转换开关的研制和生产已是刻不容缓；否就,

6、就无法满意因人们生活质量 的不断改善而对电源牢靠性的要求越来越迫切,功能更完善的进展要求；进而填 补我国在这一领域的空白,转变国内甚至国际市场格局；6 / 19 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1.2 课题讨论的内容1.2.1 课题讨论涉及的有关概念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,就自动将负载从常用电源换接至备用电源,在常用电源复原正常时,就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,automati

7、c transfer switching的缩写；由一个或几个转换开关电器与其它必需的转换掌握器组成,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转变；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时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 从常用电源完全复原正常的瞬时起至一组触头闭合常用电源的瞬时为止的时间加上特意的引入延时；1.2

8、.2 课题讨论的主要技术性内容ATSE的型式分为： 1分装式制造商供应开关部分和自动掌握器部分,供用 户自行组合、安装； 2组装式将开关部分、自动掌握器等装入箱 柜内,断路器的进线端可装刀开关或隔离开关 的需要装分路开关； 检修时作隔离用 ,断路器的负载端,按用户ATSE开关主要是由开关本体和掌握器两部分组成：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 流爱护装置误动作；监视常用电源 电源 I 和备用电源 电源 是否正常；2常用电源 电源 I 与备用电源 电源 的自动切换；3 执行部件 断路器 在操作运行时,应具备良好、牢靠的电气和机械联 锁,切实防止同时接通常用

9、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、短路爱护功能 如 果采纳带过载、短路爱护的剩余电流淌作断路器作执行部件,就仍有触电、漏电 爱护性能 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帮助触头 励脱扣器联线,实现电气联锁； 或报警触头 与它们各自的分2自动切换装置由两台断路器的帮助触头、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；当自动掌握器指令断路器 A常用电源 合 闸,由于两台断路器的帮助触头、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

10、通电合闸；2机械联锁8 / 19 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,另一台必需断开；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动断路器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修理又要求能够完全停止供电,即二路电源必需断开,这就要求机械要设有手动装

11、置用来将两个电源断开,且手动装置不影响电动,故必需设有一离合机构以便手动电动分别；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9 / 19 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 自动转换开关一般由两部分组成：开关本体 +掌握器；1. 掌握器：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、失压或频率显现偏差）时,掌握器发出动作指令；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 案

12、也就可从这两方面着手；1. 掌握器方面：开关本体 +掌握器）的仔细分析,系统的掌握方随着自动化掌握技术的迅猛进展,引领着掌握器掌握方式也有了快速的进展和长足的进步；主要产生出以下三种形式：1）转换器掌握系统：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）模拟电路掌握系统：它是应用模拟电路设计出的电子产品,比转换器掌握器 产品的性能等方面都有较大地提高,但牢靠性的问题以及设定的参数不行调等因 素,限制了它的应用；3）智能型转换器掌握系统：它以数字电路为基础,以CPU为核心,大大提高了转换掌握器功能,其体积小,牢靠性高,深受用户的欢迎；但其掌

13、握成本会特殊 高,掌握精度也较高,也就不利于一般的掌握场合；2. 开关本体方面：依据国际电工委员会 IEC 一 609476 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PC 级：它是采纳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；它具有结构简洁、体积小、自身联锁、转换速度快0 2s 内、安全牢靠等优点,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 牢靠性差、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；2CB 级：由两台断路器加机械连锁组成,它具有短路爱护功能,配有过流脱扣 器,其主要触头能够

14、接通并切断短路电流；除本体作为自动转换开关使用外,仍 具备过载、短路以及其它爱护功能,从而实现对负载的两段或三段及其它爱护功 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,掌握的合理性等等,分析得出：采纳 CB 级的模拟电路掌握系统较为经济、较为相宜；该系统主要由 电压传感器、掌握电路、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掌握方案已确定为CB 级模拟电路掌握系统；依据此类系统设计生产出的产品,主要是应用于不频繁切换的 1001250A 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

15、为己任,要求机构快速 脱扣；这种断路器采纳的是带有电动操作机构的塑料外壳式断路器,一般不承担 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；其触头材料常常挑选银钨、银碳化钨材料 配对,这有利于分断电弧；它具有过载、短路爱护性能,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；如需要有三段爱护,即在塑壳式断 10 / 19 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 路器的过载长延时、短路瞬时的二段爱护外,增加一短路短延时,或者

16、直接采纳万能式断路器；除此之外,它仍具有如下一些特点：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高牢靠性,内部执行部件 断路器 具备良好、牢靠的电气和机械联锁,切实防止同时接通常用和备用电源,防止了两台断路器只有电气联锁的不稳固性；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,仍可通过辅 助开关掌握指示灯来达到指示主备电源的投入情形；最多可对六相八线 双电源 同时进行线检测、监控；6修理便利；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,仍 有如

17、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、短路爱护功能 假如采 用带过载、短路爱护的剩余电流淌作断路器作执行部件,就仍有触电、漏电爱护 性能 ；2常用及备用电源工作情形显示、脱扣报警等功能；3可以依据不同的用户要求,利用跳线端子的敏捷性将电路设置成多种工作状 态为了适应各种不同操作场合的需要,同时具备手动和自动掌握方式；一般情 况下手动掌握方式局限于无负荷分合的检修场合；第 3 章 掌握系统设计3.1 掌握系统电气元件简介 3.1.1 SPT604 电压传感器11 / 19 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 19 页精选学习资料 - - - - -

18、 - - - - 电压传感器是采纳电磁感应、光电隔离和频率调制等不同技术,精确测量电网或 电路中的沟通电压、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,或作掌握、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；3.1.2 LM393 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

19、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,其大小可依据实际需要而定,另一个输入端加被比较信号；比较器的输出信号仅有两个电位：高输出电位 Vh 和低输出电位 Vl ；从数字电路的观点来看,高输出电位 Vh 相当于高电平 规律“1” ）,低输出电位 Vl 相当于低电平 超过或低于门限电位 Vth 时,比较嚣发生翻转,其输出电位由 Vh 变为 Vl 或由 Vl 复为Vh；采纳单电源操作设计,且适用电压范畴广；也可采纳分别式电源,低电耗不受电源电压值影响；另外,即使是在单电源操作时,其输入共模电压范畴也包括接地；LM393 系列可直接与 TTL 及 CMOS规律电路接口；无

20、论时正电源仍是负电源操作,当低电耗比标准比较器的优势明显时,口；3.1.3 NE555 施密特触发器LM393系列便与 MOS规律电路直接接NE555 施密特触发器具有回差电压特性,能将边沿变化缓慢的电压波形整形 为边沿陡峭的矩形脉冲；3.1.4 中间继电器 中间继电器的工作原理是：当线圈通电时产生电磁吸力,将衔铁吸合,带动常开触点闭合,常闭触点断开,即为继电器动作；当线圈没有通电时,继电器借助弹 簧拉力使衔铁返回至初始位置,触点进行相应的切换动作,即常开触点重新断 开,常闭触点重新闭合,即为继电器复位；下面介绍本设计所选用的两种中间继电器；3.1.4.1 JZG6HH6 系列小型功率继电器

21、JZG6HH6系列小型功率继电器具有体积小、质量小、牢靠性高、通电容量大、寿命长、耐高温、耐潮湿等特点；它适用于沟通 50Hz60Hz,电压 220V 及以 下,直流电压 110V 及以下或电流 10A 及以下的电路中,供空调、汽车和工业自 动化掌握装置作信号传递和执行元件用；该小型功率继电器采纳 U型拍合式电磁 机构,由铁芯、磁轭、衔铁、线圈、触点转换系统、支撑机座及透亮爱护外客等组成其安装方式有插拨式,印制板焊装式和法兰式三种,本次系统设计选用插拨式；3.1.4.2 Z62型中间继电器Z62 型中间继电器主要用于继电爱护及自动装置的交、直流电路中,作为增加触 点容量和数量的帮助继电器；它的

22、工作原理同前一种继电器,额定电压 单位为 V）有 6,12,24,365,60,110,127,220,380 几种；3.1.5ULN2003A达林顿晶体管 功率电子电路大多要求具有大电流输出才能,以便于驱动各种类型的负载；功率12 / 19 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分；在大型仪器外表系统中,常常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件；美国 Texas Instruments 公司、美国 Sprague 公司生产的 ULN200

23、3A高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件；它由 7 组达林 顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成,具有同时驱动 7 组负 载的才能,为单片双极型大功率高速集成电路；3.1.6 塑料外壳式低压断路器 断路器有低压断路器和高压断路器,在此只介绍与本设计有关的低压断路器；低 压断路器 又称自动开关）,是一种不仅可接通,分断电路,又能对负荷电路进 行自保的开关电器；当负荷电路发生短路,过载,过压或欠压等故障时,能自动 的切断电路；它也可用于不频繁地启动电动机,以及操作和转换电路；在本设计中,我们选用塑料外壳式断路器；它主要由触点系统,灭弧装置,操作机构和爱护装置组成

24、；适用于沟通电压500V,直流电压 220V,额定电流 600A以下的电路中,一般具有 DZ5,DZ10,DZ15,DZ20等系列；其工作原理为：开关的主触点是靠操作机构手动或电动合闸的,并由自由脱扣机 构点锁在合闸位置上；假如电路发生故障,自由脱扣机构在有关脱扣器的热元件 与主电路串联,失压脱扣机构动作；当电路过载时,热脱扣器的热元件产生的热 量增加,使双金属片向上弯曲,推动自由脱扣机构动作；当电路失压时,失压脱 扣器的衔铁释放,也使自由脱扣机构动作；分励脱扣器就作为远距离掌握分断电 路之用；对于本设计所选用的 520 型断路器主要是在配电网络中用来爱护电动机的过载和 短路,并可作为电动机不

25、频繁启动和电源之间的转换之用；选用的技术规章如 下：1）额定电压应与安装出的电源电压相同；2）额定电流应大于或等于负荷电流；3）遮断短路电流的才能应大于安装处可能发生的最大短路电流；4）断路器外壳防护等级应符合安装环境的要求；3.1.7 跳线 跳线实际上是一个两孔的短路插座；依靠它在插针上的不同位置,转变电路的结 构；其作用于相当于一个单刀双掷开关,与开关的区分主要是开关用于常常切换 的电路中 如电源开关 ,而跳线端子就用在不需常常切换的电路中,其优点是 体积小,价格廉价,不简洁被误移动；本设计中可利用跳线端子的敏捷性将电路 设置成多种工作状态,包括：自投自复,自投不自复,带启动发电机功能等等；这种设计可防止重复生产多套电路板,只用一块或尽可能少的电路板达到不同的 使用要求；3.2 报警电路设计 为了使用的安全和开关正常工作与否的检测,在电路中可设计一报警电路；本设 计中