机电一体化自动转换开关设计-毕业论文

题题目 目 机机电一体化自动转换开关设计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 Automatic transfer switching equipment is mainly used for critical imply of the power which is one of switching equipment that transfer the power from one load to another At first the paper respectively introduces the electric control principle of automatic transfer switching equipment ATSE and the framing design of mechanical system and then correspondingly gives the system framing chart and the principle framing chart of hardware of the electric controlling system Next combining with theory and the experience of designing analyze the reliability and the safety of ATSE which is not only one point of the research is also one key point to measure if the research makes sense By theory and amount of count we can make the flowing conclusion The framing of mechanic system makes sure that between utility power and the generator only one of them provides electricity to keep on the reliability and safety of the system Above of all all mechanism designed simply acting accurately and reliably employing conveniently The product is having good foreground and practical significance 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 1 SPT604 电压传感器 7 3 1 2 LM393 电压比较器 7 3 1 3 NE555 施密特触发器 7 3 1 4 中间继电器 7 3 1 5 ULN2003A 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 automatic 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 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 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 1 SPT604 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 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 逻辑 1 低输 出电位 Vl 相当于低电平 逻辑 0 当输人信号 被比较信号 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 采用单电源操作设计 且适用电压范围广 也可采用分离式电源 低电耗不受电 源电压值影响 另外 即使是在单电源操作时 其输入共模电压范围也包括接地 LM393 系列可直接与 TTL 及 CMOS 逻辑电路接口 无论时正电源还是负电源操作 当低电耗比标准比较器的优势明显时 LM393 系列便与 MOS 逻辑电路直接接口 3 1 3 NE555 施密特触发器 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 JZG6 HH6 系列小型功率继电器 JZG6 HH6 系列小型功率继电器具有体积小 质量小 可靠性高 通电容量大 寿 命长 耐高温 耐潮湿等特点 它适用于交流 50Hz 60Hz 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 汽车和工业自动化控 制装置作信号传递和执行元件用 该小型功率继电器采用 U 型拍合式电磁机构 由铁芯 磁轭 衔铁 线圈 触点转换系统 支撑机座及透明保护外客等组成其 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保护及自动装置的交 直流电路中 作为增加触 点容量和数量的辅助继电器 它的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 5 ULN2003A 达林顿晶体管 功率电子电路大多要求具有大电流输出能力 以便于驱动各种类型的负载 功率 驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分 在大型仪器仪表系统中 经常要用到伺服电机 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 ULN2003A 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 能力 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 机构和保护装置组成 适用于交流电压 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 如果电路发生故障 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 分励脱扣器则作为远距离控制分断电 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保护电动机的过载和 短路 并可作为电动机不频繁启动和电源之间的转换之用 选用的技术规则如下 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 遮断短路电流的能力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 改变电路的结 构 其作用于相当于一个单刀双掷开关 与开关的区别主要是开关用于经常切换 的电路中 如电源开关 而跳线端子则用在不需经常切换的电路中 其优点是 体积小 价格便宜 不容易被误移动 本设计中可利用跳线端子的灵活性将电路 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 这种设计可避免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 计中采用电压比较器和指示灯来实现报警 电压比较器 检测 控制报警信号 指示灯 亮 常用电源出现故障 开关动作 反之 开关保持 控制原理 从电压传感器获取的常用电源的信号 Ui 作为电压比较器同向端的输入 信号 再与反相端预先设定的参考电压进行比较 当 UiUr 时 则表明被检测的信号超过了预先设定的安全值 Uo 即为正值 晶体管 VT 饱和导通 指示灯 0 亮 发出光亮报警信号 指示出系统中常用电源出 现故障 要求开关动作 接通备用电源 第 4 章 机械结构设计 4 1 机械结构设计要求 开关对机械结构有如下一些要求 1 机械装置必须安全可靠 维护容易 尽量做到免维护 且寿命必须符合 IEC 有关标准 其机械寿命应达到 5000 次以上 设计时 我们一般按 7500 次来设计 其寿命 要求运动部分特别是接触部分材料有好的耐磨性 以免由于磨损而影响 运动的精确性导致机械运动不到位引起转换失败 设计的依据是根据型式试验以 后检查材料的磨损程度 定量地进行设计 2 这种开关对机械转换和互锁要求较高 这里的所谓互锁指的是常用电源断路 器合闸后 备用电源断路器必须是断开的 反之亦然 3 无论是转转常用电源还是备用电源断路器合闸后 另一只断路器人为的强行 的合闸均受到机械手的阻挡无法合闸 这样就保证了整个装置的安全性 4 这种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 2 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 5 自动转换开关一般均是放在电气控制柜中的 其体积要求尽量小 否则将造 成电气控制柜体积的增大 4 2 电机的选用 根据自动转换开关的控制功能及设计要求 对电机的选用主要有以下三个方面的 要求 1 电机要能够实现正反转 以便控制常用电源和备用电源各自断路器手柄合闸 从而实现常用电源与备用电源之间的相互切换 电机正转 驱动备用电源断路器手柄合闸 电机反转 驱动常用电源断路器手柄合闸 2 电机必须有一定的输出转矩 要求拥有足够大的扭转力来拨动断路器手柄 以便顺利实现两电源间的相互转换 3 电机体积小 重量较轻 由于电动机要装在自动开关盒的内部 以使得自动 开关总体结构尺寸小 重量轻 4 2 1 电机功率的确定 由于本设计中 电机只是用于常用电源与备用电源之间的相互切换的驱动动力源 对转速高低和功率传递无太大要求 则选择一级圆柱齿轮传动 把驱动动力从电 机传递到开关主轴 实现切换需要 任何机械传动系统的传递效率都不可能 100 总会存在传动效率的损失 由于本设计的开关的开关体及控制器均是封装在开关盒里的 而且对传动质量的 要求并不是太高 则可选择闭式软齿面齿轮传动 然而 对闭式软齿面齿轮传动 传动尺寸主要取决于接触疲劳强度 在满足弯曲强度的前提下 宜选取较多的齿 数和较小的模数 4 2 2 电机类型的选择 结合上述对电机三大主要选用要求和功率 转矩的初步计算 查阅 小功率电动 机选型手册 注 陈浩 丁立言编著 机械工业出版社 1998 2 其中 单相电容起动异步电动机拥有起动转矩大 力能指标不高 转速变化不大 可逆转 起动电流中等等性能特点 可优先选用 4 3 系统机械传动路线 根据系统的设计要求 可有手动状态和电动状态两种工作状态供选择使用 1 电动状态 当选用电动状态时 其机械传动路线为 电动机 齿轮 主轴 齿轮 六方离合销 拨叉盘 柱销 拨叉 断路器手柄 2 手动状态 当选用手动状态时 可以人为控制两台断路器 合 与 分 不具备自动转换的功能 当用力按下手动手柄时 钢球将手动轴定在 2 沟槽内 手动轴下方的六方轴进入拨叉盘中心六方孔内 而此时六方离合销在手动力作用 下退入主轴端部的六方孔内 从而使电机至离合销部分完全脱离拨叉盘 再旋转 手柄锁紧 其机械传动路线为 手动轴 拨叉盘 柱销 拨叉 断路器手柄 4 4 主要零件设计 4 4 1 主轴的设计 1 主轴材料选择 轴的主要材料是碳素钢和合金钢 一般轴多用优质碳素钢 因为它比合金钢价廉 并且经过适当的热处理和化学处理后可以获得较好的综合力学性能 提高其耐磨 性和疲劳强度 其中 45 钢最为常用 本设计中的主轴 传递功率不是很高 选择 45 钢即可 2 主轴的结构设计 轴的结构设计的目的是确定轴各个部分的合理的外形和尺寸 在进行轴的结构设 计过程中 主要应考虑如下几方面的问题 1 轴上零件应有准确的工作位置 2 轴上零部件应便于装拆 3 轴的结构应便于加工 4 应使轴的受力合理 并有利于节省材料 减轻重量 影响轴的结构的因素很多 可根据具体情况进行具体设计 3 主轴零件图 根据设计计算的一系列数据 绘制出主轴零件图 4 4 2 齿轮的设计 1 齿轮材料选择 齿轮最常用的材料是钢 其次是铸铁 有时也采用非金属材料和其它材料 用于制 造齿轮的钢材多为优质碳素结构钢和合金结构钢 通过适当的热处理 可获得所 需的机械性能 而本传动系统要求传递的功率不大 转速不高 大 小齿轮均可 选用 45 钢 2 齿轮结构设计 本设计采用闭式软齿面齿轮传动 其主要失效形式为齿面疲劳点蚀 则设计的计 算准则 根据接触强度设计 校核弯曲疲劳强度 3 齿轮零件图 根据设计计算的一系列数据 绘制出齿轮零件图 4 4 3 六方离合销的设计 由于本设计对主轴的传动功率和转速都没有太高的要求 则对其传动精度的要求 也不会太高 即可采用六方离合销式的离合器 即在主轴右端设计出一个六方内 孔 再在离合销的两端分别置一弹力足够的弹簧 离合销就会被弹簧弹力压入内 孔或弹出内孔 从而实现其主轴与控制体的离合 以至最终实现动力的传动 第 5 章 系统可靠性分析 5 1 电气控制部分可靠性分析 由于电气控制部分 电子线路在控制过程中有可能会出现意外的故障 因此 在 设计中 我们有必要更加合理的设计电路 设计过程中 我们遵从以下几个方面 对电子电路部分进行设计 1 电压传感器 SPT604 是属精密性较高的一类传感器 当经过电压转换时 有 必要将其输出电流适当分流 为随后的比较器提供较稳定的电流 更确保防止被 击穿 因此 串联一电阻加以保护 2 电压比较器 LM393 是属较为常用的比较器 在此选用了双列直插式 它与其 它类型的比较 不仅体积上较为节约空间 而且输出电平也较为平稳 但是为了 防止意外 在其输出端适宜串联一电阻 这样可以起到更好的防止被击穿的作用 为逻辑门电路提供更为稳定的信号 3 NE555 施密特触发器可接适当的电容电阻 来取得更为稳定的信号 4 用缓冲器 ULN2003A 驱动小型中间继电器 可使其更快更稳地完成触点动作 实现电气联锁 是一种比较良好的驱动器 5 工作情况显示 可以设置自动转换时的光电报警 也可以接正常电源信号显 示与备用电源信号显示 在本次设计中 既设置了电源自动转换时的光电报警系 统 也设置了正常电源信号显示灯与备用电源信号显示灯 另外 还设置了断路 器脱扣报警功能以及系统的自投自复功能 综上所述 在电气控制部分 选用一些经济实用的小型器件来组成电子线路的控 制开关 显然要比选用一些大型的元器件更加实用 可靠性也要更加优良 但是 需注意的是 如果电子线路组成的电路板 一旦出现线路故障 就不宜检测 因 此 在要求异常精密的场合 建议使用更高级的智能化单片机控制 确保供电的 万无一失 5 2 机械传动部分可靠性分析 机械传动部分的机械部件设计还算比较完善 且机械零件材料亦是根据经验选用 的较为良好的材料 设计中 最主要的是将弹簧 主轴等负载能力进行详细准确 的计算 并进行适当的校核 然后设计出相应的机械零件 这样设计出的结构才 能满足机械构件的稳定性及可靠性 另外 选用电动机时 应根据机械部分设计 得出的负荷力大小及工作情况进行选择 最后 机械零件设计时 最好优先选用 标准件 这样 既能使机械传动控制部分可靠性大大提高 又可以适当的降低不 必要的费用 自动转换开关的工作条件是工作电源的电压消失 非人为操作情况下 而引起自 动转换开关的常用电源电压消失 经综合分析 包含如下一些情况 1 上一级发电站发生故障 使得常用电源电压消失 工作电源电压亦跟着消失 2 母线引出线短路 而故障没有被引出线的断路器切断 3 一台断路器因控制回路 保护回路或操作人员误操作机构等方面问题而误跳 闸 发生上述情况时 备用电源应自动投入 以保证不间断的向被供电系统供电 5 3 总体注意事项 我们在设计开关时 要注意到其操作的便利性 如断开工作电源的断路器必须用 低电压启动机构 将备用电源合闸时 必须用合闸机构 而要实现这些功能 就必须具有以下几个保证条件 1 保证在工作电源可靠的断开后 2 保证转换开关只动作一次 以免将备用电源多次投入出现持续性的故障 造 成对系统多次冲击 3 自动转换装置应快速动作 使用户停电时间尽可能最短 4 对备用电源的电压 备用电源与设备的过负载能力以及发电机的启动情况进 行校验 5 当操作人员手动切断工作电源时 应该保证开关不动作 6 当断开断路器时 必须将手柄拉向 分 位置 要闭合时 先将手柄打向 合 位置 如果经自动脱扣的断路器重新闭合时 则先将手柄打至 分 位置 使断 路器再扣 然后再打向 合 位置 即断路器闭合 第六章 结 论 本课题是对双电源自动切换器的设计与分析 本课题研究方向替代了以前国内 施行的产品组合方案 运用机电一体化技术开发设计出由断路器 机械联锁和控 制器构成的双电源转换系统 这样的转变 正是趋于缓解市场急需高性能 高可 靠性 高稳定性和高安全性的自动转换开