机电一体化自动转换开关设计

1、机电一体化自动转换开关设计目 录摘要Abstract第1章 绪论11.1 课题概况11.1.1 当前双电源转换开关的现状11.1.2 双电源转换开关的发展21.1.3研究本课题的目的及意义31.2 课题研究的内容31.2.1课题研究涉及的有关概念31.2.2课题研究的主要技术性内容4第 2 章 系统方案确定及控制原理72.1 系统方案确定72.1.1 自动转换开关的组成72.1.2 系统方案的确定72.2 开关结构特点及控制原理92.2.1开关结构特点92.2.2 控制原理92.2.3功能10第3章 控制系统设计123.1控制系统电气元件简介123.1.1 SPT604电压传感器123.1.2

2、 LM393电压比较器133.1.3 NE555施密特触发器143.1.4中间继电器153.1.5 ULN2003A达林顿晶体管163.1.6塑料外壳式低压断路器183.1.7 跳线 193.2控制原理图设计193.3 报警电路设计20第 4章 机械结构设计214.1机械结构设计要求214.2电机的选用214.2.1 电机功率的确定224.2.2 电机类型的选择234.3系统机械传动路线234.4主要零件设计244.4.1主轴的设计244.4.2 齿轮的设计274.4.3 六方离合销的设计314.4.4 拨叉盘的设计324.5机械结构总体装配设计33第 5章 系统可靠性分析345.1电气控制部

3、分可靠性分析345.2机械传动部分可靠性分析345.3总体注意事项35结论36参考文献37致谢39摘 要机电一体化双电源自动转换开关主要是应用于需连续供电的某些重要场所，它是开关家族中的新品。本文主要介绍了此种开关的电气控制原理和机械结构设计本文首先分别介绍了自动切换器的电气控制原理和机械系统的结构设计，并相应地给出了系统框图和控制系统硬件原理框图。然后，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，既是本课题的一重点，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。通过理论和大量计算，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

4、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。机电一体化自动转换开关设计第1章? 绪 论f 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

5、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

6、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

7、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：一是耗电、二是有噪音、三是切换不可靠、四是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，法国溯高美公司由电动机驱动的SirCOVER标准型及vS型双电源转换开关，韩国始永重电机株式会社的SYF、

8、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

9、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

10、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。下图为该公司研制、开发的发电开关设备能量管理监控系统。 该系统

11、设备及数据包括： 1)ATS位置及电源可用性2)远程测试(负载无负载快速测试)3)测试和训练状态4)延时运行和设置5)正常和应急电源的频率电压检测的抬取开断设置6)禁止转换7)当开关不在自动位置的控制器操作8)可选的控制监视辅助功能 9)趋势分析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

12、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

13、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。 综上所述，当前具有国际水平的双电源转换开关最显著的特征是：大容量、短路分断能力高，结构模块化、操作安全可靠、产品性能智能化。 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

14、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。 &#

15、160;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

16、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(如C,

17、45等)。ATSE的国内现状：(1)PC级采用接触器或电磁开关作常用电源和备用电源的主开关。这些电器开关能够接通、承载线路负载，其优点是可频繁操作，从切换装置本身来说，价格相对低廉；缺点是耗电大、有噪声、工作可靠性差、投切容量受限制。另外，它不能分断短路电流，因此接触器、电磁开关的电源端上还要加装熔断器或断路器，因此整个系统的造价较高。(2)CB级为了从根本上解决PC级存在的问题，对于不频繁切换的1001250A 的低压双电源装置电路，完全可采用带有电动操作机构的塑料外壳式断路器(或万能式断路器)替代交流接触器，电磁开关作投切电器开关。塑壳式断路器具有过载、短路保护性能，能够适应CB级既能接通

18、、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(我国第四代塑壳式断路器短路分断能力已达到35 80kA)的要求。而需要有三段保护(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)的性能者，还可采用万能式断路器(最近第五代的具有三段保护的塑壳式也已问世)。这种CB级双电源自动切换装置的典型产品有：杭州之江开关厂的HSQ1(普通型)、HSQ2(智能型)和天津低压电器公司的TQ30型等。 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，

19、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

20、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)手动切换裟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

21、、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

22、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。         关键词：机电一体化；自动转换开关；断路器；触发器；可靠性；AbstractAutomatic 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 .

23、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 sy

24、stem . 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

25、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 the all , all mechanism ,designed simply , acting accurately and reliably , employing conveniently . The product i

26、s having good foreground and practical significance .机电一体化自动转换开关设计第2章 系统方案确定及控制原理asd 第2章 系统方案确定及控制原理本开关要能够顺利实现其控制要求,保证诸多需连续供电场所的正常供电,就必须要求开关有一个完善的、合理的控制系统。因此，对其控制系统的设计，也就显得尤其重要。下面就主要对系统的控制方案进行合理选择确定。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

27、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。图2.1是典型自动转换开关应用电路。（控制器与开关本体进线端相连。）图2.1 典型自动转换开关应用电路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

28、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（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(02s内)、安全可靠等优点，而且该

29、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。图2.2（a）（b）是其工作示意图。UN UR UN UR  负载电路 负载电路（a）CB级自动转换开关 （b）PC级自动转换开关图2.2 自动转换开关工作示意图结合上述两个方面，并综合其他多方面因素，

30、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。控制系统框图如图2.3所示。UN 逆时针转 UNUR 顺时针转 UR图2.3 CB级自动转换开关模拟电路控制系统框图2.2 开关结构特点及控制原理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

31、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

32、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 控制原理根据对上述确定出的自动转换开关控制系统的认真分析，结合模拟电路的线路设计等，绘制出自动转换开关控制原理框图，如图2.4所示。图中Una,Unb,Unc分别表示常用电源的三相,Ura表示备用电源的A相，SPT603为一电压传感器，当输入电压为220V时，其输出电压为

33、2V。LM393为一双限比较器，通过调整取得比较器的上限电压和下限电压。假定将上限电压调整为2V对应于传感器输入220V，将下限电压调整至1.7V对应于传感器输入为190V。74LSll为一三输入与门，74LS00为一与非门，ULN2003为一带有七个达林顿电路的驱动芯片，JlJ7为中间继电器，NE555接成施密特触发器。当常用电源三相无故障时，SPT603输入在190V220V之间，其输出电压在1.7V2V之间，比较器输出为高电平，第一路经过74LSll相与后使N1导通，为施密特触发器提供电源，此时，施密特触发器Q端输出为高电平，使得N3导通J3吸合，电机逆时针转动，使常用电源合闸。同时，另

34、一路经74LS1l出来后经与非门74LS00反相为低电平，使得N2截止，继电器J2保持若三相电源任一相出现故障(失压、欠压、过压、断相)时，SPT603将信号输出给LM393，此时两个比较器输出均为低电平，经74LS11相与后，使得Nl截止，N2导通，J2吸合，为施密特触发器提供一路电源，通过跳线端子(TX2)使得N4导通，电机顺时针旋转，使常用电源断开，备用电源合闸，从而完成两路电源的切换。      图2.4 自动转换开关控制原理框图2.2.3 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

35、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。1 2 3 4 5 6 7 网站首页机电一体化自动转换开关设计第3章 控制系统设计as 第3章 控制系统设计在上一章中，经过对控制方案的种种要求的认真分析之后，

36、已确定出了本开关的控制系统方案，而且对其控制原理也进行了详细阐述，并绘制出了自动转换开关控制原理框图。现在，就其进行控制系统的具体设计。本设计采用的是模拟电路控制，这就要求对此处用到的多个电气元件的工作原理、性能等方面要有一个全面的认识，理解和正确应用。上一章中的自动转换开关控制原理框图中已经明示出了几种主要的电气元件。现对其作简单的介绍，以便更好的理解和方便设计时的正确应用。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

37、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。本设计采用工业级SPT604电压传感器。工业级的SPT604电压传感器的特点及主要性能如下：（1）主要特点：交流电压-直流电压高精度隔离变换，精密小巧的PCB板焊接式安装，高隔离度耐冲击的全树脂密封。（2）主要性能、技术指标如下：表3.1 SPT604电压传感器性能指标额定输入电压 100，220，380V或用户指定（SPT604）/220V（SPT602） 隔离耐压

38、>2200Vac（604） >2000Vac（602） 额定输出电压 2V、4V或用户指定（SPT604）/4V（SPT602） 商用,使用温度 -20+55精 度 0.2%（SPT604）/0.25%(SPT602) 工业级,使用温度 -40+75纹波（有效值） 额定输出的有效值*0.2 贮藏温度 -60+75线 性 范 围 0额定值的120% 相对湿度 <90% 辅 助 电 源 ±15V或±12V(604) 重 量 1820克 表3.2 SPT604电压传感器技术指标供电 ±12V DC 、24V DC、220V 过载能力 持续2倍精度 0.

39、1、0.2、0.5级 响应时间 直流输出300ms、跟踪输出50s（1-3s）线性度 0.06% 负载阻抗 电压输出型 1K、电流输出型550、或由用户协定隔离耐压 2KV AC 功耗 ±10mA频率响应 10Hz-5KHz、DC-100KHz 工作环境 温度：25+85；湿度：（2090）%RH3.1.2 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

40、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。其参数见表3.3。表3.3 LM393电压比较器参数表一般参数 工作环境温度 0+70贮存环境温度 -25+85次级内阻 40输入内阻 400K测量电阻 40350电参数 原边额定输入电压 500V原边电压

41、测量范围 0600V副边额定输出电流 20A（DC）匝数比 4：1电源电压 ±12±15V（DC）动态性能参数 线性度 < 0.4%FS失调电流 -0.1+0.1mA响应时间 4s频带宽度 010KHzLM393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。其内部接线图见图3.1所示。图3.1 LM393内部接线图可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于VF变换电路、AD变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。3.1.

42、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。1.电路组成及工作原理图3.3 NE555施密特触发器（1）vI =0V时，vo1输出高电平。（2）当vI上升到 时，vo1输出低电平。当vI由 继续上升，vo1保持不变。（3）当vI下降到 时，电路输出跳变为高电平。而且在vI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。图中，R、VCC2构成另一输出端vo2，其高电平可以通过改变VCC2进行调节。2.电压滞回特性和主要参数电压滞回特性图3.4 施密特触发器的电路符号和电压传输特性主要静态参数（1）上限阈值电压VT+vI上升过程中，输

43、出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+= 。（2）下限阈值电压VTvI下降过程中， vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT= 。（3）回差电压VT回差电压又叫滞回电压，定义为VT= VT+VT = 若在电压控制端VIC（5脚）外加电压VS，则将有VT+=VS、VT=VS/2、VT= VS/2，而且当改变VS时，它们的值也随之改变。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

44、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。下表

45、3.4是所选用的该类继电器的一些重要参数。表3.4 JZG6（HH6）系列继电器技术参数额定绝缘电压 动作电压 释放电压 最大通电电压 动作时间 释放时间250V 75%Un 30%Un 110%Un 20ms 20ms约定发热电流 额定负载 额定功率 最大工作电压 接触电阻 工频耐压10A 110V,7.5A 1.6VA 250V 50M 2000V/min最大开闭容量 绝缘电阻 机械寿命 固定空气湿度 操作步骤 质量1540VA（阻性） 100M 5000万次 -10+40 1800次/h 33g3.1.4.2 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

46、，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。下面（见表3.5）将它的一些参数列举如下：表3.5 DZ62型中间继电器技术参数额定电压（V） 动作电压（V） 长期热稳定值 功率消耗(W)220 0.85Ue 1.1Ue 56.5W动作时间（s） 返回时间(s) 长期接通 断开容量0.03 0.02 5A 500VA3.1.5 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

47、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。以下介绍该电路的构成、性能特征、电参数以及典型应用。1. 管脚排列ULN2003A的管脚排列如图3.5所示，图3.6为其原理和引脚功能图，各引出端的功能符号及说明如表3.7所列。图3.5 管脚排列图 图3.6 功能框图表3.6 DZ62型中间继电

48、器性能指标额定电压（V） 动作电压（V） 长期热稳定值 功率消耗(W)220 0.85Ue 1.1Ue 56.5W动作时间（s） 返回时间(s) 长期接通 断开容量0.03 0.02 5A 500VA表3.7 引出端功能符号引出端序号 符号 功能 引出端序号 符号 功能1 1B 输入 9 COM 公共端2 2B 输入 10 7C 输出3 3B 输入 11 6C 输出4 4B 输入 12 5C 输出5 5B 输入 13 4C 输出6 6B 输入 14 3C 输出7 7B 输入 15 2C 输出8 E 发射极 16 1C 输出2. ULN2003A的主要电特性（见表3.8）3. 主要应用领域：（1

49、）伺服电机系统；（2）步进电机系统；（3）电磁阀控制系统；（4）控制照明灯等。表3.8 ULN2003A主要电特性特性 符号 条件 规范值 单位最小 最大 直流放大倍数 hky VCE=2V，IC=350mA 1000 - 集电极-发射极饱和电压 VCE（sat） IB=500A，IC=350mA - 1.6 V集电极截止电流 ICEX VCE=50V Ii=0mA - 50 AVi=6V - 500 A集电极最大电压 Vmax 空载 50 - V集电极最大电流 Imax VCE=2V 500 - mA开态延迟时间 TON VCE=5V，16kHz的方波输入 -1.0 S关态延迟时间 TOFF

50、 VCE=5V，16kHz的方波输入 -1.0 S3.1.6 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。该种系列具有良好的保护性能，安全

51、可靠。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。以下是它的具体参数（见表3.9）： 表3.9 DZ5-20断路器的技术参数型号 主触头额定电流 主触头

52、额定电压 极数DZ-20/220 20A 380V 2脱扣器型式 脱扣器额定电流 辅助触头型式 辅助锄头额定电流电磁式 0.1520A 一常开一常闭 5A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

53、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。但本设计是采用设计逻辑，决定常用电源恢复正常时，是否恢复由常用电源供电，即实现本设计的自投自复功能。3.2控制原理图设计通过对本设计中多个电气元件的认识、学习，现已对其有了一定的熟悉和理解。根据前章已绘出的自动转换开关控制原理框图，结合模拟电子线路设计方法，进行具体的控制原理图设计。图3.7 电气控制原理图3.3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

54、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Ui<Ur时，则电压比较器的输出信号Uo为负值，晶体管VT截止，指示灯0不亮，表示常用电源正常，系统安全；当Ui>Ur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。机电一体化自动转换开关设计第4章 机械结构设计as 第4章 机械结构设计本开关采用的是电气线路检测，并发出控制信号，而具体的控制是机械结构装置根据控制信号来实现的。这就要求机械结构部分要有良好的控制功能，主要是能够实现转换的互锁。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