自动转换开关的毕业设计(机械CAD图纸)

本科机械毕业设计论文CAD图纸QQ401339828第0页Page0目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 1Abstract 4第一章绪论 71.1课题概况 71.1.1当前双电源转换开关的现状 81.1.2双电源转换开关的发展 81.2课题研究涉及的有关概念 11第二章系统方案确定及控制原理 132.1系统方案确定 132.1.1自动转换开关的组成 132.1.2系统方案的确定 13第三章控制系统设计 183.1SPT604电压传感器 183.1.1LM393电压比较器 193.1.2NE555施密特触发器 213.1.3中间继电器 223.1.4ULN2003A达林顿晶体管 233.1.5塑料外壳式低压断路器 263.1.6跳线 273.1.7控制原理图设计 283.2报警电路设计 28第四章机械结构设计 294.1机械结构设计要求 294.2电机的选用 304.2.1电机功率的确定 304.2.2电机类型的选择 324.3系统机械传动路线 334.4主轴的设计 334.5六方离合销的设计 39第五章系统可靠性分析 395.1电气控制部分可靠性分析 405.2机械传动部分可靠性分析 415.3总体注意事项 42第六章结论 43参考文献 44致谢 46自动转换开关的设计摘要研究本课题的目的及重要性：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。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，其后果都是严重的，这不仅仅会带来经济损失，也可能造成社会问题。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。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。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。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即能完成转换功能，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。结论：本课题研究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关电器产品的现状。因为产品的技术先进性和可靠性如何，将直接影响着用电的安全与可靠，这已成为低压配电系统中不可缺少的重要部分。所以在设计中应引起人们的重视，并很有必要熟悉和了解其类型、组成与工作原理、主要特点及功能等。控制原理图的设计，报警电路设计，机械结构设计，电机的选择计算和设计，最后对系统做了一个比较详细的分析。我们从电气元件的选择：电压传感器、电压比较器、施密特触发器、中间继电器、达林顿晶体管、塑料外壳式低压断路器等都做了一个详细的阐述。此设计可使人们看到双电源自动切换器的结构和功能，对于其选择和应用是一个较好的范例，随着现代化智能建筑的日益增多．双电源转换开关的应用会更加广泛，更加普遍。关键词：自动转换开关，断路器，

触发器，可靠性

AbstractObjectiveandsignificanceofthisresearch:inordertoensurethecontinuityofcriticalloadpowersupply,applicationofdualpowerautomatictransferswitchismoreandmorebig,thetechnicalperformancerequirementsarealsogettinghigherandhigher.Conversiononcefailurewillresultinmanyhazards,shortcircuitpowersupplyorimportantloadpower,theconsequencesareserious,whichnotonlycanbringeconomicloss,mayalsocausesocialproblems.Thepresentcurrentsituationofthedevelopment,developmentandproductionofautomaticconversionswitchofdoublepowersupplyhasbeencrunchtime.Otherwise,itcannotbesatisfiedduetothequalityofpeople'slifecontinuouslyimprovethereliabilityofpowersupplybecomesmoreandmoreurgentfortherequirementsofthedevelopment,functionmoreperfect.Thispaperintroducesthestructuredesignofautomaticswitchelectricalcontrolprincipleandmechanicalsystem,andthecorrespondinghardwaresystemblockdiagramandcontrolsystemblockdiagram.Then,combiningthetheoryanddesignexperience,analysisofthesafetyandreliabilityoftheautomaticswitch.Throughtheoreticalanalysisandcalculation,thefollowingconclusionscanbedrawn:structureandmechanicalsystem,bothtoensurethenormalpowersupplyandstandbypoweronlyonepowersupply,canalsobemanually,electricinterlocking,bymechanicalinterlocking,ensurethereliabilityandsecurityofthesystem.1dualpowerautomatictransfer:betweenthepowersupplyandthebackuppowerconversionmodewithoutanymanualoperationtocompletetheconversionfunction,suchasthecommonlyusedpowerisdetectedwhenpowerislost,itwillautomaticallyloadswitchingtothestandbypowerfromthecommonpowersupply,thenormalpowerisrestored,itwillautomaticallyreturntonormalpowerload.2automaticswitch:automatictransferswitchingtoATS,automatictransferswitchingabbreviation.Byoneorseveralswitchelectricalappliancesandotheressentialconversioncontroller,forthedetectionofpowersupplycircuit,andoneorseveralloadcircuitfromapowersupplyswitchautomaticallyswitchtoanothercircuitpowersupply.3powerdeviationdetected:namelythedetectedpowercharacteristicchanges.Whenthepowersupplycharacteristicsofdeviationsfromtheprescribedlimitvalues(suchaspowersupplyvoltageofanyonephaseundervoltage,overvoltage,openphase),thepowerdeviationisdetectedasasignaltotheswitchingaction.4conversiontime:fromthedeterminationofpowerbedetectedinstantlytothemaincontactclosingstandbypowerdeviationofthecut-offtime,exceptforthespeciallyintroducetime.5ofthetotalmovementtimeconversionactiontimeplusspeciallyintroducedelay.6Returnoftimefromthecommonpowercompletelynormalizedmomenttoagroupofcontactsclosedpowerinstantaneoustimeplusspeciallyintroducedelay.Conclusion:Thisstudyusesmechanicalandelectricaldevelopmentintegrationtechnologytodesignthecircuitbreaker,thedoublepowerconversionsystemofmechanicalinterlockingandcontroller,suchachange,itistoeasethemarketinurgentneedofhighperformance,highreliability,automaticconversionofhighstabilityandsafetyofswitchelectricalproducts.Becauseofhowproductsaretechnicallyadvancedandreliable,willdirectlyaffecttheelectricitysafetyandreliable,whichhasbecomeanimportantandindispensablepartinlowvoltagedistributionsystem.Soattentionshouldbeinthedesign,anditisnecessarytounderstandandfamiliarwiththetype,compositionandworkingprinciple,maincharacteristicsandfunctionetc..Thedesignofcontrolprinciplediagram,alarmcircuitdesign,mechanicalstructuredesign,motorselectioncalculationanddesign,thesystemmadeamoredetailedanalysis.Wefromtheelectricalcomponentselection:voltagesensor,avoltagecomparator,Schmidttrigger,intermediaterelay,Darlingtontransistor,plasticshelltypelowvoltagecircuitbreakerhavemadeadetailedexposition.Thisdesigncanmakepeopleseethedualpowerstructureandfunctionoftheautomaticswitcher,thechoiceandapplicationisagoodexample,alongwiththeincreasingofmodernintelligentbuilding.Switchpowersupplywillbemorewidelyapplied,morecommon.

第一章绪论1.1课题概况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。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，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。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。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：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。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。该系统设备及数据包括：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(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。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。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课题研究涉及的有关概念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。自动转换开关自动转换开关简称为ATS，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。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第二章系统方案确定及控制原理2.1系统方案确定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。·2.1.1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。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。）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：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。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。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。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。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。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：切换速度快，耐热冲击；工程费用低(一台自动转换开关可以取代两台断路器)；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；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；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。2.2.1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，Jl～J7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190V～220V之间，其输出电压在1.7V～2V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。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。第三章控制系统设计3.1SPT604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。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：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。主要性能、技术指标如下：表3.1SPT604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>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18～20克表3.2SPT604电压传感器技术指标供电±12VDC、24VDC、220V过载能力持续2倍精度0.1、0.2、0.5级响应时间直流输出＜300ms、跟踪输出＜50μs（1-3μs）线性度0.06%负载阻抗电压输出型＞1KΩ、电流输出型＜550Ω、或由用户协定隔离耐压＞2KVAC功耗±10mA频率响应10Hz-5KHz、DC-100KHz工作环境温度：－25～+85℃；湿度：（20～90）%RH3.1.1LM393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。其参数见表3.3。表3.3LM393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40Ω输入内阻400KΩ测量电阻40～350Ω电参数原边额定输入电压500V原边电压测量范围0～600V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4μs频带宽度0～10KHzLM393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3.1LM393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V／F变换电路、A／D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3.1.2NE555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3.3NE555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。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上限阈值电压VT+——vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=。下限阈值电压VT———vI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—=。回差电压ΔVT回差电压又叫滞回电压，定义为ΔVT=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、ΔVT=VS/2，而且当改变VS时，它们的值也随之改变。3.1.3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。例如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3.4是所选用的该类继电器的一些重要参数。表3.4JZG6（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%Un110%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10A110V,7.5A≤1.6VA250V≤50MΩ2000V/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）≥100MΩ5000万次-10~+40℃1800次/h33g3.1.4ULN2003A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TexasInstruments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。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额定电压（V）动作电压（V）长期热稳定值功率消耗(W)2200.85Ue1.1Ue5~6.5W动作时间（s）返回时间(s)长期接通断开容量0.030.025A500VA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11B输入9COM公共端22B输入107C输出33B输入116C输出44B输入125C输出55B输入134C输出66B输入143C输出77B输入152C输出8E发射极161C输出2.ULN2003A的主要电特性（见表3.8）3.主要应用领域：（1）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3.8ULN2003A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hkyVCE=2V，IC=350mA1000–集电极-发射极饱和电压VCE（sat）IB=500μA，IC=350mA-1.6V集电极截止电流ICEXVCE=50VIi=0mA-50μAVi=6V-500μA集电极最大电压Vmax空载50–V集电极最大电流ImaxVCE=2V500–mA开态延迟时间TONVCE=5V，16kHz的方波输入-1.0μS关态延迟时间TOFFVCE=5V，16kHz的方波输入-1.0μS3.1.5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3.9DZ5-20断路器的技术参数型号主触头额定电流主触头额定电压极数DZ-20/22020A380V2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0.15~20A一常开一常闭5A选用的技术规则如下：额定电压应与安装出的电源电压相同；额定电流应大于或等于负荷电流；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；断路器外壳防护等级应符合安装环境的要求。3.1.6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。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。3.1.7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。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。第四章机械结构设计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。表4.1中列出了常用机械传动的单级传动比推荐值。表4.1常用机械传动的单级传动比推荐值类别平带传动V带传动圆柱齿轮传动圆锥齿轮传动蜗杆传动链传动推荐值2~42~43~62~310~402~5最大值57106807本设计中所需的单级传动比选定为i=3。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。表4.2中列出了齿轮传动的效率概略值。表4.2齿轮传动的效率概略值类型传动效率齿轮传动圆柱齿轮闭式:0.96~0.98开式:0.94~0.96圆锥齿轮闭式:0.94~0.97开式:0.92~0.95本设计中所需的圆柱齿轮的效率概略值选定为?c=0.96。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。一般取主动轮Z1=20~40，对于动力传动，应使模数m≥1.5~2mm。这样可增大重合度，提高传动平稳性，另外还可以减少金属切削量，节省制造费用。选定电机主轴带动的齿轮齿数Z1=20。齿数比不宜过大，否则，小齿轮相对大齿轮磨损严重，通常一级传动u≤7。而且本系统对转速无严格要求，无须增速，便为减速传动。则u=i=3，自动转换开关主轴带动的齿轮齿数Z2=uZ1=60。估计用于拨动断路器手柄的力需要F=45N，根据系统装配图的基本结构设计，可知该系统用于拨动断路器手柄的力的力臂L=195mm。则系统承受的负载力矩为：TL=2FL=2×45×0.195N.m＝17.55N.m将该力矩转换到电机主轴上，则电机主轴所承受的转矩为Teq＝TL／(i?c)，式中?c为减速机构的传动效率（前处以选定?c＝0.96）。则有：Teq＝17.55／(3×0.96)＝6.09N.m其中本系统选用电机主轴转速为80r/min，最大转矩为6.09N.m。则需要的电机功率为：PM＝Teq?（n∏／30）＝6.09×[(80×3.14)／30]＝50.99W4.2.2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。在此类电机的发展派生下，出现的YYC系列齿轮减速单相电容起动异步电动机，更是具有体积小、重量轻、输出转矩大、运行可靠、性能指标优异等特点。可供仪表、机械、轻纺等行业作驱动元件使用。因此，粗选电机型号为90YYC-19，其额定输入功率为75W，大于刚才估算出的PM。＝50.99W。结合功率选择时需留有裕量的考虑，选用额定功率为75W的电机是合适的。型号为90YYC-19电机的主要参数如下：额定电压：220V频率：50Hz额定电流：0.40A额定输入功率为75W额定转矩：7.35N.m4.3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主轴的设计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。对受力较小或不重要的轴，也可以采用碳素钢，如Q235、Q275等。本设计中的主轴，传递功率不是很高，选择45钢即可。.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：轴上零件应有准确的工作位置；轴上零部件应便于装拆；（3）轴的结（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。下面就对主轴进行具体的设计：拟订轴上零件的装配方案装配方案往往有多种，装配方案不同，轴的结构也不同。经过对本设计要设计的主轴和装配进行分析比较后，得出较为合理的一种装配方案，如图4.1所示。图4.1主轴装配简图零件在轴上的固定零件在轴上的固定，应保证零件在轴上有准确的工作位置，能顺利地传递转矩和动力。其固定方式分为轴向固定和周向固定两类。轴向固定：轴上零件轴向固定常用的方法很多。而本设计中，主要采用圆螺母固定、弹性挡圈、轴肩（环）固定和套筒固定。圆螺母固定：固定可靠，装拆方便，可承受较大轴向力。由于轴上切制螺纹，使轴的疲劳强度降低。弹性挡圈固定：结构简单紧凑，只能承受很小的轴向力，常用于固定滚动轴承。轴肩（环）固定：结构简单，定位可靠，可承受较大轴向力，常用于齿轮、链轮、带轮、联轴器和轴承等定位。套筒固定：结构简单，定位可靠，轴上不需开槽、钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度。一般用于零件间距较小的场合，以免增加结构重量。此结构不宜于高速。本主轴上零件的具体的固定方法如下：主轴齿轮a、b处分别采用圆螺母固定（即挡圈—弹簧垫圈—螺母）和轴肩固定，固定其因转动可能产生的轴向移动；轴承Ⅱc、d处分别采用轴环固定和弹性挡圈固定；轴承Ⅰe、f处采用弹性挡圈固定和套筒固定。周向固定轴上零件周向定位常用方法有键联接、花键联接和销联接。本主轴上，主要是主轴齿轮的周向固定，采用键联接即可。轴的各段直径和长度的确定计算最小轴径d在轴的结构设计之前，由于不知道起支反力的准确位置，不能求出作用在轴上的弯矩，故只能按扭转强度初算轴的最小直径。设作用在轴上的最大转矩为T，其扭转强度条件为

设计式为上两式中：P—轴所传递的功率，kW；n—轴的转速，r/min；WT—轴的抗扭截面系数，mm3；—许用扭转应力，Mpa，见表4.3；A—由材料的许用扭转应力所确定的系数，其值见表4.3。利用上式估算轴径时，应注意以下两点：对于外伸轴，由于上式求出的直径，为该轴的最小直径；对于非外伸轴，计算时应取较大的A值，估算的轴径可作为安装齿轮处的直径。b.计算轴径处有键槽时，应适当增大轴径以补偿键槽对轴强度的削弱。单键放大3%，双键放大7%。计算出的直径圆整后可作为轴的最小直径d表4.3轴常用材料的及A值

轴的材料O235、204540Cr、35SiMn、2Cr13（N/mm2）122030404052A16013511810710790本设计选用A=110，则=110×=10.77mm根据上述利用该设计式估算轴径处有键槽时，应适当增大轴径以补偿键槽对轴强度的削弱。单键放大3%，双键放大7%。而本设计的主轴选用单键即可。则d=10.77×（1+3%）=11.09mm又根据上述对于外伸轴，利用上式求出的直径为该轴的最小直径。则对该值圆整后，最小直径dmin可最终确定为12.0mm。确定各轴段直径和长度为便于轴上零件装拆，常设计为阶梯轴。根据上面的设计式，同时考虑齿轮轮毂孔径要求确定轴段最小直径dmin，在此基础上，逐一确定各轴段的直径和长度。直径的确定主要考虑轴上零件定位和装配工艺的要求；轴的各段长度主要由各零件与轴配合部分的轴向尺寸急各零件在箱体中的相对位置尺寸等确定的。螺柱尺寸的确定为了对主轴齿轮进行轴向固定，本设计采用螺帽固定方式。结合主轴的最小直径在齿轮装配段，为12mm。以此查阅螺纹标准，可确定该螺柱为M8。则螺纹小径：0.85d=0.85×8=6.8mm长度确定：L=δ1+δ2+H+a=5.0+0.15×8+0.8×8+0.3×8=14.0mmb.轴承Ⅰ的选择、本设计中，该轴承主要是用于支撑传动主轴，而且，要适宜开关总体结构较小，重量轻。则可选用常用的深沟球轻窄（2系列）轴承。型号：6202，外形尺寸：d=15mm，D=35mm，B=11mm；安装尺寸：D1=20mm，D2=30mmc.轴承Ⅱ的选择由于此处轴承不但用于支撑传动主轴，更主要的是承载主轴齿轮，其弯曲力教轴承Ⅰ处要大，则应采用教轴承Ⅰ大的轴承，但也无须过大。查阅轴承标准，确定出该处选用型号为6203的深沟球轴承。外形尺寸：d=17mm，D=40mm，B=12mm；安装尺寸：D1=22mm，D2=35mm则轴环直径为Φ22mm。d.键槽尺寸的确定根据该段轴径值，查阅键标准，确定出该处选用4×4的普通平键。其长度选定为12mm。则键槽宽度b=4Js9mm，深度t1=1.8mm。其它非重要尺寸，可根据类似主轴结构尺寸设计而定。

4.5六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。第五章系统可靠性分析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：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。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。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﹙如0.07uF滤波电容C7即是﹚。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。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