CN102034619B - 永磁机构自动转换开关 - Google Patents

Abstract

本发明属于低压电气设备，涉及自动装换开关的操动机构和灭弧室结构，具体是一种永磁机构自动转换开关。它包括两组动、静触头和灭弧室，一套永磁机构，以及相应的驱动连杆和导电杆。其特点是：该永磁机构具有三个稳定的工作位置，可以实现自动转换开关的三种工作状态的切换控制，两组触头分别处于合闸状态时由永磁体提供保持力，两组触头同时处于分闸状态时由两个分闸弹簧提供保持力，电磁线圈仅在状态切换时通电工作，大幅度减少了电磁机构的电能消耗；构成三相系统时，各相采用独立机构控制，实现了分相操作，利用选相控制，可实现无弧分断；操动机构的零部件少，结构简单，可靠性高。

Description

永磁机构自动转换开关

技术领域

本发明属于低压电气设备，涉及自动转换开关的操动机构和灭弧室结构，具体是一种新型的永磁机构自动转换开关。

背景技术

自动转换开关电器(ATSE)是由一个或几个转换开关电器和其它必需的电器组成，用于监测电源电路、并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换至另一个电源的电器。自动转换开关电器也被称为“双电源自动转换开关”、“自动转换开关”或“双电源开关”是一种工业上大范围使用的低压电器，在军工、电力、石油、电信、交通运输等行业都有重要的应用。国际上自动转换开关电器的应用现状是：北美和日本等国家以PC级自动转换开关为主，而西欧等国家以CB级自动转换开关为主。随着我国工业的大力发展，自动转换开关越来越具有重要的作用。市场上现行的自动转换开关主要是采用电磁机构驱动开关本体，外加控制器控制电磁机构，这种电磁机构在开关闭合状态下需要让线圈保持通电，而且本身电磁机构复杂，存在高耗能，容易死锁等缺点。

发明内容

本发明的目的是解决现有的自动转换开关结构繁琐，高耗能，性能低劣等问题，提供一种结构简单，低耗能，分相操作，可靠性高的永磁机构自动转换开关。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括轭铁以及设置在轭铁内的永磁体，在永磁体内套装有动铁芯，在永磁体的两侧的轭铁内对称设置有A组合闸线圈和B组合闸线圈，动铁芯的两端分别与A组驱动杆、B组驱动杆的一端相连，且在A组驱动杆、B组驱动杆上分别设置有A组分闸弹簧和B组分闸弹簧；A组驱动杆、B组驱动杆的另一端分别与A组滑槽连杆机构、B组滑槽连杆机构的一端相连，A组滑槽连杆机构、B组滑槽连杆机构的另一端分别与A组动触头、B组动触头相连，带有A组接端子的A组静触头和带有B组接线端子的B静触头分别设置在A组动触头、B组动触头的下方，在A组静触头和A组动触头、B组静触头和B组动触头的外侧分别设置有A组灭弧室和B灭弧室。

本发明的A组静触头和B静触头上分别设置有回字型结构的A组静导电杆和B组静导电杆；

所述的A组动触头和B组动触头上分别设置有回字型结构的A组动导电杆和B组动导电杆；

所述的A组动触头和B组动触头上还分别设置有A组动触头弹簧和B组动触头弹簧；

所述的A组灭弧室和B组灭弧室内分别设置有竖直排列的A组灭弧栅片和B组灭弧栅片，且A组灭弧栅片和B组灭弧栅片的下部分别向A组动触头和B组动触头方向弯曲；

所述的轭铁、动铁心为电工纯铁材料，永磁体为钕铁硼材料，A组驱动杆、B组驱动杆采用不锈钢制成，A组分闸弹簧、B组分闸弹簧采用高碳钢材料，A组合闸线圈、B组合闸线圈采用漆包铜线。

本发明的自动转换开关，可应用于构成单相、三相三线制以及三相四线制的装置。在三相系统中，每相均具有独立的永磁操动机构，可以进行分相的合、分闸操作；当执行分、合闸操作时，由控制单元对各相电流、电压进行检测和分析，计算出线圈通电时刻，使得触头分别在各相电流过零时分离以及在电压过零是闭合，从而实现无弧分断和接通，减少触头烧蚀，提高开关的电寿命。

附图说明

图1是本发明的单相结构图；

图2是本发明A组触头闭合时的磁路图；

图3是本发明B组触头闭合时的磁路图；

图4是本发明控制器硬件的结构图；

图5是本发明控制器的流程图；

图6是本发明控制器中计算分断前的延时时间的流程图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括电工纯铁材料制成的轭铁10以及设置在轭铁10内的钕铁硼材料制成的永磁体14，在永磁体14内套装有电工纯铁材料制成的动铁芯13，在永磁体14的两侧的轭铁10内对称设置有漆包铜线绕制的A组合闸线圈12和B组合闸线圈15，动铁芯13的两端分别与不锈钢制成的A组驱动杆9、B组驱动杆17的一端相连，且在A组驱动杆9、B组驱动杆17上分别设置有高碳钢材料制成的A组分闸弹簧11和B组分闸弹簧16；A组驱动杆9、B组驱动杆17的另一端分别与A组滑槽连杆机构6、B组滑槽连杆机构20的一端相连，A组滑槽连杆机构6、B组滑槽连杆机构20的另一端分别与A组动触头5、B组动触头21相连，A组动触头5和B组动触头21上还分别设置有A组动触头弹簧7和B组动触头弹簧19，A组动触头5和B组动触头21上分别设置有回字型结构的A组动导电杆8和B组动导电杆18，带有A组接端子1的A组静触头4和带有B组接线端子25的B静触头22分别设置在A组动触头5、B组动触头21的下方，A组静触头4和B静触头22上分别设置有回字型结构的A组静导电杆3和B组静导电杆24，在A组静触头4和A组动触头5、B静触头22和B组动触头21的外侧分别设置有A组灭弧室2和B灭弧室23，A组灭弧室2和B组灭弧室23内分别设置有竖直排列的A组灭弧栅片26和B组灭弧栅片27，且A组灭弧栅片26和B组灭弧栅片27的下部分别向A组动触头5和B组动触头21方向弯曲。本发明应用于三相三线制以及三相四线制的系统时，可由图1所示的三套或四套的结构组合使用，分别控制每相回路，配合永磁机构自动转换开关的控制单元实现分相操作。

本发明是对传统电磁机构驱动的自动转换开关的改进，是一种具有三个稳定工作位置的永磁机构的结构，其采用永磁体提供A组或B组触头闭合时的保持力，利用弹簧实现中间位置(A组、B组触头均处于分闸位置)的保持力。

参见图2，当A组合闸线圈通入如图中所示方向的电流iA时，动铁心在电磁吸力的作用下向A组方向运动，最终与A组静铁心吸合，A组合闸线圈所产生的磁通

方向如图中1、2所示，永磁体所产生的磁通

方向如图中3、4所示，此时A组分闸弹簧被压缩，B组分闸弹簧保持原长。当A组触头闭合后，A组合闸线圈断电，此时由合闸线圈产生的磁通1、2消失，永磁铁产生的磁通3、4保持，A组触头在永磁力的作用下保持闭合。

参见图3，当需要切除主电源和备用电源时，A组合闸线圈和B组合闸线圈中分别通以图示方向的电流i_A和i_B，此时A组合闸线圈所产生的磁通

方向如图中1、2所示，B组合闸线圈所产生的磁通

方向如图中3、4所示。两个线圈产生的磁通抵消了永磁体产生的磁通，从而使得永磁力小于弹簧反力，动铁心在分闸弹簧反力的作用下回到中间位置，此刻切断线圈电流，动铁心在两组弹簧作用下，达到阻尼平衡，保持在中间位置，所连接A、B组触头处于分离状态，两组电源电路都被断开。

本发明采用的触头是一种转动式的触头，动导电杆和动触头之间采用软连接方式实现电路连接，A组、B组的动、静触头导电杆都设计成回字型结构，这样电流流过动静导电杆时，会对动导电杆和动触头一个向上的电动斥力，有利于增大动触头的分断速度。当相应的合闸线圈通电时，驱动杆在动铁心的作用下，带动滑槽连杆机构，压缩触头弹簧，使动触头实现闭合。当触头闭合时，压着触头弹簧的绝缘环片，在竖直位置，分别于动触头和驱动杆保持垂直，此时，触头弹簧竖直向上压在动触头上，产生足够的触头压力，以保证良好的电接触。

本发明采用金属栅片灭弧原理，金属栅片在灭弧室中呈竖直排列、栅片下部面向动触头方向弯曲，栅片上部出口正对灭弧室的出气孔，通过实验证明，这种栅片布置方式能够使电弧较容易的进入栅片区域，并促使电弧在栅片上快速移动，从而拉长电弧，电弧电压快速提高，有利于熄灭电弧。

参见图4，本发明控制器的硬件结构图是采用以单片机为核心的控制电路。外围电路包括信号调理和A/D转换电路。主电源和备用电源的三相电压、电流经过电压、电流传感器分别转换为-5V～+5V的电压信号和-1A～+1A的电流信号，再经过信号调理转换为-5V～+5V的电压信号，然后经过A/D转换电路采样后被送入单片机，单片机实时计算当前电压、电流的值，当出现过流或短路、过压、欠压、缺相故障时，单片机给驱动电路发出相应的动作指令，由驱动电路控制A组合闸线圈或B组合闸线圈电路的接通，从而实现A组电源(主电源)、B组电源(备用电源)的切换或切除。

参见图5，本发明控制器的流程如下：

(1)开机上电后，对单片机及其外围电路进行初始化设置，A组电源为主电源，B组电源为备用电源，正常情况下，A组触头关合，主电源供电，B组触头分离，备用电源断开。然后到步骤(2)。

(2)控制程序进入在线巡检状态，周期性的采集主电源和备用电源的电压、电流的数据，并对其进行检测。然后到步骤(3)。

(3)若当前电流值超过预设的过流阈值则判定为过流故障，若当前电流值超过预设的短路阈值则判定为短路故障；在发生过流或短路故障的情况下，则到步骤(4)，若未检测到上述两种故障，则到步骤(6)。

(4)计算A组电源各相回路中当前电流的相角、预期的分断时刻和分断前的延时时间，经过相应延时处理后到达预期的分闸时刻，向驱动电路发出切断A组、B组电源的指令，即向A组、B组的合闸线圈通以反向电流，使动铁心回到中间位置，A组、B组动静触头分离。然后到步骤(5)。

(5)记录过流或短路故障，然后到步骤(12)。

(6)若检测到A组电源的当前电压值超过预设的过压阈值则判断为A组过压故障，若检测到A组电源的当前电压值低于预设的欠压阈值则判定为A组欠压故障，若检测到A组电源中某相电压低于预设的失压阈值则判定为A组缺相故障；在检测到A组电源发生过压、欠压或缺相故障的情况下，则到步骤(7)，若未检测到上述三种故障，则到步骤(9)。

(7)计算A组电源各相回路中当前电流的相角、预期的分闸时刻和分断前的延时时间，经过相应延时处理后到达预期的分闸时刻，向驱动电路发出切断A组、关合B组电源的指令，向B组的合闸线圈通以正向电流，使得B组动静触头闭合、A组动静触头分离。然后到步骤(8)。

(8)记录A组电源过压、欠压或缺相故障，然后到步骤(12)。

(9)若检测到B组电源的当前电压值超过预设的过压阈值则判定为B组过压故障，若检测到B组电源的当前电压值低于预设的欠压阈值则判定为B组欠压故障，若检测到B组电源中某相电压低于预设的失压阈值则判定为B组缺相故障；在B组电源发生过压、欠压或缺相故障的情况下，到步骤(10)，若未检测到上述三种故障，则到步骤(12)。

(10)计算B组电源各相回路中当前电流的相角、预期的分闸时刻和分断前的延时时间，经过相应延时处理后到达预期的分闸时刻，向驱动电路发出切断B组电源的指令，向A组、B组的合闸线圈通以反向电流，使动铁心回到中间位置，A组、B组动静触头分离。然后到步骤(11)。

(11)记录B组电源过压、欠压或缺相故障，然后到步骤(12)。

(12)显示当前的开关状态，并给出相应的报警信息，然后到步骤(2)。参见图6，计算分断前的延时时间的流程如下：

(1)计算电流当前相角和距离下一个电流零点的时间T1，然后到步骤(2)。

(2)计算该相触头的固有分闸时间T2；然后到步骤(3)。固有分闸时间即线圈通电到动、静触头分离所需的时间，相同的条件下，T2为固定值，可以通过预先的仿真计算或实验方法测定，并将其存储在软件常量数据区，根据实际运行状态下的操作电压，进行修正即可计算得到T2。

(3)分断前的延时时间T3是指软件判别出系统故障到向驱动电路发出动作指令、接通相应合闸线圈电路所需的时间。分断前的延时时间可以按照T3＝T1-T2计算，最后返回计算结果。

Claims (6)

1.永磁机构自动转换开关，其特征在于：包括轭铁（10）以及设置在轭铁（10）内的永磁体（14），在永磁体（14）内套装有动铁芯（13），在永磁体（14）的两侧的轭铁（10）内对称设置有A组合闸线圈（12）和B组合闸线圈（15），动铁芯（13）的两端分别与A组驱动杆（9）、B组驱动杆（17）的一端相连，且在A组驱动杆（9）、B组驱动杆（17）上分别设置有A组分闸弹簧（11）和B组分闸弹簧（16）；A组驱动杆（9）、B组驱动杆（17）的另一端分别与A组滑槽连杆机构（6）、B组滑槽连杆机构（20）的一端相连，A组滑槽连杆机构（6）、B组滑槽连杆机构（20）的另一端分别与A组动触头（5）、B组动触头（21）相连，带有A组接端子（1）的A组静触头（4）和带有B组接线端子（25）的B组静触头（22）分别设置在A组动触头（5）、B组动触头（21）的下方，在A组静触头（4）和A组动触头（5）、B组静触头（22）和B组动触头（21）的外侧分别设置有A组灭弧室（2）和B组灭弧室（23）。

2.根据权利要求1所述的永磁机构自动转换开关，其特征在于：所述的A组静触头（4）和B组静触头（22）上分别设置有回字型结构的A组静导电杆（3）和B组静导电杆（24）。

3.根据权利要求1所述的永磁机构自动转换开关，其特征在于：所述的A组动触头（5）和B组动触头（21）上分别设置有回字型结构的A组动导电杆（8）和B组动导电杆（18）。

4.根据权利要求1所述的永磁机构自动转换开关，其特征在于：所述的A组动触头（5）和B组动触头（21）上还分别设置有A组动触头弹簧（7）和B组动触头弹簧（19）。

5.根据权利要求1所述的永磁机构自动转换开关，其特征在于：所述的A组灭弧室（2）和B组灭弧室（23）内分别设置有竖直排列的A组灭弧栅片（26）和B组灭弧栅片（27），且A组灭弧栅片（26）和B组灭弧栅片（27）的下部分别向A组动触头（5）和B组动触头（21）方向弯曲。

6.根据权利要求1所述的永磁机构自动转换开关，其特征在于：所述的轭铁（10）、动铁芯（13）为电工纯铁材料，永磁体（14）为钕铁硼材料，A组驱动杆（9）、B组驱动杆（17）采用不锈钢制成，A组分闸弹簧（11）、B组分闸弹簧（16）采用高碳钢材料，A组合闸线圈（12）、B组合闸线圈（15）采用漆包铜线。

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