CN104240978B - 一种三路电源自动转换开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三路电源自动转换开关装置，包括分别通断三路电源的三组断路器、驱动断路器通断的执行单元以及控制执行单元工作的控制单元,执行单元包括电机、与电机连接的减速器，以及与减速器连接且拨动断路器手柄的拨片转盘；控制单元包括角位移传感器，角位移传感器检测拨片转盘的角位移；控制单元还包括控制器、检测三路电源电压频率的电压频率采集电路、接收来自角位移传感器的信号并进行处理的角位移检测电路以及电机驱动电路，控制器接收来自电压频率采集电路和角位移检测电路的信号，输出信号至电机驱动电路，电机驱动电路输出信号至电机来控制拨片转盘运转。本发明能够实时检测和判断三路电源状况，可以实现电源的自动切换。

Description

一种三路电源自动转换开关装置

技术领域

本发明涉及一种自动转换开关装置，特别涉及一种三路电源自动转换开关装置。

背景技术

目前，随着国民经济的快速发展，越来越多行业对电力系统的供电可靠性要求越来越高。在这种情况下，应用于解决供电系统持续供电要求的电源自动转换开关装置开始逐渐普及。现有的技术条件下双电源自动转换开关的应用较为普遍，但针对医院、机场和电讯部门等采用双电源供电时一般不能达到使用要求。为了满足其对连续供电的要求需要采用三路电源来，即使用主电源、第一备用电源、第二备用电源。

通常应用于三路电源的自动转换开关装置的技术方案是采用两级双电源自动转换开关装置，即第一级双电源自动转换装置输入端为主电源与第一备用电源，第二级双电源自动转换装置的输入端由第一级双电源自动转换装置的输出端和第二备用电源组成，第二级双电源自动转换装置的输出端连接负载，通过两级双电源自动转换装置实现三路电源的自动转换控制。这种三电源自动转换开关的实现方式具有使用设备增加、电器回路复杂、使用成本和维护成本较高、安全性差、不易于维护等缺点。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种三路电源自动转换开关装置。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种三路电源自动转换开关装置，包括分别通断三路电源的三组断路器、驱动三组断路器通断的执行单元以及控制该执行单元工作的控制单元,所述执行单元包括电机、与电机连接的减速器，以及与该减速器连接且拨动所述断路器手柄的拨片转盘；所述控制单元包括角位移传感器，所述角位移传感器检测所述拨片转盘的角位移；所述控制单元还包括控制器、检测三路电源电压和频率的电压和频率采集电路、接收来自所述角位移传感器的信号并进行处理的角位移检测电路以及电机驱动电路，所述控制器接收来自所述电压和频率采集电路和所述角位移检测电路的信号，输出信号至所述电机驱动电路，所述电机驱动电路输出信号至所述电机来控制所述拨片转盘运转，从而控制三路电源自动转换开关装置可以实现电源的自动切换。

进一步地，所述控制器包括单片机或PLC。

进一步地，所述电压和频率采集电路包括线性光耦变压器，所述控制器内设CCP模块，所述CCP模块与所述电压和频率采集电路连接，所述线性光耦变压器输入来自所述控制器的基准电压信号，输出电源供给所述CCP模块。

进一步地，所述控制器包括A/D转换器，所述角位移检测电路包括降压器，所述降压器包括带温度补偿的限流电阻和光电耦合器，所述降压器输入来自所述位移传感器信号，通过所述光电耦合器输出信号至所述A/D转换器。

进一步地，还包括电源电路，所述电源电路供给所述控制单元工作电源，所述电源电路包括EMI滤波器，所述电源电路的输入端接地极与输出端接地极之间用电容隔离。

进一步地，所述控制单元还包括显示器，所述控制器输出信号至所述显示器。

进一步地，所述控制单元还包括按键，所述按键包括自动电源切换按键和手动电源切换按键，所述按键输入信号至所述控制器。

进一步地，所述减速器为双输出轴蜗轮蜗杆减速器。

进一步地，所述双输出轴蜗轮蜗杆减速器的一个输出轴与所述拨片转盘连接，另一个输出轴与所述角位移传感器连接。

本发明具有的优点和积极效果是：三路电源自动转换开关装置采用一套驱动机构完成三路电源的切换操作；三路电源自动转换开关装置以单片机或PLC等控制器为控制核心，可实现手动和自动两种工作模式，并通过按键与液晶显示器等显示器实现人机交互操作；电压和频率采集电路能够实时检测三路电源的电压和频率，控制器通过内设的比较器等比较电路，将检测到电压和频率与基准信号比较，如果电源电压和频率出现异常时，三路电源自动转换开关装置可以实现电源的自动切换；本三路电源自动转换开关装置相对于现有两级双电源自动转换开关装置，具有结构简单、制作成本低、可靠性高和易于维护等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的控制单元结构示意图；

图3为本发明的拨片转盘结构示意图；

图4为本发明的拨片转盘结构前视图；

图5为本发明的拨片组件与断路器手柄的连接结构示意图；

图6为本发明的电压和频率采集电路原理图；

图7为本发明的角位移采集电路原理图；

图8为本发明的电机驱动电路原理图；

图9为本发明的电源电路原理图；

图10为本发明的开关切换顺序流程图；

图11为本发明的单向拨片的转动位置对应三个断路器手柄分闸和合闸的位置图。

图中：1.控制盒；2-1、2-2、2-3.断路器；3.安装框架；4.拨片转盘；5.电机，6.减速器，7.角位移传感器，8.输出轴套筒，9.上转盘，10.下转盘，11.长轴套垫片，12.单向拨片，13.复位弹簧，14.限位杆，15.开关拨片，16.导向转片，17.驱动弹簧轴座，18.驱动弹簧，19.驱动弹簧挡板，20.断路器手柄。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1、图2和图3，一种三路电源自动转换开关装置，包括分别通断三路电源的三组断路器2、驱动三组断路器通断2的执行单元以及控制该执行单元工作的控制单元，上述组件可安装在安装框架3上，控制单元的主要电路元件安装在控制盒1内,所述执行单元包括电机5、与电机连接的减速器6，以及与该减速器6连接且拨动所述断路器手柄的拨片转盘4；所述控制单元包括角位移传感器7，所述角位移传感器7检测所述拨片转盘4的角位移；所述控制单元还包括控制器、检测三路电源和电压频率的电压和频率采集电路、接收来自所述角位移传感器7的信号并进行处理的角位移检测电路以及电机驱动电路，所述控制器接收来自所述电压和频率采集电路和所述角位移检测电路的信号，输出信号至所述电机驱动电路，所述电机驱动电路输出信号至所述电机5来控制所述拨片转盘4运转。电压和频率采集电路能够实时检测三路电源的电压和频率，通过外置的电压及频率比较器电路或者控制器内设的相应比较器电路等，将检测到电压和频率与基准信号比较，控制器根据比较结果，输出信号，如果电源电压和频率出现异常时，则控制器输出信号，输出信号至所述电机驱动电路，所述电机驱动电路输出信号至所述电机5来控制所述拨片转盘4运转。

其中所述控制器可包括单片机或PLC等具有微处理器的元器件，通过其内设的微处理器,进行复杂程序的设置，精确控制开关转换节点。

进一步地，所述电压和频率采集电路可包括线性光耦变压器，所述控制器可内设CCP模块，所述CCP模块与所述电压和频率采集电路连接，所述线性光耦变压器输入来自所述控制器的基准电压信号，输出电源供给所述CCP模块。其中CCP模块为实现捕捉/比较/脉冲宽度调制三种功能模块的英文简称，其有三种工作模式，其中，捕捉模式是至单片机引脚上输入信号的状态，当信号的变化符合设定的条件时，就会产生中断，同时记录该时刻的定时器值。利用该特性可以测量引脚输入的周期性方波信号的周期、频率和占空比等，也可测量引脚输入的非周期性信号的脉冲宽度、脉冲到达时刻或脉冲消失时刻等参数；其比较模式是指当TMR1定时器在运行计数时与预先设定的一个数值比较，如果相等，就会产生中断，并执行特定的任务。利用该特性可从引脚上输出不同宽度的矩形脉冲、负脉冲、延时驱动信号、可控硅导通角的控制信号和步进电机驱动信号等，也称比较模式为输出比较模式；其脉冲宽度调制模式是指该引脚上输出的脉冲宽度是可以调节的信号脉冲。利用该特性可以实现直流电机的转速控制和步进电机的变频控制等。脉冲周期和工作循环周期是由内部定时器比较产生的，因此也需要使用定时器。本设计中采用此模块的捕捉功能，捕捉输入信号的上升沿或下降沿，当发生跳变时，将时钟信号记录下来。

进一步地，所述控制器可包括A/D转换器，所述角位移检测电路可包括降压器，所述降压器可包括带温度补偿的限流电阻和光电耦合器，所述降压器输入来自所述位移传感器信号，通过所述光电耦合器输出信号至所述A/D转换器。

进一步地，还可包括电源电路，所述电源电路可供给所述控制单元工作电源，所述电源电路可包括噪声滤波器，所述电源电路的输入端接地极与输出端接地极之间用电容隔离，即所述电源电路输入交流侧接地与供给单片机等数字电路的输出接地之间用电容隔离。EMI滤波器又称电磁干扰滤波器，其作用是抑制电磁干扰，要抑制电磁干扰关键是设计噪声滤波。采用噪声滤波能有效的抑制电网中的噪声进入电路，也可抑制电路产生的噪声污染电网。噪声有两类，一类是共模噪声，一类是差模噪声。共模噪声产生于相线与地之间，差模噪声产生于相线之间。目前使用较多的是共模电感和电容串接的类型，如图6所示。L1中的电感1-2和电容C1构成低通滤波器，可使线路上的共模信号控制在较低电平上，抑制了外部的电磁干扰信号进入电路。L1是共模电感，又叫共模扼流圈。共模电感实际是一个双向滤波器：一方面滤除线路上电磁干扰，另一面有要控制本身不向外发射电磁干扰。共模电感的两个线圈反向绕在同一铁芯上，匝数和相位全部相同。这样，当电路中的正弦电流流过共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向磁场而相互抵消，此时正常线路电流主要受线圈电阻的影响，当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同相的磁场而增大线圈感抗，使线圈表现为高阻抗，强阻尼，因而衰减共模电流，达到滤波目的。

进一步地，所述控制单元还可包括液晶显示器等显示器，所述控制器输出信号至所述显示器。

所述控制单元还可包括按键，所述按键可包括自动电源切换按键和手动电源切换按键，所述按键输入信号至所述控制器。

进一步地，所述减速器6可为双输出轴蜗轮蜗杆减速器。所述双输出轴蜗轮蜗杆减速器的一个输出轴可与所述拨片转盘连接，另一个输出轴可与所述角位移传感器连接。

上述单片机等控制器、电源电路、电压和频率采集电路、角位移采集电路、电机驱动电路等可安装在控制盒1内，液晶显示屏、按键等可安装在控制盒1的上盖上，角位移传感器7可安装在减速器6的输出轴上。

请参见图3和图4所示的上述拨片转盘4的一个具体结构实施例，拨片转盘4包括输出轴套筒8、长轴套垫片11、上位组合转盘和下位组合转盘，其中上位组合转盘和下位组合转盘均设有上转盘9、下转盘10、单向拨片12等，双输出轴蜗轮蜗杆减速器6的输入轴与电机5的输出轴连接，双输出轴蜗轮蜗杆减速器6的输出轴的一端与角位移传感器7连接，双输出轴蜗轮蜗杆减速器6输出轴的另一端与输出轴套筒8通过紧定螺钉固定连接，上转盘9和下转盘10组成一对组合转盘，上位组合转盘和下位组合转盘上下两对转盘，输出轴套筒8通过螺钉与上下两对组合转盘固定连接，上位组合转盘与下位组合转盘之间则安置有长轴套垫片11，下位组合转盘中的上转盘9和下位组合转盘中的下转盘10之间也放置有短轴套垫片21，上位组合转盘与下位组合转盘均被固定在输出轴套筒8上每一对组合转盘中的上转盘9和下转盘10上靠近输出轴套筒8的地方相对开有螺钉孔并安装有螺钉，单向拨片12通过与该螺钉铰接被安置在上转盘9和下转盘10之间，上位组合转盘中的单向拨片12与下位组合转盘中的单向拨片12在竖直方向上呈90度交错布置，下转盘10的中心通过螺钉固定在输出轴套筒8上，单向拨片12上端开有螺钉孔，单向拨片12通过该螺钉孔与下转盘10铰接，该用于铰接的螺钉作为单向拨片12的转动轴。单向拨片12上靠近该螺钉的一端开有一个安装孔，复位弹簧13的一端与单向拨片12上的安装孔连接，复位弹簧13的另一端与上转盘9和下转盘10通过螺钉固定连接。

请参见图5所示的拨片组件的一个具体结构实施例，拨片组件由开关拨片15、两个导向转片16、驱动弹簧轴座17、驱动弹簧18、驱动弹簧挡板19组成。开关拨片15前端有弧形缺口，弧形缺口与单向拨片12的外轮廓相切，两个导向转片16分别通过铆钉铰接在开关拨片15中部位置开有的两个安装孔上，驱动弹簧轴座17通过铆钉与开关拨片15靠近前端上开有的铆钉孔铰接，驱动弹簧18放置在驱动弹簧轴座17与驱动弹簧挡板19之间，断路器手柄20放置两个导向转片16之间。开关拨片15后端通过螺钉与下安装板4铰接，开关拨片15前端位于转盘驱动组件的每对转盘的上转盘9和下转盘10之间，驱动弹簧挡板19通过铆钉与下安装板4铰接。

请参见图6所示的电压和频率采集电路的一个具体结构实施例，电压和频率采集电路的作用在于：为了便于测量电源的电压和频率，需要将交流电信号转换成单片机能识别的电压信号和频率信号，并通过单片机等控制器的A/D端口和控制器内置的CCP模块的捕捉功能实现电源的电压采集和频率检测。电压和频率采集电路中采用线性光耦作为降压元件，替代现有降压技术中的变压器或者互感器的作用，具有体积小、结构紧凑、隔离电路等优点。该电路中采用可编程电压基准源，通过数字化调整参数，摒弃了用常规电位器的模拟调整方法，提高了电路的稳定性和可靠性。

请参见图7所示的角位移采集电路的一个具体结构实施例，角位移采集电路的作用在于：为了便于检测执行机构的角度，需要采集角位移传感器的电压信号，将此电压信号经过降压输入到单片机的A/D端口，进而实现单片机实时检测驱动机构的角度位移。该电路采用具有温度补偿的精密电阻作为限流元件，并通过光耦元件实现电气隔离。

请参见图8所示的电机驱动电路的一个具体结构实施例，电机驱动电路的作用在于：单片机等控制器输出信号至电机驱动电路，通过电机驱动电路来控制电机的正转和反转，进而驱动拨片转盘实现断路器的通断，从而完成电源的自动转换和手动转换功能。

请参见图9所示的电源电路的一个具体结构实施例，电源电路的作用在于：为了提供直流供电，通过整流桥、变压、滤波等将交流电转换为5V直流电。该电路采用高频开关电源降压，通过共模电压对EMI滤波，模拟地数字地间用较小电容隔离，防干扰，内部还采用了稳定度较高的基准源，提高系统的可靠性和稳定性，与其他供电电源相比具有成本低、体积小、效率高，较强的电磁兼容，适用于本发明三电源自动转换开关的控制部分供电。

图10为本发明的开关切换顺序流程图，其顺序流程如下：

开始→有按键按下？→是，按键处理子程序→返回主程序；否，电压检测并显示→否，频率检测并显示→主电源正常？→是，在主电源上？→是，返回主程序；否，在第一备用电源上→是，由第一备用电源切换至主电源→返回主程序；否，在第二备用电源上？→是，由第二备用电源切换至主电源→返回主程序；否，有三分切换至主电源→返回主程序；否，第一备用电源正常？→是，在第一电源上？→是，返回主程序；否，在主电源上→是，由主电源切换至第一备用电源→返回主程序；否，在第二备用电源上？→是，由第二备用电源切换至第一电源→返回主程序；否，有三分切换至第一备用电源→返回主程序；否，第二备用电源正常？→是，在第二备用电源上？→是，返回主程序；否，在主电源上→是，由主电源切换至第二备用电源→返回主程序；否，在第一备用电源上？→是，由第一备用电源切换至第二备用电源→返回主程序；否，由三分切换至第二备用电源→返回主程序；

本发明的工作原理：

断路器2-1和断路器2-2水平对称放置，断路器2-2和断路器2-3垂直对称放置，三个断路器的断路器手柄20分别与不同位置的开关拨片15相接触，请参见图1和图5。

图11所示单向拨片12的转动位置对应三组断路器的断路器手柄20分闸和合闸的位置，即单向拨片12控制断路器2-1、断路器2-2和断路器2-3分闸和合闸的位置。图中圆周的A点位置和圆周的A’点位置为对应与单向拨片12控制断路器2-1的分闸和合闸的位置；圆周的B点位置和圆周的B’点位置对应与单向拨片12控制断路器2-2的分闸和合闸的位置；圆周的C点位置和圆周的C’点位置对应与单向拨片12控制断路器2-3的分闸和合闸的位置；圆周的D点位置为对应与单向拨片12控制三个断路器同时分断的位置。更具体的描述如下：

断路器合闸工作原理，以合闸断路器2-1过程为例说明，当电机5通过双输出轴蜗轮蜗杆减速器6驱动转盘驱动组件做逆时针转动时，转盘驱动组件从一个圆周的任意位置开始逆时针转动，单向拨片12与开关拨片15接触，位于开关拨片15之间的断路器2的断路器手柄20处于分闸状态，开关拨片15不能顺时针转动，单向拨片以铰接的螺钉为转动轴顺时针转动，当单向拨片12与开关拨片15分离时，单向拨片12在复位弹簧13的作用下逆时针转动到与限位杆14接触；将此时转盘驱动组件在上述圆周做逆时针转动的特定位置设为A点位置和A’点位置，当电机驱动转盘驱动组件逆时针转动到A点位置时，电机5改做反向转动，电机5通过双输出轴蜗轮蜗杆减速器6驱动转盘驱动组件做顺时针转动；转盘驱动组件从A点位置顺时针转动，单向拨片12在复位弹簧13的作用下与限位杆14接触，限位杆14限定单向拨片12的逆时针转动，单向拨片12与开关拨片15接触，单向拨片12驱动开关拨片15逆时针转动，开关拨片15上铰接的导向转片16驱动断路器2-1的断路器手柄20逆时针转动；当电机5驱动转盘驱动组件转动到A’点位置时，角位移传感器7获得位置信息，电机5停止，断路器2-1合闸，双输出轴蜗轮蜗杆减速器6具有自锁功能，当电机5停止转动时，开关拨片15不能在驱动弹簧18的作用下做顺时针转动，而断路器2-2和断路器2-3处于分闸状态。

断路器分断工作原理，再以分断断路器2-1的断路器手柄20为例进行说明：当电机5驱动转盘驱动组件顺时针转动时，转盘驱动组件从A’点位置顺时针转动,单向拨片12顺时针转动并与开关拨片15分离，开关拨片15在驱动弹簧18的作用下做顺时针转动；到断路器2-1的断路器手柄20处于分断时，开关拨片15处于极限位置，开关拨片15停止转动，断路器2-1分断。当电机5驱动转盘驱动组件顺时针转动到上述圆周的D点位置时，角位移传感器7获取位置信息，电机5停止转动，断路器2-1、断路器2-2和断路器2-3都处于分闸状态，即分断三路电源。

上述的逆时针转动和顺时针转动均是从上向下看的转动方向。

Claims (8)

1.一种三路电源自动转换开关装置，包括分别通断三路电源的三组断路器、驱动三组断路器通断的执行单元以及控制该执行单元工作的控制单元,所述执行单元包括电机、与电机连接的减速器，以及与该减速器连接且拨动所述断路器手柄的拨片转盘；所述控制单元包括角位移传感器，所述角位移传感器检测所述拨片转盘的角位移；其特征在于,所述控制单元还包括控制器、检测三路电源电压和频率的电压和频率采集电路、接收来自所述角位移传感器的信号并进行处理的角位移检测电路以及电机驱动电路，所述控制器接收来自所述电压和频率采集电路和所述角位移检测电路的信号，输出信号至所述电机驱动电路，所述电机驱动电路输出信号至所述电机来控制所述拨片转盘运转；所述电压和频率采集电路包括线性光耦变压器，所述控制器内设CCP模块，所述CCP模块与所述电压和频率采集电路连接，所述线性光耦变压器输入来自所述控制器的基准电压信号，输出电源供给所述CCP模块。

2.根据权利要求1所述的三路电源自动转换开关装置，其特征在于，所述控制器包括单片机或PLC。

3.根据权利要求1所述的三路电源自动转换开关装置，其特征在于，所述控制器包括A/D转换器，所述角位移检测电路包括降压器，所述降压器包括带温度补偿的限流电阻和光电耦合器，所述降压器输入来自所述角位移传感器的信号，通过所述光电耦合器输出信号至所述A/D转换器。

4.根据权利要求1所述的三路电源自动转换开关装置，其特征在于，还包括电源电路，所述电源电路供给所述控制单元工作电源，所述电源电路包括EMI滤波器，所述电源电路的输入端接地极与输出端接地极之间用电容隔离。

5.根据权利要求1所述的三路电源自动转换开关装置，其特征在于，所述控制单元还包括显示器，所述控制器输出信号至所述显示器。

6.根据权利要求1所述的三路电源自动转换开关装置，其特征在于，所述控制单元还包括按键，所述按键包括自动电源切换按键和手动电源切换按键，所述按键输入信号至所述控制器。

7.根据权利要求1所述的三路电源自动转换开关装置，其特征在于，所述减速器为双输出轴蜗轮蜗杆减速器。

8.根据权利要求7所述的三路电源自动转换开关装置，其特征在于，所述双输出轴蜗轮蜗杆减速器的一个输出轴与所述拨片转盘连接，另一个输出轴与所述角位移传感器连接。