CN104715972A - 一种双电源自动转换开关电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电源自动转换开关电器，包括设于底座上的两个交流接触器，和避免两个交流接触器同时闭合的机械联锁装置，交流接触器的铁芯为整块的生铁或钢板构成；节能电路模块连接和投入选择开关的匹配使用，可两个交流接触器共用一个节能电路模块，省了一个节能电路模块，简化了电路结构，增加了电路的可靠性，节省了成本。本发明主要有以下优点：结构简单紧凑，可靠性高、功耗小；不但经济性好、性价比高，不存在CB级ATSE的缺陷，维护也方便，维护费用低，节能环保。可代替PC级ATSE使用，符合当前低碳经济的社会主题，也符合当前国家节能减排的政策，具有较大的推广价值。

Description

一种双电源自动转换开关电器

技术领域

本发明涉及一种低压电器，特别涉及一种以交流接触器为主开关的双电源转换开关电器。

背景技术

一些低压配电的重要场合,为减少因停电而造成的经济损失,采用二路电源供电：常用电源、备用电源或互为备用电源,这二路电源可以都是电网供电,也可一路为电网供电,一路为柴油发电机供电。当一路电源在供电过程中因故障不能正常供电时,其负载被可切换到另一路电源的装置称为双电源转换开关电器,简称TSE，其负载被自动切换到另一路电源的装置称为自动转换开关电器，简称ATSE。

目前，ATSE一般由自动转换开关本体和控制器两部分组成，主要用在不允许停电的重要场所。当ATSE检测到负载的当前供电电源电压或频率出现超过允许的偏差时, ATSE自动切换至另一个电源供电，确保负载供电不中断。

TSE一般分类为PC级、CB级和CC级三个级别，按短路能力定义如下：

CB级——配备过流脱扣器的TSE，它的主触头能够接通并用于分断短路电流。

CC级——能够接通和承载，但不用于分断短路电流的TSE，该TSE主要由满足接触器的国家标准要求的电器构成。

PC级——能够接通和承载，但不用于分断短路电流的TSE(注：如果能满足PC级的试验要求，接触器可用于PC级)。

从定义可知CC级和PC级实质上是一样的，可看作是PC级的一个特例，只是它由接触器构成。

CB级ATSE与PC级ATSE区别不仅在于分断短路电流能力，在机械构成、触头材料的选择、安全性也存在差异。CB级ATSE由两台断路器组成，存在滑扣、再扣问题；断路器触头压力小，无法承载短路耐受电流；触头材料多用易氧化的银钨、银碳化钨等，氧化后导致温升增高，最终可能造成开关烧毁；还转换时存在电源叠加问题，可能导致剩余电流断路器跳闸；接消防负载时，不符合国家标准《固定式消防泵驱动器的控制器》中规定ATSE不应带短路和过电流保护功能的要求。脱扣器脱扣分断短路电流后，会出现电源侧有电，负载侧断电的情况，不符合一、二级负荷的供电要求。PC级ATSE克服了CB级ATSE存在的问题，如其触头压力大不易被斥开，且触头不易被熔焊，能承受20Ie以上的冲击电流，确保消防供电系统等重要负荷的可靠供电。触头材料抗氧化性好、高度抗燃烧，如硅合金，还采用自滑触点可以清理灰尘和氧化膜， 既提高了使用寿命，又增加了安全性能；电气间隙、爬电距离裕量大，故其可靠性更高。

目前ATSE在国内经历了四阶段。第一阶段为接触器式，属于CC级，由两台接触器及其机械和电气联锁装置组成，可靠性低、功耗大，在电气工程应用中渐渐被代替。第二阶段为断路器式，属于CB级，由两断路器、电动机构和机械联锁机构组成，具有短路或过电流保护功能，体积大、转换速度慢、机械联锁可靠性不够理想，不符合消防负载等场所的使用要求，其应用领域有一定的局限性。第三阶段为负荷开关式，属于PC级，由两台负荷开关和一套内置的联锁机构组合而成，结构紧凑、体积小、自身联锁，转换由电磁线圈产生吸引力来驱动开关，转换速度快。第四阶段为双投式（三点式），也属于PC级，主体为单刀双投一体化的隔离开关，由内置的机械连接保持状态，转换由电机驱动，转换平稳且速度快，结构简单、体积小、自身联锁、安全可靠，并且具有过零位功能。

目前可靠性高的ATSE不但要求控制器智能化，有各种信号、消防联动和通信接口，检测精度高，电压、频率、延时时间等参数设定范围宽，电磁兼容性好。还要求开关主体的抗冲击电流能力高、可频繁转换，机械联锁可靠、转换时间快，零位功能，隔离距离大，承受冲击电压高；四极开关的N极可先合后分，以防切换时发生N线上电位漂移，造成剩余电流保护装置误动作。CB级不能完全满足要求， 但PC级ATSE存在价格较高、维护费用高等问题，一般只有在非常重要的场所才会采用。

现有CC级ATSE的改进情况：早期CC级ATSE多数采用中间继电器或时间继电器作为控制元件搭建一个控制电路，控制两个主回路上的接触器，实现两路电源的转换。交流接触器是一种技术非常成熟的工控电器，主要用于控制电动机启动和停止，可频繁动作，够承受20Ie以上的峰值冲击电流。而电动机启动瞬间的峰值冲击电流一般为6e～7Ie， ATSE主要负载类型多数为照明灯、UPS等混合负载，触头接通的瞬间，冲击电流较小，即使为消防泵、排烟风机等感性负载，由于ATSE快速切换，冲击电流超不会超过20Ie，几乎不会出现触头熔焊的情况。

随着电子技术的飞速发展，目前ATSE控制器已采用电子技术实现自动化控制、智能化控制，取代传统的继电控制。对于CC级ATSE来说，由电子自动控制电路组成的控制器直接驱动两台接触器实现两路电源的自动转换，虽然都是采用接触器作为主回路上的转换开关元件，但是克服了早期ATSE的机械联锁和电气联锁可靠性不理想的缺陷，对各路电源的电压信号进行实时检测，出现失压、欠压、过压等异常情况时，自动进行转换操作。虽然联锁可靠性提高了，但未解决安全性问题。

作为关键元件的交流接触器是基于“通电吸合，带电保持，断电释放”的工作原理之上的，即当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失, 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。为实现其工作过程，工艺设计和采用了相应的结构，运行过程中，铁芯和短路环中的磁滞损耗和涡流损耗占总能耗的90％以上，且功率因数低，噪声大，线圈温升高，加大了电网线路上的电能损耗，降低了接触器线圈的使用寿命。

由于CC级ATSE中的交流接触器长期处于工作状态，交流工作电源直接加在线圈两端，造成电磁系统功耗大、线圈温升高、电磁噪音大，当工作电压偏高或环境散热不良时，容易发生线圈因温升超限而烧毁的事故，存在消防安全隐患，导致市场竞争力弱，应用仍然受制。

综上所述，CC级ATSE具有经济性较好的优势。目前已克服联锁可靠性低的问题，若能用技术手段行改造其功耗大的弱点，达到节能环保的目的，降低其温升以提高其可靠性，则可大大提高其性价比，将会使已被替换的CC级ATSE重新焕发生机。

发明内容

为解决现有双电源自动转换开关电器存在上述缺陷，本发明提供一种可靠性高、功耗小、工作安静的双电源自动转换开关电器。

为实现上述目的，本发明采取的方案是：

一种双电源自动转换开关电器，包括底座，设于底座上的分别作为常用电源开关和备用电源开关的两个交流接触器，设于此两个接触器之间的并避免此两个交流接触器同时闭合的机械联锁装置，以及控制两个交流接触器工作的控制器；其中，设于常用电源开关端的交流接触器定义为常用接触器，设于备用电源开关端的交流接触器定义为备用接触器；其特征在于：所述控制器包括控制电路，控制电路包括为系统电路供电的工作电源模块，作为中央数据处理的控制单元模块，分别与控制单元模块输入端连接的电源电压信号检测模块、人机交互模块、以及接触器工作状态检测模块，分别与控制单元模块输出端连接的工作状态显示模块、输出报警信号模块、控制后续节能电路模块工作的驱动电路模块，与驱动电路模块输出端连接并输出直流电源驱动交流接触器工作的节能电路模块，以及分别与节能电路模块和驱动电路模块的输出端连接的投入选择开关；投入选择开关设有常闭输出端和常开输出端，常闭输出端与常用接触器的线圈输入端连接，常开输出端与备用接触器的线圈输入端连接；其中，节能电路模块为可输出两种电压的直流电自动切换电路，在交流接触器吸合时可输出保证交流接触器吸合电压较高的直流电、而交流接触器吸合完成后可输出保证交流接触器保持吸合状态电压较低的直流电。

上述双电源自动转换开关电器工作过程如下：上电后，两路电源都处于正常状态时，常用接触器闭合，由常用电源向负载供电，当常用电源发生失压、缺相、或欠压故障时，控制单元模块向驱动电路模块发出投入选择开关发出转到备用接触器切换信号和接触器吸合信号，接触器吸合后，接触器吸合信号解除；控制单元模块接着向驱动电路模块发出接触器保持吸合信号， 实现由备用电源向负载供电。当常用电源恢复正常时，控制单元模块向驱动电路模块发出投入选择开关发出转到常用接触器切换信号和接触器吸合信号，接触器吸合后，接触器吸合信号解除；控制单元模块接着向驱动电路模块发出接触器保持吸合信号， 实现由常用电源向负载供电。

作为上述方案的进一步说明，控制器的工作电源至少由两路电源组成，确保控制器的在任一路电源出现故障时能正常工作；通过电源电压信号检测模块对两路电源的电压信号进行检测，以判断电源状态是否正常；接触器工作状态检测模块同时对两路电源的交流接触器工作状态进行检测，确保两台接触器正常工作；控制单元模块根据检测结果，对相关信息进行处理、显示，并输出控制信号或报警信号。当然，若是智能化控制器，还可以加上人机交流平台。当处理结果需要转换到另一路电源时，控制单元模块发出相应控制指令给驱动电路模块和选择开关，驱动电路模块断开原来投入工作电源侧的交流接触器的控制电源，节能电路模块失电，输出为零，使原吸合的接触器断开；随后快速(当然也可以根据实际应用情况进行延时)接通切换另一电源的接触器的控制电源，节能电路模块得电后，输出的整流后的全压起动电压经过选择开关到目标接触器线圈，使交流接触器吸合；起动完成后，节电电路自动切换到较低的脉动直流电压，使接触器保持吸合状态。

节能电路模块的使用，使两个交流接触器吸合后电磁系统的功率因数接近1，功耗变得很低， 降幅高达95%以上，节电效果明显，从而实现接触器长期持续工作而保持低温升，完美解决了早期CC级ATSE用接触器电磁系统的功耗大、线圈温升高容易烧毁的问题，增强了两个交流接触器的使用寿命。由于两个交流接触器的触头不能同时处于闭合状态，节能电路模块连接和投入选择开关的匹配使用，可两个交流接触器共用一个节能电路模块，省了一个节能电路模块，简化了电路结构，增加了电路的可靠性，节省了成本。

对于没有延时要求的ATSE，切换动作一般能在0.2s内完成，几乎感觉不到停电的感觉，适当选择各项指标参数较好的交流接触器和配上较可靠的机械联锁装置，完全可以达到PC级ATSE各项指标，可以代替PC级ATSE使用，其性价比高，维护更为方便。

作为上述方案的改进，前述前述两个交流接触器设有电气连锁模块和供电气连锁模块接线用的辅助触头。电气连锁模块为常规交流接触器电路联锁电路，这里不作进一步的具体电路说明。

前述节能电路模块为把交流接触器控制电源由交流变为直流的电路模块，它包括对常用电源和备用电源进行选择作为交流接触器供电电源的电源选择开关，可启动交流接触器作闭合动作的瞬间高压启动电路，可较低电压使交流接触器保持闭合状态的低压保持电路；电源选择开关的输入端与常用电源和备用电源相连，电源选择开关的输出端分别与瞬间高压启动电路和低压保持电路的输入端相连，瞬间高压启动电路和低压保持电路的输出端与投入选择开关输入端相连。电源选择开关确保控制器有两路电源同时处于供电状态。

前述电源选择开关为设有两组常闭常开开关触头的电源选择继电器，其常闭触头与常用电源连接，其常开触头与备用电源连接。两组常闭常开开关触头，确保有一路电源正常供电，而不出现两路电源同时供电，造成互相干扰。

值得进一步说明的是，前述瞬间高压启动电路包括高压整流桥，以及控制瞬间高压启动电路通断的启动继电器；低压保持电路包括降压变压器，其输入端与降压变压器输出端连接的低压整流桥，以及与低压整流桥正极输出端串联的保护二极管；其中，启动继电器的公共端与电源选择继电器的第一公共端连接，高压整流桥的输入端分别与电源选择继电器的第二公共端和启动继电器的常开输出端连接，降压变压器的输入端分别与电源选择继电器的第二公共端和启动继电器的常闭输出端连接；高压整流桥输出端与前述保护二极管并联后与投入选择开关的公共端相连。

或者，前述瞬间高压启动电路包括高压整流桥，以及控制瞬间高压启动电路通断的带有双组常开触头的启动继电器；低压保持电路包括降压变压器；其中，启动继电器的公共端和降压变压器的输入端均与电源选择继电器的公共端连接，启动继电器的常开输出端和降压变压器的输出端均与高压整流桥的输入端连接；高压整流桥输出端与投入选择开关的公共端相连。

优选地，前述投入选择开关为带有至少一组常开和常闭触头的继电器，定义为投入选择继电器。

作为上述方案的进一步改进，前述两个交流接触器包括作为磁路的铁芯，铁芯为整块的生铁或钢板构成。由于节能电路模块把交流接触器控制电源由交流变为直流，使交流接触器可以大电流吸合小电流吸持的方式工作，实质上就是把交流接触器当作直流接触器使用，传统直流接触器因其线圈较瘦长而体量相对较大，而避免了使用相同容量的传统直流接触器，减少了接触器的体积。为此交流接触器电磁系统中的铁芯可以使用生铁或钢板等较便宜的材料代替价格相对较高的硅钢片，并且省掉了铁芯上的短路环，这样就有效地消除了交流接触器固有的电磁损耗“铁损”和“铜损”， 也消除了运行时固有的交流噪音；没有了短路环的接触器加工工艺也减少了，因短路环的损坏而带来的各种故障也消除了，而且还节省了材料；由于吸持时的接触器线圈工作电压和电流大幅降低，线圈的线径也相应缩小，节省了铜材。经此改造后交流接触器不但大幅降低了电磁系统的功耗，减少了材料的消耗，简化了工艺，降低了成本，而且非常低的温升还延长了线圈使用寿命，使可靠性和安全性有了质的飞跃。对于额定电流400A以上交流接触器，节电效率高达95%以上。

前述底座上设有可将整个双电源自动转换开关电器罩住的顶盖。由于节能电路模块的使用，交流接触器功耗非常小，温升小，不需要敞开式的结构来加快散热，故可封闭起来，防尘防潮，提高可靠性能。

前述述顶盖由防火透明的有机玻璃制成。便于观察维护。

由上可知，本发明主要有以下优点：结构简单紧凑，可靠性高、功率因数接近1、功耗小、无运行噪音；不但经济性好、性价比高，不存在CB级ATSE的缺陷，容易生产，防尘效果好，维护也方便，维护费用低，节能环保。可代替PC级ATSE使用，符合当前低碳经济的社会主题，也符合当前国家节能减排的政策，具有较大的推广价值。

附图说明

图1为本发明的双电源自动转换开关电器的结构示意图。

图2为控制电路的原理框图。

图3为图2的节能电路原理图。

图4为图2的另一种节能电路原理图。

主要附图标号说明：

1、底座 2、交流接触器 21、常用接触器  22、备用接触器 3、机械联锁装置  4、辅助触头 5、顶盖。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施方式，对本发明及其有益技术效果进行进一步详细说明。

实施例1：参见图1 ~图2，一种双电源自动转换开关电器，包括底座1，设于底座1上的分别作为常用电源开关和备用电源开关的两个交流接触器2，设于此两个接触器之间的并避免此两个交流接触器2同时闭合的机械联锁装置3，以及控制两个交流接触器2工作的控制器；其中，设于常用电源开关端的交流接触器2定义为常用接触器21，设于备用电源开关端的交流接触器2定义为备用接触器22；其特征在于：所述控制器包括控制电路，控制电路包括为系统电路供电的工作电源模块，作为中央数据处理的控制单元模块，分别与控制单元模块输入端连接的电源电压信号检测模块、人机交互模块、以及接触器工作状态检测模块，分别与控制单元模块输出端连接的工作状态显示模块、输出报警信号模块、控制后续节能电路模块工作的驱动电路模块，与驱动电路模块输出端连接并输出直流电源驱动交流接触器2工作的节能电路模块，以及分别与节能电路模块和驱动电路模块的输出端连接的投入选择开关；投入选择开关设有常闭输出端和常开输出端，常闭输出端与常用接触器21的线圈输入端连接，常开输出端与备用接触器22的线圈输入端连接；其中，节能电路模块为可输出两种电压的直流电自动切换电路，在交流接触器2吸合时可输出保证交流接触器2吸合电压较高的直流电、而交流接触器2吸合完成后可输出保证交流接触器2保持吸合状态电压较低的直流电。

前述两个交流接触器2设有电气连锁模块和供电气连锁模块接线用的辅助触头4。

前述节能电路模块为把交流接触器2控制电源由交流变为直流的电路模块，它包括对常用电源和备用电源进行选择作为交流接触器2供电电源的电源选择开关，可启动交流接触器2作闭合动作的瞬间高压启动电路，可较低电压使交流接触器2保持闭合状态的低压保持电路；电源选择开关的输入端与常用电源和备用电源相连，电源选择开关的输出端分别与瞬间高压启动电路和低压保持电路的输入端相连，瞬间高压启动电路和低压保持电路的输出端与投入选择开关输入端相连。

前述电源选择开关为设有两组常闭常开开关触头的电源选择继电器K3，其常闭触头与常用电源连接，其常开触头与备用电源连接。

前述瞬间高压启动电路包括高压整流桥BG1，以及控制瞬间高压启动电路通断的启动继电器K1；低压保持电路包括降压变压器T1，其输入端与降压变压器T1输出端连接的低压整流桥BG1，以及与低压整流桥BG1正极输出端串联的保护二极管D3；其中，启动继电器K1公共端与电源选择继电器K3的第一公共端连接，高压整流桥BG2的输入端分别与电源选择继电器K3的第二公共端和启动继电器K1的常开输出端连接，降压变压器T1的输入端分别与电源选择继电器K3的第二公共端和启动继电器K1的常闭输出端连接；高压整流桥BG2输出端与前述保护二极管并联后与投入选择开关K2的公共端相连。投入选择开关K2的为常开触头和常闭触头作为两个输出端，分别与常用接触器21和备用接触器22各自对应的线圈KM1、KM2连接。

前述投入选择开关K2为带有至少一组常开和常闭触头的继电器，定义为投入选择继电器。

前述两个交流接触器2包括作为磁路的铁芯，铁芯为整块的生铁或钢板构成。

前述底座1上设有可将整个双电源自动转换开关电器罩住的顶盖5。

前述述顶盖5由防火透明的有机玻璃制成。

实施例2：参见图2，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：瞬间高压启动电路包括高压整流桥BG2’，以及控制瞬间高压启动电路通断的带有双组常开触头的启动继电器K1’；低压保持电路包括降压变压器T1’；其中，启动继电器K1’的公共端和降压变压器T1’的输入端均与电源选择继电器K3’的公共端连接，启动继电器K1’的常开输出端和降压变压器T1’的输出端均与高压整流桥BG2’的输入端连接；高压整流桥BG2’输出端与投入选择开关K2’的公共端相连。投入选择开关K2’的为常开触头和常闭触头作为两个输出端，分别与常用接触器21和备用接触器22各自对应的线圈KM1’、KM2’连接。

根据上述说明书及具体实施例并不对本发明构成任何限制，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变形，也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双电源自动转换开关电器，包括底座，设于底座上的分别作为常用电源开关和备用电源开关的两个交流接触器，设于此两个接触器之间的并避免此两个交流接触器同时闭合的机械联锁装置，以及控制两个交流接触器工作的控制器；其中，设于常用电源开关端的交流接触器定义为常用接触器，设于备用电源开关端的交流接触器定义为备用接触器；其特征在于：所述控制器包括控制电路，控制电路包括为系统电路供电的工作电源模块，作为中央数据处理的控制单元模块，分别与控制单元模块输入端连接的电源电压信号检测模块、人机交互模块、以及接触器工作状态检测模块，分别与控制单元模块输出端连接的工作状态显示模块、输出报警信号模块、控制后续节能电路模块工作的驱动电路模块，与驱动电路模块输出端连接并输出直流电源驱动交流接触器工作的节能电路模块，以及分别与节能电路模块和驱动电路模块的输出端连接的投入选择开关；投入选择开关设有常闭输出端和常开输出端，常闭输出端与常用接触器的线圈输入端连接，常开输出端与备用接触器的线圈输入端连接；其中，节能电路模块为可输出两种电压的直流电自动切换电路，在交流接触器吸合时可输出保证交流接触器吸合电压较高的直流电、而交流接触器吸合完成后可输出保证交流接触器保持吸合状态电压较低的直流电。

2.如权利要求1所述的双电源自动转换开关电器，其特征是：所述两个交流接触器设有电气连锁模块和供电气连锁模块接线用的辅助触头。

3.如权利要求1所述的双电源自动转换开关电器，其特征是：所述节能电路模块为把交流接触器控制电源由交流变为直流的电路模块，它包括对常用电源和备用电源进行选择作为交流接触器供电电源的电源选择开关，可启动交流接触器作闭合动作的瞬间高压启动电路，可较低电压使交流接触器保持闭合状态的低压保持电路；电源选择开关的输入端与常用电源和备用电源相连，电源选择开关的输出端分别与瞬间高压启动电路和低压保持电路的输入端相连，瞬间高压启动电路和低压保持电路的输出端与投入选择开关输入端相连。

4.如权利要求3所述的双电源自动转换开关电器，其特征是：所述所述电源选择开关为设有两组常闭常开开关触头的电源选择继电器，，其常闭触头与常用电源连接，其常开触头与备用电源连接。

5.如权利要求4所述的双电源自动转换开关电器，其特征是：所述瞬间高压启动电路包括高压整流桥，以及控制瞬间高压启动电路通断的启动继电器；低压保持电路包括降压变压器，其输入端与降压变压器输出端连接的低压整流桥，以及与低压整流桥正极输出端串联的保护二极管；其中，启动继电器的公共端与电源选择继电器的第一公共端连接，高压整流桥的输入端分别与电源选择继电器的第二公共端和启动继电器的常开输出端连接，降压变压器的输入端分别与电源选择继电器的第二公共端和启动继电器的常闭输出端连接；高压整流桥输出端与前述保护二极管并联后与投入选择开关的公共端相连。

6.如权利要求4所述的双电源自动转换开关电器，其特征是：所述瞬间高压启动电路包括高压整流桥，以及控制瞬间高压启动电路通断的带有双组常开触头的启动继电器；低压保持电路包括降压变压器；其中，启动继电器的公共端和降压变压器的输入端均与电源选择继电器的公共端连接，启动继电器的常开输出端和降压变压器的输出端均与高压整流桥的输入端连接；高压整流桥输出端与投入选择开关的公共端相连。

7.如权利要求1~6任一项所述的双电源自动转换开关电器，其特征是：所述投入选择开关为带有至少一组常开和常闭触头的继电器，定义为投入选择继电器。

8.如权利要求7所述的双电源自动转换开关电器，其特征是：所述两个交流接触器包括作为磁路的铁芯，铁芯为整块的生铁或钢板构成。

9.如权利要求8所述的双电源自动转换开关电器，其特征是：所述底座上设有可将整个双电源自动转换开关电器罩住的顶盖。

10.如权利要求9所述的双电源，其特征是：所述顶盖由防火透明的有机玻璃制成。