一种新型的双电源自动切换开关产品(已获得国家专利)

一种基于交流接触器的新型ATSE产品
深圳市强电通科技有限公司 518010 广东深圳

摘要: 阐述了决定ATSE产品可靠性的因素，指出目前广泛使用的几种ATSE产品，并非是实现双电源切换的最佳的方案，作者的观点是：由单片机控制，采用接触器作为ATSE的主触点开关元件的新型ATSE产品是目前可靠性和性价比比较高的一种双电源切换方案。

关键词: 可靠性 电动机 线圈 接触器 单片机

0.引言
国家设计规范中明确说明：建筑内的消防用电负荷要由两路电源供电，并在最末一级配电处实现自动切换，所以双电源自动切换开关（ATSE）是目前建筑电气行业中一个很热门的产品，很多厂家推出了各种类型的ATSE产品，纵观目前市场上的各种ATSE产品，无外乎以下几种类型：1.电动机操作的断路器型，2.电动机操作的负荷开关型，3.电磁操作的一体化开关型，以上这几种目前广泛使用ATSE，并非是实现双电源切换的最佳方案，本文想要阐述的观点是：由单片机控制，采用接触器作为ATSE的主触点开关元件的新型ATSE产品是目前可靠性和性价比比较高的一种双电源切换方案。

1 ATSE可靠性的分析及各种ATSE产品的比较
1.1决定ATSE可靠性的因素
目前国内普遍使用的ATSE产品，都是机电一体化的产品，都是由机械部分和电子部分两部分组成，其中控制器部分是电子部分，执行机构部分是机械部分。当常用电源出现故障时，控制器检测到电源故障，发出指令使执行机构动作，执行机构完成从常用电源切换到备用电源的操作。一台ATSE产品的可靠性由两方面决定：控制器的可靠性和执行机构的可靠性，控制器是一个电子产品，目前所见的各种控制器的构成和原理大同小异，其可靠性取决于控制器的设计水平和电子元件的可靠性，如果控制器电路设计合理，其电子元件选用质量可靠的优质元件，则控制器就有较高的可靠性，控制器的可靠性可以由优化设计电路、采用高质量的元器件来保证，是可以人为控制和提高的。
目前ATSE产品的寿命都是以执行机构可以带负荷动作的最大次数（电气寿命）来衡量的，所以，机械部分的可靠性是整个ATSE产品可靠性的关键。机械原理学中有一条基本的原理：越简单的机构就越可靠，一个机构可靠性和这个机构的零件数量成反比，零件数量越少、机构越简单，可靠性就越高，反之，机构越复杂，可靠性就越低，ATSE执行机构的可靠性也遵循这条原理，ATSE执行机构的机构越简单、运动部件越少，可靠性就会越高。一个很复杂的ATSE执行机构，不管其机械加工质量如何高，也赶不上一个机构简单的ATSE执行机构的可靠性，所以，ATSE执行机构的可靠性不仅仅和制造水平及加工质量有关，也和其的构成有关，ATSE执行机构的可靠性是由其机构的复杂程度来决定的。

1.2各种ATSE的可靠性分析比较
1.2.1电动机型的ATSE
目前市场上常见的三种类型的ATSE产品中，由断路器加电动机操作机构构成的ATSE和由负荷开关加电动机操作机构构成的ATSE均是采用电动机作为执行机构的动力源，电动机的转速比较高，电动机通电后产生运动的轨迹是一个转动方向固定的连续圆周运动，而在ATSE产品中实现触点转换的运动轨迹是一个距离比较短的往复式运动，从这点上来看，电动机并不适合于实现ATSE产品中实现触点转换的运动，要增加一套比较复杂的机械机构才能实现开关触点接通和分断的动作。
其工作过程是：控制器检测到电源出现需要切换的情况时，控制器输出一个指令使电动机转动，电动机通电后产生的高速圆周运动，首先要通过齿轮减速，再驱动一个机构使断路器手柄动作，或是驱动负荷开关的刀臂动作，使触点接通或断开，动作到位后，行程开关接通，控制器检测到行程开关的信号后再发出指令使电动机断电，在这种ATSE里，电动机还要具有反向转动的可能性，以便使断路器手柄或负荷开关的刀臂复位，所以控制器不仅要检测两路电源状况，还要能控制电动机正转和反转，同时还要检测行程开关的状态，控制器的电路也会比较复杂，由此可见，这类ATSE的机电部件比较多，机构比较复杂。
目前这类ATSE的产品具有几千次的电气寿命。

1.2.2电磁操作的一体化开关型
这种ATSE由一台控制器加一个一体化电磁操作的开关本体组成，其开关本体由模具专门制造，主触点类似于断路器，这种ATSE内部机械动作的动力来自于电磁线圈带电后对衔铁产生电磁力，衔铁动作，带动相应的机构动作，完成相应的动作功能，由于线圈通电后吸引衔铁所产生的运动轨迹是一种直线型的短距离往复式运动，适合于实现ATSE中主触点的闭合与分断的动作，这种ATSE的执行机构相对于电动机型的ATSE要简单一些。
其工作过程是：在开关本体内部有三个线圈，分别是合闸主线圈、导向线圈、分闸线圈，合闸主线圈的作用是使开关产生合闸的动作，导向线圈的作用是为了区分是投常用电源还是备用电源，分闸线圈的作用是使开关产生断开两路电源触点的动作，当控制器检测到电源出现需要转换的情况时，控制器首先发出指令使导向线圈动作或不动作，带动与导向线圈相关的机构动作，完成区分是投常用电源还是投备用电源的动作，然后控制器再发出指令给合闸线圈使其动作，使相应的电源触点接通。当控制器需要使两路电源均分断时，控制器发出指令使分闸线圈通电动作，带动相应的机构动作，使两路电源触点均分断。
从上面的工作过程可以看出，当这种电磁操作的一体化开关合闸时，需要导向线圈和合闸线圈以及有关的机构协调配合动作，才能实现投常用电源或者投备用电源的动作，当其需要分闸时，需要分闸线圈及分闸线圈附属机构的协调配合动作，才能完成分闸的动作。
目前这类ATSE的产品具有几千次的电气寿命。

1.2.3主触点采用接触器的ATSE
基于接触器的ATSE，是采用两个独立的接触器作为两路电源主回路的开关元件，通过控制两个接触器的吸合与释放，来实现两路电源之间的切换。接触器是一种使用历史很长，制造技术非常成熟的电气元件，接触器的主要用途是用于控制电动机等用电负荷的频繁启动和停止，接触器的结构简单而且具有很长的机械寿命。
接触器的结构示意图如图1所示，其工作过程是这样的：在山型的静铁芯中间的铁芯上有一个线圈，静铁芯的上方有一块也是由硅钢片做的衔铁，在衔铁上还固定了一组动触点，在接触器线圈中没有通电的时候，衔铁在两个弹簧的弹力作用下，和静铁芯保持一定的距离，动触点不与静触点接触，外电路处于分断状态。当静铁芯上的线圈中通电后，由于电流的磁效应，静铁芯产生一个电磁场会对衔铁产生一个吸引的力，使衔铁克服弹簧的弹力和静铁芯吸在一起，衔铁运动的同时，固定在衔铁上的动触点也会随之运动，动触点与两个静触点接触，外电路接通。当线圈失电后，静铁芯吸引衔铁的力消失，衔铁在弹簧弹力的作用下弹起，动触点也会随衔铁一起运动，与两个静触点分离，外电路分断。
从上面的工作过程可以看出，接触器可运动部件很少，仅仅是衔铁相关的部件，运动部件的行程短，接触器的机构非常简单，所以，接触器发生机械性故障的可能性非常小，接触器的寿命非常长，机械寿命可以达到500万～1000万次，电气寿命可以达到50万～100万次，此外，由于仅仅通过控制一个线圈通电与否，就可以控制外部电路的触点接通与分断，不需要行程开关来检测运动部件所处的位置，所以控制电路上也会十分简单，越简单的机构就会越可靠，所以这种基于接触器的ATSE的机械可能性是最高的。
1.3结论：
从以上几种ATSE工作过程的分析可以看出，基于接触器的ATSE的执行机构的机械结构是最简单的，动作的可靠性也是最高的，寿命也是最长的。