双电源自动切换开关(ATSE)的基本含义和组成

一种基于交流接触器的新型ATSE产品
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摘要: 阐述了接触器可以作为ATSE的主触头开关电器的依据，以及接触器的工作原理及接触器的优点，作者的观点是：由单片机控制，采用接触器作为ATSE的主触头开关电器的新型ATSE产品是可靠性和性价比比较高的一种双电源切换方案。

关键词: ATSE 主触头开关电器 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，虽然目前市场上有很多种类型ATSE产品可供选择，但基于接触器的ATSE产品却很少见，然而ATSE的国标中是允许采用接触器作为ATSE的主触头开关电器的，作者的观点是：由单片机控制，采用接触器作为ATSE的主触头的新型ATSE产品是一种性价比比较高的双电源切换方案。

1 ATSE的基本功能和接触器可以作为ATSE主触头的依据
1.1ATSE的定义和其基本功能
ATSE的中文全称是“自动转换开关电器”，英文全称是“automatic transfer switching equipment”，国标《GB/T 14048.11-2002》中对ATSE的定义是：“由一个（或几个）转换开关电器和其他必需的电器组成，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。”
从国标中对ATSE的定义可以看出：作为ATSE的转换开关电器，并非只能是一个，由两个独立的转换开关电器也可以，只要能完成“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”的基本功能，均可以称之为ATSE。
1.2接触器可以作为ATSE主触头的依据
国标《GB/T 14048.11-2002》附录A3条中明确说明：“如果接触器和断路器经过试验，符合有关产品标准要求，且试验条件的严酷程度不低于本部分的规定时，则接触器和断路器可不加特殊改进用作ATSE的主触头开关电器，无须再经受接通与分断能力试验及操作性能试验。”
从这里可以看出：国标中并未禁止接触器做ATSE的主触头开关电器，而是把接触器和断路器并列，两者是都能作为ATSE的主触头开关电器的电器，既然目前断路器大量的作为ATSE的主触头开关电器，接触器当然也是可以作为ATSE的主触头开关电器的。

2.主触头开关电器采用接触器的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合在一起，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，就可以控制外部主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，所以控制器电路上也会简单一些，越简单的机构就会越可靠，所以这种基于接触器的ATSE的可靠性是比较高的。

3.基于接触器的ATSE的历史和现状
3.1早期用交流接触器作双电源切换的方法及其优缺点
目前市场上常见的几种类型的ATSE产品，是近几年才刚刚出现的新产品，在这些产品出现之前，一般是用中间继电器和两个接触器搭接一个线路来实现两路电源的自动切换，1999年还出版了一本标准图集《99D373》，该图集中表示出了很多种采用中间继电器（或时间继电器）作为检测元件来实现的双电源切换方案，这种双电源切换方式，只能称的上是一种简易的双电源切换方案，使用中表现出来有很多的问题，最大的一个缺点是检测不全面，因为中间继电器线圈只有两个接线端，不管如何接线，只能检测一或两相上是否失电，第三根相线上的电压无论如何都是检测不到的，如果常用电源的这个没接中间继电器的相线出现了断线，三相电源里只有两相有电，是一种严重的电源故障，用继电器搭接控制线路的双电源切换方案不能在常用电源出现这种故障的时候切换到备用电源上去；此外，如果电压过分的偏高，用继电器控制线路来实现的双电源切换方式也不能切换，而这种故障是有可能发生，比如如果工作零线断了，而负荷又不平衡，就有可能出线某相电压特别偏高，同时某相电压又偏低的情况，这种电源故障会造成大量的用电器损坏，而出现这种电源故障时，中间继电器是不会动作的，接触器也不会自动切换到备用电源上。这种简易的双电源切换方式在多种电源故障的情况都不能切换，只是在特定的电源故障情况（常用电源三相同时断电，或接中间继电器的相线断电）下才能切换，所以这种双电源切换的方式是不可靠的。在2002年10月国家推出了ATSE的国家标准《GB/T14048.11-2002》，在该标准中，明确ATSE必须在常用电源的任意一相电压异常时切换到备用电源上去，所以用《99D373》搭接的双电源切换方案，是不满足双电源切换的国家标准中的要求的。
这种方案还有一个很大的缺点，就是接触器线圈容易烧毁，由于处于接通状态的接触器处于长期带电工作的状态，线圈功耗和发热量都比较大，如果电源电压再偏高的话，接触器的线圈就容易发热烧毁。
但这种方式并非是一点优点都没有，由于接触器机械结构简单、动作可靠，所以这种方式具有价格低、动作可靠，不容易出现机械故障的优点。

3.2基于接触器的新型双电源自动转换开关
最近市场上出现了一种根据接触器的工作特性而研制开发的专门用于驱动接触器的QTS1系列双电源切换控制器，这种控制器内部采用16位单片机控制，由一台这样的控制器加两个接触器可以组成一个高性能的PC级ATSE，这种ATSE看似与早期用接触器做双电源切换的方式相同，其实是完全不同的，早期用接触器做双电源切换的方式中没有控制器，只是靠中间继电器（时间继电器）来检测电源的状况，很不可靠，在QTS1型ATSE产品方案里，一台以单片机为核心的高性能控制器是整个ATSE的核心，控制器不仅能够实现对两个接触器的手动控制和自动控制，还能对常用电源、备用电源的共六路电压信号进行实时检测和灯光显示，三相电源中任何一相的欠压、过压、缺相均能检测到，并执行相应的操作；控制器具有RS485通讯接口，能向上位机传送各种信息，具有联网通讯的功能；更重要的是，控制器内采用了一种专利技术的节能电路来驱动两个接触器，接触器吸合后的线圈功耗很低，接触器长期带电工作无明显温升，很好的解决了早期用接触器做双电源切换接触器线圈容易烧坏的问题。QTS1系列的双电源自动转换开关经国家质量技术监督局下属广州电气安全所按ATSE的国家标准《GB/T14048.11-2002》进行检验的结果是合格的，证明这种新型ATSE产品是符合国家标准的合格产品。
3.3结论
在ATSE的国家标准中明确说明接触器是可以作为ATSE的主触点开关电器的，所以，用接触器来做双电源切换是完全可行的。基于接触器的QTS1系列新型ATSE产品很好的克服了早期用接触器和中间继电器搭接一个线路来做双电源切换的缺点，但同时又保留了接触器做双电源切换的机械结构简单、动作可靠、寿命长、价格低的优点，是对目前双电源自动转换产品的一个很好的补充和完善，具有广阔的应用前景。