李文華，常惜陽，王端陽，王 俊

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電器研究所，天津 300130；2.浙江正泰電器股份有限公司，浙江 樂清 325000；3.天水二一三電器有限公司，甘肅 天水 741001）

三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及其仿真研究

李文華1，常惜陽1，王端陽2，王 俊3

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電器研究所，天津 300130；2.浙江正泰電器股份有限公司，浙江 樂清 325000；3.天水二一三電器有限公司，甘肅 天水 741001）

三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)是三電源供電系統(tǒng)連續(xù)供電的關(guān)鍵，其操作機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)電源切換的核心．本文介紹了三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的研究現(xiàn)狀和組成，并從三電源供電系統(tǒng)的使用要求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種可用于三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)，給出了工作原理和控制方案．最后通過虛擬樣機(jī)技術(shù)對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)可以達(dá)到三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作要求．

三電源；操作機(jī)構(gòu)；虛擬樣機(jī)技術(shù)；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)

0 引言

隨著工業(yè)現(xiàn)代化和科技水平的提高，多種行業(yè)對供電安全性、連續(xù)性、可靠性的要求也隨之提高，依據(jù)負(fù)載的性能及要求，需在兩路或者多路電源間進(jìn)行切換，以保證連續(xù)供電．國家標(biāo)準(zhǔn)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50052-2009）中規(guī)定：一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷供電，除應(yīng)由雙重電源供電外，尚應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源，并嚴(yán)禁將其它負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)．三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)就是為滿足這一供電要求而設(shè)計(jì)的，它具有電源狀態(tài)檢測、電源間自動(dòng)切換等功能，能夠防止故障電源向負(fù)載供電，避免因電源故障等造成經(jīng)濟(jì)損失．

目前，三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的研究仍處于起步階段，特別是操作機(jī)構(gòu)的研究資料幾乎沒有，可用于三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)僅有三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)[1]和三電源電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)[2]．但是前者的操作機(jī)構(gòu)中的斷路器手柄在分閘中必定隨著驅(qū)動(dòng)彈簧的振動(dòng)將兩路供電電源同時(shí)切入供電系統(tǒng)，造成短路；而后者的操作機(jī)構(gòu)需要2個(gè)電機(jī)的準(zhǔn)確配合才能實(shí)現(xiàn)3路供電電源的切換，增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降低了可靠性．針對上述可用于三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)存在的問題，本文提出了一種新可用于三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的單電機(jī)操作機(jī)構(gòu)，不僅可在任意時(shí)刻、任意方向均能實(shí)現(xiàn)3路電源之間的切換和對不同規(guī)格功能的斷路器進(jìn)行操作，而且也能實(shí)現(xiàn)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)與三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)功能的通用．

1 三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)

三電源供電系統(tǒng)多應(yīng)用在機(jī)場、石化、煤礦等場合[3-5]，采用備自投切換方式，即主供電源異常時(shí)切換到備用供電電源，而備用供電電源異常時(shí)將由第3路供電電源進(jìn)行供電[6-7]．對于3路供電電源間的切換，可采用模糊控制算法對其電能質(zhì)量進(jìn)行模糊處理，將切換方式轉(zhuǎn)化為專家控制算法的規(guī)則庫，并置于控制器中．根據(jù)3路供電電源的電能質(zhì)量模糊處理后的結(jié)果，在控制器中查表，實(shí)現(xiàn)3路供電電源間的切換[8]．

三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)與雙電源相似，均是以MCU為控制核心，以機(jī)電聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)為執(zhí)行元件[9]，主要由電壓頻率采樣電路、控制器、操作機(jī)構(gòu)、斷路器等組成，如圖1所示．

圖1 三電源的組成框圖Fig.1 Block diagram of the three power supply structure

當(dāng)控制器檢測到常用電源的電壓或頻率出現(xiàn)的偏差超出用戶設(shè)定的范圍或相序錯(cuò)誤時(shí)，微機(jī)控制程序依據(jù)電源切換控制策略，通過延時(shí)（可調(diào)）電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的指令向電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出指令．操作機(jī)構(gòu)將常用電源斷路器分閘，在備用電源參數(shù)正常的情況下，執(zhí)行備用電源斷路器合閘指令；否則，在緊急電源參數(shù)正常的情況下，將緊急電源斷路器合閘，或者，操作機(jī)構(gòu)不動(dòng)作．三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)可最大限度地保證對各種重要負(fù)荷場合持續(xù)供電，減少故障時(shí)間．

三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器的設(shè)計(jì)必須考慮電氣互鎖，同時(shí)3臺(tái)斷路器的機(jī)構(gòu)操作部分應(yīng)設(shè)置機(jī)械互鎖裝置，即同時(shí)由切換規(guī)則以及斷路器狀態(tài)來確定控制輸出命令，從而保證當(dāng)1個(gè)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)不會(huì)發(fā)出另2個(gè)斷路器的合閘信號(hào)，進(jìn)一步提高自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)供電的可靠性．

2 三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與原理

三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)要求其操作機(jī)構(gòu)每次只對1路供電電源進(jìn)行操作，對其它兩路供電電源不操作，在對其他供電電源操作之前必須完成本次供電電源的切除，而且必須保證3路供電電源間的機(jī)械互鎖．

本文所設(shè)計(jì)的操作機(jī)構(gòu)中3個(gè)斷路器對應(yīng)的機(jī)構(gòu)相同且適用于3個(gè)斷路器在空間中排列為一條直線的操作，其可在任意位置任意方向均能實(shí)現(xiàn)3路電源之間的切換，也可對不同規(guī)格功能的斷路器進(jìn)行操作，保證3路供電電源間的機(jī)械互鎖，并且實(shí)現(xiàn)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)與三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)功能的通用．由于3個(gè)斷路器的分合閘機(jī)構(gòu)一樣，本文僅表示出1個(gè)斷路器分合閘的機(jī)構(gòu)簡圖，如圖2．

圖2 機(jī)構(gòu)簡圖Fig.2 Diagram ofmechanism

機(jī)構(gòu)簡圖分析如下：主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪嚙合，帶動(dòng)固定在從動(dòng)齒輪偏心孔上的連桿推動(dòng)桿件運(yùn)動(dòng)．根據(jù)機(jī)構(gòu)簡圖的分析，本文提出了一種三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)，如圖3所示，并參見圖3說明．

圖3 操作機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of operatingmechanism

該機(jī)構(gòu)中電機(jī)為動(dòng)力來源，斷路器的通斷主要由不完全齒輪、從動(dòng)齒輪、連桿、連接板、接通推板和關(guān)斷推板完成，斷路器手柄與斷路器固定在一起．轉(zhuǎn)動(dòng)組件是由電機(jī)、通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接的旋轉(zhuǎn)軸、第1不完全齒輪、第2不完全齒輪和第3不完全齒輪、位于旋轉(zhuǎn)軸上端的下圓板以及固定安裝在下圓板上的上圓板和角位移傳感器共同構(gòu)成的．該機(jī)構(gòu)可以分別調(diào)節(jié)接通推板、關(guān)斷推板與連接板的距離來調(diào)節(jié)斷路器手柄移動(dòng)的距離，實(shí)現(xiàn)對不同規(guī)格功能斷路器的操作．

本文設(shè)計(jì)的三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)操作機(jī)構(gòu)中不完全齒輪的齒分為2組，2組齒輪所占的弧度均為，2組齒之間相距的最小弧度為3個(gè)不完全齒輪圓周上的齒在空間中呈120°交錯(cuò)裝配，3個(gè)不完全齒輪的齒在空間中兩兩相距弧度均為三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足角度約束條件如下

3 三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)操作機(jī)構(gòu)的控制原理

3.1 操作機(jī)構(gòu)停止位置示意圖

對于3個(gè)斷路器通斷的準(zhǔn)確控制，該操作機(jī)構(gòu)采用了角位移傳感器來獲得第1不完全齒輪的2組齒相距最小弧度為20°的中間位置信息，而斷路器的接通和分?jǐn)嗟奈恢檬疽鈭D如圖4所示．

圖4 斷路器接通和分?jǐn)嗟奈恢檬疽鈭DFig.4 Schematic diagram of the circuitbreakers' connected and brokeoff position

A、B和C點(diǎn)位置信息分別表示斷路器I、II、III的合閘狀態(tài)，O點(diǎn)位置信息表示該操作機(jī)構(gòu)的初始狀態(tài)即3個(gè)斷路器均處于分閘狀態(tài)，A1、A2、B1、B2、C1和C2點(diǎn)位置信息分別表示斷路器I、斷路器II和斷路器III的分閘狀態(tài)．

3.2 角位移傳感器信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)采用霍爾式角位移傳感器WDH22 0505來檢測第1不完全齒輪的兩組齒相距最小弧度為20°的中間轉(zhuǎn)過的角度，如圖5所示為角位移信號(hào)采集電路圖．角位移傳感器WDH22 0505的有效電氣轉(zhuǎn)角為360°，其電壓信號(hào)經(jīng)過降壓輸入到MCU的A/D端口[10]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制器對于操作機(jī)構(gòu)角度位移的實(shí)時(shí)檢測．

3.3 控制方案

以斷路器I的通斷對該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行闡述，斷路器I的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，2A為斷路器I的手柄．

電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)組件從圖6的位置開始順時(shí)針運(yùn)動(dòng)到A1時(shí)，第1不完全齒輪的1組齒帶動(dòng)從動(dòng)齒輪逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，固定在從動(dòng)齒輪偏心孔上的連桿將驅(qū)動(dòng)連接板、接通推板和關(guān)斷推板運(yùn)動(dòng)，接通推板和關(guān)斷推板將推動(dòng)斷路器I手柄運(yùn)動(dòng)，使斷路器I處于合閘狀態(tài)，此時(shí)第1不完全齒輪兩組齒相距最小弧度為20°的中間位于A點(diǎn)位置，角位移傳感器獲得信息，電機(jī)停轉(zhuǎn)，斷路器II和斷路器III處于分閘狀態(tài)．

圖5 角位移傳感器信號(hào)采集電路Fig.5 Angular displacementsensor signal acquisition circuit

圖6 斷路器I的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Block diagram of the circuitbreaker structure

轉(zhuǎn)動(dòng)組件在A點(diǎn)位置逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，第1不完全齒輪的一組齒帶動(dòng)從動(dòng)齒輪順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，固定在從動(dòng)齒輪偏心孔上的連桿將驅(qū)動(dòng)連接板、接通推板和關(guān)斷推板運(yùn)動(dòng)，接通推板和關(guān)斷推板將推動(dòng)斷路器I手柄運(yùn)動(dòng)，使斷路器I處于分閘狀態(tài)，此時(shí)第1不完全齒輪的兩組齒相距最小弧度為20°的中間位于A1點(diǎn)位置時(shí)，角位移傳感器獲得信息，電機(jī)停轉(zhuǎn)，斷路器II和斷路器III仍處于分閘．

轉(zhuǎn)動(dòng)組件在A點(diǎn)位置順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，第1不完全齒輪的另一組齒帶動(dòng)從動(dòng)齒輪逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，固定在從動(dòng)齒輪偏心孔上的連桿將驅(qū)動(dòng)連接板、接通推板和關(guān)斷推板運(yùn)動(dòng)，接通推板和關(guān)斷推板將推動(dòng)斷路器手柄運(yùn)動(dòng)，使斷路器I處于分閘狀態(tài)，此時(shí)第1不完全齒輪的兩組齒相距最小弧度為20°的中間位于A2點(diǎn)位置，角位移傳感器獲得信息，電機(jī)停轉(zhuǎn)，斷路器II和斷路器III仍處于分閘狀態(tài)．?dāng)嗦菲鱅I和斷路器III的分合閘可以參照斷路器I的分合閘過程．

由上述分析的闡述，并結(jié)合操作機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可知，斷路器I、II和III在任意位置任意方向均能實(shí)現(xiàn)3路電源之間的切換并能夠保證3路供電電源間機(jī)械互鎖．

4 操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)新生的工程技術(shù)，電氣工程師可借助這項(xiàng)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立電器產(chǎn)品機(jī)械系統(tǒng)的模型，模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并根據(jù)仿真結(jié)果細(xì)化和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而為樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供參數(shù)依據(jù)[10-12]．本文通過Pro/E軟件對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，如圖7所示．在其機(jī)構(gòu)仿真環(huán)境中，對操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，觀察該機(jī)構(gòu)的3路電源之間的機(jī)械聯(lián)鎖和電機(jī)正反轉(zhuǎn)情況下3路供電電源的任意切換情況．

圖7 三維仿真模型Fig.7 Three-dimensionalsimulationmodel

本文以圖6為初始位置并結(jié)合其控制方案進(jìn)行仿真，以斷路器I手柄的位置變化為分析對象．電機(jī)由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)時(shí)，斷路器I合閘情況如圖8a）所示；電機(jī)由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A2如圖8b）所示．

從圖8中可以看出，第1不完全齒輪均在電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)可分別實(shí)現(xiàn)斷路器的I合閘或分閘，而斷路器I手柄的位置變化約為14mm．在整個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，斷路器II和斷路器III的手柄位置均沒有變化．仿真分析說明該操作機(jī)構(gòu)可以在任意時(shí)刻任意方向?qū)崿F(xiàn)3路電源的任意切換，并且能夠達(dá)到三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)對其操作機(jī)構(gòu)的要求．

圖8 斷路器I手柄位置變化圖Fig.8 The changeof position of handleof the circuitbreaker I

5 結(jié)束語

本文對三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并對現(xiàn)有操作機(jī)構(gòu)的問題進(jìn)行了分析，提出了一種可用于三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)．運(yùn)用虛擬樣機(jī)軟件Pro/E完成了三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)操作機(jī)構(gòu)的三維建模與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)完全可以實(shí)現(xiàn)3路供電電源的任意切換，并且仿真結(jié)果為三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制策略的研究提供了參考依據(jù)，也為三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)類似的操作機(jī)構(gòu)及相關(guān)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供了參考和依據(jù)．

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[責(zé)任編輯 代俊秋]

Research on operatingmechanism design and simulation for three powerautomatic transfer switch

LIWenhua1，CHANG Xiyang1，WANG Duanyang2，WANG Jun3

(1.ElectricalApparatus Institute,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China;2.Zhejiang CHINT Apparatus Lim ited Company,Zhejiang Yueqing325000,China;3.Tianshui213 Electrical Apparatus Limited Company,Gansu Tianshui741001,China)

Threepowerautomatic transfersw itch is thekey of threepowersupply system to supply continuouspower,and itsoperatingmechanism is the core to actualize the power sw itch.This paper introduces the research statusand structure of the threepowerautomatic transfersw itch,and designs theoperatingmechanism of the threepowersupply system,and gives theworking principleand controlscheme.Finally,the3Dmodeling and kinematicssimulation of themechanism is carried outby the virtualprototyping technology.The resultsshow that themechanism can achieveautomatic conversion.

threepower;operatingmechanism;virtualprototype technology;kinematicssimulation;automatic transfer sw itch

TP303

A

1007-2373(2016)04-0001-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.04.001

2015-10-19

國家自然科學(xué)基金（51377044）

李文華（1973-），男（漢族），教授，博士．