自动转换开关的设计与研究

自动转换开关的设计ｓ砜究　江苏电器（２００７　Ｎｏ．２）　

自动转换开关的设计与研究　

王立业，骆燕燕，胡爱娣　（河北工业大学，天津３　０　０１　３　０）　

摘要：对ｃＢ级自动转换开关电器（ＡＴＳＥ）进行了设计研究。介绍了ＡＴＳＥ的控制原理，给出了利用模　块化的设计方法实现的控制电路设计方案，同时给出了硬件主要电路的设计框图，软件设计的主要模块及主　程序的流程图。所设计的ＡＴＳＥ能够实现两路电源之问可靠地切换，满足了设计的要求。　关键词：　自动转换开关；断路器；单片机　中图分类号：ＴＭ５６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—３１７５一（２００７）０２—０００７—０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｎ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ＷＡＮＧ　Ｌｉ—ｙｅ，ＬＵＯ　Ｙａｎ—ｙａｎ，ＨＵ　Ａｉ—ｄｉ　（Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＴＳＥ，ｔｈｅ　ＡＴＳＥ　ａｂｏｕｔ　ＣＢ　ｔｙｐｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｔｅｘｔ．Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ＡＴＳＥ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｂｌｏｃｋ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｈａｒｄｗａｒｅ，　ｔｈｅ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ＡＴＳＥ　ｃａｎ　ｓｗｉｔｃｈ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｗｏ　ｐｏｗｅｒｓ　ｒｅｌｉａｂｌｙ　ａｎｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ，ｗｈｉｃｈ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｒｅａｋｅｒ；ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ　

０引言　自动转换开关电器简称为ＡＴＳＥ，是Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｓｗｉｔｅｈｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ的缩写，主要用在　紧急供电系统，是将负载电路从一个电源自动换接　至另一个（备用）电源的开关电器，以确保重要负荷　连续、可靠运行。ＡＴＳＥ常常应用在重要用电场所，　如医院、发电厂、银行、化工、冶金、宾馆、高层　建筑、军事设施等，转换一旦失败，造成的后果都　是很严重的ｌ１］，因此，其产品可靠性尤为重要。　随着我国工业的发展，自动化程度的普及，人　类生活质量的不断改善，人们对电源可靠性的要求　越来越迫切，由此自动转换开关的重要性目益提高。　此外，根据我国高层民用建筑设计防火规范规定：　“一类高层建筑应按一级负荷供电，二类高层建筑应　按二级负荷要求供电”，“高层建筑的消防控制室、　消防水泵、消防电梯、防烟、排烟、风机等的供电，　应在最末一级配电箱处设置双电源、甚至三电源自　动转换开关装置”。由此可见，随着现代化智能建筑　的目益增多，ＡＴＳＥ的应用会更加广泛。　１　自动转换开关的分类及发展概况　

目前，自动转换开关一般分为两个级别：ＰＣ级　和ＣＢ级［引。　第一种为ＰＣ级，采用接触器或负荷开关作主开　关，能够接通、承载线路负载。其优点是结构简单，　自身连锁，转换速度快，可频繁操作，从切换装置　本身来说，价格相对低廉。缺点是耗电大，有噪音，　另外由于它不能分断短路电流，需要加装熔断器或　断路器。此类开关在使用时一般还需外接检测及控　制电路，用户接线比较繁琐。该类代表性产品有美　国的ＡＳＣ０及０ＮＡＮ，法国的溯高美，日本的共力、高　田，韩国的始永。。　等。　另一种为ＣＢ级，采用带有电动操作机构的塑壳　式断路器（或万能式断路器）替代交流接触器、负荷　开关作投切电器开关。由于塑壳式断路器具有过载、　作者简介：王立业（１９７９一），男，硕士研究生，研究方向为电器可靠性与检测技术。　

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短路保护性能，所以ＣＢ级既能接通、承载线路负载，　又能够接通、分断短路电流。但是它的缺点是体积　比较大、动作速度慢。此类开关一般将检测及控制　电路组装在控制盒内，用户仅需接入主回路即町，　接线比较简便。该类代表性产品有法国施耐德的　ＵＡ、ＢＡ，ＡＢＢ的ＤＰＴ／ＳＥ，日本的高田，韩国的韩光，　德国穆勒的ＡＴＳ—ＮＺＭ。　２自动转换开关的组成　

本文主要研究的是ＣＢ级自动转换开关。　自动转换开关主要由电压传感器、控制电路、　传动电机、机械转换及联锁装置、断路器等组成［引。　其中ｕＮ为常用电源，ｕＲ为备用电源（或发电机），两　者不同时使用。ＡＴＳＥ的作用就是当常用电源电压出　现故障时，自动将负载从常用电源ｕＮ切换至备用电　源ＵＲ。自动转换开关电器的组成结构框图如图１所　不。　常用电　备用电　。。。——　。。。——　＾＿＿——　正转　负　控　——◆　继　——　■　——＇　机械　＿＿＿——　制　电　电　转换　载　电　器　机　及联　电　路　——＿ｌ　——　：骘　锁　—匝圈一　路　

图１双电源自动转换开关电器结构框图　３控制电路的设计　

３．１硬件设计　自动转换开关控制电路的硬件主要包括输入信　号处理单元，单片机系统单元，人机接口单元，输　出控制单元，断路器状态检测单元以及通信单元几　个部分。单片机系统以一定的时问问隔对常用备用　电源各相电压进行检测，检测的信号经过处理后，　将具体信息反映到液晶屏与指示灯上。同时根据断　路器辅助、报警信号综合判断，进行相应的功能操　作。需要进行断路器的分合操作时，通过输出控制　单元进行控制与保护，也呵以通过按键对自动转换　开关的各项参数进行设置。　自动转换开关的输入信号主要有两类，即开关　量和模拟量信号。输入的开关量信号经整形、延时、　光电隔离等处理，目的是提高装置的抗干扰性能。　输入的电压和频率信号，是模拟量信号，该信号经　

一８一　输入信号调整电路转换为单片机能识别的数字脉冲　信号。所设计的开关量输出主要包括跳闸出口、合　闸出口及就地的信号出口等。开关量输出回路采用　并行输出端口控制有接点的继电器。为了提高抗干　扰能力，全部采用光电隔离。　良好的人机交互接口是智能装置中不可缺少的　部分，人机交互功能通过控制器上的轻触开关和液　晶屏完成，同时为了直观清晰的表示各相电源的状　态，控制器上还有若干电源状态指示灯、断路器状　态指示灯以及紧急状态报警蜂鸣器等。　该设计采用ＭＡＸ４８７Ｅ转换器将单片机输出的信　号转换为ＲＳ一４８５标准信号，同时通过ＭＷＥ４８５一Ｃ无　源转换器将上位机的ＲＳ一２３２一Ｃ标准总线接口信号为　ＲＳ一４８５标准总线接口信号，实现单片机与上位机的　通信。　电力系统的设备运行环境是个强电磁场，对装　置微机系统的干扰非常强。正是这样，设计中充分　考虑了装置的抗干扰措施，如只要进出ＣＰＵ系统，就　使用光电隔离，装置内外不共地等技术措施。　控制电路系统原理框图如图２所示。　

图２控制电路系统原理框图　３．２软件设计　由于ＰＩＣ系列单片机采用精简ＲＩＳＣ指令系统，　在时钟频率为４ＭＨｚ时，单条指令执行时间一般为　１　ｓ，个别指令执行时问为２　ｓ，指令执行速度较　快　，所以编写自动转换开关的软件时，采用了ＰＩＣ　汇编语言。　同自动转换开关的硬件设计一样，在设计自动　转换开关的软件时，也采用了模块化的设计方法。　该软件系统由５个功能模块组成：频率检测模块，电　压检测模块，按键检测模块，显示模块，通信模块。　其结构框图如图３所示。

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图３软件系统结构框图　频率的检测主要用ＣＣＰ模块的捕捉方式在计时　器的配合下完成，进入频率检测程序后对用到的功　能模块进行初始化：首先￣＠ＣＣＰ１引脚设置为输入方　式，然后设定ＴＭＲ１计时器的工作方式为定时器工作　方式，再设定预分频器的分频比，最后开启中断并　打开ＣＣＰ１模块。　在频率检测的基础上依靠ＰＩＣ１６Ｆ８７７单片机的　Ａ／Ｄ模块进行电压有效值的检测。采样周期根据频　率检测计算出的数值对ＴＭＲ１计时器进行设置，并打　开ＴＭＲ１计时器溢出中断，当中断到来时对ＡＮＯ引脚　上的电压进行采样，采够４０个采样点后进行计算，　用均方根法计算出电压的有效值　控制器上面的按键都是轻触开关，由于机械振　动等原因，在按键按下以及断开的瞬问会发生抖动　的现象。为了确保按键不产生动作，需要采取防抖　动措施。防抖动措施有硬件和软件两种方式，硬件　防抖动一般采用Ｒｓ触发器构成双稳态消抖电路，采　用硬件电路防抖动会使硬件电路复杂化，同时增加　成本，因此本设计中采用了软件去抖动方式。　自动转换开关的可通信技术的研究。在Ｍｏｄｂｕｓ　协议基础上设计了自动转换开关与上位ＰＣ机双向通　信的硬件接口以及软件程序。并用ＶＢ语言编写了上　位Ｐｃ机的监控界面，实现了上位Ｐｃ机对自动转换　开关的远程监视与控制，达到了遥测、遥调、遥控　的目的。　主程序流程图如图４所示。　

医　Ｙ　

瘤　审　匡　

４结语　图４主程序流程图　

从设计思想上，在满足设计要求的情况下，尽　量减少投资。设计采用了ＰＩＣ１６Ｆ８７７单片机系统，不　论从可靠性，经济性还是以后的维护都是可取的。　装置的硬件部分用的都是常见的元件，给以后的维　护带来极大的方便。　参考文献　［１］曲德刚．自动转换开关电器（ＡＴＳＥ）的选择与应用　［Ｊ］．低压电器，２００３（１）．　［２］胡景泰．新型集成化ＡＴＳＥ的研究与应用［Ｊ］．电气　应用，２００３（１１）：２５－２８．　［３］周国良．韩国始永ＳＹＦ型双电源转换开关简介［Ｊ］．　江苏电器，１９９７（３）：１８—２１．　［４］机电一体化技术手册编委会．机电一体化技术手册　［Ｇ］．北京：机械工业出版社，１９９４．　［５］陈国先．ＰＩＣ单片机原理与接口技术［Ｍ］．北京：电　子工业出版社，２００４．　收稿口期：２００６一】ｌ一２７　

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