一种基于交流接触器的新型ATSE产品
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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，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唯一方案，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。在国际电工委员会IEC关于双电源自动转换电器的标准《IEC60947-6-1-2005》中，将双电源自动转换电器划分为PC级、CB级、CC级三种，其中CC级就是指采用接触器作为ATSE主触点的ATSE。
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。

2.基于接触器的ATSE的历史和现状
2.1早期用交流接触器作双电源切换的方法及其优缺点
引言中所提到的目前常见的三种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，如果电压再偏高的话，接触器的线圈就容易烧坏。
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。

2.2基于接触器的新型双电源自动转换开关
深圳市强电通科技有限公司（ www.szqdt.com）根据接触器的工作特性，研制开发出了一种专门用于驱动两个做双电源切换的接触器的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，所以这种新型ATSE产品是符合国家标准的合格产品。

3结论
在ATSE的国家标准《GB/T14048.11-2002》附录A3条中明确说明接触器是可以作为ATSE的主触点开关电器的，在《IEC60947-6-1-2005》也将基于交流接触器的双电源自动切换装置划分为ATSE中的一类（CC级），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，填补了目前ATSE产品中的一个空白点，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。


参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准 低压开关设备和控制设备第6部分：多功能电器 第1篇：自动转换开关电器 GB/T 14048.11-2002 国家质量监督检验检疫总局发布2002.10
[2] IEC60947-6-1-2005