ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
ELECTROMECHANICAL SWITCH

Электромеханический переключатель предназначен для включения, отключения и переключения силовых цепей напряжением до 400 В и током до 160 А, причем переключатель срабатывает от слаботочных сигналов управления. Он может быть использован, например, в системах управления удаленными силовыми цепями, в устройствах автоматического ввода в работу резервных силовых установок, в устройствах аварийного электроснабжения на базе бензиновых или дизельных электрических установок, а также в других, не названных системах управления.
Известны переключающие устройства, каждое из которых содержит средство для прерывания и переключения, по меньшей мере, одного из электрических проводов, средство размыкания, независимое от сетевого напряжения, содержащее размыкающий элемент, причем средство размыкания имеет элементы для размыкания размыкающего средства (RU 2416141 С2, 10.04.2011; RU 2169422 C1, 20.06.2001; RU 2027273 C1, 20.01.1995; EP 0570603 A1, 24.11.1993; DE 1984270 A1, 23.03.2000). Известны также переключающие устройства, каждое из которых содержит электродвигатель, вал которого соединен с поворотным органом управления контактами (SU 1145366 A1, 15.03.1985; RU 2331131 C1, 10.08.2008; RU 94045928 A, 10.09.1996). Также известны переключающие устройства, каждое из которых содержит управляющее средство для замыкания и размыкания цепи при создании определенных условий (RU 97107482 А, 27.04.1999).
Использование существующих конструкций электромеханических переключателей на контакторах в системе аварийного энергоснабжения, в состав которой входит двигатель внутреннего сгорания, приводит к сравнительно частым отказам переключателя и оборудования указанной системы при ее работе на пониженных входных напряжениях, что в значительной мере снижает надежность переключателя и системы энергоснабжения в целом. Также имеет место существенное собственное энергопотребление переключателем, его перегрев и, как следствие, повышенное энергопотребление системы аварийного энергоснабжения. Неудовлетворительно также с точки зрения простоты конструкции компоновочное решение известных на практике переключателей, что отрицательно влияет на их стоимость.
Техническим результатом представленного в данном описании электромеханического переключателя является повышение его надежности, снижение энергопотребления и упрощение конструкции.
Технический результат получен электромеханическим переключателем, характеризующимся тем, что он содержит связанный с приводом переключатель, соединенный с переключателем управляющий блок, при этом с управляющим блоком соединено зарядное устройство, с которым соединен аккумулятор, переключатель содержит моторедуктор, силовой галетный или кулачковый переключатель, имеющий разную фазность, например, двухфазный галетный переключатель, соединительную муфту, посредством которой моторедуктор связан с галетным переключателем, также электромеханический переключатель содержит управляющий блок, последний содержит микроконтроллер, ключ включения и останова моторедуктора, ключ выбора направления переключения, клеммник для подачи слаботочных управляющих сигналов и стабилизатор, при этом первый ключ электрически соединен с моторедуктором, второй ключ установлен с возможностью его электрического соединения с первым ключом, микроконтроллер имеет электрические связи с указанными ключами, стабилизатор электрически соединен с аккумулятором и вторым ключом, зарядное устройство электрически соединено с аккумулятором и стабилизатором, управляющий блок выполнен на печатной плате, зарядное устройство шинами питания подключено параллельно к аккумулятору, стабилизатору и второму ключу, силовые входы посредством электропроводов подключены к входам контактных групп галетного переключателя, вводы галетных групп переключателя посредством проводов подключены в рабочем положении к клеммнику и зарядному устройству, одна из крайних галет галетного переключателя является галетой-датчиком текущего положения переключателя, для чего указанная крайняя галета-датчик посредством проводов подключена к управляющему блоку.
Галетный переключатель неподвижно закреплен на монтажной пластине посредством стоек и болтов, и сзади пластины к ней неподвижно прикреплен моторедуктор, при этом вал моторедуктора соединен с валом переключателя посредством муфты вращения, а на монтажной плате неподвижно закреплена ДИН-рейка с установленными на ней клеммниками и зарядным устройством, рядом с которым на стойках установлена плата управляющего блока.
На фиг.1 показана электросхема электромеханического переключателя;
На фиг.2 электромеханический переключатель, вид спереди;
На фиг.3 - вид на переключатель сбоку;
На фиг.4 - вид на переключатель сзади;
На фиг.5 - схема расположения электромеханического переключателя в устройстве аварийного электроснабжения на базе двигателя внутреннего сгорания.
Электромеханический переключатель содержит моторизованный приводной коммутатор 1 (фиг.1), соединенный с ним управляющий блок 2, при этом с блоком 2 соединено зарядное устройство 3, с которым соединен аккумулятор 4. Все указанные соединения выполнены посредством электропроводов.
Силовые входы 5 и 6 и силовой выход 7 (фиг.1) переключателя для удобства подключения выведены на клеммник 8 и закреплены на нем. Коммутатор 1 содержит моторедуктор 9, силовой галетный или кулачковый переключатель, имеющий разную фазность, например двухфазный галетный переключатель 10, а также соединительную муфту 11, посредством которой вал моторедуктора 9 связан с валом двухфазного галетного переключателя 10.
Управляющий блок 2 содержит электрически соединенные между собой микроконтроллер 12, первый ключ 13 включения и отключения моторедуктора, второй ключ 14 выбора направления переключения, клеммник 15 для подачи слаботочных управляющих сигналов и стабилизатор 16. При этом первый ключ 13 электрически соединен с моторедуктором 9, второй ключ 14 установлен с возможностью его электрического соединения с первым ключом 13, микроконтроллер 12 имеет электрические связи с первым и вторым ключами 13 и 14, соответственно, стабилизатор 16 электрически соединен с аккумулятором 4 и вторым ключом 14, зарядное устройство 3 электрически соединено с аккумулятором и стабилизатором 16 блока 2. Блок 2 выполнен на печатной плате. Указанные ключи в данном устройстве переключателя могут быть полупроводниковыми (транзисторы или тиристоры) и электромеханическими (реле).
Зарядное устройство 3 посредством проводов низковольтных шин 17 и 18 питания подключено параллельно к аккумулятору 4, стабилизатору 16 и второму ключу 14 управляющего блока 2, при этом зарядное устройство 3 преобразует высокое напряжение с силовых входов в пониженное напряжение для зарядки аккумулятора 4. Стабилизатор 16 преобразует напряжение с низковольтных шин питания 17 и 18 в напряжение питания микроконтроллера 12, первого и второго ключей 13 и 14.
Аккумулятор 4 питает управляющий блок 2 и через него моторедуктор 9 в моменты переключения. Силовые входы 5 и 6 клеммника 8 посредством электропроводов 19-22 подключены к входам контактных групп галетного переключателя 10. Выходы контактных групп галетного переключателя 10 посредством проводов 23 и 24 подключены параллельно к клеммнику 8 и зарядному устройству 3. Одна из двух крайних галет галетного переключателя 10 используется в качестве датчика текущего положения переключателя, и посредством проводов 26-28 крайняя галета подключена к управляющему блоку 2. В связи с указанной функцией указанной крайней галеты, она по существу является галетой-датчиком 25 положения галетного переключателя 10.
Галетный переключатель 10 закреплен на стойках 29 (фиг.3) посредством болтов 30, при этом галетный переключатель 10 неподвижно закреплен на монтажной пластине 31. Сзади пластины 31 через прокладки 32 посредством болтов 33 к ней прикреплен моторедуктор 9. Вал моторедуктора 9 соединен с валом галетного переключателя 10 посредством муфты 34 вращения, которая на фиг.1 условно показана позицией 11. На монтажной плате 31 неподвижно закреплена ДИН-рейка 35 - приспособление для монтажа клеммников и модульных электротехнических устройств, таких как автоматы защиты и другие элементы. На ДИН-рейке 35 установлены клеммники 36 и зарядное устройство 3. Рядом на стойках 37 (фиг.2) установлена плата управляющего блока 2.
Электромеханический переключатель может быть использован в составе устройства автоматического включения резервного источника электроснабжения, например, включения в работу генераторной станции 38 (фиг.5) на базе двигателя внутреннего сгорания. Для этого в устройстве автоматического включения резервного источника электроснабжения сетевой ввод 39 электроснабжения через автомат 40 защиты от короткого замыкания и перегрузки по току соединен с вводами 5 клеммника 8 электромеханического переключателя. Выход генераторной станции 38 через автомат 41 защиты от короткого замыкания и перегрузки по току соединен с вводом 6 клеммника 8 электромеханического переключателя. Устройство автоматического включения резервного источника электроснабжения содержит также реле 42 контроля фаз сети и реле 43 контроля фаз генератора. Эти реле служат, соответственно, для определения наличия сетевого и генераторного напряжений. Реле 42 электрически соединено с реле 44 времени, которое соединено с первым входом клеммника 15. Реле 43 контроля фаз генератора через реле 45 времени генератора соединено со вторым входом клеммника 15. На фиг.5 показано исполнительное устройство 46, электрически соединенное с генераторной станцией 38. Силовой выход 7 (фиг.1) электромеханического переключателя электрически соединен с вводно-распределительным щитом 47, с которого напряжение поступает потребителю.
Работает электромеханический переключатель следующим образом. Сигнал с реле 42 контроля фаз сети через реле 44 времени сети подается на первый вход клеммника 15 схемы управления 2 и исполнительное устройство 46, которое управляет процессом запуска и останова генераторной станции 38. Сигнал с реле43 контроля фаз генератора через реле 45 времени генератора подается на второй вход клеммника 15 управляющего блока 2. При наличии нормального напряжения на сетевом вводе 39 реле 42 контроля фаз, с задержкой времени, определяемой реле 44 времен, подает на управляющий блок 2 через клеммник 15 команду подключения сетевого ввода 5 к силовому выходу 7 переключателя. Следует заметить, что указанная задержка времени исключает реагирование системы на короткие провалы напряжения, возникаемые, например, при работе сварочного аппарата или в момент пуска мощных электродвигателей.
Далее, микроконтроллер 12 управляющего блока 2 по заложенной в нем программе преобразует данную команду в сигналы управления первым ключом 13 и вторым ключом 14. Для этого микроконтроллер 12 оценивает текущее положение галетного переключателя 10 по состоянию контактов крайней галеты-датчика 25 положения. Если новое положение галетного переключателя 10, заданное командой, совпадает с текущим положением, то никаких действий не предпринимается, если положение галетного переключателя отличается от заданного, например, галетный переключатель 10 находится в положении питания от резерва или в нейтральном положении, то происходит переключение галетного переключателя 10 в положение, заданное командой. Для этого микроконтроллер 12 переводит второй ключ 14 выбора направления в состояние переключения на сеть и после этого микроконтроллер включает второй ключ 13 движения-останова. Данный ключ 13 удерживается до изменения положения состояния контактов галеты-датчика 25 положения или до срабатывания программного таймера аварийной блокировки. После изменения положения контактов галеты-датчика 25 положения, микроконтроллер 12 отключает первый и второй ключи 13 и 14, сравнивает текущее положение с заданным, при этом микроконтроллер определяет замкнута галета-датчик 25 включения сетевого ввода. Если указанное текущее положение не совпадает с заданным, то микроконтроллер повторяет процедуру переключения до совпадения. Если после включения первого ключа 13 движения-останова в течении трех секунд состояние датчиков не изменяется, то срабатывает программный таймер и микроконтроллер 12 переходит в режим аварии, в котором ключи 13 и 14 отключаются, а работа переключателя блокируется и переключатель не реагирует на входные команды до проведения восстановительных работ.
При пропадании сетевого напряжения на силовом вводе 39 реле 43 контроля фаз снимает команду включения сети с ввода клеммника 15 и исполнительного устройства 46, соединенного с генераторной станцией 38. После снятия команды включения сети исполнительное устройство 46 включает процедуру запуска двигателя внутреннего сгорания генераторной станции 38, а микроконтроллер 12 управляющего блока 2 осуществляет при этом переключение моторизированного коммутатора 1 в нейтральное положение, для чего второй ключ 14 переводится в положение переключения на резерв, при этом первый ключ 13 находится в ожидании, пока оба контакта галеты-датчика 25 положения будут отключены.
После запуска двигателя внутреннего генераторной станции 38 на ее выходе появляется напряжение. Это напряжение вызывает срабатывание реле 43 контроля фаз генератора станции 38, которое запускает реле 45 времени включения генератора. Реле 45 времени задерживает подачу команды переключения второго ключа 14 на резерв до завершения прогрева двигателя внутреннего сгорания генераторной станции 38. После завершения задержки подается команда переключения на резерв второго ключа 14 и осуществляется подключение к силовому выходу 7 ввода 6 через клеммник 15 посредством микроконтроллера 12 управляющего блока 2.
Далее микроконтроллер 12 вновь оценивает текущее положение галетного переключателя 10 по состоянию контактов галеты-датчика 25 положения. Поскольку переключатель 10 находится в нейтральном положении, то это положение осуществляет переключение второго ключа 14 на резерв. Для этого микроконтроллер 12 переводит второй ключ 14 выбора направления в состояние переключения на резерв, после чего микроконтроллер 12 включает первый ключ 13 движения-останова. Данный ключ удерживается до изменения состояния контактов галеты-датчика 25 положения или программного таймера аварийной блокировки. После изменения состояния контактов галеты-датчика 25 положения микроконтроллер 12 отключает ключи 13 и 14, сравнивает текущее положение с заданным и определяет замкнут или разомкнут датчик включения резервного ввода. Если текущее положение не совпадает с заданным, то микроконтроллер повторяет процедуру переключения до совпадения положений. Если после включения первого ключа 13 движения-останова в течении трех секунд состояние датчиков не изменяется, то срабатывает программный таймер и микроконтроллер 12 переходит переключатель в режим аварии, в котором ключи 13 и 14 отключаются, а работа переключателя блокируется и он не реагирует на входные команды до момента проведения восстановительных работ.
После восстановления подачи сетевого напряжения на переключатель, вновь срабатывает реле 42 контроля фаз и после задержки времени, определяемой реле 44 времени, на ввод клеммника 15 управляющего блока 2 поступает команда включения напряжения сети.
Поскольку переключатель находится в положении коммутации ввода 6 на вывод 7 клеммника 8 переключателя, то микроконтроллер 12 переводит второй ключ 14 выбора направления в состояние переключения на сеть, после чего включает первый ключ 13 движения-останова. Данный ключ удерживается до замыкания контактов галеты-датчика 25 положения или программного таймера аварийной блокировки.
При наличии команды переключения на сеть в течение более чем одной минуты исполнительное устройство 46 заглушит двигатель внутреннего сгорания генераторной станции 38.
В совокупности с аккумулятором 4 использование мощного низковольтного моторедуктора 9, аналогичного моторедуктору, применяемому в автомобильной промышленности, позволило производить указанные переключения в более широком диапазоне входных напряжений (от 0 до 400 В). При этом следует отметить, что верхняя граница диапазона зависит от возможностей используемого зарядного устройства 3.
Использование электромеханического переключателя в системе аварийного энергоснабжения по сравнению с аналогичными, собранными, например, на контакторах, обеспечивает возможность снижения частоты отказов оборудования указанной системы при работе на пониженных входных напряжениях, обеспечивает также существенное (десятикратное) снижение собственного энергопотребления системой, упрощение конструкции и снижение стоимости переключателя и системы за счет использования иных комплектующих, отвечающих указанным условиям работы переключателя.