自动转换开关电器健康诊断装置及自动转换开关电器的制作方法

1.本实用新型属于低压电气技术领域，具体涉及一种自动转换开关电器健康诊断装置。


背景技术：

2.自动转换开关电器一般由触头系统、操作机构和控制器三部分组成，控制器通过监测两路电源的状态，结合触头系统当前的合/分状态，通过操作机构控制触头系统在两路电源之间的转换，触头系统的合/分状态一般通过微动开关实现检测，微动开关的欠缺是需要设计触头系统驱动件与微动开关的致动机构，结构复杂，微动开关的动作点受微动开关自身一致性及驱动机构的影响，合分到位点不能指示触头系统实际到位情况，另外，微动开关占用空间相对较大，对位置的检测精度相对较低，往往难以达到预期的检测精度。
3.自动转换开关电器通过一套复杂的操作机构控制触头系统在两路电源之间转换，当操作机构在使用过程中由于润滑、磨损、卡阻、甚至零件损坏等原因引起操作机构在控制触头系统进行转换时无法达到预期的性能，如合/分动作时间变慢，从而引起自动转换开关电器性能变差或降级，不能满足用户使用的要求。此时需要对操作机构的驱动常备用电源的合/分动作时间进行检测，即操作机构的合/分速度进行检测，现有技术通常采用的测量方法是检测从控制器发出驱动命令至触头系统合/分到位的时间，而合/分到位通常采用微动开关进行检测，微动开关的检测精度较低，离散性较大，不能满足操作机构合/分动作时间的检测精度要求。
4.自动转换开关电器的电性能，如电气寿命，受触头合/分动作速度影响，当操作机构使用过程中由于润滑、磨损、卡阻、甚至零件损坏等原因导致触头的合/分速度没有达到预设的范围时，则认为自动转换开关电器的健康状态变差，需对产品进行检修或维护等操作，现有常用的技术是通过微动开关来检测合、分位置之间的时间差，进而获得合/分过程的平均速度，无法获取合/分过程中各个不同阶段的更细致的速度变化信息，无法获取触头合/分时刻的速度，无法为自动转换开关电器的健康状态提供准确的依据。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种自动转换开关电器健康诊断装置，具有结构简单、精度高的优点，不仅能对合/分位置进行检测，还能对动触头位移及平均速度、瞬时速度进行准确检测，从而为自动转换开关电器的健康诊断提供更为全面准确的依据。
6.本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
7.一种自动转换开关电器健康诊断装置，所述自动转换开关电器包括：触头系统、操作机构、控制器，控制器控制操作机构驱动触头系统中的动触头动作实现不同电源间的转换；所述健康诊断装置包括用于对动触头的位置进行检测并将检测到的位置信号传输给控制器的位置检测模块；所述位置检测模块包括用于产生稳定磁场的磁场产生部件，以及用
于对磁场产生部件所产生磁场进行探测的磁场传感部件； 磁场产生部件与磁场传感部件这两个部件中的一个被设置为与动触头随动，而两个部件中的另一个被设置为相对动触头静止。
8.优选地，所述磁场产生部件为永磁体。
9.优选地，所述磁场传感部件包括至少1个磁场传感器。
10.进一步优选地，磁场传感部件被设置为相对动触头静止；所述磁场传感器的数量为2n+1，n为大于等于1的整数，其中第一个磁场传感器设置在与动触头的动作行程中点相对应的位置处，其余磁场传感器设置于与动触头的动作行程中除中点以外的其它相对应的位置处，且关于第一个磁场传感器对称分布。
11.进一步优选地，所述磁场传感器为磁阻传感器。
12.优选地，在触头系统与位置检测模块之间设置有金属隔板。
13.基于同一实用新型构思还可以得到以下技术方案：
14.一种自动转换开关电器，包括：触头系统、操作机构、控制器，控制器控制操作机构驱动触头系统中的动触头动作实现不同电源间的转换；所述自动转换开关电器还包括如上任一技术方案所述自动转换开关电器健康诊断装置。
15.优选地，所述触头系统包括多个极单元模块，操作机构、多个极单元模块以及位置检测模块并排布置，操作机构通过其驱动轴带动多个极单元模块中的转轴转动，实现触头系统的分合闸；转轴带动位置检测模块中的转盘转动。
16.相比现有技术，本实用新型技术方案具有以下有益效果：
17.本实用新型基于磁场传感技术来对触头系统中动触头的位置进行监测，得益于成熟的磁场传感器技术及信号处理技术，本实用新型不仅能对合/分位置进行检测，还能对动触头的位移及平均速度、瞬时速度进行准确检测，从而为自动转换开关电器的健康诊断提供更为全面准确的依据；此外，相比传统基于微动开关的位置检测，本实用新型的结构更加简单紧凑，检测的灵敏度和精度更高。
附图说明
18.图1、图2为本实用新型第一个实施例的结构示意图；
19.图3为第一个实施例中位置检测模块的结构示意图；
20.图4为第一个实施例中位置检测模块的原理示意图；
21.图5为第一个实施例中的信号采样电路图；
22.图6为第一个实施例中的三个磁场传感器的输出信号波形图；
23.图7为本实用新型的第二个实施例中位置检测模块的原理示意图；
24.图8为第二个实施例中磁场传感器的输出信号波形图。
25.图中包含以下附图标记：
26.1、触头系统，2、控制器，3、操作机构，30、驱动轴，31、转轴，32、转盘，4、金属隔板，5、位置检测模块，50、罩壳，51、永磁体，52、磁场传感器，53、指示件，54、弹簧，55、线路板。
具体实施方式
27.针对现有技术不足，本实用新型的解决思路是基于磁场传感技术来对触头系统中
动触头的位置进行监测，得益于成熟的磁场传感器技术及信号处理技术，本实用新型不仅能对合/分位置进行检测，还能对动触头的位移及平均速度、瞬时速度进行准确检测，从而为自动转换开关电器的健康诊断提供更为全面准确的依据；此外，相比传统基于微动开关的位置检测，本实用新型的结构更加简单紧凑，检测的灵敏度和精度更高。
28.本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
29.一种自动转换开关电器健康诊断装置，所述自动转换开关电器包括：触头系统、操作机构、控制器，控制器控制操作机构驱动触头系统中的动触头动作实现不同电源间的转换；所述健康诊断装置包括用于对动触头的位置进行检测并将检测到的位置信号传输给控制器的位置检测模块；所述位置检测模块包括用于产生稳定磁场的磁场产生部件，以及用于对磁场产生部件所产生磁场进行探测的磁场传感部件；磁场产生部件与磁场传感部件这两个部件中的一个被设置为与动触头随动，而两个部件中的另一个被设置为相对动触头静止。
30.优选地，所述磁场产生部件为永磁体。
31.优选地，所述磁场传感部件包括至少1个磁场传感器。
32.进一步优选地，磁场传感部件被设置为相对动触头静止；所述磁场传感器的数量为2n+1，n为大于等于1的整数，其中第一个磁场传感器设置在与动触头的动作行程中点相对应的位置处，其余磁场传感器设置于与动触头的动作行程中除中点以外的其它相对应的位置处，且关于第一个磁场传感器对称分布。
33.进一步优选地，所述磁场传感器为磁阻传感器。
34.优选地，在触头系统与位置检测模块之间设置有金属隔板。
35.为了便于公众理解，下面通过两个具体实施例并结合附图来对本实用新型的技术方案进行详细说明：
36.如图1、图2所示，第一个实施例的自动转换开关电器包括多个触头系统1、控制器2、操作机构3、位置检测模块5，触头系统1包括多个极单元模块，操作机构3、多个极单元模块以及位置检测模块5并排布置，操作机构3通过其驱动轴带动多个极单元模块中的转轴转动，实现触头系统的分合闸；转轴带动位置检测模块中的转盘转动。控制器2控制操作机构3驱动多个极单元模块中的动触头动作实现不同电源间的转换，位置检测模块5用于对动触头的位置进行检测并将检测到的位置信号传输给控制器2；本实施例中的操作机构3包含驱动轴30、转轴31、转盘32，驱动轴30旋转带动转轴31旋转，转轴31转动时带动触头动作实现主、备两路电源间的切换，转盘32固定在转轴31的另一端并与转轴31耦合实现同步转动；本实施例的自动转换开关电器的触头系统1中包含有4个相同并排布置的极单元模块，分别代表了a相、b相、c相和n相。
37.本实施例中位置检测模块5的基本结构如图3所示，其中的（a）、（b）、（c）分别显示了常用合闸、双分、备用合闸状态下的形态。如图3所示，位置检测模块5包括罩壳50、永磁体51、磁场传感器52、指示件53、弹簧54、线路板55；罩壳50用于容纳位置检测模块5的其他部件以及转盘32；如图3所示，永磁体51固定安装在转盘32上并跟随转盘32一起转动，永磁体51的长度约为转盘32转动距离的1/3；线路板55与3个磁场传感器52电连接，线路板55对磁场传感器52所采集的磁场检测信号进行采样并将其传输给控制器2；与转盘32随动的指示件53用于为操作人员指示自动转换开关的位置，弹簧54用于复位指示件53。
38.如图4所示，本实施例中3个磁场传感器（传感器1～传感器3）安装于转盘32转动角度范围的1/6、1/2、5/6所对应的b、d、f位置处，以常用合闸作为起始位置（a位置），传感器1安装于转盘32转动角度范围的1/6对应的b位置处，传感器2安装于转盘32转动角度范围的1/2对应的d位置处，传感器3安装于转盘32转动角度范围的5/6对应的f位置处，即传感器1的监测转盘行程为0～1/3(a至c区域)，传感器2的监测转盘行程为1/3～2/3（c至e区域），传感器3的监测转盘行程为2/3～1(e至g区域)，通过3个传感器可监测转盘32的整个工作行程(a至g区域)。由于转盘32是与驱动轴30、转轴31以及动触头随动的，因此可等效于对动触头的整个工作行程进行监测。
39.图5显示了线路板55上的传感器信号采样电路，u1为传感器，u4为轨到轨输出放大器，电容c1为滤波电容，电阻r1为增益电阻，电阻r2、电容c2组成阻容滤波，传感器输出电压信号经比例放大并经2v电压抬升后输出vout1信号，并送至控制器2，比例放大倍数g=1+49.4k/r1。
40.传感器1、传感器2、传感器3在转盘32整个工作行程中的输出信号如图6所示，控制器对三路输出信号进行监测分析，三路输出信号与控制器设置的三个阈值v1、v2、v3相比较，当检测到传感器3输出电压小于阈值v3时，表示自动转换开关已到达备用合闸位置；当检测到传感器2输出电压大于v2-δv且小于v2+δv时，判断自动转换开关处于双分位置，δv为传感器输出电压在双分位置的允差；当检测到传感器1输出电压大于阈值v1时，表示自动转换开关已到达常用合闸位置，从而精确实现自动转换开关合、分位置的检测。本实施例的三个阈值v1、v2、v3以及δv可以分别为2.5v、2v、1.5v、0.05v。
41.位置检测过程具体如下：当自动转换开关处于常用合闸位置（a位置）时，控制器检测到传感器1输出电压大于v1，当控制器检测到常用电源出现异常、备用电源正常时控制操作机构常用分闸，操作机构通过驱动轴30经转轴31带动转盘32转动，转盘32转动带动永磁体51转动，永磁体51从a位置向d位置转动，控制器检测到传感器1输出电压从大于v1逐渐降低至小于v3，此时切换至控制器对传感器2的输出电压检测，检测到传感器2输出电压从大于v1逐渐降低v2时，判断自动转换开关到达双分位置，然后，控制器控制操作机构备用合闸，操作机构通过驱动轴30经转轴31带动转盘32转动，转盘32转动带动永磁体51继续转动，永磁体51从d位置向g位置转动，控制器检测到传感器2输出电压从v2逐渐降低至小于v3，此时切换至控制器对传感器3的输出电压检测，检测到传感器3输出电压从大于v1逐渐降低小于v3时判断自动转换开关到达备用位置。同理，自动转换开关从备用合闸位置转动至常用合闸位置时，各传感器的电压值从小于v3逐渐升高至大于v1，在此，不再赘述。
42.由图4、图6可知，自动转换开关从常用合闸位置a至双分位置d的距离（s1）是固定的，控制器通过检测到传感器1大于v1，判断自动转换开关处于常用合闸位置，控制器检测常用异常、备用正常时控制操作机构常用分闸指令，并开始计时，控制器检测到传感器2输出电压为v2时结束计时，获得自动转换开关从常用合闸到双分的时间t1，控制器通过计算s1/t1获得自动转换开关的常用分闸平均转换速度vt1。
43.同理，控制器可获取常用合闸、备用合闸、备用分闸时的平均转换速度，通过平均转换速度与转换速度阈值进行比较，可知自动转换开关转换是否异常。
44.以传感器2检测转盘c至e范围为例，控制器检测转盘在x、y位置对应的传感器输出电压vx、vy，通过查询控制器内预置的电压-距离对应表可查出传感器2的输出电压vx、vy分
别对应的距离sx、sy，转盘运动距离δs= sy-sx；控制器检测到电压为vx时读取时钟tx、检测到输出电压为vy读取时钟ty，时间差δt=ty-tx，控制器计算δv=δs/δt即可获知自动转换开关转盘从x位置到y位置转换的平均速度。更进一步地，当vx、vy值取的足够接近时，可获知在该位置时的瞬时速度。特别地，自动转换开关在常用分闸、备用分闸时的转换速度，通过与常用分闸转换速度阈值、备用分闸时的转换速度阈值进行比较，可知自动转换开关转换是否异常。
45.控制器还可根据传感器1的最大值变化量获知转盘的转动角度变化量，即等效获知常用触头、转轴的综合磨损量。如图6所示，新的自动转换开关常用合闸稳态时传感器1输出电压为v1，经过一定时间使用磨损后，自动转换开关在常用合闸时传感器1输出电压增加至v11，通过查询控制器内置的电压-距离对应表查出传感器1输出电压v1、v11分别对应的距离s1、s11，转动距离偏差δs1=s11-s1，则转盘角度变化量δφ=δs1/r1，r1:转盘的转动半径，转轴角度变化量与转盘角度变化量相同，因此，常用动触头的转动距离偏差（即常用触头、转轴的综合磨损量）δs2=δφ*r2，r2：动触头的转动半径；备用触头、转轴的综合磨损量，原理同常用触头，在此不再赘述。通过所述综合磨损量可实现自动转换开关对自身健康状态的监测。综上可知，控制器通过传感器检测而得到的转换时间、转换平均速度、转换瞬时速度、转盘转动位置信息及触头、转轴的综合磨损量等，可实现对自动转换开关触头系统、操作机构的智能诊断，不但能实现传统微动开关、光电开关等位置检测功能，还解决了传统手段所无法实现的触头瞬时速度检测及触头磨损检测问题。
46.由于本实用新型采用磁技术实现位置、位移等的检测，即其可能受到外部磁场的干扰，如自动转换开关主回路大电流的影响，如短路电流，为此，如图1所示，本实用新型在位置检测模块5与触头系统1之间装设有金属隔板4，从而达到隔离主回路大电流所产生磁场的作用，同时，该金属隔板4还具有固定、安装触头系统以及灭弧室等部件的作用。
47.图7显示了另一个实施例的位置检测模块，与上一实施例不同，如图7所示，本实施例中的永磁体为环形，永磁体的长度约等于转盘的转动距离，图7中，（a）为常用合闸位置，（b）为常用、备用双分位置，（c）为备用合闸位置；本实施例的线路板上仅连接1个传感器，传感器安装于转盘转动角度的1/2对应的d位置处，传感器监测转盘整个工作行程（a至g区域）。
48.本实施例中传感器输出信号如图8所示，控制器对传感器输出信号进行监测分析，传感器输出的信号与控制器设置的三个阈值v1、v2、v3相比较，当监测到传感器输出电压大于阈值v1时，表示自动转换开关已到达常用合闸位置；当检测到传感器输出电压大于v2-δv且小于v2+δv时，表示自动转换开关已到达双分位置，δv为传感器输出电压在双分位置的允差；当检测到传感器1输出电压小于阈值v3时，表示自动转换开关已到达备用合闸位置，从而精确实现自动转换开关合分位置的检测。本实施例的三个阈值v1、v2、v3以及δv可以分别为2.5v、2v、1.5v、0.05v。
49.由图7可知，自动转换开关从常用合闸位置a至双分位置d的距离（s2）是固定的，控制器通过检测到传感器大于v1，判断自动转换开关处于常用合闸位置，控制器检测常用异常、备用正常时控制操作机构常用分闸指令，并开始计时，控制器检测到传感器输出电压为v2时结束计时，获得自动转换开关从常用合闸到双分的时间t2，控制器通过计算s2/t2获得自动转换开关的常用分闸平均转换速度vt2。
50.同理，控制器可获取常用合闸、备用合闸、备用分闸时的平均转换速度，通过平均转换速度与转换速度阈值进行比较，可知自动转换开关转换是否异常。
51.如图8所示，控制器检测转盘在x、y位置对应的传感器输出电压vx、vy，通过查询控制器中预置的电压-距离对应表查出传感器输出电压vx、vy分别对应的距离sx、sy，转盘运动距离δs= sy-sx；控制器检测到电压为vx时读取时钟tx、检测到输出电压为vy读取时钟ty，时间差δt=ty-tx，控制器计算δv=δs/δt即可获知自动转换开关转盘从x位置到y位置的平均转换速度。特别地，自动转换开关在常用分闸、备用分闸时的转换速度，通过与常用分闸转换速度阈值、备用分闸时的转换速度阈值进行比较，可知自动转换开关转换是否异常。
52.与上一实施例类似，控制器可根据传感器的最大值变化量可获知转盘的转动角度变化量，即等效获知常用触头、转轴的综合磨损量；根据传感器的最大值变化量可获知转盘的转动角度变化量，即等效获知备用触头、转轴的综合磨损量，从而实现自动转换开关对自身健康状态的监测。
53.以上两个实施例中采用的位置检测方案是磁场产生部件被设置为与动触头随动，而磁场传感部件被设置为相对动触头静止；实际上反之亦可，其位置检测原理和过程基本相同，可根据具体的自动转换开关电器结构以及实际需要进行灵活设计，此处不再赘述。
54.通过本自动转换开关电器健康状态诊断装置，通过软件算法还可获取触头行程、开距、超行程、刚合/刚分速度、合/分闸最大速度及触头弹跳等参数，进一步提升自动转换开关电器健康诊断能力。