一種新型的雙電源靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關的研制

張皆喜

隨著數(shù)據(jù)機房的不斷發(fā)展，IT設備運行的可靠性越來越受到重視，尤其機房IT設備電源管理已成為目前機房建設和維護的主要費用支出。此外，IDC機房用戶對供電電源的質(zhì)量和連續(xù)供電的要求越來越高。為滿足IT設備在20 ms以內(nèi)短時斷電后能正常工作，一般都采用兩路獨立電源供電，其中一路為常用電源，另一路為備用電源，兩路電源的切換控制由雙電源切換裝置完成。

目前可滿足20 ms內(nèi)實現(xiàn)雙電源切換的設備主要有兩種，ATS設備和STS設備。ATS是采用機械繼電器實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換設備，而STS采用的是可控硅實現(xiàn)。我們前期應用了ATS轉(zhuǎn)換，發(fā)現(xiàn)其存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在，要求所接負載滿足混合性負載特性，即不能是微感性的負載。正是由于IT設備中電源存在PFC電路而引起返電流放電時間太長，ATS設備切換時間過長，而導致掉電。本文介紹基于AVR單片機實現(xiàn)的一種改進型STS轉(zhuǎn)換器。

1 STS與ATS的區(qū)別

1.1 STS（Static Transfer Switch）－靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關

STS靜態(tài)切換開關主要由智能控制板、高速可控硅、斷路器構(gòu)成。其標準切換時間為≤8 ms，不會造成IT類負載斷電。既能對負載可靠供電，同時又能保證STS在不同相切換時的安全性。STS的基本應用包括電力工業(yè)的自動化系統(tǒng)，石化工業(yè)的電源系統(tǒng)，計算機和遠程通訊中心，大樓的自動化和安全系統(tǒng)，以及其他對電源中斷敏感的設備。

1.2 ATS（Automatic Transfer Switch）－自動轉(zhuǎn)換開關

ATS為機械結(jié)構(gòu)，以接觸器為切換執(zhí)行部件，切換功能由中間繼電器或邏輯控制模塊組成二次回路完成控制，缺點是主回路的接觸器工作需要二次回路長期通電，容易產(chǎn)生溫升發(fā)熱、觸點粘結(jié)、線圈燒毀等故障。同時如果是大負載情況下，轉(zhuǎn)換時間相對比較長，為100 ms以上，會造成負載斷電（見表1）。

表1 機房IT類設備允許斷電時間等級劃分

2 STS控制器的硬件結(jié)構(gòu)設計

STS控制器是由電源檢測模塊、執(zhí)行模塊、監(jiān)測控制模塊、返電流吸收回路模塊組成?？刂破髦饕δ苁亲畲笙薅鹊乇ＷC供電的連續(xù)性?？刂破骱诵牟捎肁Tmegal16單片機實現(xiàn)電源的檢測模塊及監(jiān)測控制模塊。該控制器基于對電壓、電流檢測和相序的判斷來控制切換。下面分別介紹各模塊的設計。

2.1 監(jiān)測控制模塊

該模塊是控制器的“心臟”，擔負著與其它模塊的數(shù)據(jù)交互。其采用ATmegal16單片機來實現(xiàn)，通過單片機的A/D口 、IO口、UART口來實現(xiàn)與其它模塊的連接。圖1為控制器的電路結(jié)構(gòu)框圖。

2.2 檢測模塊

2.2.1 電源檢測模塊

圖1 控制器電路結(jié)構(gòu)框圖

電源檢測模塊主要功能是進行電壓、電流及相序檢測，用于對電源異常的判斷依據(jù)。其中電壓取樣電路如圖2所示，交流電壓通過電阻分壓來得到一個小電壓，然后經(jīng)過RC濾波，濾除高頻干擾，取樣信號中均疊加一個1.2 V的直流電壓信號，這是由于ATmegal16不能接受負信號。取樣信號Vx送入LM393的3腳，經(jīng)過整形后，產(chǎn)生與測量信號頻率相同的方波信號，參見圖3。電流取樣采用電流互感器CT1，在3、4腳之間產(chǎn)生一個小電流（幾個mA），再經(jīng)過取樣電阻產(chǎn)生一個小電壓，經(jīng)過RC濾波，濾除高頻干擾，得到所需的取樣電壓，同樣經(jīng)LM393整形后，送到單片機，參見圖4所示。

圖2 電壓變換

圖3 波形變換電路

圖4 電流采樣

2.2.2 相序檢測模塊

相序檢測模塊采用雙向過零檢測，即把電源信號每周期的正向和負向的兩個過零點全部用來提取相序信息。經(jīng)過反復驗證和實驗表明，信號的某些缺陷所產(chǎn)生的過零檢測誤差在正、負向過零點處與其值相等、極性相反，利用誤差的互補性，采用雙向過零檢測，并進行平均，可以使所測相序誤差減至最小。其電路也包括兩部分：電源信號整形及鑒相器，整形電路由濾波電路及LM393組成的斯密特電壓比較器構(gòu)成，用于檢測交流信號的零點，參見圖5所示。

圖5 相序檢測電路

檢測方法是：當信號UI（UR）＞0時，D7（D9）導通、D8（D10）截止，LM393輸出高電平；當信號UI（UR）＜0時，D8（D10）導通、D7（D9）截止，LM393輸出低電平。這樣，正弦信號UI、UR就分別被整形成對稱方波（如圖6所示）。74 HC74是上升沿觸發(fā)雙D觸發(fā)器，由它組成的鑒相器對兩路由LM393整形出的脈沖信號的上升沿進行鑒相。假設UI信號超前于UR，上升沿觸發(fā)IC3：A，QA為高電平，即IC3：B的CD為高電平，接著UR信號上升沿來到，觸發(fā)IC3：B為低電平，則IC3：A的CD為低電平，QA被置0，IC3：B的 CD為0，QB為1，IC3：A 的CD為1，回到起始狀態(tài)，等待著下一次上升沿的到來。這樣循環(huán)往復，就在QA端形成了UI與UR之間的相序差脈沖波形（如圖6所示）。UI滯后于UR時，也可同樣分析。鑒相器輸出的是脈沖信號，脈沖頻率仍等于中頻信號，但脈沖寬度由兩路中頻信號的相序差來決定。脈沖信號在傳輸過程中會受到種種干擾而致使其脈寬等信息發(fā)生很大的失真。因此，必須對其進行處理，使其變成抗干擾性強的數(shù)字信號傳輸。在這里，可以采用壓頻轉(zhuǎn)換（VFC）技術(shù)來實現(xiàn)其轉(zhuǎn)換。壓頻轉(zhuǎn)換器的主要功能就是在規(guī)定的精度和頻率要求范圍內(nèi)，將模擬信號（電壓或電流）轉(zhuǎn)換成具有一定邏輯電平的數(shù)字脈沖輸出，數(shù)字脈沖的重復頻率與模擬電壓（或電流）成正比，在鑒相器后續(xù)電路中，引用壓頻轉(zhuǎn)換器將相序信號轉(zhuǎn)換為易于傳輸?shù)念l率信號進行傳輸。

相序檢測方法：在a相方波的輸入捕獲中斷和b相方波的外部中斷服務中分別記下信號上升沿時的定時器計數(shù)值（即發(fā)生時刻）t1和t2，其差值Δt對應于信號正向過零時間間隔，再根據(jù)相序差的定義，周期同為T的兩個信號，其相序差與時間差Δt之間的關系為￠＝360°Δt/T，由此得出AB兩相間的相序差，并進行判斷，若≤80°，可認為相序正常。

圖6 相序檢測波形

2.3 執(zhí)行模塊——靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關切換原理

執(zhí)行模塊：對于要求電源切換時間較短的負荷，采用無觸點電力電子開關作為執(zhí)行元件，實現(xiàn)一個周波以內(nèi)的快速切換甚至實現(xiàn)無縫切換。由于大多數(shù)重要負荷允許有幾毫秒間斷供電，圖7為靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關的主電路結(jié)構(gòu)。兩路交流電源U1和U2到負載的通道上都由兩個反向并聯(lián)的晶閘管控制。

電源發(fā)生故障時，根據(jù)其電壓電流相序和方向有4種狀況。以下僅分析當故障電源在電壓正半周階段發(fā)生故障時電流兩種方向下的切換控制過程。

2.3.1 電流流過晶閘管Q1a

先立即關斷Q1a和Q1b的驅(qū)動，然后開通與Q1a電流同向的Q2a的驅(qū)動，同時檢測Q1a的電流狀態(tài)。此時再分兩種情況：

（1）如果電源電壓U1＜U2，則Q1a承受反壓，Q2a承受正壓，兩者實現(xiàn)強迫換流。換流過程中流過Q1a的電流可表示為

式中，L為線路分布電感。

（2）此時如果電源電壓U1＞U2，則 Q2a盡管有驅(qū)動信號卻因承受反壓不能導通。

不論上述哪種情況，當檢測到Q1a中的電流為零時，開通Q2b驅(qū)動信號。只不過在U1＜U2的情況下，是Q2b和Q2a之間實現(xiàn)自然換流。在U1＞U2的情況下，則是Q2b和Q1a之間實現(xiàn)自然換流。

2.3.2 電流流過晶閘管Q1b

先立即關斷Q1a和Q1b的驅(qū)動，然后開通與Q1b電流同向的Q2b的驅(qū)動，同時檢測Q1b的電流狀態(tài)。此時，再分兩種情況：

（1）如果電源電壓U1＞U2，則 Q1b承受反壓，Q2b承受正壓，兩者實現(xiàn)強迫換流。

（2）如果電源電壓U1＜U2，則Q2b盡管有驅(qū)動信號卻因承受反壓不能導通。

不論上述那種情況，當檢測到Q1b中的電流為零時，開通Q2a驅(qū)動信號。在U1＞U2的情況下，是Q2a和Q2b之間實現(xiàn)自然換流。在U1＜U2的情況下，則是Q2a和Q1b之間實現(xiàn)自然換流。

總體來說，要實現(xiàn)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關的可靠切換，當檢測到電源故障時，必須立即關斷故障電源側(cè)的各SCR驅(qū)動，同時根據(jù)檢測到的發(fā)生故障時電流方向去觸發(fā)備用電源上同電流方向的SCR。之后等待檢測到故障電源側(cè)SCR上的電流為零后，觸發(fā)備用電源上另一個SCR，如圖7所示。

圖7 STS切換主電路

2.4 放電吸收回路

增加吸收回路后的執(zhí)行電路如圖8所示。

圖8 增加吸收回路后的執(zhí)行電路

由于增加了吸收電路，吸收電路啟動工作時會引起設備發(fā)熱，但由于采用了晶閘管控制吸收阻抗的啟動和關閉，因此在短期放電時間里，發(fā)熱是有限的。

圖9 不同負載下測試結(jié)果

圖10 控制器程序流程

圖9為不同負載下測試的結(jié)果。

經(jīng)過吸收放電電路后，測試結(jié)果發(fā)生了明顯的變化。無論感性負載還是容性負載均趨于類阻性負載特性。最終測試結(jié)果，帶8臺PC機的切換時間控制在10 ms以內(nèi)。

3 軟件程序

控制器程序流程如圖10所示。

4 結(jié)束語

本文提出了一種通過增強輔助吸收電路，來實現(xiàn)電源在快速切換時，能有效吸收未釋放的電能，從而確保雙電源可快速切換，不引起換流，并能滿足機房計算機類設備的允許掉電時間。

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