自動控制系統(tǒng)在發(fā)電機切換系統(tǒng)中的應(yīng)用

張未英

（山西職業(yè)技術(shù)學院， 山西 太原 030006）

為了提高配電系統(tǒng)供電的可靠度及縮短因事故停電的電力中斷時間及復(fù)電時間，在現(xiàn)今的發(fā)電機配電系統(tǒng)中已越來越多的設(shè)計采用了加裝控制切換「正常/緊急」電源的自動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來實現(xiàn)發(fā)電機組與市電的自動切換功能。發(fā)電機的自控系統(tǒng)主要通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)，自控系統(tǒng)通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)可實現(xiàn)兩路電源的快速帶載切換。

1 ATS自動轉(zhuǎn)換開關(guān)工作原理

自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器簡稱為ATS，ATS主要用在緊急供電系統(tǒng)，將負載電路從1個電源自動換接至另1個（備用）電源的開關(guān)電器，以確保重要負荷連續(xù)、可靠運行。因此，ATS常常應(yīng)用在實現(xiàn)無人值守的發(fā)電機自動控制系統(tǒng)中。ATS一般由兩部分組成：控制器和開關(guān)本體。

控制器主要用來檢測被監(jiān)測電源（兩路）工作狀況，當被監(jiān)測的電源發(fā)生故障（如任意一相斷相、欠壓、失壓或頻率出現(xiàn)偏差）時，控制器發(fā)出動作指令，開關(guān)本體則帶著負載從1個電源自動轉(zhuǎn)換至另1個電源，備用電源其容量一般僅是常用電源容量的20%～30%。ATS的控制器有兩種形式：一種由傳統(tǒng)的電磁式繼電器構(gòu)成；另一種是數(shù)字電子型智能化產(chǎn)品。它具有性能好，參數(shù)可調(diào)及精度高，可靠性高，使用方便等優(yōu)點。而開關(guān)本體又有PC級（整體式）與CB級（斷路器）之分。

1）PC級。一體式結(jié)構(gòu)（三點式）。它是雙電源切換的專用開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、自身連鎖、轉(zhuǎn)換速度快（0.2 s內(nèi)）、安全、可靠等優(yōu)點，但需要配備短路保護電器。

2）CB級。配備過電流脫扣器的ATS，它的主觸頭能夠接通并用于分斷短路電流。它是由2臺斷路器加機械連鎖組成，具有短路保護功能，

2 ATS系統(tǒng)系統(tǒng)功能要求

2.1 一般特性

1）ATS系統(tǒng)基本上有3極和4極的分別，為有效縮減系統(tǒng)尺寸則要先依據(jù)需要被轉(zhuǎn)換的電纜數(shù)量進行規(guī)劃。

2）在實際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和相關(guān)的保護系統(tǒng)都要通過短路電流的短時沖擊耐受測試。

3）在運行中，開關(guān)的通電接點要在各種環(huán)境下保持動作自如，并且能夠自我清潔以提高此通電接點的接觸能力。

4）轉(zhuǎn)換開關(guān)通電接點的斷開與閉合必須快速動作，并且與自動驅(qū)動機構(gòu)無關(guān)（通電接點的斷開與閉合速度與電動及手動切換操作無關(guān)）。

5）系統(tǒng)的位置和通電接點狀態(tài)應(yīng)不受環(huán)境振動或供電電源的電壓波動影響（系統(tǒng)位置的穩(wěn)定狀態(tài)無需電源供電=在穩(wěn)定位置沒有電源消耗）。

2.2 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的安全

1）轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須整合電氣及機械連鎖的控制，其目的是為了避免同時接通另一路電源而造成意外事故。

2）轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須在兩路電源之間以及進線及出線端之間整合成安全斷開功能。

3）在沒有電源供電或在電氣指令失效的情況下，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須可以用手動操作（在1，0或2位置皆可以）。

4）在手動模式下，“自動模式/手動模式”的功能選擇器必須能抑制任何自動控制指令。此外還必須可有配備附鑰匙的功能選擇器以確保安全地進行操作模式的選擇。

5）轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須包含在0位的鎖定，如果需要還必須可以在3個位置的鎖定。

6）在進入手動操作模式時自動模式或鎖定位置必須被禁止，在手動操作（操作手柄已就位）中或在鎖定位置時，必須避免自動模式被啟動。

2.3 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的自動控制

1）轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須包含正常/緊急轉(zhuǎn)換順序的自動控制功能。轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)配備發(fā)電機控制（啟動和停止操作）以便依照變壓器/發(fā)電機類型應(yīng)用的ATS運行。

2）在自動轉(zhuǎn)換流程圖中可以清楚地看到，電源正?？捎脿顟B(tài)和轉(zhuǎn)換開關(guān)所在位置的指示。

3）轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)可以通過人機對話介面輕松進行參數(shù)設(shè)定。而進入?yún)?shù)設(shè)定程序必須通過密碼的安全驗證。

4）轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)可以透過本地或遠端控制方式來選擇優(yōu)先電源（主要電源）。

5）在主要和備用電源中，三相供電線路的檢測須保證安全監(jiān)視。

6）需有對電壓及頻率量測值進行監(jiān)控和顯示的功能。

7）電壓和頻率的最大及最小限定值以及相關(guān)的回復(fù)值應(yīng)能設(shè)定以避免任何因檢測過程而觸發(fā)不正常的轉(zhuǎn)換。

8）相序監(jiān)測功能應(yīng)永久保證系統(tǒng)中兩路電源的相序是正確的。

9）正常/緊急電源轉(zhuǎn)換順序應(yīng)包含以下計時器：在啟動主要電源中斷轉(zhuǎn)換順序前，主要電源中斷計時器將驗證主要電源是否中斷；在切換前，轉(zhuǎn)換計時器（緊急電源可用計時器）將驗證緊急電源是否穩(wěn)定；0位計時器（停留時間）是在轉(zhuǎn)換開關(guān)從1-2或2-1的轉(zhuǎn)換過程中動作。這個計時器的延遲時間可以根據(jù)負載的感應(yīng)電壓釋放曲線而調(diào)整；停機計時器在發(fā)電機當作備用電源的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中應(yīng)用，它可以確定當負載切換回主要電源以后，發(fā)電機冷卻停機所需的時間。

10）通過確認程序應(yīng)可以阻止系統(tǒng)再轉(zhuǎn)換操作（從緊急電源轉(zhuǎn)換到主要電源）。在選擇從備用電源轉(zhuǎn)換回主要電源時，只有透過按鍵或遠端遙控接點信號確認才可以轉(zhuǎn)換。

11）轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)便于加裝通訊設(shè)備（RS485 Jbus/Modbus通訊協(xié)定），以允許遠端遙控轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

3 自動控制系統(tǒng)中ATS開關(guān)的應(yīng)用

要從一路電源轉(zhuǎn)換到另一路電源時就需要使用轉(zhuǎn)換開關(guān)，通常用「正常/緊急」來表示此一功能。

轉(zhuǎn)換的概念主要應(yīng)用于2組電源間的轉(zhuǎn)換，其中1路作為主要電源而另1路則作為緊急電源或備用電源。

大多數(shù)安裝自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的場所都是為了當主要電源故障時能轉(zhuǎn)換到另1備用電源緊急供電。

3.1 電/發(fā)電機轉(zhuǎn)換（見圖1）

圖1 電/發(fā)電機轉(zhuǎn)換示意圖

轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要配置了緊急電源系統(tǒng)來保證系統(tǒng)安全供電。

在實際應(yīng)用中此種形式的供電方式是為了保證系統(tǒng)安全供電，并且保證與故障系統(tǒng)隔離。

3.2 電網(wǎng)/電網(wǎng)轉(zhuǎn)換（見圖2）

圖2 電網(wǎng)/電網(wǎng)轉(zhuǎn)換示意圖

此種形式的供電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于照明、警報系統(tǒng)、煙霧偵測系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、空氣壓縮機、升降機設(shè)備等。

4 發(fā)電機自動控制系統(tǒng)中ATS的應(yīng)用

隨著機電產(chǎn)品的不斷數(shù)字化、集成化，其正在向一個性能優(yōu)良、運行可靠、高精度的自動化方向發(fā)展，ATS在供配電系統(tǒng)中得到了廣泛的使用，現(xiàn)在的通信中心機房，大多數(shù)為無人值守機房，ATS的手自一體轉(zhuǎn)換功能，替代了人工倒換電源帶來的很多不便，實現(xiàn)了機房雙回路供電終端電源自動切換，有效地提高了作業(yè)效率，杜絕了人工倒換電源可能出現(xiàn)的安全隱患[1]。

ATS具有的短路、過載保護功能，過壓、欠壓、缺相自動轉(zhuǎn)換功能等，都具有較高的可靠性，有效地為設(shè)備安全運行提供了一定保護。另ATS開關(guān)機械轉(zhuǎn)換設(shè)計壽命循環(huán)為5 000～8 000次，最小轉(zhuǎn)換動作時間為1.5～4.0 s，和機房的發(fā)電機、UPS電源配合使用，很好的解決了通信、信號設(shè)備的不間斷供電（見圖 3）。

圖3 配電系統(tǒng)原理

系統(tǒng)投入使用時，ATS控制箱對市電電源進行監(jiān)測，當市電供電電壓出現(xiàn)異常時，包括電壓過高、電壓過低以及失相等故障時，智能控制器自動報警啟動發(fā)電機組，將負荷切換至發(fā)電機，保證了負荷的正常用電，當市電恢復(fù)正常供電時，經(jīng)延時判斷確認后，將負荷切換至市電電源上并關(guān)閉柴油發(fā)電機。柴油發(fā)電機組供電同時退出，經(jīng)一定時間后機組自動停機。整個過程為智能自動控制，做到機房無人值守。

5 結(jié)語

隨著自動控制系統(tǒng)在各行各業(yè)的應(yīng)用，對組成自動控制系統(tǒng)的ATS的產(chǎn)品品質(zhì)要求也越來越嚴格，其產(chǎn)品可靠性尤為重要，轉(zhuǎn)換一旦失敗將會造成以下二種危害之一，其電源間的短路或重要負荷斷電（甚至短暫停電），其后果都是嚴重的，這不僅僅會帶來經(jīng)濟損失（使生產(chǎn)停頓、金融癱瘓），也可能造成社會問題（使生命及安全處于危險之中）。因此，工業(yè)發(fā)達國家都把自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的生產(chǎn)、使用列為重點產(chǎn)品加以限制與規(guī)范。