張皆喜

隨著數(shù)據(jù)機(jī)房的不斷發(fā)展，IT設(shè)備運(yùn)行的可靠性越來越受到重視，尤其機(jī)房IT設(shè)備電源管理已成為目前機(jī)房建設(shè)和維護(hù)的主要費(fèi)用支出。此外，IDC機(jī)房用戶對(duì)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(shè)備在20 ms以內(nèi)短時(shí)斷電后能正常工作，一般都采用兩路獨(dú)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(shí)現(xiàn)雙電源切換的設(shè)備主要有兩種，ATS設(shè)備和STS設(shè)備。ATS是采用機(jī)械繼電器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換設(shè)備，而STS采用的是可控硅實(shí)現(xiàn)。我們前期應(yīng)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(fù)載滿足混合性負(fù)載特性，即不能是微感性的負(fù)載。正是由于IT設(shè)備中電源存在PFC電路而引起返電流放電時(shí)間太長(zhǎng)，ATS設(shè)備切換時(shí)間過長(zhǎng)，而導(dǎo)致掉電。本文介紹基于AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的一種改進(jìn)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(guān)

STS靜態(tài)切換開關(guān)主要由智能控制板、高速可控硅、斷路器構(gòu)成。其標(biāo)準(zhǔn)切換時(shí)間為≤8 ms，不會(huì)造成IT類負(fù)載斷電。既能對(duì)負(fù)載可靠供電，同時(shí)又能保證STS在不同相切換時(shí)的安全性。STS的基本應(yīng)用包括電力工業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)，石化工業(yè)的電源系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程通訊中心，大樓的自動(dòng)化和安全系統(tǒng)，以及其他對(duì)電源中斷敏感的設(shè)備。

1.2 ATS（Automatic Transfer Switch）－自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)

ATS為機(jī)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(diǎn)是主回路的接觸器工作需要二次回路長(zhǎng)期通電，容易產(chǎn)生溫升發(fā)熱、觸點(diǎn)粘結(jié)、線圈燒毀等故障。同時(shí)如果是大負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)換時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，為100 ms以上，會(huì)造成負(fù)載斷電（見表1）。

表1 機(jī)房IT類設(shè)備允許斷電時(shí)間等級(jí)劃分

2 STS控制器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

STS控制器是由電源檢測(cè)模塊、執(zhí)行模塊、監(jiān)測(cè)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(jī)實(shí)現(xiàn)電源的檢測(cè)模塊及監(jiān)測(cè)控制模塊。該控制器基于對(duì)電壓、電流檢測(cè)和相序的判斷來控制切換。下面分別介紹各模塊的設(shè)計(jì)。

2.1 監(jiān)測(cè)控制模塊

該模塊是控制器的“心臟”，擔(dān)負(fù)著與其它模塊的數(shù)據(jù)交互。其采用ATmegal16單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過單片機(jī)的A/D口 、IO口、UART口來實(shí)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(cè)模塊

2.2.1 電源檢測(cè)模塊

圖1 控制器電路結(jié)構(gòu)框圖

電源檢測(cè)模塊主要功能是進(jìn)行電壓、電流及相序檢測(cè)，用于對(duì)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(gè)小電壓，然后經(jīng)過RC濾波，濾除高頻干擾，取樣信號(hào)中均疊加一個(gè)1.2 V的直流電壓信號(hào)，這是由于ATmegal16不能接受負(fù)信號(hào)。取樣信號(hào)Vx送入LM393的3腳，經(jīng)過整形后，產(chǎn)生與測(cè)量信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)，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(gè)小電流（幾個(gè)mA），再經(jīng)過取樣電阻產(chǎn)生一個(gè)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(jī)，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(cè)模塊

相序檢測(cè)模塊采用雙向過零檢測(cè)，即把電源信號(hào)每周期的正向和負(fù)向的兩個(gè)過零點(diǎn)全部用來提取相序信息。經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)表明，信號(hào)的某些缺陷所產(chǎn)生的過零檢測(cè)誤差在正、負(fù)向過零點(diǎn)處與其值相等、極性相反，利用誤差的互補(bǔ)性，采用雙向過零檢測(cè)，并進(jìn)行平均，可以使所測(cè)相序誤差減至最小。其電路也包括兩部分：電源信號(hào)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(cè)交流信號(hào)的零點(diǎn)，參見圖5所示。

圖5 相序檢測(cè)電路

檢測(cè)方法是：當(dāng)信號(hào)UI（UR）＞0時(shí)，D7（D9）導(dǎo)通、D8（D10）截止，LM393輸出高電平；當(dāng)信號(hào)UI（UR）＜0時(shí)，D8（D10）導(dǎo)通、D7（D9）截止，LM393輸出低電平。這樣，正弦信號(hào)UI、UR就分別被整形成對(duì)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(duì)兩路由LM393整形出的脈沖信號(hào)的上升沿進(jìn)行鑒相。假設(shè)UI信號(hào)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(hào)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(fù)，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(shí)，也可同樣分析。鑒相器輸出的是脈沖信號(hào)，脈沖頻率仍等于中頻信號(hào)，但脈沖寬度由兩路中頻信號(hào)的相序差來決定。脈沖信號(hào)在傳輸過程中會(huì)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(duì)其進(jìn)行處理，使其變成抗干擾性強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)傳輸。在這里，可以采用壓頻轉(zhuǎn)換（VFC）技術(shù)來實(shí)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(hào)（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(fù)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(hào)轉(zhuǎn)換為易于傳輸?shù)念l率信號(hào)進(jìn)行傳輸。

相序檢測(cè)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(wù)中分別記下信號(hào)上升沿時(shí)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值（即發(fā)生時(shí)刻）t1和t2，其差值Δt對(duì)應(yīng)于信號(hào)正向過零時(shí)間間隔，再根據(jù)相序差的定義，周期同為T的兩個(gè)信號(hào)，其相序差與時(shí)間差Δt之間的關(guān)系為￠＝360°Δt/T，由此得出AB兩相間的相序差，并進(jìn)行判斷，若≤80°，可認(rèn)為相序正常。

圖6 相序檢測(cè)波形

2.3 執(zhí)行模塊——靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換原理

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

電源發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)其電壓電流相序和方向有4種狀況。以下僅分析當(dāng)故障電源在電壓正半周階段發(fā)生故障時(shí)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(guān)斷Q1a和Q1b的驅(qū)動(dòng)，然后開通與Q1a電流同向的Q2a的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)Q1a的電流狀態(tài)。此時(shí)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(shí)如果電源電壓U1＞U2，則 Q2a盡管有驅(qū)動(dòng)信號(hào)卻因承受反壓不能導(dǎo)通。

不論上述哪種情況，當(dāng)檢測(cè)到Q1a中的電流為零時(shí)，開通Q2b驅(qū)動(dòng)信號(hào)。只不過在U1＜U2的情況下，是Q2b和Q2a之間實(shí)現(xiàn)自然換流。在U1＞U2的情況下，則是Q2b和Q1a之間實(shí)現(xiàn)自然換流。

2.3.2 電流流過晶閘管Q1b

先立即關(guān)斷Q1a和Q1b的驅(qū)動(dòng)，然后開通與Q1b電流同向的Q2b的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)Q1b的電流狀態(tài)。此時(shí)，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(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換流。

（2）如果電源電壓U1＜U2，則Q2b盡管有驅(qū)動(dòng)信號(hào)卻因承受反壓不能導(dǎo)通。

不論上述那種情況，當(dāng)檢測(cè)到Q1b中的電流為零時(shí)，開通Q2a驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在U1＞U2的情況下，是Q2a和Q2b之間實(shí)現(xiàn)自然換流。在U1＜U2的情況下，則是Q2a和Q1b之間實(shí)現(xiàn)自然換流。

總體來說，要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的可靠切換，當(dāng)檢測(cè)到電源故障時(shí)，必須立即關(guān)斷故障電源側(cè)的各SCR驅(qū)動(dòng)，同時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的發(fā)生故障時(shí)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(cè)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(gè)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(dòng)工作時(shí)會(huì)引起設(shè)備發(fā)熱，但由于采用了晶閘管控制吸收阻抗的啟動(dòng)和關(guān)閉，因此在短期放電時(shí)間里，發(fā)熱是有限的。

圖9 不同負(fù)載下測(cè)試結(jié)果

圖10 控制器程序流程

圖9為不同負(fù)載下測(cè)試的結(jié)果。

經(jīng)過吸收放電電路后，測(cè)試結(jié)果發(fā)生了明顯的變化。無論感性負(fù)載還是容性負(fù)載均趨于類阻性負(fù)載特性。最終測(cè)試結(jié)果，帶8臺(tái)PC機(jī)的切換時(shí)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(qiáng)輔助吸收電路，來實(shí)現(xiàn)電源在快速切換時(shí)，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(jī)房計(jì)算機(jī)類設(shè)備的允許掉電時(shí)間。

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