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西安交通大學 雙電源自動轉換開關設計
調研報告
組員：易強 、 肖夢龍 、賈皓 姜大昭、褚飛航 、 陳晨
2015/10/7 Wednesday
一、 項目背景及意義
1.1 項目背景
隨著電力事業的發展,電力質量日益受到人們的重視。而供電的連續性是電力質量的一個重要方面,對于某些特殊的用電部門(如醫院、機場、大型生產線等)尤為重要。保證供電連續性通常的解決辦法是,給供電對象提供主、備兩路獨立的電源,對兩路電源都進行實時監控。當主電源發生故障時,能根據設定的切換程序準確完成主、備用電源間的切換,從而最大限度地保證供電的連續性。
1.2 項目意義
分析國內外大部分雙電源轉換系統可知,一般裝置都由塑殼斷路器、機械聯鎖、控制器(繼電器實現)和電動操作機構組合構成。該系統雖具有結構簡單、成本低廉等優點,但也存在如下缺點:①控制器由繼電器實現,無法進行不同故障的識別;②功能單一,一般只能以電壓的有無作為判據轉換;③塑殼斷路器加電動操作機構的組合不適用于大功率低壓配電網使用框架式斷路器(ACB)的場合;④國內多數產品不具備通信功能,因而不能適應自動化發展的趨勢。由此可見,開發一種新型的智能(微機式)雙電源轉換控制器具有實際意義。
二、 國內外現狀及技術發展趨勢
自動轉換開關電器簡稱為 ATSE, 是 Automatic transfer switching equipment 的縮寫。ATSE 主要用在電源切換系統,一旦轉換失敗將造成電源間的短路或重要負荷斷電,這不僅帶來經濟損失(使生產停頓、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,工業發達國家都把 ATSE 的生產、使用列為重點產品加以限制與規范。
ATSE 一般由部分組成：開關本體+控制器。而開關本體又有 PC 級(整體式)與 CB級(斷路器)之分。
PC 級：能夠接通、承載、但不用于分斷短路電流的 ATSE。
CB 級：配備過電流脫扣器的 ATSE,它的主觸頭能夠接通并用于分斷短路電流。
控制器主要用來檢測被監測電源(兩路)工作狀況,當被監測的電源發生故障(如任意一相斷相、欠壓、失壓或頻率出現偏差)時,控制器發出動作指令,開關本體則帶著負載從一個電源自動轉換至另一個電源.
2.1 國外
以美國為代表的 ATSE 技術代表著當今世界 PC 級 ATSE 先進水平[1] 。目前美國較大規模企業有三四家,如 ONAN、AS2CO、GE - ZEN ITH,主要生產 PC 級(一體式) ATSE 產品,除基本型外,還有瞬間并聯型、旁路- 隔離型、延時轉換型等。
為滿足不停電電源要求,國外一些大公司推出以可控硅為主的電子式 ATSE,額定工作電流 100A～1200A,檢測、轉換時間≤5ms。它主要應用在電子商務網站、計算機數據中心、半導體芯片制造業及緊急救援中心等要害部門。
2.2 國內
總體看來，國內自動轉換開關的控制方式經歷了四個過程：
第一代為兩接觸器型轉換開關，是我國最早生產的雙電源轉換開關，它由兩臺接觸器搭接而成，這種裝置因機械聯鎖不可靠、耗電大等缺點，工程中越來越少采用。
第二代為兩斷路器式轉換開關，就是我國國家標準和 IEC 標準中提到的 CB 級 ATSE。它由兩斷路器改造而成，另配機械聯鎖裝置，具有短路或過電流保護
功能。但是機械聯鎖不可靠。
第三代為勵磁式專用轉化開關，它由勵磁式接觸器外加控制器構成一個整體，機械聯鎖可靠，由電磁線圈產生吸引力來驅動開關轉換，速度快。
第四代為電動式專用轉換開關，是 PC 級 ATSE。其主體為負荷隔離開關，為機電一體式開關電器。轉換由電機驅動，轉換平穩且速度快，并且具有過 0 位功能。PC 級 ATSE 在工程中的應用將成為主流。
80 年代初，將高速高效的微處理器應用到電源自動切換裝置上，提升了產品技術含量，實現產品智能化。電源自動切換技術朝著容量大型化，裝置一體化，功能智能化方向發展。
國內市場用于兩路電源轉換的電器產品目前有四類：
第一類．是由接觸器組成的 ATSE； 第二類. 是由斷路器組成的 ATSE； 第三類. 用電動負荷開關(符合 GBl40483 標準)完成兩路電源轉換的產品； 第四類為 PC 級(一體式)ATSE。
目前，國內生產 CB 級 ATS 產品的企業約幾十家，如天津低壓電器公司、天津萬高、等公司。生產 PC 級 ATS 產品的企業有無錫韓光、北京第一低壓電器、上海超韓等。
2.3 技術發展趨勢
隨著科學技術的不斷發展，近十年來，國外雙電源轉換開關發展非常迅速，它融合了現代材料機電、測量、控制和微機技術。產品不斷更新換代，其結構和技術性能有了嶄新的變化，促進雙電源轉換開關向大容量、高分斷方向發展。此外電力電子技術的發展，特別是集成電路和微處理器技術的發展和進步，對傳統的電磁機械保護式雙電源轉換開關已經產生了深刻的影響，可以這樣說，離開了電力電子技術，雙電源轉換開關將不可能獲得大的發展。
2.3.1 采用微處理控制器的雙電源轉換開關 采用微處理控制器實現雙電源轉換開關高性能、多功能和智能化為了擴大雙電源轉換開關只單純起轉換雙電源之作用，到可對轉換開關和開關設備實現遠程監控，建立可靠的管理控制接口實現設備的安全及經濟運行。這一方面，美國Zenith 公司是雙電源轉換開關研制、開發最杰出的代表。
Zenith 公司的 MX200 微處理器、ZENT200 網絡通訊系統均以微處理控制器為核心，控制單元均由數據采集、智能識別和執行機構三個模塊構成，極大豐富了雙電源轉換開關的智能化功能，可見采用微電子技術是雙電源轉換開關實現多功能化和智能化最有效的辦法。
2.3.2 新技術、新材料、新工藝 新技術、新材料、新工藝的應用促進雙電源轉換開關向結構模塊化、大容量、高分斷方向發展。隨著現代科學技術的高速發展，世界工業發達國家對構成雙電源轉換開關這一元件的基礎材料，諸如，電觸頭材料、磁性材料、電阻材料、熱雙金屬材料及絕緣材料的研究和開發十分重視，并研制出具有當代國際先進水平的小體積、大容量、高分斷、結構模塊化、產品性能智能化的雙電源轉換開關。
三、 項目目標及主要工作內容
3.1 目標
1、自動檢測主電源與備用電源的狀態。
2、可根據電源狀態進行切換。
3、可以調整切換時間
4、可以調整切換的電壓整定值。
5、相關的整定調整由按鍵與顯示裝置配合完成。
6、能夠直觀給出控制器的工作狀態。
7、控制器電源由直流電源模塊給出。
8、可以檢測出過壓、欠壓故障。
9、可以檢測出漏相、斷相、缺相等故障。
3.2 主要工作內容
調研市場上雙電源轉換器產品，提出控制器的需求，制訂控制器的開發方案，完成控制器的硬件和軟件設計，進行測試，并進行設計方案的經濟性分析。
四、初步設計方案 雙電源自動轉換開關有本體和智能控制器兩大部分：
裝置本體是兩臺帶有電動操作結構的斷路器及附屬件（輔助、報警觸頭）、機械聯鎖機構、熔斷器、接線端子組成，所有元件安裝在一塊金屬板上，機械聯鎖機構安裝在兩臺斷路器之間。具有機械聯鎖和電氣聯鎖雙重保護功能，可確保兩臺斷路器不能同時合閘。
智能控制器一種具有可編程功能，自動化測量、LCD 顯示、數字通訊為一體的智能雙電源切換模塊。智能控制器包括強電控制部分和弱點控制部分，弱電控制部分是整個控制部分的核心，完成兩路電源的檢測和人機交互。裝置本體和智能控制器二者之間用兩端轉有連接器的專用電纜線連接。
控制器對兩路電壓/電流同時進行檢測，對高于額定值(可調)的電源電壓判為過電壓，對低于額定值(可調)的判為欠電壓。微機控制電路對上述檢測結果進行邏輯判斷，處理結果通過延時(可調)電路驅動相應的指令向電動操動機構發出分閘或合閘指令。
初步設計方案分為硬件和軟件兩部分：
硬件設計主要包括單片機系統單元、電壓信號的輸入采樣和兩路電源的輸出控制單元、人機接口單元等幾個部分。
軟件設計采用模塊化設計。大致分為自動檢測模塊、數據采樣模塊、數據處理模塊、驅動模塊、人機互動模塊等。
五、進度安排 第 1 周：教師介紹項目，并分組。
第 2-3 周：調研
第 5 周：成果匯報
第 6-7 周：方案設計與討論
第 8-14 周：具體設計工作展開
六、參考文獻
[1] 劉秀菊．自動轉換開關電器（ATSE）在設計中的合理選擇與應用[J]．福建建設科技，2006（5）：78-80
[2] 馮文生．雙電源轉換開關的合理選擇[J]．工藝與設備，2006（4）：126-127
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