解析双电源转换开关-专题

概述
双电源自动转换开关作为工业和日常生活中的重要配电电器,起到十分重要的作用,它能够保证各种电源的源源不断的供应,以保证生产和生活的正常运行。因此,要对双电源自动转换开关的可靠性试验系统进行设计,必须要明白它是如何工作的,这章简单的介绍一下双电源自动转换开关的工作原理及技术特点。
目录
系统概述
组成和分类
工作原理
可靠性技术参数
关键词
开关 双电源转换开关 断路器 控制器
 
系统概述
科学技术的发展和高端精密设备的应用对电能质量及供电连续性和可靠性提出了更高的要求。航空航天测控、航空管理、通讯系统、电厂、医院等重要场所对供电可靠性几近苛刻,某些军事和国防部门基本不允许3~5ms  的供电中断。近年来,计算机广泛应用,短暂的供电中断也将使计算机的操作发生混乱,使正在处理的信息遭到破坏或丢失。
应此,双电源自动切换装置应运而生。双电源自动切换装置是一种由微处理器控制。用于电网系统中网电与网电或网电与发电机电源启动切换的装置.可使电源连续源供电。过去的两路电源用户,在低压侧采用手动操作的双向隔离开关进行倒闸操作,因此常出现误操作而引起事故。目前投入使用的专用智能化设备,具有自投自复、自投不自复和电网发电机三种切换功能,对两路供电电源的三相电压有效值及相位进行实时监测,当任一相发生过压、欠压、缺相,能自动从异常电源切换到正常电源。
双电源自动切换装置的起动原因通常有以下两项。(1)事故自动切换。由保护接点起动。发变组、厂变和其它保护出口跳工作电源开关的同时,起动快切装置进行切换,快切装置按事先设定的自动切换方式(串联、同时)进行分合闸操作。(2)不正常情况自动切换。有两种不正常情况,一是母线失压。母线电压低于整定电压达整定延时后.装置自行起动。并按自动方式进行切换。二是工作电源开关误跳,由工作开关辅助接点起动装置,在切换条件满足时合上备用电源。
双电源自动切换开关的选用自动转换开关电器(ATSE)是由—个(或几个)转换开关电器和其他必需的电器组成,用于监测电源、并将电路从—个或几个负载电路从—个电源自动转换至另—个电源的电器。
ATSE可分为PC级和CB级两个级别。PC级A1SE可分为由转换开关、电机操作机构或电磁操作机构、转换控制器、联锁机构组成的PC级ATSE和由无短路保护的断路器、电动操作机构、转换控制器、联锁机构组成的PC级ATSE两种形式。CB级ATSE是由断路器、电机操作机构或电磁操作机构、转换控制器、联锁机构组成。目前用户中已大量使用智能型双电源自动切换开关,对防止误操作、提高供电可靠性起到了一定作用。目前用户中常用的系列智能型双电源自动切换开关有以下几类。分别是RWQ4系列智能型双电源自动切换开关(PC级)和JXQ5系列自动转换开关
ARM微处理器技术设计而成的双电源自动切换系统,  实现了当常用电源发生故障时的解决方案。是一种用途越来越广的新颖电源转换设备,它由一个(或几个)转换开关电器和其它必需的电器组成,当常用电源出现失压、欠压、过压、缺相等故障时,它能将负载迅速地从常用电源自动切换到备用电源,从而确保用电的连续性、可靠性。
双电源自动切换系统采用 ARM 微处理芯片,对两路三相电各相的电压有效值、频率以及相位进行实时测量和监控。利用采样电路测量到的数据进行计算和分析,从而控制断路器,实现两路电源切换的目的。
1、CPU(控制核心):STM32F103RBT6 芯片;
2、系统电源:3.3V 直流电源供电;
3、采样电路:
(1)电压采样电路:通过电压互感器的等比例降压,转换电路的处理,使电压信号转变成
ARM 芯片能够处理的信号;
(2)频率采集电路:通过过零比较器把正弦信号转变成方波信号,之后通过 ARM芯片进行处理,计算出精确频率;
5、按键控制:设置常用电源、备用电源、双分、设置、确定共5个按钮,供用户操作;
6、断路器状态监测:通过断路器内行程开关的状态来实时监测双电源的工作情况;
7、控制:通过监控、测算六路输入信号的变化,从而通过控制算法控制断路器的分闸、合闸,实现两路电源的切换;
8、报警:当一路电源发生故障后,报警器会自动报警提示,并可手动关闭;
9、显示:TFT 屏,用以双电源自动切换系统各项工作参数,如电压有效值、频率、相位;电压信号采样电路
采样电路必须实时对常用电源以及备用电源信号进行数据采样,进而可以通过ARM芯片精准地分析信号的电压、频率等一些重要参数。但是常用电源和备用电源的电压信号较大,采样电路没法直接对它进行采样,所以首先要将信号通过电压互感器进行降压处理,其变换成幅值等于ARM芯片允许范围内的信号。经过降压采样后的模拟信号送至ARM芯片中转换成数字信号。但是由于电网中不可避免地会出现抖动,导致电网信号频率在短时间内会出现随机的变化,为了完成对其每周期采样固定点数的要求,不能直接进行简单的定时采样,而需要对电网信号的频率进行跟踪,产生精准的采样脉冲。ARM芯片在信号处理领域内具有非常明显的优势,能够实时和精确的信号处理分析。
综上所述,数据采集电路的设计中需要考虑的要求有:
1、本电压采样电路的对象是常用和备用电源的信号,必须得有相应的信号输入以及处理电路。
2、本电压采样电路处理后的信号要送给ARM进行处理,所以信号的幅度应在0~3.3V的范围内。
3、本电压采样电路需要同时对6路信号进行采样,所以应选择ARM芯片的6个I/O与之对应。电压信号采样电路主要功能是将常用三相电源和备用电源的电压信号进行采样和降压处理,由于 ARM 芯片只能处理峰峰值在 0~3.3V 之间的信号,所以必须先把6路有效值为 220V 的电压转换成相应的采样信号,然后输送给 ARM 控制芯片。为了方便分析,本文以 L1 表示常用电源、L2 表示备用电源。
以常用电源(L1)A 相信号为例。本设计的电压信号采样电路主要由电压互感器降压电路、信号叠加电路以及保护电路三部分组成。
第一部分电压互感器降压电路的作用是将 220V 的电压先进行初级降压处理,然后送入后一级电路。该电路的核心元器件是电压互感器,它是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U1 时,在铁心中就产生一个磁通 φ,根据电磁感应定律,则在二次绕组中就产生一个二次电压U2改变一次或二次绕组的匝数,可以产生不同的一次电压与二次电压比,这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器将高电压按比例转换成低电压。本设计采用微型精密交流电压互感器 TV1013-1M:它具有体积小,精度高;印刷线路板直接焊接安装,使用方便,外形美观,全封闭,机械和耐环境性能好,电压隔离能力强,安全可靠等特点。它工作在环境温度:-55℃~+85℃;相对湿度:温度为 40℃时不大于 90%;大气压力:860~1060mbar(约为650~800mm Hg)。工作频率范围:20Hz~20k Hz。绝缘耐热等级:F级(155℃)。此外还具有极高的安全特性:常态时大于1000MΩ的绝缘电阻;可承受工频2000V50Hz /1 分钟的抗电强度;符合UL94-Vo 级的阻燃性。作时初级通过输入耦合电阻 R1(100K/2W)接220V 电源UL1-A电压,次级接220Ω的负载电阻,输出信号大小在正负0.7V 之间变化,用UA1 表示。信号叠加电路是由核心元器件为集成运算放大器U1D 和稳压器D3 组成。集成运算放大器我们采用的是2.7 至 6.0V 的单电源CMOS运算放大器MCP604。它采用四运放标准14  引脚 PDIP、SOIC和TSSOP 封装。同时运用了先进的CMOS 技术,具有偏置电流低、运行速度快、开环增益高以及满幅输出等特点。
该系列产品采用单电源供电,供电电压可低达2.7V,同时静态电流消耗小于230 μA。此外,器件的共模输入电压范围低于系统电平 0.3V,使得该系列放大器十分适合单电源运行方式。由于静态电流低,这些器件适用于低功耗电池供电的电路,其很宽的带宽使其适用于A/D  转换器的驱动放大器,而其输入偏置电流低的特点则使其适用于抗混叠滤波器。
稳压器D3 我们选用可调式精密并联稳压器TL431C。TL431 为美国莫托罗拉公司的产品,称为可控精密稳压电源。这种三端集成电路在功能上相当于一只低温度系数的可变稳压值的稳压二极管。由于其内部有一个2.5V 的精密参考电压源,再借助两只外接电阻,其稳压值可在2.5~36V 间连续可调且输出电流较大,这使得它在许多电路中得到广泛的运用。它具有稳压值从2.5~36V 连续可调;参考电压源误差正负 1.0%;低动态输出电阻,典型值 0.22 欧姆;输出电流1.0~100m A;全温度范围内温度特性平坦,典型值50ppm/℃;低输出噪声电压等特点。此外它的工作温度为 0℃至+70℃。该系列产品采用单电源供电,供电电压可低达 2.7V,同时静态电流消耗小于 230  μA。此外,器件的共模输入电压范围低于系统电平 0.3V,使得该系列放大器十分适合单电源运行方式。由于静态电流低,这些器件适用于低功耗电池供电的电路,其很宽的带宽使其适用于 A/D 转换器的驱动放大器,而其输入偏置电流低的特点则使其适用于抗混叠滤波器。
CPU主电路
本设计的控制器CPU采用ARM-M3内核的STM32F103RBT6。该CPU是意法半导体(ST)公司生产的STM32F103XX增强型系列产品,该系列产品将32位MCU世界的性能和功效引向一个新的级别。STM32系列32位闪存微控制器使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核,该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。Cortex-M3在系统结构上的增强,让STM32受益无穷;Thumb-2®指令集带来了更高的指令效率和更强的性能;通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器,对中断事。
组成和分类
双电源自动转换开关是由两部分组成的,由一个操作机构和两个开关断路器组成,两个断路器分别接常用电源和备用电源,如果常用电源发生意外情况(如过流、频率变化、欠电压或断相)。操作机构接到内部处理器信号指令,使常用电源的开关转换到备用电源的开关上,使电源不至于停止供电。
根据短路电流能否被分段的特点来分,ATSE的开关主体可以分为两种类型:PC级(整体式)与 CB 级(断路式)。PC级:有接通和承载的能力,但这样的ATSE不能分段短路电流。CB 级:增添了过流脱扣器,当出现短路的情况时,主触头能及时的切开。控制器的作用是要时刻的监测负载的电源情况,在任意时刻电源电压出现故障(频率变化或者电压变化)时,操作机构会在控制器的驱使下,将出现故障的电源开关切换至另一个未出现故障的开关上。
国内市场目前ATSE产品有四大类:(1的线圈通电和能源的消耗,也很容易燃烧,分能力低,易发生动摇,接触时的焊接点易熔化,可靠性是非常低的,在电源不稳定的情况下容易引发事故,所以基本上没有企业使用这样的产品;(2)CB级ATSE 由断路器加机械连锁组成,机械保留,合分闸时的条件更加完善,但是还是欠缺一些优点;(3)由两个负荷开关电动操作的设备组成,大大提高品产的可靠性,但是灭弧系统是基于断弧的要求而设计的,存在一些不合理因素;(4)PC(一体式)的ATSE,它基本上具有了上述产品的优势,还克服了自身的缺陷,在各个企业和生产车间应用广泛,是很有前景的双电源自动转换开关产品。
工作原理
1双电源自动转换开关工作的切换条件
双电源自动转换开关在电源发生故障的时候会进行电源切换,具体表现为电压故障、电流故障和频率的变化。
(1)电源电压的故障:工作的电压突然间发生断相、欠压等情况,主体开关断开,操作机构将备用电源的主体开关与电源连接,保证电力的正常供应。
(2)电源电流的故障:工作的电流突然间发生过流或者短路情况,此时操作机构也会及时进行切换。
(3)电源频率的故障:工作的电源频率偏离了正常的工作频率,操作机构也会进行开
关之间的切换来维持电源的正常供应。
2双电源自动转换开关的类型
双电源自动转换开关适用于很多不同的场合。随着现代工业的发展,人们对电力的要求也越来越高,所以双电源自动转换开关不仅要做到与自身相匹配的功能,还有根据不同的用户生产出满足不同功能的产品,具体的可分为三种不同功能类型的产品。
(1)自投自复类型:双电源自动转换开关的常用开关接到电源上,保持电源正常供应,如过由于意外情况发生时,为了保证电力的供应不至于切断,内部操作机构会将常用电源的开关切换至备用电源的开关上,切换时间根据产品的不同会有不一样的延时时间,当常用电源的故障解除时,操作机构又会把备用电源的开关再次转换至常用电源开关上。
(2)自投不自复类型:有别于自投自复类型,常用电源如果发生故障,操作机构接到内部控制器指令,需要将开关进行转换至备用电源上,而当常用电源再次恢复正常时,操作机构不再将开关再次进行切换,这时如有需要只能通过人工进行操作。
(3)互为备用类型:双电源自动转换开关的两路电源的地位相等,这里只是备用一路电源而已,在接到某一路电源出现故障信号时,操作机构会把电源开关转换至另一路电源而已,除非正在使用的电源发生故障,否则操作机构不会发生动作。
3双电源自动转换开关工作的工作原理
双电源自动转换开关的核心功能就是保障电源的持续供应来满足生产和生活中的各种要求,因此这样的功能可以分为人工控制和自动控制。
用户可以通过手动控制操作手柄控制电源开关,在自动控制模式下,自动转换开关是为了确定故障的类型,本质上满足转换条件,从而自动完成从常用电源到备用电源的切换功能。
一般的生活和生产过程中,双电源自动转换开关都具有自动控制模式,多数部分的双电源自动转换开关要完成一次转换需要经历三个过程:
(1)控制器检测出电源出现故障情况,常用电源开关断开,这些的故障满足ATSE的转换条件,控制器才能向ATSE发出指令。
(2)控制器发出转换指令,操作机构带动开关进行切换。
(3)备用电源接通负载,保证电源持续供应。
为了满足上述几点要求,ATSE还必须具备三个特点:第一,双电源自动转换开关在电源正常的情况下不能自行的发生切换。因此,一般的接触器(电压由于各种干扰发生一系列改变)和断路器(过载,短路)自动分闸,用于断开电路的非动力的原因的可能性不适合ATSE的主要专门设计的触点开关。二是有能力承受冲击电流,如果没有的话,双电源自动转换开关将被烧毁,给生产和生活带来重大的损失。三是要在电源出现故障的情况下能顺利的保证双电源自动转换开关的最基本的功能实现,即正确及时的转换开关,保证电力的持续供应。
因此,要满足上述几个条件才是双电源自动转换开关的基本要求,这有达到这样的功能的自动转换开关,才能应用在各种场合中,保证对电力的需求。
可靠性技术参数
根据GB-T 14048.11-2008,对双电源自动转换开关的一些可靠性技术参数和指标分列几点进行简要的分析。
1、ATSE的操作程序:常用电源出现偏差时,ATSE自动将负载从常用电源切换至备用电源,如果常用电源恢复正常,自投自复情况下,操作机构会将负载从备用电源切换至常用电源,在进行双电源自动转换开关的自动转换可靠性试验中会进行此种可靠性的分析。 
2、ATSE被检测到的电源偏差:进行供电的电源出现故障,如三相电源的某一相电压出现欠压或者过压时,或者电压的频率发生变化时,故障信号会反馈到控制器,进而使操作机构进行开关切换。
3、电源电压偏差:常用电源电压或者备用电源电压改变或者消失,试验需要进行可靠性分析的是欠压、失压和缺相。
4、触头转换时间:从常用电源电压发生故障时,到操作机构将开关转换至另外一个电源为止的时间。
5、总动作时间:总动作时间与特意引入的延时之和。
6、返回转换时间:从常用电源完全恢复正常的瞬间起至主触头组闭合常用电源的瞬间为止的时间加上特意引入的延时。
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相关词汇:低压电器高压电器电子元器件仪器仪表电子电器 
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