西安交通大學(xué) 雙電源自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)設計
調研報告
組員：易強 、 肖夢(mèng)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(zhù)電力事業(yè)的發(fā)展,電力質(zhì)量日益受到人們的重視。而供電的連續性是電力質(zhì)量的一個(gè)重要方面,對于某些特殊的用電部門(mén)(如醫院、機場(chǎng)、大型生產(chǎn)線(xiàn)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(jìn)行實(shí)時(shí)監控。當主電源發(fā)生故障時(shí),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(lián)鎖、控制器(繼電器實(shí)現)和電動(dòng)操作機構組合構成。該系統雖具有結構簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),但也存在如下缺點(diǎn):①控制器由繼電器實(shí)現,無(wú)法進(jìn)行不同故障的識別;②功能單一,一般只能以電壓的有無(wú)作為判據轉換;③塑殼斷路器加電動(dòng)操作機構的組合不適用于大功率低壓配電網(wǎng)使用框架式斷路器(ACB)的場(chǎng)合;④?chē)鴥榷鄶诞a(chǎn)品不具備通信功能,因而不能適應自動(dòng)化發(fā)展的趨勢。由此可見(jiàn),開(kāi)發(fā)一種新型的智能(微機式)雙電源轉換控制器具有實(shí)際意義。
二、 國內外現狀及技術(shù)發(fā)展趨勢
自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)電器簡(jiǎn)稱(chēng)為 ATSE, 是 Automatic transfer switching equipment 的縮寫(xiě)。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(lái)經(jīng)濟損失(使生產(chǎn)停頓、金融癱瘓) ,也可能造成社會(huì )問(wèn)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 ATSE 的生產(chǎn)、使用列為重點(diǎn)產(chǎn)品加以限制與規范。
ATSE 一般由部分組成：開(kāi)關(guān)本體+控制器。而開(kāi)關(guān)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(guò)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(lái)檢測被監測電源(兩路)工作狀況,當被監測的電源發(fā)生故障(如任意一相斷相、欠壓、失壓或頻率出現偏差)時(shí),控制器發(fā)出動(dòng)作指令,開(kāi)關(guān)本體則帶著(zhù)負載從一個(gè)電源自動(dòng)轉換至另一個(gè)電源.
2.1 國外
以美國為代表的 ATSE 技術(shù)代表著(zhù)當今世界 PC 級 ATSE 先進(jìn)水平[1] 。目前美國較大規模企業(yè)有三四家,如 ONAN、AS2CO、GE - ZEN ITH,主要生產(chǎn) PC 級(一體式) ATSE 產(chǎn)品,除基本型外,還有瞬間并聯(lián)型、旁路- 隔離型、延時(shí)轉換型等。
為滿(mǎn)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(shí)間≤5ms。它主要應用在電子商務(wù)網(wǎng)站、計算機數據中心、半導體芯片制造業(yè)及緊急救援中心等要害部門(mén)。
2.2 國內
總體看來(lái)，國內自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)的控制方式經(jīng)歷了四個(gè)過(guò)程：
第一代為兩接觸器型轉換開(kāi)關(guān)，是我國最早生產(chǎn)的雙電源轉換開(kāi)關(guān)，它由兩臺接觸器搭接而成，這種裝置因機械聯(lián)鎖不可靠、耗電大等缺點(diǎn)，工程中越來(lái)越少采用。
第二代為兩斷路器式轉換開(kāi)關(guān)，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(lián)鎖裝置，具有短路或過(guò)電流保護
功能。但是機械聯(lián)鎖不可靠。
第三代為勵磁式專(zhuān)用轉化開(kāi)關(guān)，它由勵磁式接觸器外加控制器構成一個(gè)整體，機械聯(lián)鎖可靠，由電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生吸引力來(lái)驅動(dòng)開(kāi)關(guān)轉換，速度快。
第四代為電動(dòng)式專(zhuān)用轉換開(kāi)關(guān)，是 PC 級 ATSE。其主體為負荷隔離開(kāi)關(guān)，為機電一體式開(kāi)關(guān)電器。轉換由電機驅動(dòng)，轉換平穩且速度快，并且具有過(guò) 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(dòng)切換裝置上，提升了產(chǎn)品技術(shù)含量，實(shí)現產(chǎn)品智能化。電源自動(dòng)切換技術(shù)朝著(zhù)容量大型化，裝置一體化，功能智能化方向發(fā)展。
國內市場(chǎng)用于兩路電源轉換的電器產(chǎn)品目前有四類(lèi)：
第一類(lèi)．是由接觸器組成的 ATSE； 第二類(lèi). 是由斷路器組成的 ATSE； 第三類(lèi). 用電動(dòng)負荷開(kāi)關(guān)(符合 GBl40483 標準)完成兩路電源轉換的產(chǎn)品； 第四類(lèi)為 PC 級(一體式)ATSE。
目前，國內生產(chǎn) CB 級 ATS 產(chǎn)品的企業(yè)約幾十家，如天津低壓電器公司、天津萬(wàn)高、等公司。生產(chǎn) PC 級 ATS 產(chǎn)品的企業(yè)有無(wú)錫韓光、北京第一低壓電器、上海超韓等。
2.3 技術(shù)發(fā)展趨勢
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，近十年來(lái)，國外雙電源轉換開(kāi)關(guān)發(fā)展非常迅速，它融合了現代材料機電、測量、控制和微機技術(shù)。產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，其結構和技術(shù)性能有了嶄新的變化，促進(jìn)雙電源轉換開(kāi)關(guān)向大容量、高分斷方向發(fā)展。此外電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是集成電路和微處理器技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對傳統的電磁機械保護式雙電源轉換開(kāi)關(guān)已經(jīng)產(chǎn)生了深刻的影響，可以這樣說(shuō)，離開(kāi)了電力電子技術(shù)，雙電源轉換開(kāi)關(guān)將不可能獲得大的發(fā)展。
2.3.1 采用微處理控制器的雙電源轉換開(kāi)關(guān) 采用微處理控制器實(shí)現雙電源轉換開(kāi)關(guān)高性能、多功能和智能化為了擴大雙電源轉換開(kāi)關(guān)只單純起轉換雙電源之作用，到可對轉換開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)設備實(shí)現遠程監控，建立可靠的管理控制接口實(shí)現設備的安全及經(jīng)濟運行。這一方面，美國Zenith 公司是雙電源轉換開(kāi)關(guān)研制、開(kāi)發(fā)最杰出的代表。
Zenith 公司的 MX200 微處理器、ZENT200 網(wǎng)絡(luò )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(gè)模塊構成，極大豐富了雙電源轉換開(kāi)關(guān)的智能化功能，可見(jiàn)采用微電子技術(shù)是雙電源轉換開(kāi)關(guān)實(shí)現多功能化和智能化最有效的辦法。
2.3.2 新技術(shù)、新材料、新工藝 新技術(shù)、新材料、新工藝的應用促進(jìn)雙電源轉換開(kāi)關(guān)向結構模塊化、大容量、高分斷方向發(fā)展。隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，世界工業(yè)發(fā)達國家對構成雙電源轉換開(kāi)關(guān)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(kāi)發(fā)十分重視，并研制出具有當代國際先進(jìn)水平的小體積、大容量、高分斷、結構模塊化、產(chǎn)品性能智能化的雙電源轉換開(kāi)關(guān)。
三、 項目目標及主要工作內容
3.1 目標
1、自動(dòng)檢測主電源與備用電源的狀態(tài)。
2、可根據電源狀態(tài)進(jìn)行切換。
3、可以調整切換時(shí)間
4、可以調整切換的電壓整定值。
5、相關(guān)的整定調整由按鍵與顯示裝置配合完成。
6、能夠直觀(guān)給出控制器的工作狀態(tài)。
7、控制器電源由直流電源模塊給出。
8、可以檢測出過(guò)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(chǎng)上雙電源轉換器產(chǎn)品，提出控制器的需求，制訂控制器的開(kāi)發(fā)方案，完成控制器的硬件和軟件設計，進(jìn)行測試，并進(jìn)行設計方案的經(jīng)濟性分析。
四、初步設計方案 雙電源自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)有本體和智能控制器兩大部分：
裝置本體是兩臺帶有電動(dòng)操作結構的斷路器及附屬件（輔助、報警觸頭）、機械聯(lián)鎖機構、熔斷器、接線(xiàn)端子組成，所有元件安裝在一塊金屬板上，機械聯(lián)鎖機構安裝在兩臺斷路器之間。具有機械聯(lián)鎖和電氣聯(lián)鎖雙重保護功能，可確保兩臺斷路器不能同時(shí)合閘。
智能控制器一種具有可編程功能，自動(dòng)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(diǎn)控制部分，弱電控制部分是整個(gè)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(zhuān)用電纜線(xiàn)連接。
控制器對兩路電壓/電流同時(shí)進(jìn)行檢測，對高于額定值(可調)的電源電壓判為過(guò)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(jìn)行邏輯判斷，處理結果通過(guò)延時(shí)(可調)電路驅動(dòng)相應的指令向電動(dòng)操動(dòng)機構發(fā)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(gè)部分。
軟件設計采用模塊化設計。大致分為自動(dòng)檢測模塊、數據采樣模塊、數據處理模塊、驅動(dòng)模塊、人機互動(dòng)模塊等。
五、進(jìn)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(kāi)
六、參考文獻
[1] 劉秀菊．自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)的合理選擇[J]．工藝與設備，2006（4）：126-127
