一种新型的双电源静态转换开关的研制

张皆喜

随着数据机房的不断发展，IT设备运行的可靠性越来越受到重视，尤其机房IT设备电源管理已成为目前机房建设和维护的主要费用支出。此外，IDC机房用户对供电电源的质量和连续供电的要求越来越高。为满足IT设备在20 ms以内短时断电后能正常工作，一般都采用两路独立电源供电，其中一路为常用电源，另一路为备用电源，两路电源的切换控制由双电源切换装置完成。

目前可满足20 ms内实现双电源切换的设备主要有两种，ATS设备和STS设备。ATS是采用机械继电器实现的转换设备，而STS采用的是可控硅实现。我们前期应用了ATS转换，发现其存在一定的局限性，主要体现在，要求所接负载满足混合性负载特性，即不能是微感性的负载。正是由于IT设备中电源存在PFC电路而引起返电流放电时间太长，ATS设备切换时间过长，而导致掉电。本文介绍基于AVR单片机实现的一种改进型STS转换器。

1 STS与ATS的区别

1.1 STS（Static Transfer Switch）－静态转换开关

STS静态切换开关主要由智能控制板、高速可控硅、断路器构成。其标准切换时间为≤8 ms，不会造成IT类负载断电。既能对负载可靠供电，同时又能保证STS在不同相切换时的安全性。STS的基本应用包括电力工业的自动化系统，石化工业的电源系统，计算机和远程通讯中心，大楼的自动化和安全系统，以及其他对电源中断敏感的设备。

1.2 ATS（Automatic Transfer Switch）－自动转换开关

ATS为机械结构，以接触器为切换执行部件，切换功能由中间继电器或逻辑控制模块组成二次回路完成控制，缺点是主回路的接触器工作需要二次回路长期通电，容易产生温升发热、触点粘结、线圈烧毁等故障。同时如果是大负载情况下，转换时间相对比较长，为100 ms以上，会造成负载断电（见表1）。

表1 机房IT类设备允许断电时间等级划分

2 STS控制器的硬件结构设计

STS控制器是由电源检测模块、执行模块、监测控制模块、返电流吸收回路模块组成。控制器主要功能是最大限度地保证供电的连续性。控制器核心采用ATmegal16单片机实现电源的检测模块及监测控制模块。该控制器基于对电压、电流检测和相序的判断来控制切换。下面分别介绍各模块的设计。

2.1 监测控制模块

该模块是控制器的“心脏”，担负着与其它模块的数据交互。其采用ATmegal16单片机来实现，通过单片机的A/D口 、IO口、UART口来实现与其它模块的连接。图1为控制器的电路结构框图。

2.2 检测模块

2.2.1 电源检测模块

图1 控制器电路结构框图

电源检测模块主要功能是进行电压、电流及相序检测，用于对电源异常的判断依据。其中电压取样电路如图2所示，交流电压通过电阻分压来得到一个小电压，然后经过RC滤波，滤除高频干扰，取样信号中均叠加一个1.2 V的直流电压信号，这是由于ATmegal16不能接受负信号。取样信号Vx送入LM393的3脚，经过整形后，产生与测量信号频率相同的方波信号，参见图3。电流取样采用电流互感器CT1，在3、4脚之间产生一个小电流（几个mA），再经过取样电阻产生一个小电压，经过RC滤波，滤除高频干扰，得到所需的取样电压，同样经LM393整形后，送到单片机，参见图4所示。

图2 电压变换

图3 波形变换电路

图4 电流采样

2.2.2 相序检测模块

相序检测模块采用双向过零检测，即把电源信号每周期的正向和负向的两个过零点全部用来提取相序信息。经过反复验证和实验表明，信号的某些缺陷所产生的过零检测误差在正、负向过零点处与其值相等、极性相反，利用误差的互补性，采用双向过零检测，并进行平均，可以使所测相序误差减至最小。其电路也包括两部分：电源信号整形及鉴相器，整形电路由滤波电路及LM393组成的斯密特电压比较器构成，用于检测交流信号的零点，参见图5所示。

图5 相序检测电路

检测方法是：当信号UI（UR）＞0时，D7（D9）导通、D8（D10）截止，LM393输出高电平；当信号UI（UR）＜0时，D8（D10）导通、D7（D9）截止，LM393输出低电平。这样，正弦信号UI、UR就分别被整形成对称方波（如图6所示）。74 HC74是上升沿触发双D触发器，由它组成的鉴相器对两路由LM393整形出的脉冲信号的上升沿进行鉴相。假设UI信号超前于UR，上升沿触发IC3：A，QA为高电平，即IC3：B的CD为高电平，接着UR信号上升沿来到，触发IC3：B为低电平，则IC3：A的CD为低电平，QA被置0，IC3：B的 CD为0，QB为1，IC3：A 的CD为1，回到起始状态，等待着下一次上升沿的到来。这样循环往复，就在QA端形成了UI与UR之间的相序差脉冲波形（如图6所示）。UI滞后于UR时，也可同样分析。鉴相器输出的是脉冲信号，脉冲频率仍等于中频信号，但脉冲宽度由两路中频信号的相序差来决定。脉冲信号在传输过程中会受到种种干扰而致使其脉宽等信息发生很大的失真。因此，必须对其进行处理，使其变成抗干扰性强的数字信号传输。在这里，可以采用压频转换（VFC）技术来实现其转换。压频转换器的主要功能就是在规定的精度和频率要求范围内，将模拟信号（电压或电流）转换成具有一定逻辑电平的数字脉冲输出，数字脉冲的重复频率与模拟电压（或电流）成正比，在鉴相器后续电路中，引用压频转换器将相序信号转换为易于传输的频率信号进行传输。

相序检测方法：在a相方波的输入捕获中断和b相方波的外部中断服务中分别记下信号上升沿时的定时器计数值（即发生时刻）t1和t2，其差值Δt对应于信号正向过零时间间隔，再根据相序差的定义，周期同为T的两个信号，其相序差与时间差Δt之间的关系为￠＝360°Δt/T，由此得出AB两相间的相序差，并进行判断，若≤80°，可认为相序正常。

图6 相序检测波形

2.3 执行模块——静态转换开关切换原理

执行模块：对于要求电源切换时间较短的负荷，采用无触点电力电子开关作为执行元件，实现一个周波以内的快速切换甚至实现无缝切换。由于大多数重要负荷允许有几毫秒间断供电，图7为静态转换开关的主电路结构。两路交流电源U1和U2到负载的通道上都由两个反向并联的晶闸管控制。

电源发生故障时，根据其电压电流相序和方向有4种状况。以下仅分析当故障电源在电压正半周阶段发生故障时电流两种方向下的切换控制过程。

2.3.1 电流流过晶闸管Q1a

先立即关断Q1a和Q1b的驱动，然后开通与Q1a电流同向的Q2a的驱动，同时检测Q1a的电流状态。此时再分两种情况：

（1）如果电源电压U1＜U2，则Q1a承受反压，Q2a承受正压，两者实现强迫换流。换流过程中流过Q1a的电流可表示为

式中，L为线路分布电感。

（2）此时如果电源电压U1＞U2，则 Q2a尽管有驱动信号却因承受反压不能导通。

不论上述哪种情况，当检测到Q1a中的电流为零时，开通Q2b驱动信号。只不过在U1＜U2的情况下，是Q2b和Q2a之间实现自然换流。在U1＞U2的情况下，则是Q2b和Q1a之间实现自然换流。

2.3.2 电流流过晶闸管Q1b

先立即关断Q1a和Q1b的驱动，然后开通与Q1b电流同向的Q2b的驱动，同时检测Q1b的电流状态。此时，再分两种情况：

（1）如果电源电压U1＞U2，则 Q1b承受反压，Q2b承受正压，两者实现强迫换流。

（2）如果电源电压U1＜U2，则Q2b尽管有驱动信号却因承受反压不能导通。

不论上述那种情况，当检测到Q1b中的电流为零时，开通Q2a驱动信号。在U1＞U2的情况下，是Q2a和Q2b之间实现自然换流。在U1＜U2的情况下，则是Q2a和Q1b之间实现自然换流。

总体来说，要实现静态转换开关的可靠切换，当检测到电源故障时，必须立即关断故障电源侧的各SCR驱动，同时根据检测到的发生故障时电流方向去触发备用电源上同电流方向的SCR。之后等待检测到故障电源侧SCR上的电流为零后，触发备用电源上另一个SCR，如图7所示。

图7 STS切换主电路

2.4 放电吸收回路

增加吸收回路后的执行电路如图8所示。

图8 增加吸收回路后的执行电路

由于增加了吸收电路，吸收电路启动工作时会引起设备发热，但由于采用了晶闸管控制吸收阻抗的启动和关闭，因此在短期放电时间里，发热是有限的。

图9 不同负载下测试结果

图10 控制器程序流程

图9为不同负载下测试的结果。

经过吸收放电电路后，测试结果发生了明显的变化。无论感性负载还是容性负载均趋于类阻性负载特性。最终测试结果，带8台PC机的切换时间控制在10 ms以内。

3 软件程序

控制器程序流程如图10所示。

4 结束语

本文提出了一种通过增强辅助吸收电路，来实现电源在快速切换时，能有效吸收未释放的电能，从而确保双电源可快速切换，不引起换流，并能满足机房计算机类设备的允许掉电时间。

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