一種新型的雙電源靜態轉換開關的研制

2013-07-18 02:14:38張皆喜

通信電源技術 2013年1期

張皆喜

隨著數據機房的不斷發展，IT設備運行的可靠性越來越受到重視，尤其機房IT設備電源管理已成為目前機房建設和維護的主要費用支出。此外，IDC機房用戶對供電電源的質量和連續供電的要求越來越高。為滿足IT設備在20 ms以內短時斷電后能正常工作，一般都采用兩路獨立電源供電，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內實現雙電源切換的設備主要有兩種，ATS設備和STS設備。ATS是采用機械繼電器實現的轉換設備，而STS采用的是可控硅實現。我們前期應用了ATS轉換，發現其存在一定的局限性，主要體現在，要求所接負載滿足混合性負載特性，即不能是微感性的負載。正是由于IT設備中電源存在PFC電路而引起返電流放電時間太長，ATS設備切換時間過長，而導致掉電。本文介紹基于AVR單片機實現的一種改進型STS轉換器。

1 STS與ATS的區別

1.1 STS（Static Transfer Switch）－靜態轉換開關

STS靜態切換開關主要由智能控制板、高速可控硅、斷路器構成。其標準切換時間為≤8 ms，不會造成IT類負載斷電。既能對負載可靠供電，同時又能保證STS在不同相切換時的安全性。STS的基本應用包括電力工業的自動化系統，石化工業的電源系統，計算機和遠程通訊中心，大樓的自動化和安全系統，以及其他對電源中斷敏感的設備。

1.2 ATS（Automatic Transfer Switch）－自動轉換開關

ATS為機械結構，以接觸器為切換執行部件，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，缺點是主回路的接觸器工作需要二次回路長期通電，容易產生溫升發熱、觸點粘結、線圈燒毀等故障。同時如果是大負載情況下，轉換時間相對比較長，為100 ms以上，會造成負載斷電（見表1）。

表1 機房IT類設備允許斷電時間等級劃分

2 STS控制器的硬件結構設計

STS控制器是由電源檢測模塊、執行模塊、監測控制模塊、返電流吸收回路模塊組成。控制器主要功能是最大限度地保證供電的連續性。控制器核心采用ATmegal16單片機實現電源的檢測模塊及監測控制模塊。該控制器基于對電壓、電流檢測和相序的判斷來控制切換。下面分別介紹各模塊的設計。

2.1 監測控制模塊

該模塊是控制器的“心臟”，擔負著與其它模塊的數據交互。其采用ATmegal16單片機來實現，通過單片機的A/D口、IO口、UART口來實現與其它模塊的連接。圖1為控制器的電路結構框圖。

2.2 檢測模塊

2.2.1 電源檢測模塊

圖1 控制器電路結構框圖

電源檢測模塊主要功能是進行電壓、電流及相序檢測，用于對電源異常的判斷依據。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小電壓，然后經過RC濾波，濾除高頻干擾，取樣信號中均疊加一個1.2 V的直流電壓信號，這是由于ATmegal16不能接受負信號。取樣信號Vx送入LM393的3腳，經過整形后，產生與測量信號頻率相同的方波信號，參見圖3。電流取樣采用電流互感器CT1，在3、4腳之間產生一個小電流（幾個mA），再經過取樣電阻產生一個小電壓，經過RC濾波，濾除高頻干擾，得到所需的取樣電壓，同樣經LM393整形后，送到單片機，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 相序檢測模塊

相序檢測模塊采用雙向過零檢測，即把電源信號每周期的正向和負向的兩個過零點全部用來提取相序信息。經過反復驗證和實驗表明，信號的某些缺陷所產生的過零檢測誤差在正、負向過零點處與其值相等、極性相反，利用誤差的互補性，采用雙向過零檢測，并進行平均，可以使所測相序誤差減至最小。其電路也包括兩部分：電源信號整形及鑒相器，整形電路由濾波電路及LM393組成的斯密特電壓比較器構成，用于檢測交流信號的零點，參見圖5所示。

圖5 相序檢測電路

檢測方法是：當信號UI（UR）＞0時，D7（D9）導通、D8（D10）截止，LM393輸出高電平；當信號UI（UR）＜0時，D8（D10）導通、D7（D9）截止，LM393輸出低電平。這樣，正弦信號UI、UR就分別被整形成對稱方波（如圖6所示）。74 HC74是上升沿觸發雙D觸發器，由它組成的鑒相器對兩路由LM393整形出的脈沖信號的上升沿進行鑒相。假設UI信號超前于UR，上升沿觸發IC3：A，QA為高電平，即IC3：B的CD為高電平，接著UR信號上升沿來到，觸發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，等待著下一次上升沿的到來。這樣循環往復，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，也可同樣分析。鑒相器輸出的是脈沖信號，脈沖頻率仍等于中頻信號，但脈沖寬度由兩路中頻信號的相序差來決定。脈沖信號在傳輸過程中會受到種種干擾而致使其脈寬等信息發生很大的失真。因此，必須對其進行處理，使其變成抗干擾性強的數字信號傳輸。在這里，可以采用壓頻轉換（VFC）技術來實現其轉換。壓頻轉換器的主要功能就是在規定的精度和頻率要求范圍內，將模擬信號（電壓或電流）轉換成具有一定邏輯電平的數字脈沖輸出，數字脈沖的重復頻率與模擬電壓（或電流）成正比，在鑒相器后續電路中，引用壓頻轉換器將相序信號轉換為易于傳輸的頻率信號進行傳輸。

相序檢測方法：在a相方波的輸入捕獲中斷和b相方波的外部中斷服務中分別記下信號上升沿時的定時器計數值（即發生時刻）t1和t2，其差值Δt對應于信號正向過零時間間隔，再根據相序差的定義，周期同為T的兩個信號，其相序差與時間差Δt之間的關系為￠＝360°Δt/T，由此得出AB兩相間的相序差，并進行判斷，若≤80°，可認為相序正常。