双电源系统市场需求调研报告

　西安交通大学 双电源自动转换开关设计

　调研报告

　组员：易强 、 肖梦龙 、贾皓 姜大昭、褚飞航 、 陈晨

　2015/10/7 Wednesday

　一、 项目背景及意义

　1.1 项目背景

　随着电力事业的发展,电力质量日益受到人们的重视。而供电的连续性是电力质量的一个重要方面,对于某些特殊的用电部门(如医院、机场、大型生产线等)尤为重要。保证供电连续性通常的解决办法是,给供电对象提供主、备两路独立的电源,对两路电源都进行实时监控。当主电源发生故障时,能根据设定的切换程序准确完成主、备用电源间的切换,从而最大限度地保证供电的连续性。

　1.2 项目意义

　分析国内外大部分双电源转换系统可知,一般装置都由塑壳断路器、机械联锁、控制器(继电器实现)和电动操作机构组合构成。该系统虽具有结构简单、成本低廉等优点,但也存在如下缺点:①控制器由继电器实现,无法进行不同故障的识别;②功能单一,一般只能以电压的有无作为判据转换;③塑壳断路器加电动操作机构的组合不适用于大功率低压配电网使用框架式断路器(ACB)的场合;④国内多数产品不具备通信功能,因而不能适应自动化发展的趋势。由此可见,开发一种新型的智能(微机式)双电源转换控制器具有实际意义。

　二、 国内外现状及技术发展趋势

　 自动转换开关电器简称为 ATSE, 是 Automatic transfer switching equipment 的缩写。ATSE 主要用在电源切换系统,一旦转换失败将造成电源间的短路或重要负荷断电,这不仅带来经济损失(使生产停顿、金融瘫痪) ,也可能造成社会问题(使生命及安全处于危险之中) 。因此,工业发达国家都把 ATSE 的生产、使用列为重点产品加以限制与规范。

　ATSE 一般由部分组成：开关本体+控制器。而开关本体又有 PC 级(整体式)与 CB级(断路器)之分。

　PC 级：能够接通、承载、但不用于分断短路电流的 ATSE。

　CB 级：配备过电流脱扣器的 ATSE,它的主触头能够接通并用于分断短路电流。

　控制器主要用来检测被监测电源(两路)工作状况,当被监测的电源发生故障(如任意一相断相、欠压、失压或频率出现偏差)时,控制器发出动作指令,开关本体则带着负载从一个电源自动转换至另一个电源.

　 2.1 国外

　以美国为代表的 ATSE 技术代表着当今世界 PC 级 ATSE 先进水平[1] 。目前美国较大规模企业有三四家,如 ONAN、AS2CO、GE - ZEN ITH,主要生产 PC 级(一体式) ATSE 产品,除基本型外,还有瞬间并联型、旁路- 隔离型、延时转换型等。

　为满足不停电电源要求,国外一些大公司推出以可控硅为主的电子式 ATSE,额定工作电流 100A～1200A,检测、转换时间≤5ms。它主要应用在电子商务网站、计算机数据中心、半导体芯片制造业及紧急救援中心等要害部门。

　2.2 国内

　总体看来，国内自动转换开关的控制方式经历了四个过程：

　第一代为两接触器型转换开关，是我国最早生产的双电源转换开关，它由两台接触器搭接而成，这种装置因机械联锁不可靠、耗电大等缺点，工程中越来越少采用。

　 第二代为两断路器式转换开关，就是我国国家标准和 IEC 标准中提到的 CB 级 ATSE。它由两断路器改造而成，另配机械联锁装置，具有短路或过电流保护

　功能。但是机械联锁不可靠。

　第三代为励磁式专用转化开关，它由励磁式接触器外加控制器构成一个整体，机械联锁可靠，由电磁线圈产生吸引力来驱动开关转换，速度快。

　第四代为电动式专用转换开关，是 PC 级 ATSE。其主体为负荷隔离开关，为机电一体式开关电器。转换由电机驱动，转换平稳且速度快，并且具有过 0 位功能。PC 级 ATSE 在工程中的应用将成为主流。

　80 年代初，将高速高效的微处理器应用到电源自动切换装置上，提升了产品技术含量，实现产品智能化。电源自动切换技术朝着容量大型化，装置一体化，功能智能化方向发展。

　国内市场用于两路电源转换的电器产品目前有四类：

　第一类．是由接触器组成的 ATSE； 第二类. 是由断路器组成的 ATSE； 第三类. 用电动负荷开关(符合 GBl40483 标准)完成两路电源转换的产品； 第四类为 PC 级(一体式)ATSE。

　目前，国内生产 CB 级 ATS 产品的企业约几十家，如天津低压电器公司、天津万高、等公司。生产 PC 级 ATS 产品的企业有无锡韩光、北京第一低压电器、上海超韩等。

　2.3 技术发展趋势

　随着科学技术的不断发展，近十年来，国外双电源转换开关发展非常迅速，它融合了现代材料机电、测量、控制和微机技术。产品不断更新换代，其结构和技术性能有了崭新的变化，促进双电源转换开关向大容量、高分断方向发展。此外电力电子技术的发展，特别是集成电路和微处理器技术的发展和进步，对传统的电磁机械保护式双电源转换开关已经产生了深刻的影响，可以这样说，离开了电力电子技术，双电源转换开关将不可能获得大的发展。

　2.3.1 采用微处理控制器的双电源转换开关 采用微处理控制器实现双电源转换开关高性能、多功能和智能化为了扩大双电源转换开关只单纯起转换双电源之作用，到可对转换开关和开关设备实现远程监控，建立可靠的管理控制接口实现设备的安全及经济运行。这一方面，美国Zenith 公司是双电源转换开关研制、开发最杰出的代表。

　Zenith 公司的 MX200 微处理器、ZENT200 网络通讯系统均以微处理控制器为核心，控制单元均由数据采集、智能识别和执行机构三个模块构成，极大丰富了双电源转换开关的智能化功能，可见采用微电子技术是双电源转换开关实现多功能化和智能化最有效的办法。

　2.3.2 新技术、新材料、新工艺 新技术、新材料、新工艺的应用促进双电源转换开关向结构模块化、大容量、高分断方向发展。随着现代科学技术的高速发展，世界工业发达国家对构成双电源转换开关这一元件的基础材料，诸如，电触头材料、磁性材料、电阻材料、热双金属材料及绝缘材料的研究和开发十分重视，并研制出具有当代国际先进水平的小体积、大容量、高分断、结构模块化、产品性能智能化的双电源转换开关。

　三、 项目目标及主要工作内容

　3.1 目标

　 1、自动检测主电源与备用电源的状态。

　 2、可根据电源状态进行切换。

　3、可以调整切换时间

　 4、可以调整切换的电压整定值。

　 5、相关的整定调整由按键与显示装置配合完成。

　 6、能够直观给出控制器的工作状态。

　 7、控制器电源由直流电源模块给出。

　 8、可以检测出过压、欠压故障。

　 9、可以检测出漏相、断相、缺相等故障。

　3.2 主要工作内容

　 调研市场上双电源转换器产品，提出控制器的需求，制订控制器的开发方案，完成控制器的硬件和软件设计，进行测试，并进行设计方案的经济性分析。

　四、初步设计方案 双电源自动转换开关有本体和智能控制器两大部分：

　装置本体是两台带有电动操作结构的断路器及附属件（辅助、报警触头）、机械联锁机构、熔断器、接线端子组成，所有元件安装在一块金属板上，机械联锁机构安装在两台断路器之间。具有机械联锁和电气联锁双重保护功能，可确保两台断路器不能同时合闸。

　智能控制器一种具有可编程功能，自动化测量、LCD 显示、数字通讯为一体的智能双电源切换模块。智能控制器包括强电控制部分和弱点控制部分，弱电控制部分是整个控制部分的核心，完成两路电源的检测和人机交互。装置本体和智能控制器二者之间用两端转有连接器的专用电缆线连接。

　控制器对两路电压/电流同时进行检测，对高于额定值(可调)的电源电压判为过电压，对低于额定值(可调)的判为欠电压。微机控制电路对上述检测结果进行逻辑判断，处理结果通过延时(可调)电路驱动相应的指令向电动操动机构发出分闸或合闸指令。

　 初步设计方案分为硬件和软件两部分：

　硬件设计主要包括单片机系统单元、电压信号的输入采样和两路电源的输出控制单元、人机接口单元等几个部分。

　软件设计采用模块化设计。大致分为自动检测模块、数据采样模块、数据处理模块、驱动模块、人机互动模块等。

　五、进度安排 第 1 周：教师介绍项目，并分组。

　第 2-3 周：调研

　 第 5 周：成果汇报

　 第 6-7 周：方案设计与讨论

　 第 8-14 周：具体设计工作展开

　 第 5-16 周：总结，报告。

　六、参考文献

　[1] 刘秀菊．自动转换开关电器（ATSE）在设计中的合理选择与应用[J]．福建建设科技，2006（5）：78-80

　[2] 冯文生．双电源转换开关的合理选择[J]．工艺与设备，2006（4）：126-127