浅析智能双电源切换的控制原理和应用

侯双焕

摘要：双电源自动切换开关电器主要用在紧急供电系统，将负载电路从一个电源自动换接至另一个(备用)电源，以确保一级负荷连续、可靠运行，因此常常应用在重要用电场所，其产品可靠性尤为重要。转换一旦失败将可能造成电源间的短路或重要负荷断电(甚至短暂停电)，后果都是严重的，不仅仅会带来经济损失(使生产停顿、金融瘫痪)，还可能造成社会问题(使生命及安全处于危险之中)。因此，工业发达国家都把自动转换开关电器的生产、使用列为重点产品加以限制与规范。

关键词：双电源；自动切换开关；原理

双电源自动切换开关又称ATSE，分为CB级和PC级两个级别。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。PC级：能够接通、承载，但不用于分断短路电流的ATSE。双电源自动转换开关一般由两部分组成：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。下面文章对相关内容作一些简要阐述，仅供参考。

1智能双电源切换装置结构原理

智能双电源切换开关主要用于一些消防设备或重要设备的双回路供电系统中，比如消防喷淋管道消火栓管道电伴热系统、消防排烟风机、消防加压送风机、防火卷帘、EPS应急照明电源、UPS不间断电源等供电系统，供电方式一备一用。

两路电来自不同低压母线，正常情况下主回路电源投入供负荷用电，主回路电源故障或停电后自动投入备用回路，主回路投入具有优先权，有主电时备电永不投入，除非手动状态用手柄投入，投入备电时主电则自动断开，两回路电不会同时投入供负荷用电。

开关打到自动位置时装置可自动进行主备电切换；开关打到手动位置时通过装置前面的手柄来切换。

双电源主要分为PC级双电源(整体式)和CB级双电源(双断路器式)。PC级双电源：能够接通、承载、但不用于分断短路电流的双电源。不具有过电流脱扣器的负荷开关作为执行器则属于PC级自动转换开关，不具备保护功能，但其具备较高的耐受和接通能力，能够确保开关自身的安全，不因过载或短路等故障而损坏，保证回路可靠接通。CB级双电源：配备过电流脱扣器的双电源，主触头能够接通并用于分断短路电流。具有过电流脱扣器的断路器作为执行器则属于CB级自动转换开关，具备选择性的保护功能，能对下端的负荷和电缆提供短路和过载保护，其接通和分断能力远大于使用接触器和继电器等其他元器件。

2智能双电源切换的应用

2.1主电路控制

涵盖有主回路与信号回路（检验、测定、采样三相缺相）。前者输出时拥有W1与W2负载两路，而输入拥有U1与U2供电电源两路。后者U1电源经交流接触器KM1的主触点闭合，并与其负载W1连接在一起；电源U2主回路借助于交流接触器KM2的主触点闭合，并与其负载W2相联接，t受到主体控制电路的控制。若在某一电源出现问题以后，则会先断开交流接触器，同时也使其负载脱离故障电源回路，并与一些接触点构成闭合回路，并把这些电源切换到另外的电源，以保证正常的供电。电源U1和U2的主电路的输入开关QF1和QF2的重要作用就是实施电路保护和过载保护，也就是说两路三相电源的主回路中所有的位置都有电流表，以便可以了解各支路的电流情况，同时也与控制电路的缺相检测配合在一起。三相缺相检测采样信号回路，其缺相检测信号都是直接从电源中读取，也就是把其中相应的继电器KAl~KA3，KA4~KA6分别与主回路中的U1l和u2的ASH、BSU~UC相的单相回路保持连接，KA1～KA3和KA4～KA6的常开触点都可以充当U1和U2的三相缺相检测的开关检测信号，同时又作用于PLC的输入端。出于PLC继电器输出点的负载能力的考虑，通过接触器KM0l～KM03来使得电流触电器KMl～KM3受到相应的驱动。

2.2控制回路

（1）手动模式：把手动、自动开关打到手动位置，控制回路由于零线N断开所以只能通过装置手柄来投入主用电或者备用电。（2）自动模式：不管手、自动开关在什么位置，只要主用电有电则KA吸合。KA的开点控制电机合主电转动方向，闭点控制电机合备电转动方向，所以主电具有优先权。当手、自动开关打到自动时，KA的开点闭合，通过主行程开关的闭点使电机开始往合主电方向转动，当转到主行程开关行程到位时，主行程开关闭点断开电机停转，主电投入使用，主行程开关开点接通使主电合闸指示灯点亮。当主电没电时则KA断开，备电电源2L1提供电机控制电源，KA闭点接通，通过备行程开关的闭点使电动机往备电合闸的方向（即主电的反方向）转动，当转到备行程开关行程到位时，备行程开关闭点断开电机停转，备电投入使用，备行程开关开点接通使备电合闸指示灯点亮。

2.3切换电路设计

采用双向可控硅作为开关器件，与普通的机械开关相比具有开关速度快、无噪声、安全可靠、稳定、使用寿命长的特点。采用光耦MOC3022作为驱动芯片，不仅实现了微控制器对双向可控硅开关状态的快速控制，同时也起到了强弱电隔离的目的。当微控制器输出控制信号CTRL1与CTRL2均为低电平时，两个双向可控硅均不导通，负载上没有电压；当CTRL1为高电平、CTRL2为低电平时，主电源侧双向可控硅导通，副电源侧双向可控硅截止，负载的电源由主电源提供；当CTRL1为低电平、CTRL2为高电平时，负载的电源由副电源提供。

2.4实验验证和分析

1）对主电源掉电以后负载电压变化的实验验证

使用串联在主电源回路中的开关模拟主电源掉电过程，负载采用两个电阻串联，分压后的电压通过示波器观察，同样以微控制器输出的同步信号作为触发信号。示波器波形数据中，上方波形为微控制器检测出电源掉电以后，IO口输出上升沿作为同步信号，下方波形为负载电压变化波形。由波形数据可知，从主电源掉电开始至副电源给负载稳定供电的整个过程约为0.56ms，与电源掉电检测时间基本一致，因为光耦的传输延时为ns数量级，双向可控硅的开关时间为ms数量级，与工频信号20ms的周期相比均可忽略不计。

2）双电源切换时间的实验统计

为验证双电源切换实验过程中所得到的切换时间是否存在偶然性，对切换过程进行连续15次实验，大部分时候双电源切换过程的时间为0.5~0.6ms；当主电源消失时刻的瞬时电压值正好位于零点附近时，电源检测需要花费较长时间，此时双电源切换过程的时间为1~2ms。

综上所述，由实测数据可知，本文提出的基于采样点突变原理的电源检测算法能有效减少电源掉电检测时间，基于此算法设计的智能双电源切换装置能够在2ms内实现主电源掉电检测和主副电源切换过程，远快于现在市场上双电源切换开关6ms的时间指标，且无噪声、安全可靠、稳定。另外，微控制器上预留智能控制接口，方便在应急电源系统中集成应用。

参考文献：

[1]陈林.新型智能双电源电子快速切换系统的研究[D].合肥工业大学，2006.

[2]赵国深，王小斌.智能双电源切换的控制原理和应用[J].科技创新导报，2011，11:122-123.

[3]卢烨.浅析智能双电源切换的控制原理和应用[J].科技风，2015，07:15.