STS輸入配電系統(tǒng)解決方案

3.1　STS型自動切換開關的主控切換通道：

(1)自動切換供電通道：由輸入電源1、外置斷路器開關Ka、斷路器開關CB1、STS1和公用輸出開關CB3組成它的第1條供電通道。由輸入電源2、外置斷路器開關Kb、斷路器開關CB2、STS2和公用輸出開關CB3組成其第2條供電通道。其中的STS1和STS2”靜態(tài)開關”均是由反向并聯(lián)的”SCR可控硅”來構成自動切換開關的”可控交流供電通道”。當我們將輸入電源1和輸入電源2分別選定為LTM開關的“優(yōu)先供電電源”和“備用電源”時，在來自邏輯控制板的SCR的柵極觸發(fā)信號的調控下，STS1和STS2將分別處于”導通”狀態(tài)和”關斷”狀態(tài)。在此條件下，輸入電源1就將通過Ka、CB1、STS1和CB3通道向后接負載供電。反之，如果將輸入電源2選定為它的“優(yōu)先供電電源”時、輸入電2就將通過Kb、CB2、STS2和CB3供電通道向后接負載供電。

(2)維修旁路供電通道：它是由兩組帶二匙二鎖的”機電互鎖”功能的CB1、CB2、CB3、CB4和CB5等斷路器開關所組成的兩條維修旁路來組成的。設置維修旁路的目的是：() 確保LTM開關在連續(xù)地向后接的網(wǎng)絡設備供電的條件下，能對它內部的”STS功率切換”部件或”斷路器開關” 等部件執(zhí)行”脫機”式的更換操作; ()防止因”誤操作”而致使兩路交流輸入電源同時被”誤接通”、并進而造成在它的輸出端出現(xiàn)”停電” 等不幸事故的發(fā)生(注：為進一步提高LTM開關的”容錯”功能，艾默生公司還能提供帶雙”公共輸出開關”CB3和CB3A的產(chǎn)品)。

(3)“熱插拔”更換操作：為確保在向后接負載不間斷地供電的條件下，能對“負載自動切換開關”執(zhí)行“帶電式”的“熱插拔”操作。所有STS功率切換模塊及斷路器開關都用“可熱插拔”的、模塊化的設計方案。在此條件下，操作人員就可根據(jù)從它的LCD顯示屏上所獲得的故障信息、用“帶電”式“熱插拔”操作的辦法、迅速和準確地更換掉相關的“有故障”的部件，從而達到縮短平均維修時間(MTTR)的目的。

3.2 STS型負載自動切換開關的邏輯控制部件：

為確保UPS雙總線輸出供電系統(tǒng)能獲得“信息網(wǎng)絡”級的高可靠性，在這種STS型負載自動切換開關的控制電路中用如下多重冗余設計方案來增強它的”容錯”功能(見圖3)：

　i. 用全數(shù)字的DSP調控技術及CANBUS數(shù)字通信技術,大大地提高它的調控精度和響應速度;
　ii.為確保DSP芯片和可控硅驅動電路能穩(wěn)定和可靠地運行, 對負責向它供電的直流輔助電源用下述的多重冗余設計方案：()由兩路具有平均無故障工作時間高達230萬小時的“N+1”UPS冗余并機系統(tǒng)+EMC輸入濾波器所組成的電路向兩套具有“雙路交流輸入端”供電特性的直流輔助電源1和2提供冗余式的“凈化”電源。 ()從兩套冗余式的直流電源所輸出的兩路DC電源以“雙母線”的形式向3個邏輯控制板及可控硅驅動板提供它們所需的控制電源;
　iii.為確保SCR型“可控硅功率模塊”能準確無誤地運行，由3塊邏輯控制板來共同對它提供”2+1” 冗余式的”柵極觸發(fā)”調控信號;
　iv.為確保LTM開關能準確無誤地執(zhí)行切換操作，對于它內部的“2+1” 冗余式的邏輯控制板來說，還對“負載自動切換開關”的兩路輸入電源和輸出電源的如下運行參數(shù)、執(zhí)行不間斷的高精度的監(jiān)控及數(shù)據(jù)樣操作：相序、頻率、相位差、快速“過壓及欠壓”(脈寬4ms的瞬態(tài)浪涌/電壓下陷)、緩慢“過壓及欠壓”、峰值電流Ipk、KVA、KW、Pf、直流電源的冗余度、風扇的冗余度等。
　v.為提高LTM開關的可靠性，在它的所有的“弱電”邏輯控制部件同“強電”功率部件之間的機械設計上、都用“分開隔離安裝”的配置方案。對于這樣的LTM開關來說，只要有一路輸入電源工作正常，位于它內部的所有“可維護的電氣部件均可在向負載連續(xù)供電的條件下、執(zhí)行熱插拔式的“更換”操作。

　在此基礎上，當今的STS型“負載自動切換開關”的平均無故障工作時間(MTBF)已高達100萬小時以上。顯然，這樣的MTBF值是遠高于當今UPS工業(yè)所制造出的UPS單機的MTBF值(40-50萬小時)的。

4　負載自動切換開關能執(zhí)行安全切換操作的前提條件

4.1 兩路輸入的交流電源必須處于“相互同步入鎖”工作狀態(tài)

長期的運行實踐表明：為確保UPS雙總線輸出供電系統(tǒng)能安全可靠地運行，負責向“負載自動切換開關”供電的兩路交流電源必須處于“相互入鎖”的工作狀態(tài)。這意味著：當“負載自動切換開關”在執(zhí)行切換操作的瞬間，期望兩路交流電源之間的相位差盡可能地接近于零(見圖4a)。在這里，為討論方便計，將輸入電源1和電源2分別指定為“優(yōu)先供電電源”和“備用電源”、并且假定電源1和電源2是處于同頻率、同相位的理想運行狀態(tài)之下的，當電源1因故出現(xiàn)停電或“過壓/欠壓”故障時，“負載自動切換開關”就會自動執(zhí)行如圖4a所示的“同相”切換操作，從而確保信息網(wǎng)絡的安全運行。反之，如果在要求它執(zhí)行切換操作的瞬間、不能確保電源1和電源2是處于“同相位”的工作狀態(tài)的話(注：此時，即使這兩路交流電源的頻率和電壓幅值都相等的)，“此時的”負載自動切換開關就會因兩路輸入電源之間的相位差過大、而被置于“禁止切換”操作的工作狀態(tài)之下，從而造成在“負載自動切換開關”輸出端出現(xiàn)“停電”故障、并進而導致“網(wǎng)絡癱瘓”故障發(fā)生。

　在此條件下，如果因故致使”負載自動切換開關”執(zhí)行”誤切換操作”或不顧后果地強迫它執(zhí)行切換操作的話，就有可能因為在兩路交流電源之間作”異相切換操作”時所產(chǎn)生的”瞬態(tài)電壓值”相差過大(見圖4b)而導致出現(xiàn)如下更加嚴重的故障發(fā)生：
　i. LTM開關的供電線路中的上游側的“斷路器開關”跳閘,造成對網(wǎng)絡設備的大面積的停電;
　ii.分別來自兩套UPS電源的電源1和電源2因出現(xiàn)“輸出過流”故障而同時進入“自動關機”狀態(tài);
　iii.因在“切換操作瞬間”所形成的“瞬態(tài)浪涌電壓過高”而損壞網(wǎng)絡設備(例：燒毀網(wǎng)路中某些服務器、網(wǎng)關等)或致使部份的網(wǎng)絡設備因執(zhí)行“重新開機啟動”的誤操作而進入“網(wǎng)絡癱瘓”狀態(tài)。
　　
解決上述矛盾的技術措施之一是：在兩套UPS供電系統(tǒng)之間配置“負載同步控制器” LBS( Load Bus Synchronizer), 從而確保從兩套UPS供電系統(tǒng)所輸出的電源總是處于相互同步跟蹤的“入鎖狀態(tài)”之中。

4.2 執(zhí)行“先斷后開”的切換操作：

從上面的分析可知：只有當“優(yōu)先供電電源”因故出現(xiàn)停電/電壓或頻率“超限”故障時，才需要”負載自動切換開關“執(zhí)行切換操作。顯然，在此瞬間，“優(yōu)先供電電源”肯定是處于故障工作狀態(tài)之下的。為防止在兩路輸入電源之間、因出現(xiàn)過大的“交叉性”的和破壞性的“環(huán)流”而致使原來處于正常工作狀態(tài)的“備用電源”也被拖入到“自動關機”/“被損壞”的不幸事件的發(fā)生。在“負載自動切換開關”的設計中，用的是“先斷后開”的切換操作方式、其典型的切換操作時間為：4ms左右(它包括故障診斷時間和切換操作時間)。這就意味著：當出現(xiàn)上述故障時，處于“優(yōu)先供電”通道上的STS-1開關應該首先被“關斷”。然后，再將處于“備用供電”通道上的另一個STS-2開關后“接通”，從而達到消除位于“負載自動切換開關”的上游側的兩路交流電源之間出現(xiàn)交叉性的“環(huán)流”的可能性(注：“環(huán)流”是指在兩套交流電源之間流動的”破壞性電流”,它不是流進網(wǎng)絡設備中的有用負載電流)。

　在此需特別說明的是，此時易產(chǎn)生如下誤解：既然LTM開關已用“先斷后通”的切換方式，似乎就沒有必要再要求送到“負載自動切換開關”上的兩路交流電源一定是處于“相互同步入鎖”狀態(tài)之下。然而，回答是原否定的。其原因是：為確保信息網(wǎng)絡的安全運行(注：網(wǎng)絡設備允許的瞬間供電中斷時間為20ms左右)，“負載自動切換開關”的切換時間被限定在4-5ms左右。根據(jù)可控硅的工作原理，對于原來處于導通狀態(tài)的可控硅來說，一旦它被置于觸發(fā)導通狀態(tài)之后、即使把送到它的柵極上的“觸發(fā)脈沖”撤除掉后、它將繼續(xù)處于導通狀態(tài)、直至到輸入電源的電壓下降到“過零點”為止。對于呈現(xiàn)電感性的供電線路而言，還要求流過可控硅中的“滯后電流”而言，還要求下降到可控硅的截止電流以下。因此，對于50Hz的供電電源來說，仍有處于“優(yōu)先供電通道”上和”備用電源供電通道”上的兩對SCR可控硅同時處于導通狀態(tài)的可能性(其重疊導通時間在0-5ms的范圍之間)。正是基于上述原因，確保UPS雙總線輸出系統(tǒng)的安全運行所需的條件仍然是：兩路交流電源應該處于”相互入鎖”狀態(tài)之中。

5　大功率負載自動切Q開關各種工作模式

5.1 正常工作模式和自動切換工作模式：

　如圖5a所示，來自兩套UPS并機供電系統(tǒng)的電源1和電源2被分別送到4個“負載自動切換開關”LTM1、2、3、4的兩個輸入端上(為便于負載均衡供電及有利于增”故障隔離”功能，在該“雙總線輸出”供電系統(tǒng)中、配置有4個的LTM開關。此時，用戶可在STS型“負載自動切換開關”的控制面板的LCD監(jiān)示屏上、用“人―機對話”的菜單操作的方法來確定將那套UPS并機系統(tǒng)的輸出電源作為它們的”優(yōu)先供電電源”。例如：在這里，我們將送到LTM1和2開關上的輸入電源1和電源2分別選定為它們的”優(yōu)先供電電源”和”備用供電電源”， 將送到LTM3和4開關的電源2和電源1分別選定為它們的”優(yōu)先供電電源”和”備用供電電源”。在此條件下，只要”優(yōu)先供電電源”的電壓和頻率在其所允許的工作范圍之仁保電源1將分別通過LTM1和LTM2開關向后接負載提供I1和I2電流; 電源2分別通過LTM3和LTM4開關向后接負載提供I3和I4電流。在LTM開關的運行中，當因故致使輸入電源1發(fā)生故障時(例：發(fā)生電源1“停電”或頻率/“電壓超限”故障時)，LTM1和2開關就會自動地以“先斷后通”的工作方式、在3-5ms的時間齲將用戶的負載同原來處于”備用供電電源”狀態(tài)的電源2相接通(見圖5b), 從而確保信息網(wǎng)絡的安全運行(注：對于當今的網(wǎng)絡設備來說，它們所允許的瞬間供電中斷時間約為20ms左右。因此，上述的3-5ms的切換時間是絕對不會影響到信息網(wǎng)絡的正常運行的)。

5.2 “手動/自動返回式切換”工作模式：

　在“負載自動切換開關”因故執(zhí)行從“優(yōu)先供電電源”→“備用供電電源”切換操作之后，當承擔“優(yōu)先供電電源”任務的輸入電源1恢復正常工作時(它的電壓、頻率及同“備用供電電源”之間的“相位差”均符合所規(guī)定的窗口要求)，則必須經(jīng)過適當?shù)摹皶r間延遲”后、才允許LTM開關根據(jù)用戶所設置的不同的返回式切換工作模式來分別執(zhí)行手動或自動的返回式切換操作。此時，它可根據(jù)用戶的愿望被分別設置成自動復位(Reset)或手動復位(Reset)兩種工作模式。例如：如果LTM1和2開關被設置成自動復位(Reset)工作模式的話，當“優(yōu)先供電電源”恢復正常工作狀態(tài)后，連接在LTM1和2開關的后面的網(wǎng)絡設備將會自動地重新恢復到由電源1供電的正常工作狀態(tài)(見圖5a)。在這里，為返回式切換操作設置一定的時間延遲的目的是：防止因“優(yōu)先供電電源”在尚未進入穩(wěn)定工作狀態(tài)時、因倉促執(zhí)行切換操作而誘發(fā)“負載自動切換開關”頻繁地執(zhí)行“誤切換操作”的弊端。在實踐中，LTM開關的典型的切換“延時時間”為：3秒左右，其可調范圍為：1―60秒。反之，如果LTM開關被設置成手動復位(Reset)工作模式的話，當“優(yōu)先供電電源”恢復正常工作狀態(tài)后，則要求用戶通過在LTM1和2開關的LCD屏上、發(fā)出執(zhí)行手動切換操作的指令，它才會執(zhí)行返回式切換操作。否則，這些“負載自動切換開關”的后接負載將被繼續(xù)鎖定在” 被禁止切換”的工作狀態(tài)之中(見圖5b)，繼續(xù)由原定的“備用電源”供電。

5.3 “禁止切換”工作模式