UPS“双总线输出”供电系统用负载自动切换开关

3.2 STS型负载自动切换开关的逻辑控制部件：

　　为确保UPS双总线输出供电系统能获得“信息网络”级的高可靠性，在这种STS型负载自动切换开关的控制电路中釆用如下多重冗余设计方案来增强它的”容错”功能(见图3)：
　　i. 釆用全数字的DSP调控技术及CANBUS数字通信技术,大大地提高它的调控精度和响应速度;
　　ii.为确保DSP芯片和可控硅驱动电路能稳定和可靠地运行, 对负责向它供电的直流辅助电源釆用下述的多重冗余设计方案：(ⅰ)由两路具有平均无故障工作时间高达230万小时的“N+1”UPS冗余并机系统+EMC输入滤波器所组成的电路向两套具有“双路交流输入端”供电特性的直流辅助电源1和2提供冗余式的“净化”电源。(ⅱ)从两套冗余式的直流电源所输出的两路DC电源以“双母线”的形式向3个逻辑控制板及可控硅驱动板提供它们所需的控制电源;
　　iii.为确保SCR型“可控硅功率模块”能准确无误地运行，由3块逻辑控制板来共同对它提供”2+1” 冗余式的”栅极触发”调控信号;
　　iv.为确保LTM开关能准确无误地执行切换操作，对于它内部的“2+1” 冗余式的逻辑控制板来说，还对“负载自动切换开关”的两路输入电源和输出电源的如下运行参数、执行不间断的高精度的监控及数据釆样操作：相序、频率、相位差、快速“过压及欠压”(脉宽4ms的瞬态浪涌/电压下陷)、缓慢“过压及欠压”、峰值电流Ipk、KVA、KW、Pf、直流电源的冗余度、风扇的冗余度等。
　　v.为提高LTM开关的可靠性，在它的所有的“弱电”逻辑控制部件同“强电”功率部件之间的机械设计上、都釆用“分开隔离安装”的配置方案。对于这样的LTM开关来说，只要有一路输入电源工作正常，位于它内部的所有“可维护的电气部件"均可在向负载连续供电的条件下、执行热插拔式的“更换”操作。
　　在此基础上，当今的STS型“负载自动切换开关”的平均无故障工作时间(MTBF)已高达100万小时以上。显然，这样的MTBF值是远高于当今UPS工业所制造出的UPS单机的MTBF值(40-50万小时)的。

图三　带多重冗余设计的STS逻辑控制装置

4　负载自动切换开关能执行安全切换操作的前提条件

4.1 两路输入的交流电源必须处于“相互同步入锁”工作状态

　　长期的运行实践表明：为确保UPS双总线输出供电系统能安全可靠地运行，负责向“负载自动切换开关”供电的两路交流电源必须处于“相互入锁”的工作状态。这意味着：当“负载自动切换开关”在执行切换操作的瞬间，期望两路交流电源之间的相位差尽可能地接近于零(见图4a)。在这里，为讨论方便计，将输入电源1和电源2分别指定为“优先供电电源”和“备用电源”、并且假定电源1和电源2是处于同频率、同相位的理想运行状态之下的，当电源1因故出现停电或“过压/欠压”故障时，“负载自动切换开关”就会自动执行如图4a所示的“同相”切换操作，从而确保信息网络的安全运行。反之，如果在要求它执行切换操作的瞬间、不能确保电源1和电源2是处于“同相位”的工作状态的话(注：此时，即使这两路交流电源的频率和电压幅值都相等的)，“此时的”负载自动切换开关就会因两路输入电源之间的相位差过大、而被置于“禁止切换”操作的工作状态之下，从而造成在“负载自动切换开关”输出端出现“停电”故障、并进而导致“网络瘫痪”故障发生。
　　在此条件下，如果因故致使”负载自动切换开关”执行”误切换操作”或不顾后果地强迫它执行切换操作的话，就有可能因为在两路交流电源之间作”异相切换操作”时所产生的”瞬态电压值”相差过大(见图4b)而导致出现如下更加严重的故障发生：
　　i. LTM开关的供电线路中的上游侧的“断路器开关”跳闸,造成对网络设备的大面积的停电;
　　ii.分别来自两套UPS电源的电源1和电源2因出现“输出过流”故障而同时进入“自动关机”状态;
　　iii.因在“切换操作瞬间”所形成的“瞬态浪涌电压过高”而损坏网络设备(例：烧毁网路中某些服务器、网关等)或致使部份的网络设备因执行“重新开机启动”的误操作而进入“网络瘫痪”状态。
　　解决上述矛盾的技术措施之一是：在两套UPS供电系统之间配置“负载同步控制器” LBS( Load Bus Synchronizer), 从而确保从两套UPS供电系统所输出的电源总是处于相互同步跟踪的“入锁状态”之中。

4.2 执行“先断后开”的切换操作：从上面的分析可知：只有当“优先供电电源”因故出现停电/电压或频率“超限”故障时，才需要”负载自动切换开关“执行切换操作。显然，在此瞬间，“优先供电电源”肯定是处于故障工作状态之下的。为防止在两路输入电源之间、因出现过大的“交叉性”的和破坏性的“环流”而致使原来处于正常工作状态的“备用电源”也被拖入到“自动关机”/“被损坏”的不幸事件的发生。在“负载自动切换开关”的设计中，釆用的是“先断后开”的切换操作方式、其典型的切换操作时间为：4ms左右(它包括故障诊断时间和切换操作时间)。这就意味着：当出现上述故障时，处于“优先供电”通道上的STS-1开关应该首先被“关断”。然后，再将处于“备用供电”通道上的另一个STS-2开关后“接通”，从而达到消除位于“负载自动切换开关”的上游侧的两路交流电源之间出现交叉性的“环流”的可能性(注：“环流”是指在两套交流电源之间流动的”破坏性电流”,它不是流进网络设备中的有用负载电流)。
　　在此需特别说明的是，此时易产生如下误解：既然LTM开关已釆用“先断后通”的切换方式，似乎就没有必要再要求送到“负载自动切换开关”上的两路交流电源一定是处于“相互同步入锁”状态之下。然而，回答是原否定的。其原因是：为确保信息网络的安全运行(注：网络设备允许的瞬间供电中断时间为20ms左右)，“负载自动切换开关”的切换时间被限定在4-5ms左右。根据可控硅的工作原理，对于原来处于导通状态的可控硅来说，一旦它被置于触发导通状态之后、即使把送到它的栅极上的“触发脉冲”撤除掉后、它将继续处于导通状态、直至到输入电源的电压下降到“过零点”为止。对于呈现电感性的供电线路而言，还要求流过可控硅中的“滞后电流”而言，还要求下降到可控硅的截止电流以下。因此，对于50Hz的供电电源来说，仍有处于“优先供电通道”上和”备用电源供电通道”上的两对SCR可控硅同时处于导通状态的可能性(其重叠导通时间在0-5ms的范围之间)。正是基于上述原因，确保UPS双总线输出系统的安全运行所需的条件仍然是：两路交流电源应该处于”相互入锁”状态之中。