UPS“双总线输出”供电系统用负载自动切换开关

5　大功率负载自动切換开关各种工作模式

5.1 正常工作模式和自动切换工作模式：

　　如图5a所示，来自两套UPS并机供电系统的电源1和电源2被分别送到4个“负载自动切换开关”LTM1、2、3、4的两个输入端上(为便于负载均衡供电及有利于增強”故障隔离”功能，在该“双总线输出”供电系统中、配置有4个的LTM开关。此时，用户可在STS型“负载自动切换开关”的控制面板的LCD监示屏上、釆用“人—机对话”的菜单操作的方法来确定将那套UPS并机系统的输出电源作为它们的”优先供电电源”。例如：在这里，我们将送到LTM1和2开关上的输入电源1和电源2分别选定为它们的”优先供电电源”和”备用供电电源”， 将送到LTM3和4开关的电源2和电源1分别选定为它们的”优先供电电源”和”备用供电电源”。在此条件下，只要”优先供电电源”的电压和频率在其所允许的工作范围之內时，电源1将分别通过LTM1和LTM2开关向后接负载提供I1和I2电流; 电源2分别通过LTM3和LTM4开关向后接负载提供I3和I4电流。在LTM开关的运行中，当因故致使输入电源1发生故障时(例：发生电源1“停电”或频率/“电压超限”故障时)，LTM1和2开关就会自动地以“先断后通”的工作方式、在3-5ms的时间內，将用户的负载同原来处于”备用供电电源”状态的电源2相接通(见图5b), 从而确保信息网络的安全运行(注：对于当今的网络设备来说，它们所允许的瞬间供电中断时间约为20ms左右。因此，上述的3-5ms的切换时间是绝对不会影响到信息网络的正常运行的)。

图五　负载自动切换开关(LTM)的控制原理图

5.2 “手动/自动返回式切换”工作模式：

　　在“负载自动切换开关”因故执行从“优先供电电源”→“备用供电电源”切换操作之后，当承担“优先供电电源”任务的输入电源1恢复正常工作时(它的电压、频率及同“备用供电电源”之间的“相位差”均符合所规定的窗口要求)，则必须经过适当的“时间延迟”后、才允许LTM开关根据用户所设置的不同的返回式切换工作模式来分别执行手动或自动的返回式切换操作。此时，它可根据用户的愿望被分别设置成自动复位(Reset)或手动复位(Reset)两种工作模式。例如：如果LTM1和2开关被设置成自动复位(Reset)工作模式的话，当“优先供电电源”恢复正常工作状态后，连接在LTM1和2开关的后面的网络设备将会自动地重新恢复到由电源1供电的正常工作状态(见图5a)。在这里，为返回式切换操作设置一定的时间延迟的目的是：防止因“优先供电电源”在尚未进入稳定工作状态时、因仓促执行切换操作而诱发“负载自动切换开关”频繁地执行“误切换操作”的弊端。在实践中，LTM开关的典型的切换“延时时间”为：3秒左右，其可调范围为：1—60秒。反之，如果LTM开关被设置成手动复位(Reset)工作模式的话，当“优先供电电源”恢复正常工作状态后，则要求用户通过在LTM1和2开关的LCD屏上、发出执行手动切换操作的指令，它才会执行返回式切换操作。否则，这些“负载自动切换开关”的后接负载将被继续锁定在” 被禁止切换”的工作状态之中(见图5b)，继续由原定的“备用电源”供电。

5.3 “禁止切换”工作模式
　　当出现在LTM开关的负载端的严重过流/短路故障在“未排除”前、为防止因它执行“误切换”操作而将上述故障的影响面扩散到另一套处于“备份供电”工作状态的UPS并机供电系统的不幸事故发生。在LTM开关的运行中、当在其输出端因故出现严重的“输出过载”/“输出短路”故障时，负责向这路”出现短路故障”的负载供电任务的LTM开关将被置于”禁止”作仼何切換操作的锁定状态之中,以便将短路故障的影响面缩小到最小的范围之内。
　　如图5c所示，在UPS双总线输出供电系统的运行中，当因故在LTM2开关的后接负载中、产生“输出短路”/严重过载/“过高”峰值电流的“浪涌”等故障之一时，由上述故障所诱发出的故障现象是：输入电源1因“输出电流”急剧增大而致使其“输出电压值”下降到极低值。在此条件下，位于同一“优先供电电源”供电通道上的其它的负载自动换开关是否允许执行切换操作、将取决它的输出电流是否发生过“异常增大”的现象。如图5c所示， LTM1开关通过检测自已的输出电流大小发现、并鉴定出”短路”故障不是发生在它的输出端上，这是因为它所检测到的输出电流I1很小的缘故。此时，处于输出电流“无异常增大”工作状态下的LTM1开关将通过执行自动切换操作而从“备用电源”2源源不断地获得电源供应。与此相反，LTM2开关由于检测到其输出电流I2出现急剧增大现象而判断出：短路故障是发生在它的输出电路中。此时，处于输出电流“异常增大”工作状态下的LTM2将被锁定在”禁止切换”工作模式下。这样一来，就能实现负载自动切换开关对“故障的隔离”调控功能， 从而将这种“短路故障”的影响面局限在LTM2开关的后接负载侧的有限的范围之内。在此条件下，LTM2开关将根据故障电流I2的大小和di/dt增长速率的不同而分别执行如下操作：
　　当负载故障为短路/严重过载时，它会利用由电源1所提供的能量将位于LTM2开关后面的断路器开关置于”脱扣跳闸”状态或烧毁保险丝的办法来排除故障(如图5d所示，此时的I2=0)。显然，一旦出现这种局面，在查出、并排除相应的故障之后，再经过适当的”时间延时”之后、LTM2开关就能够重新恢复到它的正常工作状态。
　　当负载侧的故障为峰值很高的“浪涌电流”时，一旦瞬态浪涌消失后、并经适当的延时后，LTM1开关就能通过自动地执行返回式切换操作而恢复到正常工作状态(见图5a)。

5.4 “禁止自动返回”工作模式：

　　 为防止因输入电源供电质量不高而造成的LTM开关频繁地执行切换操作，并进而导致损坏它的SCR型“静态开关”的事故发生(注：在执行切换操作的期间，无法保证双路输入电源的电压、频率和相位都是相同的)。在LTM开关的运行中，如果在5分钟的时间内、执行切换操作的次数超过5次以上时，它就会进入“禁止自动返回”工作模式。
在此条件下，LTM开关将一直处在由“备用电源”向负载供电的状态。除非同时满足如下两个条件：“优先供电电源”能恢复到稳定的正常工作状态; 操作人员执行Reset操作。

5.5 “紧急切换”工作模式：

　 为确保对网络设备供电的连续性、防止因人为“误操作”或设备“误动作”而导致在负载自动切换开关(LTM)的后接的网络设置中、出现的供电中断的故障隐患。当LTM开关在其输出端检测到它的输出电源”消失”时、它将会在5ms的时间间隔内，无条件地自动执行切换操作，从而将网络设备于同另一路正常工作的”备用电源”相接通的工作状态之下。执行这种紧急切換操作的唯一限制条件是：不应该在LTM开关的输出端上、存在“短路”故障。

5.6 “维修旁路供电”工作模式：

　　众所周知：在UPS双总线输出供电系统中、配置负载自动切换开关的主要目的是：确保向网络设置提供100%高可利用率的UPS电源。为此，在这种LTM开关中配置有如图2所示的由CB1、CB4、CB3和CB2、CB5、CB3所分别组成的釆用“两匙两锁”结构设计的、带“机、电互锁”保护功能的两条维修旁路供电通道，以便在需要对LTM开关执行维修操作时、能确保在对网络设备不间断地提供“优先供电电源”供电的同时，防止”备用电源”被误连接到同一网络设备上的事故发生。例如：在输入电源1被选定为LTM开关的“优先供电电源”的条件下、当因故需要对这个LTM开关中的“STS1静态开关”式功率切换模块进行检修时, 则可通过如下的操作步骤、将LTM开关从正常的”自动切换”工作状态转变成“维修旁路供电”状态：
　　(1)　确认“优先供电电源”(电源1)处于正常供电状态;
　　(2)　从CB5断路器开关的插孔中的取出“互锁钥匙”K3、并将该钥匙K3插入CB4开关的钥匙孔中;
　　(3)　关断”备用电源”(电源2)的输入开关CB2;
　　(4)　在CB2开关上、施转并取出”互锁钥匙”K2;
　　(5)　在将“互锁钥匙”K2插入CB4开关的“钥匙孔”中后，再施转这个“互锁钥匙”K2、直至将它的“钥匙桿”置于缩回到CB4开关的“钥匙孔”中的状态之下;
　　(6)　闭合CB4开关, 让“优先供电电源”直接地通过CB4开关向后接负载供电;
　　(7)　关断电源1的输入开关CB1;
　　(8)　从CB1开关的“钥匙孔”中取出“互锁钥匙”K1、并将该钥匙K1插入CB5开关的“钥匙孔”中;
　　(9)　关断CB3开关。至此，电源1将直接经过CB4开关向后接的网络设备供电;
　　(10) 将处于“断电”工作状态下的“STS1静态开关”功率模块取出、并执行“脱机”维修操作。

5.7 “手动切換操作”工作模式：

　　只要输入到LTM开关上的两路电源的电压、频率、相位差在所允许的范围內，用户都可按需在“优先供电电源”和“备用供电电源”之间执行“手动切換”操作。例如：当需要紧急排除故障或要求在”不停电”的条件下执行调机操作时，就需要执行手动切換操作。此时，如果遇到这两路输入电源之间的相位差的窗口较大时，则需要在LCD显示屏上、通过菜单操作将输入到LTM开关的两路电源之间的相位差范围扩大到±30ordm;。相反，在正常操作时，LTM开关所允许的相位差仅为±15ordm;。
　　当我们在执行“手动切换”操作时，根据两路输入电源是否能满足“相互同步入锁”条件的不同、而可能出现如下几种截然不同的切换操作状态：

5.7.1 “同步入锁”切换操作：当两路输入电源的电压、频率、相位差都在LTM开关所允许的切换窗口范围之内时，LTM开关执行自动切换的操作的时间1ms。

5.7.2 “异步差频入锁”切换操作：当两路输入电源的电压在LTM开关所允许的切换窗口范围之内、但频率不相同的条件下运行时，此时两个电源之间的相位差将会周期性地按照这两路电源之间的差频的节拍(注：它们之间相位差Δф从0ordm;逐渐增大到180ordm;、然后再从从180ordm;逐渐下降到0ordm;)而进入或离开LTM开关所允许的”入锁切换”窗口的范围之内。这样一来，LTM开关执行自动切换操作的”时间延迟”的长短将会呈现出很大的随机性。因为,此时的LTM开关需要花时间去等待Δф重新进入允许执行”差频入锁”切换操作的窗口范围。因此，在此条件下，有可能出LTM开关执行”手动切换”操作所需的等待时间超过20ms的情况发生。在某些LTM开关的设计中，为防止LTM开关因执行切换操作的”等待时间”过长而影响UPS供电系统的正常运行，往往会规定一个最长的等待时限(例如：3分钟)。一旦，超过这个时限，LTM开关将进入”禁止切换”的锁定工作状态之下。

5.7.3 “同频异相”禁止切换状态：当两路输入电源的电压在LTM开关所允许的切换窗口范围之内、频率相同，但相位差Δф超过LTM开关所允许的切换窗口范围的条件下运行时，此时的LTM开关将会一直被锁定在”禁止切换”的工作状态之中。
　　从上所述可知：为LTM开关创造出能顺利地执行”自动切换操作”的优良运行环境，在两套UPS供电系统之间配置负载同步控制器(LBS)是其必备的条件之一(有关LBS的工作原理、“异步差频入锁”调控及 “同频异相入锁”调控的分析请见：”双总线输出供电系统用负载同步控制器”的另一篇文章)。

5.8 可控硅故障保护工作模式

　　在负载自动切換开关的控制电路中、配置有如下功能完善的可控硅(SCR)保护电路：一旦发生SCR的“开路”或“短路”故障时，它可以確保在不间断地向网络设备供电的条件下，自动检测出“故障元件”、发出报警信号、并釆用相应的“故障隔离”保护措施。
　　(1) 可控硅“短路故障”保护功能：LTM开关不停地监测着它的各个SCR型静态开关的实时运行状态(见图2)。当发生“短路故障”的STS1开关出现在“优先供电通道”上时，负载自动切换开关就会在发出报警信号的同时，将处于“备用电供电通道”上的输入断路器开关CB2置于“脱扣跳闸”状态，从而达到防止两路交流输入电源可能被直接地”接通的事故”发生的目的。反之，当发生“短路故障”的STS2开关出现在“备用电供电通道”上时，负载自动切换开关会在发出报警信号的同时，将处于“优先供电通道”上的输入断路器开关CB1置于“脱扣跳闸”状态。
　　(2) 可控硅“开路故障”保护功能：在LTM开关的运行中，如果遇到它的SCR型静态开关发生开路故障时、在逻辑控制板的调控下，LTM开关会执行如下操作：在发出故障报警信号的同时，通过自动执行切换操作、将用户的负载连接到另一路正常工作的输入电源上。
　　(3) 可控硅开路/短路故障锁定：当LTM开关在运行中、出现上述故障之一时，所有的报警信号将被”锁存”在存貯器内。并且，只有在值班人员排除故障后，才有可能通过Reset复位操作来消除故障报警信号。