(完整版)冗余設(shè)計(jì)

2024年3月17日發(fā)(作者：印象最深刻的人)

引言

不間斷供電系統(tǒng)（Uninterruptible Power System，UPS）的出現(xiàn)是為了適應(yīng)信息社會的到來。為了保證

對重要負(fù)載供電的連續(xù)性，滿足高新技術(shù)產(chǎn)品和設(shè)備對供電質(zhì)量提出的越來越嚴(yán)格的技術(shù)要求。應(yīng)用模塊化并

聯(lián)冗余技術(shù)的UPS系統(tǒng)進(jìn)一步提高了對負(fù)載供電的可靠性，同時也擴(kuò)大供電容量,是國內(nèi)外研究的熱門技術(shù)。

利用多臺UPS模塊并聯(lián)運(yùn)行，都是以UPS擴(kuò)容或提高UPS可靠性為目的。不論采用何種并聯(lián)冗余連接技

術(shù)，都是將多臺UPS單機(jī)的輸出端直接進(jìn)行連接。一般的UPS因?yàn)槎加心孀児╇娭骰芈泛团月饭╇娀芈穬蓷l

供電回路,所以對負(fù)載來說相當(dāng)于有兩個電源.任何兩個電源之間的轉(zhuǎn)換開關(guān)都是一個單點(diǎn)故障點(diǎn)，即使兩個上游

的電源再可靠，只要轉(zhuǎn)換開關(guān)一出現(xiàn)故障,都可能造成負(fù)載斷電，由于這種開關(guān)的造價比較高，再加之其它技術(shù)

因素,往往不能冗余并聯(lián)，專門作為一個模塊，有較高的可靠性要求.利用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Static Transfer Switch，

STS）統(tǒng)一集中控制并聯(lián)系統(tǒng)的主-旁路切換功能，實(shí)現(xiàn)快速切換和系統(tǒng)保護(hù)等一系列控制功能，是比較理想的

控制方案。

本文主要介紹模塊化并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊的設(shè)計(jì)方案，模塊控制采用DSP實(shí)現(xiàn)。通過設(shè)

計(jì)和完成一臺兩路(并聯(lián)系統(tǒng)輸出與旁路）220V單相輸入、10kVA/220V單相輸出的STS功能樣機(jī)，驗(yàn)證了該

方案的有效性.

1。并聯(lián)組合式切換開關(guān)結(jié)構(gòu)

目前的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)大多是采用微處理器數(shù)字控制技術(shù)的，可以稱為數(shù)字型靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Digital Static

Transfer Switch，DSTS）.目前美國德州儀器(Texas Instruments，TI）公司的TMS320系列DSP已成為中大

功率電力電子應(yīng)用場合的主流控制芯片，它的突出特點(diǎn)是采用了先進(jìn)的多總線并行結(jié)構(gòu)和流水線的工作方式，

從而極大地提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度和數(shù)字信號的處理能力。本系統(tǒng)采用的是TMS320LF2407A作為主控DSP

芯片。

靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)包括兩類交流切換開關(guān)：靜態(tài)旁路開關(guān)和靜態(tài)并聯(lián)系統(tǒng)總輸出開關(guān)。從快速切換的角度出發(fā),

每個切換開關(guān)與UPS單機(jī)的靜態(tài)旁路開關(guān)結(jié)構(gòu)可以完全一樣,采用一對可控硅背靠背連接或直接用三端雙向可

控硅器件的可控硅型雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)。但為了增容需要而采用并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu),在大功率輸出的情況下單用可控硅型

STS損耗過大，發(fā)熱嚴(yán)重，惡劣條件下甚至?xí)?dǎo)致STS模塊的損壞.交流接觸器（圖1）是繼電器型交流切換開

關(guān)，可靠閉合后導(dǎo)通阻抗小、損耗小，是理想的交流電路連接方式，但是交流接觸器存在與繼電器型STS同樣

的問題，切換速度較慢，不能實(shí)現(xiàn)快速切換。因此采用上述兩者并聯(lián)的結(jié)構(gòu)是比較理想的方案。

圖1交流接觸器結(jié)構(gòu)簡圖

此外,在數(shù)字控制式STS中，用交流固態(tài)繼電器（SolidStateRelay，SSR)來替代雙向可控硅，可以實(shí)現(xiàn)方

便的數(shù)字控制。SSR的結(jié)構(gòu)(圖2）可以看作是采用光耦隔離控制的雙向可控硅，直接使用數(shù)字信號就能驅(qū)動.

圖2交流固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)簡圖

SSR切換速度快，便于控制，可直接與數(shù)控芯片的I/O口相接；交流接觸器雖然切換速度慢，但穩(wěn)定運(yùn)行

時導(dǎo)通阻抗小、損耗小，利用中間繼電器驅(qū)動接觸器簡單可靠.采用交流接觸器與固態(tài)繼電器并聯(lián)組合式結(jié)構(gòu)的