自动控制系统在发电机切换系统中的应用

张未英

（山西职业技术学院， 山西 太原 030006）

为了提高配电系统供电的可靠度及缩短因事故停电的电力中断时间及复电时间，在现今的发电机配电系统中已越来越多的设计采用了加装控制切换「正常/紧急」电源的自动转换系统来实现发电机组与市电的自动切换功能。发电机的自控系统主要通过自动转换开关实现，自控系统通过自动转换开关可实现两路电源的快速带载切换。

1 ATS自动转换开关工作原理

自动转换开关电器简称为ATS，ATS主要用在紧急供电系统，将负载电路从1个电源自动换接至另1个（备用）电源的开关电器，以确保重要负荷连续、可靠运行。因此，ATS常常应用在实现无人值守的发电机自动控制系统中。ATS一般由两部分组成：控制器和开关本体。

控制器主要用来检测被监测电源（两路）工作状况，当被监测的电源发生故障（如任意一相断相、欠压、失压或频率出现偏差）时，控制器发出动作指令，开关本体则带着负载从1个电源自动转换至另1个电源，备用电源其容量一般仅是常用电源容量的20%～30%。ATS的控制器有两种形式：一种由传统的电磁式继电器构成；另一种是数字电子型智能化产品。它具有性能好，参数可调及精度高，可靠性高，使用方便等优点。而开关本体又有PC级（整体式）与CB级（断路器）之分。

1）PC级。一体式结构（三点式）。它是双电源切换的专用开关，具有结构简单、体积小、自身连锁、转换速度快（0.2 s内）、安全、可靠等优点，但需要配备短路保护电器。

2）CB级。配备过电流脱扣器的ATS，它的主触头能够接通并用于分断短路电流。它是由2台断路器加机械连锁组成，具有短路保护功能，

2 ATS系统系统功能要求

2.1 一般特性

1）ATS系统基本上有3极和4极的分别，为有效缩减系统尺寸则要先依据需要被转换的电缆数量进行规划。

2）在实际应用中，转换系统和相关的保护系统都要通过短路电流的短时冲击耐受测试。

3）在运行中，开关的通电接点要在各种环境下保持动作自如，并且能够自我清洁以提高此通电接点的接触能力。

4）转换开关通电接点的断开与闭合必须快速动作，并且与自动驱动机构无关（通电接点的断开与闭合速度与电动及手动切换操作无关）。

5）系统的位置和通电接点状态应不受环境振动或供电电源的电压波动影响（系统位置的稳定状态无需电源供电=在稳定位置没有电源消耗）。

2.2 转换系统的安全

1）转换系统必须整合电气及机械连锁的控制，其目的是为了避免同时接通另一路电源而造成意外事故。

2）转换系统必须在两路电源之间以及进线及出线端之间整合成安全断开功能。

3）在没有电源供电或在电气指令失效的情况下，转换系统必须可以用手动操作（在1，0或2位置皆可以）。

4）在手动模式下，“自动模式/手动模式”的功能选择器必须能抑制任何自动控制指令。此外还必须可有配备附钥匙的功能选择器以确保安全地进行操作模式的选择。

5）转换系统必须包含在0位的锁定，如果需要还必须可以在3个位置的锁定。

6）在进入手动操作模式时自动模式或锁定位置必须被禁止，在手动操作（操作手柄已就位）中或在锁定位置时，必须避免自动模式被启动。

2.3 转换系统的自动控制

1）转换系统必须包含正常/紧急转换顺序的自动控制功能。转换系统应配备发电机控制（启动和停止操作）以便依照变压器/发电机类型应用的ATS运行。

2）在自动转换流程图中可以清楚地看到，电源正常可用状态和转换开关所在位置的指示。

3）转换系统应可以通过人机对话介面轻松进行参数设定。而进入参数设定程序必须通过密码的安全验证。

4）转换系统应可以透过本地或远端控制方式来选择优先电源（主要电源）。

5）在主要和备用电源中，三相供电线路的检测须保证安全监视。

6）需有对电压及频率量测值进行监控和显示的功能。

7）电压和频率的最大及最小限定值以及相关的回复值应能设定以避免任何因检测过程而触发不正常的转换。

8）相序监测功能应永久保证系统中两路电源的相序是正确的。

9）正常/紧急电源转换顺序应包含以下计时器：在启动主要电源中断转换顺序前，主要电源中断计时器将验证主要电源是否中断；在切换前，转换计时器（紧急电源可用计时器）将验证紧急电源是否稳定；0位计时器（停留时间）是在转换开关从1-2或2-1的转换过程中动作。这个计时器的延迟时间可以根据负载的感应电压释放曲线而调整；停机计时器在发电机当作备用电源的转换系统中应用，它可以确定当负载切换回主要电源以后，发电机冷却停机所需的时间。

10）通过确认程序应可以阻止系统再转换操作（从紧急电源转换到主要电源）。在选择从备用电源转换回主要电源时，只有透过按键或远端遥控接点信号确认才可以转换。

11）转换系统应便于加装通讯设备（RS485 Jbus/Modbus通讯协定），以允许远端遥控转换系统。

3 自动控制系统中ATS开关的应用

要从一路电源转换到另一路电源时就需要使用转换开关，通常用「正常/紧急」来表示此一功能。

转换的概念主要应用于2组电源间的转换，其中1路作为主要电源而另1路则作为紧急电源或备用电源。

大多数安装自动转换开关的场所都是为了当主要电源故障时能转换到另1备用电源紧急供电。

3.1 电/发电机转换（见图1）

图1 电/发电机转换示意图

转换系统主要配置了紧急电源系统来保证系统安全供电。

在实际应用中此种形式的供电方式是为了保证系统安全供电，并且保证与故障系统隔离。

3.2 电网/电网转换（见图2）

图2 电网/电网转换示意图

此种形式的供电系统广泛应用于照明、警报系统、烟雾侦测系统、消防系统、空气压缩机、升降机设备等。

4 发电机自动控制系统中ATS的应用

随着机电产品的不断数字化、集成化，其正在向一个性能优良、运行可靠、高精度的自动化方向发展，ATS在供配电系统中得到了广泛的使用，现在的通信中心机房，大多数为无人值守机房，ATS的手自一体转换功能，替代了人工倒换电源带来的很多不便，实现了机房双回路供电终端电源自动切换，有效地提高了作业效率，杜绝了人工倒换电源可能出现的安全隐患[1]。

ATS具有的短路、过载保护功能，过压、欠压、缺相自动转换功能等，都具有较高的可靠性，有效地为设备安全运行提供了一定保护。另ATS开关机械转换设计寿命循环为5 000～8 000次，最小转换动作时间为1.5～4.0 s，和机房的发电机、UPS电源配合使用，很好的解决了通信、信号设备的不间断供电（见图 3）。

图3 配电系统原理

系统投入使用时，ATS控制箱对市电电源进行监测，当市电供电电压出现异常时，包括电压过高、电压过低以及失相等故障时，智能控制器自动报警启动发电机组，将负荷切换至发电机，保证了负荷的正常用电，当市电恢复正常供电时，经延时判断确认后，将负荷切换至市电电源上并关闭柴油发电机。柴油发电机组供电同时退出，经一定时间后机组自动停机。整个过程为智能自动控制，做到机房无人值守。

5 结语

随着自动控制系统在各行各业的应用，对组成自动控制系统的ATS的产品品质要求也越来越严格，其产品可靠性尤为重要，转换一旦失败将会造成以下二种危害之一，其电源间的短路或重要负荷断电（甚至短暂停电），其后果都是严重的，这不仅仅会带来经济损失（使生产停顿、金融瘫痪），也可能造成社会问题（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。