Smart switch(智能开关)模块电源转换失效的测试与诊
本文分析了LIBERT SMART SWITCH模块系列的功能原理与应用，重点介绍在某些重要领域内实际应用过程中，出现的一种特殊情况的分析、判断和处理。
一、 引言
如今社会生产对信息网络(服务器、银行、航空、数据中心等)的依赖程度越来越高，几分钟甚至几秒的“网络瘫痪”就可能会给生产管理等带来难以估量的损失，甚至可能导致灾难性的后果。所以要求“信息网络”的正常运营服务具有高度的“时效性”，为此要求负责向它供电的UPS供电系统必须具有提供100%”高可靠利用率”的供电能力。相关的统计资料证明：一旦出现断电这种局面，要使信息网络恢复正常工作、往往需“耗时”短则几十分钟、长则到几小时以上，从而致使“网络瘫痪”事故的影响面被急剧地扩大。因此采用双电源供电显得尤为重要，而连接双电源的双电源自动转换装置则是整个双电源供电系统的关键。
二、 Smart Switch智能开关
Smart Switch智能开关是实现两个独立电源间的快速转换的触点式开关装置，其最高转换时间可以达到5mS，为数字设备、网络设备以及自动控制设备或其它对电源供电连续性要求极高的用电设备提供可靠的用电保障，当一路电源超限或断电后，迅速地切换至另一路电源，保证设备运行及数据安全。它是实现所谓“分布式供电”方案的有利工具，可以大大提高机房供电系统的可靠性。
Smart Switch智能开关设计用来实现两个同步三相交流电源之间进行不间断(<8ms)转换。两路交流电源的幅度、频率和相位差应控制在一定的范围内。Smart Switch智能开关可以通过控制面板设定其中任意一路输入电源为主电源，另一路输入电源为备用电源。只有在主电源故障或手动复位的情况下，Smart Switch智能开关才会自动在8ms内从主电源切换到备用电源。Smart Switch智能开关的两路静态开关是严格互锁，Smart Switch智能开关内还装有手动旁路开关，在Smart Switch智能开关需要检修时，可以手动地将输入电源切换到旁路开关。进行手动转换时可保证输出不间断。
Smart Switch智能开关的优点有：
1) 提高UPS供电系统的可利用率：它能消除从UPS输出配电柜到用户负载端之间所可能出现的”单点瓶颈”故障隐患，能最大限度地降低网络设备因”输入停电”而系统瘫痪的发生几率。
2) “择优供电”功能，提高UPS供电系统的供电质量
3) 提高UPS供电系统的可维护性：当某套UPS供电系统因故需要执行”停电”维护或检修时，可通过重新选择“优先供电电源”的办法，UPS供电系统置于“停电”和“脱机”的工作状态之下，以便为操作人员提供一个执行安全维修/检修操作的优良工作环境。
4) 釆用模块化的标准设计、降低它的平均维修时间(MTTR)，向用户提供365*24小时的不间断的电源保障的实际需求，还釆用将“弱电”控制部件同“强电”切换部件进行彻底“电隔离”的机械设计方案，从而达到消除因“人为误操作”而导致诱发其它的灾难性的故障的发生的目的。
三、 Smart Switch智能开关的实际应用与测试
为了提高雷达、通信、网络等等重要设备用电的可靠性，在航管楼UPS(不间断电源)改造过程中，设计为航管楼两部Emerson Hipulse 120KVA UPS独立供电，在输出端经过安装有Smart switch模块的互投配电柜输出至设备，然后通过人为设定，将1#、2# UPS分别于设为下端数个互投出线柜的主用和备用电源，从而达到设备负载均分，两部UPS互为备份的目的。由于目前航管楼内的雷达、通信等设备绝大部分都属于服务器及计算机类设备，对电源的质量要求非常高，加上管制工作对于设备运行的连续性要求，一两秒的转换时间足以让雷达监视服务器及通信设备关机或重新启动，航空管制人员眼盲口哑，对空中飞行器失去指引和控制，后果不堪想象。因此为了实现两部UPS的热备份功能，UPS供电系统输出端配置Smart switch智能开关的作用就尤为必要。
Emerson的libert smart switch智能开关的理论转换性能：3～20ms(毫秒)，电压变换范围：额定电压±5%，双路电源相位差异：0～16?。此种型号的转换开关也是初次使用，为了进一步了解和掌握此类开关的性能，熟悉智能开关的操作，分别在安装前和通电后对智能开关进行了多次测试。下面分为市电测试(安装前)及UPS电源输出测试。
Smart switch(智能开关)手动开关位置：normal;man to source 1;bypass1;man to source 2;bypass 2。
指示灯内容：
On preferred source (指示灯1)
On alternated source (指示灯2)
Preferred source OK (指示灯3)
Alternated source OK (指示灯4)
Transfer inhibited (指示灯5)
Summury alarm (指示灯6)
On bypass (指示灯7)
1、市电测试(安装前)：市电电压一：AB相391V，BC相392V，CA相390V;市电电压二：AB相391V，BC相392V，CA相390V;两路电源相位差：0?。
(1)单路电源市电一：
手动开关位置：normal，指示灯1、3绿色，4、5红色，显示结果正常，电源输出正常。手动开关位置：man to source 1，指示灯1、3绿色，4、5红色，显示结果正常，电源输出正常。
手动开关位置：bypass 1，指示灯1、3、7绿色，4、5红色，显示结果正常，电源输出正常。
同样，单路电源二，显示结果正常，电源输出正常。
(2)双路电源正常：
手动开关位置：normal，指示灯1、3、4绿色，显示结果正常，电源输出正常。
手动开关位置：man to source 1，指示灯1、3、4绿色，显示结果正常，电源输出正常。
手动开关位置：bypass 1，指示灯1、3、4绿色，，显示结果正常，电源输出正常。
手动开关位置：man to source 2，指示灯2、3、4绿色，显示结果正常，电源输出正常。
手动开关位置：bypass 2，指示灯2、3、4绿色，显示结果正常，电源输出正常。
模拟市电一中断，切换正常，显示正常，输出电源正常;模拟市电二中断，切换正常，显示正常，输出电源正常;双路电源都中断，无切换，无显示，无输出。市电状态下，对智能开关反复测试数十次，均能切换正常，显示正常，输出正常，另外作为模拟重要设备的笔记本电脑也均在正常转换的情况下，持续工作，未出现断电情况，因此判定smart switch智能开关性能良好，转换正常。
2、UPS电源(安装后)测试：UPS电源一：AB相381V，BC相380V，CA相381V;市电电源二：AB相380V，BC相382V，CA相381V;两路电源相位差：0?。
(1)单路UPS电源一：
手动开关位置：normal，指示灯1、3绿色，4、5红色，显示结果正常，电源输出正常。
手动开关位置：man to source 1，指示灯1、3绿色，4、5红色，显示结果正常，电源输出正常。
手动开关位置：bypass 1，指示灯1、3、7绿色，4、5红色，显示结果正常，电源输出正常。
同样，单路电源二，显示结果正常，电源输出正常。
(2)双路UPS电源正常：
手动开关位置：normal，指示灯1、3、4绿色，显示结果正常，电源输出正常。
手动开关位置：man to source 1，指示灯1、3、4绿色，显示结果正常，电源输出正常。
手动开关位置：bypass 1，指示灯1、3、4绿色，，显示结果正常，电源输出正常。
手动开关位置：man to source 2，指示灯2、3、4绿色，显示结果正常，电源输出正常。
手动开关位置：bypass 2，指示灯2、3、4绿色，显示结果正常，电源输出正常。
模拟市电一中断，切换正常，显示正常，输出电源正常;模拟市电二中断，切换正常，显示正常，输出电源正常;双路电源都中断，无切换，无显示，无输出。
四、 Smart switch智能开关转换失效的判定
为了慎重起见，仍然进行了数十次测试，结果却出乎意料，90%的情况下，开关转换均正常，显示正常，输出正常，但是就有几次，明明在确认两路电源均正常的情况下，模拟单路断电时，却显示禁止切换或者无转换导致断电，作为模拟重要设备的笔记本电脑也出现了关机和重启的现象，什么原因呢?如此的转换故障，即使是偶尔出现一次，造成的后果也是不堪设想，本着遇见问题不放过的原则，终止了智能开关投入使用的进程。
经过现场UPS电源系统分析和Smart switch智能开关理论分析的讨论，参考厂商内部电路说明，对智能开关做了再次测试，测试过程中对UPS电源的输出电压也逐次做了测量，发现在不能转换的情况下，UPS电源在输出柜里面的电压有一些小的波动，相间电压有时会达到378～379V，这种情况在前次测试中出现过，对于380V电源系统来说，这样的电源输出质量还是相当高的。为什么呢?逐一排查电源、线路等原因后，对智能开关的内部设定进行了查询发现：额定电压默认值为400V，因此分析是否会是转换时超过了允许的范围，从而使智能开关默认为备用电源故障，禁止切换?通过软件连接，重设了额定电压为380V，在连接两路电源进行切换测试，发现数十次结果还是和以前一样，90%左右的成功率。看来改动软件设定并不能解决根本问题。然后又从开关的硬件方面入手，发现在开关额定电压变化的情况下，内部控制电路也要有所改变，测试回路中的电阻元件需要更换。为了保险起见，从一个备用的智能开关模块入手。改造过程如下：
【改造原因及目的】
Smart switch SW350U01出厂默认电压制式为400V，而Smart switch智能开关在国内使用时一般配合LBS安装在UPS输出端，而UPS输出电压通常是380V电压等级，此时，由于输入电压范围±5%的限制，Smart switch智能开关经常会因为检测到输入源不在范围内而禁止切换。
【改造工具和材料】
常用十字螺丝刀、内六星梅花螺丝刀、扳手、烙铁和焊锡丝;1.43K 1% 0.25W电阻(每台共需8个);部分泡沫(用于拆装时垫在控制模块的底部边缘，防止底部三个插头损坏) RS232交叉线(设备端应为DB9公头)
【改造步骤】
(一)硬件改造
1)将控制模块从切换柜里取出，平放在泡沫垫上
2)拆除前面板上十颗螺丝( 准备好内六星螺丝刀)
3)将前面板取下并放下控制模块旁边(不需要拔指示灯连接线)
4)将模块顺时针翻转，并拆除侧面共四颗平头螺丝和底部三颗螺丝，再将模块逆时针翻转到原来位置(平放)
5)轻轻将电源板组件轻轻推离原先固定位置，拔掉所以与电源连接的插头(P10、P11、P1、P2、P6、P5、P8、P7)和并拆除地线(作好标记)6)将电源板组件平放在桌面上，取出电源板，拆除电源板上R20、R21、R22、R23、R28、R29、R30、R31(1.33K 1% 0.25W)。
7)) 将电源板上R20、R21、R22、R23、R28、R29、R30、R31的八个电阻替换成1.43K 1% 0.25W电阻
8)更换完毕后，按拆卸的反顺序将模块恢复
至此，硬件改造完成
(二)软件调试
1)插上调试线(RS232交叉线，设备端为DB9公头)，给切换柜上电
2)打开超级终端，各项参数如下：
波特率：9600 ;数据位：8;奇偶校验：无;停止位：1
数据流控制：无
3)连接成功后，按下回车键， 屏幕出现参数界面：
4)输入字符“O”，查看系统的设置
5)此时输入命令： FACTORY_LIEBERT4：
6)然后输入V380，此时系统提示输入密码，密码为：LIEBERT， 随后系统会出现电压更换成功界面。
7)按ESC键退出工厂设置界面
8)输入字符“O”，查看电压制式是否已经更改回380V。
硬件、软件改造完成，可对切换柜进行切换试验!
Smart switch智能开关电源转换失效的改造完成后，按照上面测试过程，重新对接入UPS电源的智能开关进行了数十次转换测试，均转换正常，显示正常、作为模拟重要设备的笔记本电脑也未因转换出现关机或重启。考虑到智能开关的电压浮动范围，对市电也进行了测试，均转换正常，整个Smart switch(智能开关)测试和改造完毕。
五、结语
本文介绍了Smart switch智能开关一些功能原理和优点，并针对在某行业领域具体应用过程中出现双电源转换失效的特殊情况进行了分析，通过对于Smart switch智能开关的改造处理，解决了偶然出现的电源转换失效的问题。从特殊行业领域对于供电可靠性的要求，并随着该型号产品及类似产品市场应用的广泛前景来看，阐述了发现以及解决问题的思路、方法和态度。
作者：谢亚军 来源：中国科技博览 2015年23期