一、ATS 双电源自动切换开关的基本概念与分类
ATS（Automatic Transfer Switch）即双电源自动切换开关，是一种用于在主电源（常用电源）与备用电源（应急电源）之间自动切换的装置，负载在主电源故障时迅速获得备用电源供电，避免因断电导致设备停机或安全事故。
按结构与功能分类
PC 级 ATS：纯粹的电源切换装置，无过载、短路保护功能，由隔离开关或负荷开关组成，切换速度快（通常≤100ms），适用于对供电连续性要求的场景（如数据中心、医院）。
CB 级 ATS：基于断路器设计，集成过载、短路保护功能，切换速度相对较慢（通常 100-500ms），适用于需要电源保护的工业或民用场所。
按数分类：2P（两相）、3P（三相）、4P（三相 + 中性线）。
按切换模式分类：自投自复、自投不自复、手动 / 自动切换。
二、ATS 的核心组成与硬件结构
开关本体
PC 级：由两组高可靠性隔离开关（如旋转式、插入式）组成，通过机械联动实现电源切换，典型如德力西 CDQ3EH 系列的触头系统。
CB 级：采用塑壳断路器（MCCB）或微型断路器（MCB），如上海新驰 SQ3 系列的断路器单元，兼具切换与保护功能。
灭弧系统：PC 级通过灭弧罩或真空灭弧室抑制切换电弧；CB 级利用断路器的灭弧栅片熄灭短路电流产生的电弧。
电压 / 频率传感器：实时监测主、备电源的电压（如三相 380V / 单相 220V）、频率（50Hz/60Hz）及相位差，典型阈值：电压偏差超过 ±10%、频率偏差超过 ±2Hz 时触发切换。
控制器：分为机械逻辑控制器（如克莱沃 AR 系列的机架式控制器）和微处理器智能控制器（如固也泰 BTB Type 的可编程控制器），负责处理传感器信号并发出切换指令。
操作机构：电动驱动（如电机 + 齿轮传动）或手动操作，PC 级多采用弹簧储能快速切换机构，切换时间≤50ms。
机械互锁：通过连杆、锁扣等机械结构防止两组开关同时闭合，如 SQ5-630/4 的机械互锁装置，电源隔离。
电气互锁：通过继电器、接触器的辅助触点实现电气信号互锁，防止误动作。
过载 / 短路保护模块（CB 级专属）：内置热磁脱扣器或电子脱扣器，当电流超过额定值（如 1.3 倍额定电流持续 1 小时）或发生短路（如 10 倍额定电流）时，断路器自动分断。
三、ATS 工作原理的核心流程
流程解析：
主电源通过 ATS 的主开关（如隔离开关或断路器）向负载供电，备用电源开关处于分断状态。
控制器持续监测主电源电压、频率及波形，例如检测到三相电压均在 342-418V（额定 380V±10%）范围内，频率在 48-52Hz 时，判定为正常。
机械互锁装置锁定备用电源开关，防止误合闸；电气互锁通过辅助触点向监控系统反馈 “主电源供电” 状态。
故障检测机制：
电压异常：主电源单相失压、三相电压不平衡度超过 15%（如两相 380V，一相 200V）。
频率异常：如主电源频率降至 45Hz 以下或升至 55Hz 以上（可调阈值）。
持续时间阈值：故障持续超过设定时间（如 0.5-2 秒），避免瞬时波动误触发切换。
切换动作过程：
控制器发出分闸指令，主电源开关通过电动操作机构快速分断（如 PC 级利用弹簧储能在 50ms 内分闸）。
机械互锁解锁，备用电源开关在控制器指令下合闸，实现负载供电切换，总切换时间 PC 级≤100ms，CB 级≤500ms。
切换完成后，控制器向监控系统发送 “备用电源供电” 信号，并启动故障报警（如声光报警或通讯报文）。
自投自复模式：
当主电源恢复正常后（如电压、频率稳定持续 10 秒），控制器自动触发备用电源分闸，主电源合闸，恢复主电源供电，适用于民用建筑（如商场、办公楼）。自投不自复模式：
主电源恢复后需手动复位或通过远程指令切换回主电源，常用于工业生产场景（如连续运行的生产线），避免频繁切换影响设备寿命。
面板手动按钮：紧急情况下可通过 ATS 面板的 “主电源”“备用电源”“停止” 按钮强制切换，如医院手术室在自动切换失效时手动切至备用电源。
远程控制：通过 RS485、Modbus 等通讯协议接收 PLC 或 BA 系统指令，实现远程切换，典型如数据中心通过 BMS 系统集中管理 ATS 状态。
四、PC 级与 CB 级 ATS 工作原理的差异
| 对比维度 | PC 级 ATS（以 SQ5-630/4 为例） | CB 级 ATS（以 SQ3 系列为例） |
|---|---|---|
| 核心结构 | 两组隔离开关 + 机械联动机构，无保护脱扣器 | 两台断路器 + 保护模块（热磁脱扣器 / 电子脱扣器） |
| 切换逻辑 | 仅检测电源状态，故障时直接切换，无过载 / 短路保护 | 除电源检测外，还通过脱扣器检测电流异常，先保护再切换 |
| 切换时间 | ≤100ms（适用于 UPS、精密仪器等不能断电的负载） | 100-500ms（适用于风机、水泵等允许短时间断电的负载） |
| 短路耐受能力 | 高（如额定短路电流 50kA），依赖上游断路器保护 | 中（如额定短路电流 35kA），自身可分断短路电流 |
| 应用场景 | 数据中心、医院 ICU、金融系统（需高可靠性切换） | 工业厂房、商业建筑（需电源保护与切换一体化） |
五、ATS 控制逻辑与保护功能详解
自投自复模式（常用）
逻辑流程：主电源故障→切至备用电源→主电源恢复→自动切回主电源，如德力西 CDQ0s 在民用住宅中的应用。
自投不自复模式（锁定模式）
逻辑流程：主电源故障→切至备用电源→主电源恢复后保持备用电源供电，需手动复位，如机场跑道照明系统防止切换干扰。
手动优先模式
手动操作优先级高于自动控制，如消防控制室在紧急情况下强制切换至消防电源。
过载保护（CB 级）：
热磁脱扣器中的双金属片因过载电流发热弯曲，推动脱扣机构使断路器分闸，动作时间与电流大小成反比（如 1.5 倍额定电流时 10 分钟内分断）。短路保护（CB 级）：
短路电流产生强磁场，驱动电磁脱扣器快速动作，在 10ms 内分断电路，如 SQ3 系列的短路分断能力达 10kA。欠压 / 失压保护：
电压低于额定值 70% 时，控制器触发延时（如 1 秒）后切换，避免瞬时电压波动误动作。
现代 ATS（如克莱沃 AR228 系列）内置 MCU，通过 Modbus 协议将电压、电流、切换次数等数据上传至监控系统，支持远程设定切换阈值（如电压偏差可设为 ±5%~±15%）。
部分型号具备故障记录功能，可存储近 50 次切换事件，便于维护分析（如记录某次切换的故障类型、时间戳）。
六、ATS 工作原理在典型场景中的应用
采用 PC 级 ATS（如克莱沃 AR128T），切换时间≤50ms，配合 UPS 实现 “零中断” 供电。原理：当市电故障时，ATS 在 50ms 内切至柴油发电机，UPS 在此期间维持供电，服务器不重启。
冗余设计：双 ATS 并联，主用 ATS 故障时手动切至备用 ATS，提升系统可靠性。
使用 4P 型 CB 级 ATS（如固也泰 BTB Type），兼具切换与短路保护。原理：当主电源失压时，ATS 在 200ms 内切至备用电源（如 UPS 或发电机），同时其过载保护功能防止手术设备短路导致全手术室断电。
自投不自复模式：手术中主电源恢复后不自动切回，避免切换瞬间的电压波动影响精密设备（如无影灯、麻醉机）。
采用 CB 级 ATS（如德力西 CDQ3EH），额定电流覆盖 100-630A。原理：当主电源缺相时，控制器检测到三相电压不平衡，触发延时 1 秒后切换至备用电源，同时其热磁脱扣器保护电动机免受过载损坏。
七、ATS 工作原理的关键技术参数与影响因素
切换时间：直接影响负载断电时间，如 PC 级≤100ms 可满足 IT 设备需求，而 CB 级≥100ms 可能导致部分设备重启。
额定电流：决定 ATS 能带载的功率，如 400A 的 ATS 可驱动 200kW 以下的负载。
短路耐受电流：PC 级需上游断路器配合（如主开关短路分断能力 65kA），CB 级自身可分断 35kA 短路电流。
温度：超过 40℃时，ATS 的额定电流需降容（如 40℃时额定电流 100A，50℃时降为 80A），避免过热误动作。
海拔：海拔超过 2000 米时，空气绝缘强度下降，需选用高原型 ATS（如增加爬电距离）。
八、ATS 工作原理的维护与故障排查
检查机械互锁机构是否卡顿：手动操作切换按钮，观察开关动作是否顺畅，如固也泰 ATS 的机械连杆需定期润滑。
测试传感器精度：用可调电源模拟主电源电压下降至 80% 额定值，观察 ATS 是否在设定时间（如 0.5 秒）内切换。
切换延迟过长：可能是控制器参数设置错误（如故障检测延时设为 5 秒），或电机驱动机构润滑不良。
误切换：电压传感器阈值设置过低（如设为 ±5%），导致电网小幅波动触发切换，需重新设定为 ±10%。
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