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解析EPS的组成

  随着电力电子技术突飞猛进;国民经济的进步和发展,社会对电力的需求及依赖程度越来越高,特别是对那些重要、关键的电力负荷,一旦中断供电,往往会导致非常严重的甚至灾难性的后果。同时,人们对突发事件的防范意识也越来越高,集中应急供电系统或应急电源越来越受到人们的重视和需求,并在更多的相关场合成为必备的集中应急供电系统。

  与原始的二路自切供电、油机等备用电源等应急供电方式相比,采用蓄电池储能、通过电力电子变流技术取得交流电源的静止逆变式应急电源系统,它具有许多独特的优势和极为广泛的实用性,是一种真真的有效的末端切换装置。近年来得到迅速的发展,以至于被公安部国家消防检测中心认可作为应急灯集中供电的专用应急电源“EPS (Emergency Power Supply)”。

  EPS在结构与工作原理上与伴随着信息产业发展起来的不间断电源(UPS)截然不同的。EPS主要为满足应急供电系统高可靠、高效率、混合负载、过载能力(120%能正常运行)、环境适应性、自诊断能等, 多数时间处于后备状态(OFF LINE)等特殊应急要求即可起动逆变系统;而UPS主要为满足应急供电系的切换时间,追求零切换、输入输出锁相、稳压稳频精度高等,现大多数UPS处于在线工作状态(ON LINE)即逆变系统长期工作,从而它效率低、负载适应性差、环境适应性差、过载能力低(通常为标称值的60-80%)。在工作原理、工作方式、性能指标、构造、选型、安装、维护等方面均与UPS有很多不同。准确的理解、设计、制造、应用、选型和维护,是保证EPS长期可靠运行的必要条件。
 
  一、EPS的构造与性能特点

  EPS一般由充电器、蓄电池组、逆变器、自动切换装置、输入输出部件、电池监测装置、控制系统、状态显示器、操作面板等部分组成。

  (1) 充电器

  为使蓄电池组保持充足电的状态并能多次反复循环使用,充电器与蓄电池组是EPS不可缺少的组合部分。因EPS通常工作于后备状态,不需在线运行,市电正常时,EPS通过切换开关直接向负载供市电,并由充电器对蓄电池充电。按GB17945-2000的要求EPS的循环充电时间不大于24h,充电器的额定输出电流值一般为C/20。因此充电器的额定输出功率一般为EPS额定功率的10%~25%。当后备时间需延长侧充电器功率也相应增大,可以在规定的时间内完成蓄电池的再充电。

  EPS中的充电器一般采用智能恒流恒压二阶段充电方式或恒压限流的充电方式。充电器的好坏对蓄电池的容量及使用寿命影响较大,应保证最大充电电流不超过所配用蓄电池的允许值,浮充电压满足配用蓄电池的推荐值,如具备温度补偿特性则更佳,避免快速充电。当然也有高端的采用其他充电方式,如定时自动进行循环充电方式、自动均充-浮充控制等,但在控制上略为复杂。市电正常时,EPS中的充电器通常还需要为控制系统供电。充电器应具备高可靠性和良好的自保护功能,应能适应较宽的输入交流电压范围,以保证在各种恶劣供电环境中正常充电并为EPS的控制系统供电。因充电器功率较小,且多数时间内工作于轻载状态,其交流输入功率因数和谐波含量等指标并不十分重要。EPS中的充电器通常采用高频开关电源技术实现,也有部分大功率的EPS采用了晶闸管相控整流型充电器。

  现介绍一种EPS专用的主回路休眠式短路保护智能型全自动充电器(已有专利)。目前许多充电器主回路短路保护都是截止型短路保护,重要场所特别是消防应急电源(EPS)不允许使用这类截止型短路保护的充电器。它一般均由电流检测电路、整形电路及触发封锁电路组成,这种短路保护有以下缺点:主回路必须先形成短路电流才会被检测到,然后再封锁主回路功率器件,这样主回路功率器件肯定已受到短路电流的冲击,对功率器件会带来一定的疲劳损伤,并会有累积效应产生。另外截止型短路保护电路在撤消短路后必须做人工复位才会从新起动充电器恢复工作,这是GB17945-2000消防应急电源对充电器最忌讳的。

  本技术针对消防应急电源(EPS)及其它通用型后备应急电源而研制,主要是集光电隔离技术为一体的充电器输出回路短路阻抗检测电路。它的有益效果是在短路瞬间主回路功率器件并未形成短路电流就已被封锁关闭了,故功率器件不会受短路电流的冲击损伤,非常有利于功率器件的保护,同时又省去传统的人工复位。它是一种真正意义上的短路保护。

  (2) 蓄电池

  蓄电池是EPS应急供电时的能量来源,是影响EPS可靠性的关键部件。目前EPS几乎均采用免维护阀控铅酸蓄电池,该电池技术成熟,价格较低,使用、维护简单,成为UPS和EPS的首选。关于免维护阀控铅酸蓄电池的特点与应用在本行业中已众所周知的,在此仅就其在EPS中应用时的几个特殊问题作一讨论。

  (A) 多个电池串并联运行问题

  在EPS中一般采用额定电压12V的蓄电池串联达到所需的额定直流电压,在较大功率EPS系统中,为达到所需电池总容量,往往需要多组电池并联,例如110kva的EPS,90min标准配置需要4组110Ah蓄电池并联。而蓄电池制造商一般不推荐太多组(例如6组以上)电池并联使用,原因据称是容易导致环流和充放电不均衡。而大功率EPS又必须要将多组电池进行串并联使用,为此对于品牌、规格、型号相同的蓄电池串并联做了大量的试验、分析及观察,采取如下方案是行之有效的。在正常运行情况下可要求供应商对电池内阻作必要的选配(控制在2-3%)。然后就从工艺上采取必要的均流措施:a.确保每节电池的联线的长度和规格都完全一样;b.确保每组电池组与EPS主机的联线的长度和规格都完全一样。它是利用导线的固有电阻充当大电流充放电时的均流电阻,从而达到各组电池组之间的自动平衡。并联运行的主要问题应当是各电池组间的电流难于控制,为此如何选配导线的规格,长度是很有讲究的。另外采用功率二极管进行各组电池的隔离汇流,并采用多个充电器分别充电。这样的系统将更为可靠性和安全。同时,在各电池组并联前,应先确认它们均处于充满状态。但这将使成本增加很多。不管采取任何措施,不同品牌或型号的蓄电池并联自然是不可取的。

  (B) 蓄电池的工作温区

  因EPS经常被安装在地下室、竖井、低压配电室等地方,环境温度范围较宽,0~40℃(或更高)的环境温度要求往往也得不到满足。而免维护阀控铅酸蓄电池的推荐使用温度一般为5~35℃,尽管电池制造商可能声称-15~50℃的工作温度范围,但温度过高,蓄电池自放电加重,使用寿命明显缩短,甚至会出现热失控导致电池报废;使用免维护阀控铅酸蓄电池的最佳温度20-25℃,当超过25℃时,每升高10℃电池寿命将减少至25℃环境下的一半。温度过低时,蓄电池放电容量严重下降,并且充电困难,强行充电会导致气体析出,影响蓄电池寿命。因此当EPS的安装环境温度过高或过低时,应当采取适当措施进行调节。另外当环境温度超过25℃时,每升高10℃或单体电池浮充电压超出指标范围0.03V时,电池使用寿命缩短一半。

  (3) 逆变器与负载适应性

  逆变器是EPS中技术含量最高的核心部件,市电异常或火灾报警时,蓄电池存储的直流电能通过逆变器转换成与市电相同频率、电压的交流电,供给重要负载。因此,EPS的应急供电质量、逆变效率、负载适应能力等多项重要指标都决定于逆变器的品质。特别是正弦波逆变系统的技术在EPS中就更为重要。同时,逆变器的可靠性也是影响EPS整机可靠性的关键之一。EPS的逆变器几乎均采用了IGBT(或功率MOS管)SPWM逆变技术,但该技术与UPS、变频调速器等应用领域有较多的不同。它主要是围绕着过载能力、负荷的适应能力(混合负荷)供电的可靠性做系统设计的。可以这么说EPS逆变器的供电可靠性远远重要于逆变器的供电质量,这也是在设计思路及设计方案上不同于UPS。由于IGBT(已发展到第六代)在UPS、变频调速器、电焊机等已得到充分的应用和发展,是一个很成熟的电力电子功率元器件。目前经常会见到关于UPS与EPS负载适应能力差别的讨论,或用UPS替代EPS。其实它们的逆变控制系统的数学模型是完全不同的,一般UPS是以波形电压反馈的单闭环控制系统,因此其输出电压的正弦波波形及电压的动态调整精度特好;而EPS专用的动力逆变器控制系统是由电压反馈、电流反馈组成的多比环控制系统,主回路是完全电隔离的,因此其输出功率过载能力、三相的偏相运行能力、负载适应能力及适应强制工作能力特强,可靠性及高。在市电正常时,EPS会直接由市电提供负载,其负载能力仅决定于供电回路中的断路器、转换开关和导线的容量,一般无需讨论,但市电中断时,由EPS即刻切换由逆变器输出提供负载,此时应急供电必须保证其负载的重要负荷正常运行,因此UPS与EPS负载适应能力的差别本质上还是其逆变器负载能力的差别。

  现介绍一种专用单相及三相应急电源(EPS)功率主回路(已有专利)目前许多重要场所特别是消防泵房、喷淋系统、送风机房、排风机、消防电梯、机房照明等重要混合负荷场所的现场动力设备的供配电及控制设备的纯正弦波电压输出的功率主回路一般均由逆变器、输出电抗器、输出变压器、输出电容器等组成。这种功率主回路有以下缺点:设备多、成本高、损耗大、分布电感大、不便于主线布置、体积大等,不利EPS整机高效率低成本的开拓。本技术是针对消防应急电源(EPS)而研制,主要集输出电抗器、输出变压器于一体的正弦脉宽调制型单相及三相特殊逆变变压器。它通过电磁原理及电子技术,使自感、互感及漏感巧妙地组合成一个特殊的漏感型逆变变压器。在它的原边输入正弦脉宽调制波(SPWM)就能在副边并上适当的滤波电容电获得纯正弦电压(失真度≤2.6%)。它的有益效果是省去了输出电抗器,减少了发热器件,减少了系统的分布电感,有效地减少了EPS电源输出的内阻,节省了不必要的铜、铁材料(用漏感替代了电抗器)提高了整机效率,降低了成本,方便了生产装配。

  事实上,目前的SPWM逆变器中EPS上的IGBT功率器件的工作状态优于UPS,特别是三相5KVA以上的机种,IGBT功率器件的通态损耗和开关损耗更为明显。UPS与EPS的设计目标不同,因此负载特性存在差异是自然的,但仅为适用领域的差异,并非优劣之分。

  EPS的负载具有多样性,但多数情况下是用于应急照明和动力负载。用于照明时,灯具有白炽灯、节能灯、日光灯和高压气体放电灯等等。用于动力负载时,又分为提供标准正弦波备用电源的普通型和直接变频驱动电机的变频型等等。

  用于消防应急照明的EPS必须符合GB17945-2000标准,其中对EPS的输出容量是以kw为单位定义的,但实际上仅当负载功率因数为接近1时,该定义才是适当的,当负载功率因数较低时,EPS的电流输出能力并不会增加,输出视在功率额定值也不会增加,因此实际选用EPS时,必须考虑负载的功率因数和视在功率,而不能仅考虑负载的有功功率。按照GB17945-2000标准的要求,EPS应能在120%负载时正常工作;当个别供电支路发生短路故障时EPS应能使该支路断路器跳闸而不影响其他支路的正常工作。也就是说,标称功率1000W的EPS,必须具备1200W的正常输出能力;在局部负载发生短路故障时,EPS的逆变器必须能在短时间内以限流输出方式输出数倍于额定值的清除电流。由此可以看出,标称容量相同的EPS和UPS,其逆变器实际输出能力及工作方式是存在极大差别的。
 
  用于动力负载的EPS必须能够承受电机启动时的冲击电流,但若将EPS的逆变器容量设计的过大也是不现实的。因此各EPS厂家都给出了电机负载不同启动方式下配用EPS容量的计算方法,其核心是保证EPS的逆变器在电机启动时不至于过载停机。但是,为电机负载配置数倍于其额定功率的EPS既不经济,也不合理,因为对于短时过载能力很强的逆变输出变压器和蓄电池而言,是能够承受电机启动时的冲击的,在需要较大启动电流的应用场合,适当加大功率器件容量以提高逆变桥的短时输出能力,不失为一种更为合理的解决方案。实际上,用于动力负载的EPS在很大程度上具有根据用户需求设计定制的特征,因而可以取得更合理的负载适应能力。总之用逆变器作为电源向电机及电机控制系统供电是及不合理的首选方案。

  最为合理的方案是选用“P型”EPS产品,它是采用变频型逆变器,有效地控制了电机的V-F曲线,使起动电流得到控制,电机处于及为平滑的软起动运行。从而大大提高了EPS选配的经济性。这种方案的选用一般电机功率与EPS功率都可1﹕1配置。这一方案中的变频型逆变器也可选用工控领域中的通用型变频器加以二次开发。由于通用型变频器的自身市场很大,因此在EPS上选用它反而能降低EPS的制造成本。因为通用型变频器都由一些国际著名电气公司研制生产,技术成熟、先进,选材、工艺精良,具有很高的可靠性和负载能力,并且规格齐全、价格不高。多数变频器均允许直流供电运行,及易做二次开发用于“P型”EPS产品。选用适当容量的变频器,合理并巧妙地设置运行参数后可以构成可靠性很高的“P型”EPS逆变器。其缺点是:只能直接用于电动机,而不能带起他任何性质的负载。至于采用变频器构成电机专用变频驱动的EPS,其合理性更不必多说。

  EPS的逆变器一般需要具备冷启动能力(在无市电状态下依靠完全电池电力启动或不考虑自身设备的损坏),以满足“强制启动”功能要求,因此不但要在蓄电池与逆变器直流母线电容间需要加装缓冲装置,以完成母线电容的预充电,防止过大冲击电流导致器件损坏和直流输入断路器跳闸,还要求逆变器能适应较宽直流母线电压的变化。

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