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消防应急电源EPS原理和特点
发布时间:2010-9-19  浏览次数:1219 次  来源:上海愈翼电气科技有限公司
0 引言
随着科学技术与经济的进步和发展,社会对电力的依赖程度越来越高,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,人们的安全意识和对突发事件的防范意识也在迅速提高,应急供电系统或应急电源越来越受到人们的重视,并在更多的场合成为必备系统。
与传统的双路供电、自备发电机、蓄电池直流备用电源等应急供电方式相比,采用蓄电池储能、通过半导体功率器件逆变取得交流电源的逆变式应急电源系统,具有许多独特的优势和更为广泛的适用性,近年来得到迅速的发展,以至于提到“应急电源”和“EPS Emergency Power Supply)”时,更多的是指这种逆变式应急电源。
逆变式应急电源(以下简称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)非常相似,但EPS为满足应急供电系统高可靠、高效率、负载多变、环境适应性好、自诊断能力强、多数时间处于备用状态等特殊要求,在工作原理、工作方式、性能、构造、选用、安装、维护等方面均与UPS有很多不同。正确的理解、设计、制造、应用和维护,是保证EPS长期可靠运行的必要条件。
1 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、输入输出配电装置、电池监测装置、系统控制器、状态显示器、设置操作装置等部分组成。
1.1 充电器
为使蓄电池组保持满荷电状态并能反复循环使用,充电器是EPS不可缺少的部分。因EPS通常工作于备用状态,不需在线运行,所以EPS中一般不配置全功率整流器,应急供电时由蓄电池为逆变器供电,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。通常要求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电池组额定安时数的5%10%。例如用于消防应急照明的EPS需要提供90min的应急供电时间,综合逆变器效率和蓄电池放电效率等因素,标准配备电池组的总容量(电池组额定电压×电池组总安时数)一般为EPS额定输出功率值的22.5倍,因此充电器的额定输出功率一般为EPS额定功率的10%25%。当充电器功率较大时,可以在更短的时间内完成蓄电池的再充电。
EPS中的充电器一般采用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,浮充电压符合配用蓄电池的推荐值,如具备温度补偿特性则更佳,高频纹波电流应控制在较低水平。当然也可以采用其他充电方式,如循环充电方式、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。
1.2 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几乎均采用免维护铅酸蓄电池,该电池技术成熟,价格较低,使用、维护简单,成为UPSEPS的首选。关于免维护铅酸蓄电池的特点与应用已有许多文章论述,在此仅就其在EPS中应用时的几个特殊问题作一讨论。
(1)    多组电池并联运行问题
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200kWEPS90min标准配置需要810100Ah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。不同品牌或型号的蓄电池并联自然是不可取的,而对于品牌、规格、型号相同的蓄电池并联,在正常运行情况下的环流和充放电不均衡则不是主要问题,因为并联运行时,各组电池的不均衡可以通过“环流”而趋于均衡。并联运行的主要问题应当是各电池组间的能流难于控制。例如当把一组亏电的电池并入系统时,系统中的其他电池组会对其充电,且充电电流是不受控的,可能远远大于该组蓄电池允许的最大充电电流,从而导致该组电池的损坏甚至发生事故;当多组荷电状态不均的蓄电池并联时,初期充电电流可能会过于集中在个别电池组上,导致过电流充电;当多组并联电池组中的一个电池组发生短路或漏电类故障时可能导致严重后果等等。因此当需要并联的电池组数目较大时,应采取分组隔离措施,例如将8个串联电池组分为两大组,每大组由4个串联电池组并联构成,采用功率二极管进行隔离汇流,并采用两个充电器分别充电。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。
(2)    蓄电池的工作温区
EPS经常被安装在地下室、低压配电室等地方,环境温度范围较宽,040℃的环境温度要求往往也得不到满足。而免维护铅酸蓄电池的推荐使用温度一般为535℃,尽管电池制造商可能声称-1550℃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;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。
1.3 逆变器与负载适应性
逆变器是EPS的核心部件,市电异常时,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。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,该技术在UPS、变频调速器等应用领域已得到充分的发展,是一项成熟技术。
目前经常会见到关于UPSEPS负载适应能力差别的讨论。市电正常时,EPS会直接向负载提供市电,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逆变器输出的应急供电必须保证其负载的重要负荷正常运行,因此UPSEPS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。
事实上,UPSEPS的逆变器无论是拓扑结构还是工作原理都是相同的,差别主要来自设计参数和器件容量选择的不同。目前的SPWM逆变器几乎都是四象限运行模式,理论上能适应阻性、感性、容性和非线性等各种负载。有不少关于逆变器的负载能力与负载功率因数关系的讨论,但究其原理,并没有见到令人信服的分析或说明。电流相位的超前与滞后会影响电流在逆变开关管和反并联二极管中的分配方式,因此会影响到功率器件的通态损耗和开关损耗,但影响并不显著;而非线性负载可能导致很高的峰值电流,必须由功率器件承担;冲击性负载的冲击电流也需要功率器件承担。负载电流的超前与滞后对逆变器输出能力的影响主要源自逆变器中的输出滤波器,而逆变器对非线性负载和冲击性负载的适应能力主要决定于功率器件的电流耐量和逆变器控制、保护方式;直流环节对逆变器的负载适应性也会产生显著影响。例如,输出滤波器中的滤波电容是并联在逆变器输出端的,其中流过的容性工频电流一般为逆变器额定输出电流的15%40%,这相当于给逆变器的输出加了一个容性偏置,因此逆变器带容性负载的能力一般要比带感性负载能力差。过多的容性负载还可能明显改变输出滤波器的截止频率,进而影响逆变器闭环控制系统的稳定性。而当逆变器带感性负载时,其输出滤波电感对输出工频电压的分压比重增加,如果逆变器的输出滤波电感较大且SPWM调制系数又没有足够的设计裕度,则可能导致输出电压下跌或波形畸变。又如,UPS主要是为信息设备供电,必须适应各种非线性整流负载,因此UPS的逆变器一般都能承受高达3倍的波峰比,这需要逆变功率器件具备足够的电流耐量,并且直流母线电容具备足够的纹波电流承受能力。再如,负载功率因数为1时,UPS的输出容量下降为其额定容量的70%80%,主要是直流环节的限制。如果不计逆变器损耗和电池充电所需,UPS中的整流器或直流/直流变换器仅需要为逆变器提供负载所需的有功功率即可,因此一台按负载功率因数0.8设计的UPS,其整流器或直流/直流变换器只需按UPS额定输出容量80%的功率设计即可,当负载功率因数为1时,为保证直流环节不过载,输出容量必须降为额定输出容量的80%。如果在各环节都留有充足的设计裕量,或在使用中采取充分的降额,则SPWM逆变器完全可以适应各种负载,但这势必导致成本增加和资源浪费,因此,针对负载的需求合理设计才是最科学的。UPSEPS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1000WEPS,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EPSUPS,其逆变器实际输出能力是存在差别的。
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。
不少EPS产品采用原本为交流电机调速而设计制造的变频器配以低通滤波器和输出变压器构成逆变器,在成本允许的情况下,确为一种良好的方案。因为工业用变频器多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,选用适当容量的变频器,合理设置运行参数后配以正确设计的低通滤波器和输出变压器,可以构成可靠性很高的逆变器。其缺点是滤波器和输出变压器在电压控制环之外,因此逆变器的输出电压稳定性和波形略差,但用于应急供电已经足够了。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),以满足“强制启动”功能要求,因此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。
1.4 自动切换装置与切换时间
为实现市电供电与逆变器供电之间的自动切换,自动切换装置是EPS中必不可少的部件,也是影响EPS可靠性的关键部件之一。根据EPS的输出容量和负载要求不同,自动切换装置可采用继电器、交流接触器、互投开关、晶闸管固态开关等构成。对EPS的切换时间要求具有多样性,例如,一般消防应急照明要求切换时间小于5s,高危险区域使用的消防应急照明要求切换时间小于0.25s,为高压气体放电灯供电时,为保证不熄辉,则要求切换时间为数毫秒量级,为风机、泵类、卷帘门、电梯等负载供电时,根据应用要求不同,切换时间也会在数毫秒至数秒不等。
EPSUPS不同,多数应用场合对切换时间并无苛刻要求,切换时间也并非越短越好,在能满足应用需求的前提下,适当慢一点切换可以在其他方面获益,例如降低损耗,减小暂态冲击,提高可靠性,避免负载可能因瞬间失电而导致工作失常等等。市电正常时EPS的逆变器一般工作于备用状态,且有冷备份与热备份两种工作方式。冷备份时,逆变器仅控制部分处于工作状态,功率部分处于加电待机状态,但不启动;热备份时,整个逆变器处于正常运转状态,但不承担负载。当逆变器热备份时,最短切换时间基本决定于所用切换装置的动作时间;而当逆变器冷备份时,最短切换时间还要受逆变器启动时间的制约。特别是容量较大的EPS,如果启动过快,逆变输出变压器和低通滤波器会产生很大的暂态冲击,甚至可能损坏半导体功率器件,因此逆变器一般都具备软启动特性,且功率越大,启动越慢,大容量EPS逆变器的启动时间可达数秒之久。如果要求更快的切换时间,则只能采取热备工作方式,此时EPS的待机损耗自然要增加许多。
至于采用何种切换装置,主要是根据对切换时间的要求而定。如果要求毫秒级的切换时间,则只能采用晶闸管固态切换开关,且逆变器要处于热备状态并保持与市电锁相。与同容量的机械切换开关相比,晶闸管固态切换开关的造价要高得多,通态损耗也大得多。在对切换时间无苛刻要求的应用场合,一般采用机械切换开关进行切换,容量较小的EPS一般采用功率继电器,功率较大的EPS通常采用互锁的交流接触器或自动互投开关。与交流接触器相比,自动互投开关动作较慢,但由于互投开关具有机械自保持特性,对于不频繁的切换而言,在长期运行的可靠性方面更具优势。
用晶闸管固态开关实现市电与逆变器输出之间的快速切换技术已在UPS中应用多年,将其用于EPS亦不是困难的事情。关键是要实现逆变器的锁相运行和对市电故障的快速检测。在市电正常、逆变器也正常运转的情况下,即使是进行不间断的切换,在技术上也是可以做到的,但实际情况是,切换需要在市电突然发生中断或故障时进行,因市电中断或故障的发生时刻是随机的和非预知的,检测确认市电故障需要时间,此时的切换时间不可能小于检测、确认市电故障需要的时间。为防止各种电源干扰导致误动作,检测时间不能太短。实践证明,当检测时间小于2ms时,其检测可靠性会明显下降。因此小于2ms的切换时间是不可取的。
EPS的各种负载中,对切换时间要求最苛刻的应当是高压气体放电灯。尽管这种灯具不允许用于消防应急照明,但由于其高强度、高效率,在许多大型场馆中都有应用。由于此种灯具一旦熄辉,需要冷却后方能重新启动,为保证照明不发生中断,为其供电的EPS必须具备快速切换能力。根据对多种高压气体放电灯产品的测试,如果不采取适当的续流措施,5ms的电力中断即可能导致熄辉,个别产品甚至3ms电力中断就会熄辉。
而对于某些电梯类负载,毫秒级的切换显然不是必要的,但切换时的瞬间失电可能导致电梯控制系统进入保护状态。此种情况需要通过EPS控制系统的延时适当增加切换时间,方可保证电梯在应急供电后继续正常运行。
在有些应用场合,为了取得零切换,要求将EPS设计成再线运行方式,此时的EPS实际已变成了一台专用的UPS
1.5 输入输出配电装置
EPS的交流输入输出端一般不像UPS那样简单,而需要根据用户要求或设计图纸加装配电开关。例如市电输入端有时需要加装双路市电自动互投开关,市电直供回路有时需要加装独立的断路器,输出回路一般需要多支路输出,每个支路都要装有独立的断路器,有时还需要加装受消防联动信号控制的消防联动输出支路等等。用户为了安装使用方便,一般均要求把EPS系统的输入输出配电开关装置等全部装于EPS产品内部,因此EPS在产品结构上需要为输入输出配电开关留有充分的拓展空间,有时甚至需要专门按用户要求进行结构设计。
1.6 电池检测装置
GB17945-2000标准要求用于消防应急照明的EPS能对其电池组中每个12V电池单元的电压进行监测,以此为参照,许多用于其他方面的EPS往往也要求提供对每个电池单元的监测功能。此时需要为EPS配置专门的电池监测装置。因每个电池单元的直流电位各不相同,检测装置需要能够对其进行隔离采样。目前常见的隔离采样方式有继电器、线性光耦、先进行A/D转换后再用光耦合器隔离传输数字信号等等。不同方式各有所长,但如果对每一电池单元分别隔离采样,系统将过于繁杂。若先将电池单元适当分组,采用分组A/D转换、数字信号光耦隔离、通过串行数据总线上传的监测方式具有硬件结构简单,安全性、可靠性高,可自动实时巡检,监测精度较高等较大优势。
目前EPS中对电池单元的检测内容一般仅限于各电池单元端电压的测试,并不能全面反映电池状态。但通过分别测试电池组充电和放电时各电池单元的端电压,可以对各电池单元的一致性做出准确的判断,如充电状态是否均衡、是否存在劣化的电池单元等等。有一些更为先进的电池状态检测方法,如内阻测试方法等,在国产EPS中的应用还比较罕见。
因对各电池单元进行检测需要将测试线连接到每个电池单元的输出端,测试线路较密集且导线较细,容易发生意外短路或漏电问题,因此应采用适当电压电流分断能力的熔断器或其他方式进行安全隔离,防止蓄电池的高能量进入测试系统,导致事故。
1.7 系统控制器
在此仅讨论EPS中的系统控制器。EPS的逆变器一般具有独立的控制、驱动电路,与UPS、变频电源等十分类似,在此不作讨论。EPS的系统控制器多由以MCU为核心的控制电路构成,但也有部分产品采用了模拟控制和简单逻辑控制或PLC控制器。
EPS的系统控制器需要对市电电压、电池电压、负载电流、充电器状态、逆变器状态、转换开关状态、设置参量、控制指令等多项参量实时监测,并按照正确的控制逻辑向各功能单元发出控制指令,需要具备较为复杂和灵活的监测、测逻辑判断和控制能力。因此选择功能适当的MCU为核心器件,构成数字化控制器,可以简化系统硬件,并利用控制软件的灵活性完成各种需要的监测控制功能,是最为合理的设计方案。采用PLC完成系统控制也是一种不错的方案,但一般仅适用于容量较大的系统,对于较小容量系统,在成本上往往无法接受。模拟控制和简单逻辑控制方式硬件复杂,在可靠性、灵活性、智能化程度等方面均处于劣势。
EPS的系统控制器除完成必须的监测、控制功能外,最好还具备系统自检、显示信息提供、历史事件记录、数字通讯、计算机远程监控等能力,这些功能只有采用数字化控制,方可实现。
2.8 状态显示器和操控装置
状态显示器和操控装置提供了EPS的人机界面,是EPS不可缺少的部分。EPS的状态显示一般由状态指示灯和LCD显示屏构成,指示灯的设置和颜色需要符合执行标准的要求, LCD的显示内容除标准要求的主要参数外,各种产品不尽相同。操控装置一般由按钮、设置开关、强制启动钥匙开关等构成,与UPS等电子电控设备类似,不再作详细讨论。
2 EPS的应用
目前EPS的主要应用领域是为各种建筑物和重要公共设施的消防应急照明和消防动力提供应急备用电源。同时在化工、冶金、污水处理等工业领域、医院手术室和监护病房、大型场馆和超市等的正常照明等方面也有很多应用。随着EPS产品的技术进步、技术性能和可靠性的进一步完善,以及人们安全防范意识的提高,EPS产品的应用会更加广泛。
除用于消防应急照明EPS外,由于缺乏相应的国家标准或行业标准,EPS的发展不够规范,无论是规格系列还是技术性能、外形尺寸,都具有多样性,标准化程度较差。这对制造厂家的生产制造和用户的选用都造成很多困难,也在一定程度上影响了EPS产品及其应用的健康发展。
但是随着相关标准的发布实施,EPS的发展必将日益规范,在产生良好的社会效益的同时,也为EPS开发、生产企业创造良好的经济效益。
3 结语
笔者通过对EPS的认识和理解,结合作者在EPS设计、制造、和应用方面的实际经验,对EPS的原理、构造、性能特点和适用领域进行了讨论,希望对大家更好地认识和应用EPS有所帮助。

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