EPS的原理特点与实际应用

EPS的原理特点与实际应用引言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（EmergencyPowerSupply）”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（OFFLINE）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（ONLINE）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iiokva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，。〜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e8丁（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 ）%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理EP/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EP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理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。（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，EPS按国家标准必须是后备式的。为此自动切换装置是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功率继电器、交流接触器、互投开关、固态开关（晶闸管）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等。EPS与UPS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，但不起动；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其动时间的制约。特别是容量较大的EPS，如果起动过快，逆变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IGBT功率器件，因此逆变器一般都具备软起动特性，且功率越大，起动越慢，大容量EPS逆变器的起动时间可达数秒之久。如果要求更快的切换时间，则只能采取热备份工作方式，此时EPS的待机损耗自然要增加许多，整机效率会较低。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，则只能采用固态开关（晶闸管）切换，且逆变器要处于热备状态。与同容量的机械切换开关相比，固态开关（晶闸管）切换的造价要高得多，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。用固态开关（晶闸管）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，但也有所不同，UPS用功率继电器（或接触器）与固态开关（晶闸管）组合成一个旁路（BYPASS）切换装置的，固态开关（晶闸管）主要是做瞬间过载旁路（BYPASS）切换，靠它瞬间使逆变器与电网有个短暂的并联运行，从而获得瞬间无切换时间的供电（弥补了功率继电器或接触器的渡越时间）。关键是要实现逆变器的锁相运行和对市电即时电压的快速检测与跟踪。它并不是真真的断电切换，因这种方式均为在线式UPS所用，真真的断电切换工作时固态开关（晶闸管）是不参于工作的。当其用于EPS时才是固态开关（晶闸管）真真的参与断电切换，EPS均为后备式是不设旁路接触器的。就是处于在市电正常、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。在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设计成在线运行方式，此时的EPS实际已变成了一台专用的UPS，逆变器是长带负荷工作的。（5）输入输出配电装置EPS的交流输入输部分一般不像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（ATS），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。（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。其实以上各种电池的监测并没有真真达到有效的电池监控管理。其原因之一：就是检测到某一电池的一致性有问题，现有的充电模式也是无能为力的，根本没法改善该电池的状况；原因之二：任何一节免维护阀控铅酸蓄电池都是由若干节（一般为：3或6节）2V的单体电池串联而成的，所以只监测并监控管理单体电池串联而成的组合体是没多大意义的。每一有故障的蓄电池其真真的故障点是该节电池中的某一2V单体电池，故真真能有效地监控管理好蓄电池必须监控每个2V的单体电池，通过对每个2V的单体电池的充电流、浮/均充电压、温度的监控管理，才能有效地用好每个蓄电池。随着充电专用芯片的诞生；数据总线的成熟，新一代自带智能管理充电器蓄电池的诞生将为时不晚了。那时就称得上是真真的电池在线监控系统了。（7）控制系统在此仅讨论EPS中的控制系统。EPS的逆变器一般是一独立的模块结构、驱动电路，与UPS、变频电源等十分类似，主要是与IGBT所配套的典型用法，在此不作讨论。EPS的控制系统多由以单片机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的控制系统需要对市电电压、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控，并按照正确的控制逻辑向各功能单元发出控制指令，同时还要有一个较为友好的、简单易懂的用户操作界面，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单片机为核心器件，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