應(yīng)急電源用的EPS和UPS電源

　(1)應(yīng)急電源是確保電力供電系統(tǒng)和消防系統(tǒng)安全運行的技術(shù)保障
　　當(dāng)代社會生活對市電電網(wǎng)供電可靠性的依賴度之高是人所共知的。近年來，隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高速增長及人民生活水平的提高所需求的電力供應(yīng)量也隨之迅猛地增長。近年來、由于電力工業(yè)所能提供的電力供應(yīng)的增長量低于國民經(jīng)濟(jì)增長所需用電量, 缺電、”拉閘限電”等現(xiàn)象成為制約國民經(jīng)濟(jì)能否持續(xù)增長的重要制約因素之一。此外，為確保位于現(xiàn)代辦公大樓、大型商業(yè)和服務(wù)業(yè)、大型體育場館及演出場地、醫(yī)院手術(shù)照明、地鐵應(yīng)急照明、機(jī)場照明系統(tǒng)、工業(yè)廠房等重要區(qū)域中的應(yīng)急照明系統(tǒng)、電梯、水泵、消防噴淋泵和監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備在遇到”因故停電”時、也能正常運行。為此，國內(nèi)外的部份UPS廠家推出一種高效、節(jié)能的EPS(Emergency Power Supply)型應(yīng)急電源, 以便在市電電網(wǎng)”停電”時、能確保用戶的各項關(guān)鍵業(yè)務(wù)不間斷地、順利地運轉(zhuǎn)著。EPS電源能在上述領(lǐng)域逐漸被釆用的技術(shù)背景是：
　　在某些辦公和居民區(qū)、無法尋找到能適合于安裝柴油發(fā)電機(jī)”備用電源”的安裝場地。這是因為它可能帶來如下比較棘手的安裝和維護(hù)問題：強烈機(jī)械震動/嚴(yán)重嗓音的擾民問題、柴油發(fā)電機(jī)組的日常維護(hù)及燃油的安全儲存問題等。此外，由于發(fā)電機(jī)的開機(jī)啟動時間往往長達(dá)幾秒—幾十秒。這樣一來，對某些不允許”瞬間供電中斷”時間長的負(fù)載而言，就會帶來不必要的工作麻煩。
　　當(dāng)用戶的主要負(fù)載是電阻性的照明設(shè)備及電感性的電動機(jī)類的一般負(fù)載時，對于這種負(fù)載而言，除了對輸入電源能否消除”供電中斷”故障、輸入電源的電壓是否有嚴(yán)重的”過壓/欠壓”等電源問題有較高的要求。一般說來，對電網(wǎng)的其它供電質(zhì)量(例如：頻率波動、各種電磁干擾和”零—地電位”偏高等電源問題)的要求較低。在此條件下，容易對在線式UPS 能否被用作應(yīng)急電源之一產(chǎn)生如下誤解：
　　(a)處于逆變器供電條件下的雙變換、在線式UPS的系統(tǒng)效率僅為：89%--94%左右,難于將其系統(tǒng)效率提高到97%以上(注：UPS電源的輸出功率越高、其系統(tǒng)效率也越高)。顯而易見：供電電源的系統(tǒng)效率越高、其節(jié)能效果也越顯著。
　　在此需說明的是：部份廠商有時為了突出EPS的高效節(jié)能效果、在進(jìn)行EPS與 UPS的性能比較時，提出傳統(tǒng)UPS的效率僅80-90%, 其電能的損耗高達(dá)10-20% 的數(shù)據(jù)。顯然,這是與絕大多數(shù)的UPS產(chǎn)品的性能不相符合的。
　　(b)同市電電源相比，對于主要為帶計算機(jī)型”非線性負(fù)載”所設(shè)計的雙變換、在線式UPS來說, 由于它的最佳的輸出功率因數(shù)為0.7/0.8(滯后)。因此，對于可能同時需要帶容性、感性和阻性負(fù)載的設(shè)備而言， UPS電源無論是在對上述負(fù)載的適應(yīng)性上、還是在承受電機(jī)/電容負(fù)載在啟動時所產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌電流的”帶載能力”上，都顯得較弱。
　　正是在上述背景下，作為既能獲得較好的節(jié)能效果、又能同時驅(qū)動容性、感性和阻性等多種不同性質(zhì)負(fù)載的”應(yīng)急電源”之一的EPS電源就應(yīng)運而生了。
　　(2)EPS 電源的工作原理及它對不同Cosф值負(fù)載的帶載能力
　　2.1)EPS電源的工作原理
　　1臺典型的EPS電源的系統(tǒng)控制框圖被示于圖1中。對于熟悉UPS電源的人士來說,可以把它理解為：一臺由交流旁路供電通道、逆變器電源供電通道和能自動執(zhí)行市電供電←→逆變器電源供電切換操作的”轉(zhuǎn)換開關(guān)”所組成的中、大型后備式(off-line )UPS電源。它的逆變器電源供電通道主要是由充電器、蓄電池和逆變器所組成(注：根據(jù)各EPS廠家的不同設(shè)計，有的EPS電源配置有內(nèi)置的充電器。然而，有的EPS電源的充電器部則是屬于外置的選配件)。傳統(tǒng)的后備式UPS電源的輸出功率較小、一般僅為0.5-2KVA左右。然后，當(dāng)今的EPS的輸出功率的”復(fù)蓋范圍”卻可寬達(dá)1-400KVA左右。單相EPS的輸出功率(功率因數(shù)cosф=0.8)為：1—40KVA左右, 常見的電池組電壓有：24Vdc、48Vdc、110Vdc 和 220Vdc。三相EPS的輸出功率(cosф=0.8)為：5—500KVA左右, 常見的電池組電壓有：220Vdc、480Vdc、600Vdc 和 1000Vdc?；谏鲜鲈?，當(dāng)用戶在選購大功率EPS電源時、宜選用電池組電壓為：220V/480Vdc的EPS產(chǎn)品。不宜選用電池組電壓為：1000Vdc的EPS產(chǎn)品。因為過高的DC工作電壓必然會對用戶的安裝設(shè)備的絕緣電阻、防靜電保護(hù)、人員的操作安全及保護(hù)帶來相當(dāng)嚴(yán)格的要求，從而增大投資成本和維護(hù)的難度。
　　

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　　■當(dāng)市電供電正常時，市電電源經(jīng)過充電器對蓄電池組充電、然后再由蓄電池組向逆變器提供直流能源。在這里，充電器是一個僅需向蓄電池組提供相當(dāng)于10%蓄電池組容量(Ah)的充電電流的小功率的直流電源，它并不具備直接向逆變器提供直流能源的能力。此時，市電電源經(jīng)由EFS的交流旁路和轉(zhuǎn)換開關(guān)所組成的供電通道向用戶的各種應(yīng)急負(fù)載供電。與此同時，在EPS的邏輯控制板的調(diào)控下，逆變器處于”停止工作”的自動關(guān)機(jī)狀態(tài)。在此條件下，用戶負(fù)載所實際使用的電源是來自電網(wǎng)的市電電源。眾所周知：市電電網(wǎng)具有足夠的帶載能力來帶電阻性、電感性和電容性負(fù)載。這就是EPS廠家向用戶所宣揚的”可適應(yīng)于全部Cosф范圍”的”優(yōu)異”帶載能力。此時，無需考慮EPS電源的額定輸出功率(KVA)對不同Cosф值負(fù)載的降額工作特性。
　　

　　■當(dāng)市電供電中斷或市電電壓超限(±15%或±20%額定輸入電壓)時，EPS在對它的逆變器執(zhí)行”開機(jī)啟動”的同時，還需在很短的時間內(nèi)、利用它的”轉(zhuǎn)換開關(guān)”執(zhí)行從交流旁路供電→逆變器電源供電的切換操作。在此條件下，在電池組所提供的直流能源的支持下，用戶負(fù)載所使用的電源是EPS的逆變器電源、并不是來自電網(wǎng)的市電電源。在此條件下，EPS中的逆變器電源的輸出功率將會因負(fù)載的功率因數(shù)的不同而有所變化。此時，位于EPS中的逆變器電源的實際帶載能力將服從于” Cosф為0.8(滯后)的”逆變器電源”的帶載工作特性(見2.2節(jié))。
　　■當(dāng)市電恢復(fù)正常工作時，EPS在對逆變器執(zhí)行自動關(guān)機(jī)操作的同時、還通過它的”轉(zhuǎn)換開關(guān)”執(zhí)行從逆變器電源供電→交流旁路供電的切換操作。此后，EPS在經(jīng)交流旁路供電通路向負(fù)載提供市電電源的同時，還經(jīng)充電器向電池組充電。
　　■當(dāng)EPS電源在執(zhí)行逆變器電源供電←→交流旁路供電的切換操作時，執(zhí)行這種”切換操作”所可能產(chǎn)生的供電中斷時間(所謂的切換時間)會因為所配置的轉(zhuǎn)換開關(guān)的不同而有所差別。對于釆用電磁式轉(zhuǎn)換開關(guān)(例：快速繼電器/斷路器開關(guān))的EPS電源來說，其典型的切換時間為：25—200毫秒。對于釆用電子式轉(zhuǎn)換開關(guān)(可控硅型”靜態(tài)開關(guān)”)的EPS電源來說，其典型的切換時間為：<10--20毫秒。
　　在此需特別說明的是，長期的UPS應(yīng)用實踐證明：位于后備式UPS中的逆變器的故障率明顯地高于位于雙變換、在線式UPS中的逆變器的故障率。乍看起來，似乎難以理解。這是因為對于EPS/后備式UPS來說，在絕大多數(shù)的時間內(nèi)、都是由市電經(jīng)過交流旁路在向負(fù)載供電(注：按2001年的統(tǒng)計資料，國內(nèi)電網(wǎng)的平均”可利用率”約為: 99.9%)，僅在較短的時間內(nèi)(<0.1%的幾率)、才會需要由EPS中的逆變器來向負(fù)載提供電源。相比之下、對于雙變換、在線式UPS來說，只要它的逆變器不”被損壞”或在它的輸出端上、未出現(xiàn)”過載”/短路故障時、都應(yīng)該由它的逆變器來向負(fù)載提供電源。造成上述”反常”的原因有：
　　(a)當(dāng)后備式UPS需要執(zhí)行從交流旁路供電→逆變器電源供電的切換操作時，不僅要求原來處于”自動關(guān)機(jī)狀態(tài)”的逆變器在極短的時間內(nèi)、立即開機(jī)啟動。而且，還要求較短的時間內(nèi)(<4ms左右)、立即向后接的負(fù)載供電。正是這種”突然帶載”開機(jī)啟動的惡劣運行條件、造成后備式UPS中的逆變器”被損壞”的事故頻繁地發(fā)生。
　　(b)為降低成本，在后備式UPS/EPS電源中的逆變器的功率器件(MOS管或IGBT管)的”設(shè)計功率裕量”、并不是按長時間的、連續(xù)工作方式來配置的。相反，它是按”短時間運行方式”來設(shè)計的(例：EPS的典型電池組后備供電時間為90分鐘)。
　　相比之下，在雙變換、在線式UPS的設(shè)計中，它釆取下述措施來消除在后備式UPS電源中所可能出現(xiàn)的故障隱患：
　　(a)位于它的逆變器中的IGBT功放管的”設(shè)計功率裕量”是按長期、連續(xù)工作來配置的。
　　(b)為防止逆變器進(jìn)入”突然帶載”開機(jī)啟動的惡劣運行條件，不僅在它的逆變器設(shè)計中，釆用”漸進(jìn)式”慢啟動工作方式：逆變器的輸出電壓從零上升到它額定輸出電壓的典型”緩升時間”為：3—5秒。而且，在逆變器的輸出電壓達(dá)到其穩(wěn)態(tài)值之前，是禁止執(zhí)行從交流旁路供電→逆變器電源供電的切換操作的。
　　基于上述原因，為獲得盡可能高的可靠性，在選擇EPS時，并非是”切換時間”越短的產(chǎn)品、其性能越好。從某種意義上講，切換時間”過短”易于導(dǎo)致它的故障率增大。為安全計，宜選用”切換時間”為：100-250ms的ESP機(jī)型。因此，在評價EPS的”切換時間”這項技術(shù)指標(biāo)時，其判斷標(biāo)準(zhǔn)是不同于傳統(tǒng)的UPS的。眾所周知：對于在線式UPS來說，則是它的”切換時間”越短越好，最好它的”切換時間”為零。[!--empirenews.page--]
　　(2.2)EPS電源對于具有不同Cosф值負(fù)載的帶載能力
　　 由于EPS是為解決在遇到市電供電不正常時的電力和消防系統(tǒng)的應(yīng)急供電問題，以便防止因供電不正常而誘發(fā)其它的重大災(zāi)難事故的發(fā)生。它的后接負(fù)載主要是電阻性照明、電感性的電機(jī)負(fù)載。因此，對這種負(fù)載而言, 其電流波形仍然保持正弦波的特性。這意味著：對這些負(fù)載而言，不存在輸入電流諧波”污染”問題。對于EPS電源來說，影響它的帶載能力的唯一因素是：不同負(fù)載所造成的、由于在電壓與電流之間出現(xiàn)相位移而產(chǎn)生的Cosф型的功率因數(shù)。如果在EPS 和 UPS中、都釆用帶輸出隔離變壓器的逆變器設(shè)計方案的話，它們的輸出功率因數(shù)為0.8(滯后)。有關(guān)輸出功率因數(shù)=0.8(滯后)的逆變器電源在不同Cosф值負(fù)載時的降額輸出特性被示于表1中。
　

　　3)EPS 電源的選配
　　(3.1) 應(yīng)急照明或事故照明用EPS(1-50KVAKVA)
　　　按GB17945-2000國家標(biāo)準(zhǔn)(消防應(yīng)急照明)：為確保大樓的應(yīng)照明系統(tǒng)能正常運行，對EPS電源提出如下基本要求：
　　　■要求負(fù)責(zé)向普通應(yīng)急照明燈供電的EPS電源的供電中斷時間<5秒。但對于高危險工作區(qū)及關(guān)鍵工作區(qū)的應(yīng)急照明而言、則要求EPS的供電中斷時間<0.25秒。
　　■為盡可能地利用市電電源，當(dāng)市電電壓在187V---242V(220V,-15%、+10%)的范圍內(nèi)、不允許EPS進(jìn)入逆變器電源供電狀態(tài)。
　　■要求EPS應(yīng)配置足夠容量的電池組，以便在市電供電中斷時，至少能確保應(yīng)急照相明燈可以繼續(xù)工作90分鐘以上。
　　■EPS中的充電器對電池組的最長充電間<24小時，最大充電電流<0.4C20A。
　　■帶RS232/485通信接口
　　由上述可知：在市電供電正常時，EPS是通過它的交流旁路向負(fù)載供電。原則上，它可以帶具有各種不同Cosф值的負(fù)載。然而，當(dāng)市電供電中斷/市電電壓或頻率超限時，則是由EPS中的逆變器電源來供電的。在此條件下，EPS的帶載能力、不僅需要考慮如表1所示的逆變器電源在不同Cosф值負(fù)載時的降額輸出特性。而且，還需根據(jù)所使用的應(yīng)急照明燈具的不同來選配EPS的輸出功率和機(jī)型。
　　(a)普通的應(yīng)急照明燈具：由于應(yīng)急照明燈具的功耗是用有功功率KW來標(biāo)注的，而EPS逆變器的輸出功率是用功率因數(shù)Cosф=0.8(滯后)時的視在功率KVA 來標(biāo)注的。所以，實際選用的EPS的滿載輸出功率應(yīng)為：KVA=KW/0.8。
　　(b)應(yīng)急照明燈具為熒光燈時, 所選用EPS的滿載輸出功率應(yīng)為：KVA=1.3—1.5倍的KW/0.8。其原因是熒光燈在啟動時、存在有較大的”啟動浪涌”電流。
　　(c)應(yīng)急照明燈具為高壓氣體燈時(例：高壓鈉燈、高壓鈀燈等)，宜選用切換時間<20ms的EPS產(chǎn)品。這是因為：如果對高壓氣體燈的供電”中斷時間”超過20ms時，就有可能致使氣體發(fā)光燈中的放電電弧”熄滅/中斷”。一旦發(fā)生”放電電弧”中斷現(xiàn)象，即使馬上就供電、也可能導(dǎo)致長達(dá)”分鐘數(shù)量級”的燈具熄滅現(xiàn)象發(fā)生。這因為它需要足夠長的時間來重新預(yù)熱高壓氣體燈中的燈絲的綠故。顯然，對于大型體育館和演出場地的照明系統(tǒng)來說，這是不允許出現(xiàn)這種故障的。
　　(3.2) 應(yīng)急照明+電動機(jī)混和型負(fù)載用EPS(三相，5--400KVAKVA)
　　為了正確地選擇EPS的輸出功率，應(yīng)首先分別統(tǒng)計電阻性照明負(fù)載與電感性電機(jī)負(fù)載的比例。對于電機(jī)負(fù)載而言，因用戶所選的機(jī)型及工作方式的不同，它的啟動電流可能高達(dá)5-10倍額定工作電流。為確保電機(jī)及EPS本身的安全運行, 對這種部份電機(jī)負(fù)載而言，不僅要求所選的EPS輸出功率應(yīng)為6倍以上的電機(jī)的標(biāo)稱功耗。而且，還宜選用其切換時間<10-15ms的EPS機(jī)型。
　　(3.3) 帶電機(jī)負(fù)載的EPS
　　(a) 釆用電機(jī)”硬啟動”工作方式，對于這種的EPS的輸出功率的選用方案同于(3.2)中所述。釆用這種方案的優(yōu)點是：不管在市電供電中斷時、還是在市電恢復(fù)正常工作時，EPS均可確保電機(jī)的連續(xù)運行。其缺點是：需選用大功率的EPS、成本較高。
　　(b) 選用帶變頻啟動功能的電機(jī)專用型EPS
　　

　　如圖3所示，市電供電正常時，經(jīng)交流旁路和轉(zhuǎn)換開關(guān)向后接電機(jī)負(fù)載供電。與此同時，市電還經(jīng)充電器向電池組充電。當(dāng)市電供電中斷時、為確保EPS的安全運行, 希望它執(zhí)行”延時切換”操作，以便讓電機(jī)徹底”停止轉(zhuǎn)動”后、再啟動變頻器，由它對后接電機(jī)執(zhí)行從0—50Hz的頻率逐漸增高的變頻啟動的操作(啟動時間為幾秒鐘)。釆用變頻啟動方案帶來的好處是：
　　(a)防止在EPS電源與處于”慣性運動狀態(tài)”下的電機(jī)所產(chǎn)生的自激勵電源之間、因相互處于”非同步入鎖”狀態(tài)而產(chǎn)生的故障隱患;
　　(b)可以降低EPS的輸出功率和降低投資成本。此時，EPS的輸出功率只需取1.2—1.4倍電機(jī)的額定功率就可滿足要求。[!--empirenews.page--]
　　其缺點是：
　　(a)要求用戶的電機(jī)負(fù)載要首先停機(jī)，然后再慢速”變頻啟動”，從而造成電機(jī)負(fù)載工作的”不連續(xù)性”。
　　(b)如果后接的幾臺電機(jī)需要在不同的時刻進(jìn)行”分時啟動”操作時，就會可能遇到這樣的技術(shù)難題：在啟動新的電機(jī)時，當(dāng)EPS的輸功率足夠大時，它可能會承受到5—10倍的電機(jī)啟動浪涌電流的”沖擊”。否則，就會迫使EPS重新進(jìn)入新一輪的”變頻啟動”工作狀態(tài)。由此所帶來的問題之一是：原來處于正常工作轉(zhuǎn)速的電動，會被再次拖入轉(zhuǎn)速由0—50Hz的變速啟動階段，從而給用戶的工作帶來麻煩/問題。
　　(4)應(yīng)急電源用UPS
　　近年來，在雙變換、在線式UPS的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種帶ECO作模式(經(jīng)濟(jì)工作模式)的UPS電源(例：艾默生公司的UL33及Hipulse系列的UPS電源)。
　　

　　如圖4所示，當(dāng)市電工作正常時，市電電源經(jīng)處于”導(dǎo)通狀態(tài)”的交流旁路上的靜態(tài)開關(guān)向后接負(fù)載供電。與此同時，市電電源經(jīng)整流器向電池組充電及向逆變器提供直流電源。此時，從逆變器所輸出的交流電源具有兩個工作特性：(a) 與市電電源處于同步跟蹤狀態(tài); (b) 由于逆變器的輸出靜態(tài)開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài),UPS中的逆變器處于低功耗的空載運行狀態(tài)。
　　由此可見：按 ECO模式工作的UPS不僅可以驅(qū)動具有各種不同Cosф值的負(fù)載。而且，它處于高效運行狀態(tài)(系統(tǒng)效率高達(dá)97%以上)。
　　當(dāng)市電”供電中斷”/市電電壓或頻率超限時(見圖5)，它可以在<15ms的時間內(nèi)、從交流旁路供電狀態(tài)→逆變器供電狀態(tài)。當(dāng)輸入電源恢復(fù)正常后（在允許范圍內(nèi)），系統(tǒng)自動執(zhí)行從逆變器供電狀態(tài)→交流旁路供電狀態(tài)。此時的切換時間為零。
　　同EPS處于逆變器供電狀態(tài)相比， 當(dāng)UPS處于逆變器供電狀態(tài)時，它具有如下優(yōu)勢：
　　■UPS的切換時間小于EPS的切換時間：由于UPS的最大切換時間<15ms。所以，可以用它來驅(qū)動高壓氣體燈型的負(fù)載。相比之下，由于多數(shù)EPS的切換時間在25ms-100ms左右。所以，不宜用它來帶這種照明系統(tǒng)。
　　■UPS的可靠性高：輸入電源正常時,它的逆變器是處于”空載待命”狀態(tài)的，當(dāng)輸入電源中斷/電壓超限時、對UPS的逆變器來說，只需執(zhí)行從空載→帶載的操作。不會出現(xiàn)在EPS中的逆變器所面臨的”突然開機(jī)啟動、并帶載”的惡劣工作環(huán)境。此外，導(dǎo)致UPS可靠性較高的另一個原因是：UPS的逆變器是按長期、連續(xù)工作方式來設(shè)計的、其IBGT功放管的”電流裕量”取得較大。相反，EPS的逆變器是按短期、應(yīng)急工作方式來設(shè)計的、其IBGT功放管的”電流裕量”取得較小。
　　■UPS的抗輸出過載能力優(yōu)于EPS電源：當(dāng)用戶的負(fù)載是照明+電機(jī)型混合負(fù)載時，它有利于釆用直接”硬啟動”電機(jī)的工作方式?！鯱PS產(chǎn)品的生產(chǎn)”成熟性”遠(yuǎn)高于EPS：UPS已經(jīng)歷過數(shù)十年的生產(chǎn)考驗和技術(shù)改進(jìn)，積累了相當(dāng)豐富的生產(chǎn)和維護(hù)經(jīng)驗，大型UPS的平均無故障時間(MTBF)高達(dá)40-50萬小時。相比之下，EPS是近幾年才開始小量生產(chǎn)，其產(chǎn)品的可靠性還有待于實踐的考驗。
　　

　(5)結(jié)論
　　當(dāng)市電供電正常時，EPS 和按ECO模式工作的UPS都具有高效、節(jié)能和可帶各種Cosф值負(fù)載的能力。當(dāng)市電供電不正常時，UPS同EPS相比，它具有切換時間短、可靠性高和產(chǎn)品的生產(chǎn)”成熟性”高等優(yōu)勢。當(dāng)用戶的負(fù)載為高壓氣體燈時，宜選用UPS電源。