EPS應(yīng)急電源的興起和現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢
韋德電子有限公司 工程部
摘要:應(yīng)急電源EPS的工作原理,以及如何使用戶能夠理性的去選擇產(chǎn)品。文中詳細分析了EPS的構(gòu)造和工作原理以及帶負載時的工作特性和運行參數(shù)。
關(guān)鍵詞:應(yīng)急電源;EPS;應(yīng)急電源工作原理;EPS特性
EPS應(yīng)急電源已被廣泛應(yīng)用于建筑電氣領(lǐng)域和特殊應(yīng)急供電場合。隨著社會發(fā)展，越是信息化、現(xiàn)代化，就越依賴于電力。突然的斷電必然會給人們正常的生活秩序和學(xué)習(xí)帶來影響，尤其是對于生產(chǎn)、生活中特別重要的負荷，一旦中斷供電，將會造成重大的經(jīng)濟損失。然而，電力故障具有突發(fā)性，不以人們的意志為轉(zhuǎn)移，即使電網(wǎng)設(shè)施再先進，意外的斷電也在所難免。目前，城市供電系統(tǒng)的安全對策一般是采用并網(wǎng)供電，為城市電力提供可靠的電源保護。但從企業(yè)及工業(yè)、民用建筑使用情況來看，僅僅靠公用電網(wǎng)還遠遠不夠，必須具備應(yīng)急供電系統(tǒng)（EPS），其重要性是在事故發(fā)生的情況下確保提供所需的應(yīng)急電力，以有效降低因為斷電而造成的損失，為人們生產(chǎn)和生活安全提供保障。因此，EPS也被稱為“城市生命線系統(tǒng)”的重要組成部分。
1.1 EPS應(yīng)急電源的分類
目前市場上的EPS應(yīng)急電源品牌眾多，大家在設(shè)計上所采用的控制方式和控制手段不盡相同，但針對所帶負載的種類大致可以歸納為以下三種：一是主要用于應(yīng)急照明和事故照明的單相EPS相應(yīng)我公司的WY系列；二是用于應(yīng)急照明、事故照明之外，還有應(yīng)用于空調(diào)、電梯、卷簾門、排氣風(fēng)機、水泵等電感性負載或兼而有之的混合供電的三相系列EPS相應(yīng)我公司W(wǎng)YS系列；三是直接給電動機供電的變頻系列EPS相應(yīng)我公司W(wǎng)YS/B系列。
1.2 EPS應(yīng)急電源的設(shè)計要求
EPS應(yīng)急電源可以說是近兩年才迅猛發(fā)展起來的一個新興產(chǎn)業(yè)，相比于發(fā)展成熟的UPS而言，有相同之處，也有不同之處。其相同點在于都具備在市電故障(中斷)情況下繼續(xù)向負載提供交流電源的功能，均采用了IGBT逆變技術(shù)和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)。不同之處是UPS除了提供不間斷供電外，還兼?zhèn)涓纳剖须娖焚|(zhì)的功能，而EPS應(yīng)急電源則主要解決市電故障時的應(yīng)急供電問題；UPS主要是為IT行業(yè)設(shè)備提供用電保障，EPS應(yīng)急電源則適用于各種行業(yè)；UPS供電模式要求切換時間很短(0～10ms)，EPS應(yīng)急電源則相對較寬(0～4s)；UPS主要帶計算機類負載，而EPS應(yīng)急電源所帶負載混雜；UPS對于運行環(huán)境要求較高，EPS應(yīng)急電源則要求能適應(yīng)各種環(huán)境；UPS以一般用戶監(jiān)控為主，EPS應(yīng)急電源主要用于應(yīng)急供電，要求與消防聯(lián)動；UPS以維護信息傳輸暢通為主要目的，EPS應(yīng)急電源以防范重大災(zāi)難事故為主要目的?？梢孕蜗蟮乇扔?，UPS以“救數(shù)據(jù)”為主，而EPS以“救人”為主。一般EPS功率較大，機內(nèi)的逆變器處于備用狀態(tài)。
鑒于EPS應(yīng)急電源的主要設(shè)計思想是在市電突然中斷時提供安全可靠的應(yīng)急電力供應(yīng)，有效避免發(fā)生災(zāi)害時的人身傷亡和財產(chǎn)損失為原則。因此，在設(shè)計EPS時應(yīng)著重考慮其安全性、可靠性、適用性及合理性。主要有：
1）斷電轉(zhuǎn)換時間一般在毫秒級(25ms)，以保證供電的及時性；
2）負載適應(yīng)能力強，包括電容性、電感性、混合型負載，而且過載能力和抗沖擊能力強；
3）有多路輸出，防止輸出單一形成的故障；
4）有消防聯(lián)動和遠程控制信號，可手動與自動相互轉(zhuǎn)換；
5）環(huán)境適應(yīng)能力強，適用于各種惡劣環(huán)境，有防止高低溫、濕熱、鹽霧、灰塵、震動及鼠咬等措施；
6）使用壽命長，有電池快速充電能力和管理能力；
7）節(jié)能，運行效率高，運行成本低；
8）有無人值守、自動操作功能；
9）報警功能齊全，能及時提供各種異常狀況的報警；
10）有強啟動功能，避免電池環(huán)節(jié)保護后無法啟動；
11）無煙霧、無噪音、無公害等；
12）維護簡單，維護費用低。
1.3 EPS應(yīng)急電源的設(shè)計原理
1）應(yīng)急照明和事故照明類照明型的EPS一般以單相為主，主要為應(yīng)急照明場合（商場、娛樂場所、辦公場所、交易場所等）提供集中供電，如圖2所示。當(dāng)輸入電源正常時，市電一路通過轉(zhuǎn)換裝置輸出給日常照明，另一路通過充電器給電池組充電，當(dāng)控制器檢測到市電中斷或異常(偏低或偏高)時，向逆變器發(fā)出啟動信號，并控制互投轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)至逆變器輸出。當(dāng)然，對于EPS的接法不同，還可以把EPS當(dāng)作二路電源、三路電源使用。
2）應(yīng)急照明及混合型負載類此類型EPS一般適用于負載性質(zhì)比較復(fù)雜的場合，譬如既有照明型負載，又有動力型負載，所以一般以三相居多，如圖3所示。適用場合為賓館、高層建筑、醫(yī)院、大型商場等。
3）電機專用的變頻起動類此種類型EPS主要為電機類負載而設(shè)計，避免因電機起動過程中的大電流沖擊而損壞設(shè)備。被廣泛應(yīng)用于大功率電動機負載，比如電梯、消防水泵、大型風(fēng)機等。與其他EPS的不同之處是此類EPS一般只有單路輸出，如圖4所示。當(dāng)三相輸入市電正常時經(jīng)整流后給逆變器提供直流電，同時經(jīng)充電器對電池組充電；當(dāng)三相輸入斷電或異常時，自動轉(zhuǎn)由電池組給變頻器提供直流電。當(dāng)需要電機負載工作時，送給變頻器啟動信號(運行信號、遠程控制信號等)，變頻器會立即輸出。從0～50Hz變頻，供給電動機進行變頻起動，當(dāng)其頻率到達50Hz后保持正常運行。
1.4 EPS應(yīng)急電源領(lǐng)域的現(xiàn)狀
隨著科技的不斷發(fā)展，眾多的智能大廈拔地而起，人們在對其居住環(huán)境提出了更高要求的同時，也提出了電力保障和消防安全問題。但EPS的起步較發(fā)電機和UPS要晚，人們對其認識的程度還不夠，所以在眾多的應(yīng)急供電場合，還是以發(fā)電機和UPS為主要應(yīng)急供電方式來實現(xiàn)EPS的功能。就提供應(yīng)急供電能力而言，這兩種方式已暴露出許多不足之處。
1）用柴油發(fā)電機組作為應(yīng)急電源是目前大部分工程所采用的，也是最常見的應(yīng)急備用電源，由于柴油發(fā)電機的容量較大，可并機運行且連續(xù)供電時間長，所以已經(jīng)有較長的應(yīng)用歷史。然而，無論發(fā)電機的起動速度有多快，從停電后使發(fā)電機接到起動信號開始，至發(fā)電機電壓、頻率等達到穩(wěn)定可以供電時為止，至少需要數(shù)十s至數(shù)min，這段時間，所有用電設(shè)備均停止工作，就可能造成少數(shù)設(shè)備的損壞或出現(xiàn)生命財產(chǎn)的安全問題。而EPS的啟動一般不會超過25ms，所以不會影響設(shè)備的正常工作。
另一方面，柴油發(fā)電機應(yīng)用在應(yīng)急供電場合，有諸多不利之處，主要有：
（1）在高層建筑中，柴油發(fā)電機組一般放在地下室，設(shè)計難度大，造價高，配備進風(fēng)、冷卻、排煙、減震、消音等設(shè)施都需要充分考慮；
（2）存在火災(zāi)隱患。其油罐像一個極為危險的“炸彈”，萬一失火，后果不堪設(shè)想；
（3）日常維護比較頻繁，工作量大；
（4）柴油發(fā)電機噪音大，產(chǎn)生公害；
（5）排煙中有大量的二氧化硫，污染嚴重，影響環(huán)保。
以負載容量為200kW為例，將EPS與柴油發(fā)電機組的性價比作一個比較。選用EPS時，其額定功率與負載功率比為1：1即可，其總價約為60萬元左右。而選用柴油發(fā)電機時，其額定功率與負載功率比應(yīng)為1.3～1.5：1，對200kW的負載，柴油發(fā)電機組需250kVA規(guī)格，該機組價格為40萬元左右，但是除機組本身價格之外，還需外加其他輔助裝置費用約16～29萬元，現(xiàn)以20萬元計算，即選用柴油發(fā)電機組總價為60萬元左右。所以，二者價格相差不多。從中也不難看出，如果EPS容量小于200kW時，其價格要小于柴油發(fā)電機組的綜合造價。目前消防應(yīng)急供電場合的負載總?cè)萘恳话阍?00kW以下，從投資的長遠利益考慮，EPS較柴油發(fā)電機組經(jīng)濟得多。
2）用UPS作為應(yīng)急電源EPS從原理結(jié)構(gòu)上和UPS大同小異。在線式UPS不論市電是否正常，它都一直由逆變器供電，即按照“市電輸入→整流→逆變→輸出”的順序進行，只有在逆變器故障或過載時才改由旁路輸出，如圖5所示。而EPS，當(dāng)市電正常時，市電通過開關(guān)S輸出給負載，同時充電器對電池充電。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到市電停電時，逆變器工作，使開關(guān)S切換至逆變輸出狀態(tài)，向負載提供電能，如圖6所示。
從以上供電系統(tǒng)圖可以看出，UPS是一種雙變換結(jié)構(gòu)的不間斷電源，主要為負載提供穩(wěn)定的高質(zhì)量電能，不受市電電網(wǎng)的影響，而且其轉(zhuǎn)換時間一般在10ms以內(nèi)，所以，UPS被廣泛應(yīng)用于計算機、程控交換機、醫(yī)療設(shè)備及精密電子儀器等不能中斷供電的場所。但正因為UPS不僅擔(dān)負著應(yīng)急供電外，還擔(dān)負著改善電力品質(zhì)的任務(wù)，所以其逆變器要連續(xù)不斷地工作，使用壽命相對較短，一般為5～8年，尤其是電池的更換較為頻繁。另一方面，UPS的逆變器長期處于工作中，自身的損耗較大，而且對使用環(huán)境要求很高，只能放在計算機房或空調(diào)房間里。
UPS專為IT行業(yè)的計算機類和通訊類負載而設(shè)計，其負載適應(yīng)能力不及EPS，舉例說明，如果應(yīng)急供電場合含有交流感應(yīng)式電動機一類的感性負載，那么在UPS的設(shè)計選型和使用中就會出現(xiàn)很大問題。由于交流電動機的起動電流通常是其額定電流的5～7倍，而UPS的過載能力標準規(guī)定：過載125％時，A類為10min，B類為1min，C類為30s；過載150％時10s。如果想要UPS能承受電動機起動電流的沖擊能力，勢必要增大UPS的額定容量，這無疑將加大投資，還未必能徹底解決問題。因此，選用UPS作為應(yīng)急電源，工作既不可靠，還得花費大量資金。
2 UPS/EPS的發(fā)展趨勢
2.1 UPS/EPS的控制技術(shù)
中小型UPS/EPS的AC／DC和DC／AC變換大多數(shù)仍采用模擬控制電路，AC／DC變換器的控制芯片大多數(shù)已集成化，使用簡單，工作可靠。DC／AC變換器的控制有兩種基本方式，一種是單閉環(huán)控制，另一種是雙閉環(huán)控制。前者控制電路簡單，但難于實現(xiàn)輸出端短路自動恢復(fù)。后者控制有電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器的輸出為電流調(diào)節(jié)器的給定，因此，限制電流給定幅值也就限制了逆變器的最大輸出電流。
當(dāng)前，數(shù)字控制已成為新型UPS/EPS控制技術(shù)發(fā)展的主流，數(shù)字控制器具有精度高，抗干擾能力強，易于實現(xiàn)對UPS的檢測、故障診斷和隔離，易于實現(xiàn)遙控遙測，實現(xiàn)多臺UPS的并聯(lián)和熱插拔，易于實現(xiàn)對蓄電池的監(jiān)控和管理。也就是說，計算機的介入使UPS具備了智能化，可以使其運行在最優(yōu)狀態(tài)。
2.1.1 DSP的應(yīng)用
采用數(shù)字信號處理器(DSP)的數(shù)字PWM技術(shù)，是數(shù)字控制技術(shù)的核心，用于保證UPS/EPS輸出電壓的質(zhì)量，即保證輸出電壓、頻率和輸出電壓波形滿足技術(shù)指標的要求。數(shù)字控制的另一個重要功能是實現(xiàn)UPS/EPS的初始自檢和運行自檢，進行故障保護和故障隔離，這是模擬控制器無法勝任的。由于數(shù)字控制器的靈活性，使UPS控制器的硬件電路可以標準化，從而簡化了生產(chǎn)、使用和維修，也大大提高了工作可靠性。
2.1.2 控制電路的全微處理器化
UPS/EPS電路是由以下幾部分組成的：主電路、驅(qū)動電路、監(jiān)控顯示及控制保護電路和通信界面電路。其中監(jiān)控、顯示及控制保護電路和通信界面電路，可以運用數(shù)字化設(shè)計技巧簡化其電路，并解決原類比電路需要調(diào)整、具有溫漂及參數(shù)調(diào)整不易的缺欠。采用的方法是：
1）全微處理器化利用微處理器來執(zhí)行監(jiān)控、顯示及控制保護電路和通信界面電路的功能；
2）半微處理器化利用類比電路處理快速反饋保護電路，而由處理器處理慢速反饋、報警、顯示及通信界面的功能。
2.2 蓄電池技術(shù)
蓄電池是UPS/EPS的心臟，不管UPS/EPS電路多么先進，其性能最終取決于它的電池，一旦電池失效，再好的UPS/EPS也無法提供不間斷供電。
目前，UPS/EPS一般都使用免維護密封鉛酸蓄電池，由于采用陰極吸收式密封技術(shù)，克服了普通蓄電池需要定期補水的缺點，具有“免維護”、使用方便、不污染環(huán)境、體積小、重量輕的優(yōu)點。它使用高氫過電位的板柵材料，減少了電池在存放和充電過程中的氣體分解。正極表面的超細玻璃纖維膜，阻止了活性物質(zhì)脫落，提高了電池的壽命。安全閥的使用使蓄電池很少產(chǎn)生氣體，又可使已產(chǎn)生的氧氣被負極鉛所吸收，使蓄電池?zé)o水的損失，達到了密封免維護的目的。
一般情況下，影響電池性能的主要因素是連續(xù)充電，電池連續(xù)充電大約要減少一半的使用壽命。目前國外使用一種ABM(Advanced Battery
Management)三階段電池管理方案，即充電分成三個階段：第一階段是恒流均衡充電，將電池容量充到90％；第二階段是浮充充電，將電池容量充到100％，然后停止充電；第三階段是自然放電，在這個階段里，電池利用自身的漏電流放電，一直到規(guī)定的電壓下限，再重復(fù)上述的三個階段。這種方式改變了以前那種充滿電后，仍使電池處于一天24h的浮充狀態(tài)，因此延長了電池的壽命。
金屬化鎳氫電池具有高能量密度的優(yōu)點，而且又無鎳鎘電池可能造成的鎘污染，將其應(yīng)用于UPS/EPS可以收到小型輕量化的優(yōu)點。但其缺點是售價太高。美國Alupower公司研發(fā)的高功率鉛－空氣備用電源裝置(RPU)，運行≥50h，功率從600W到6000W，電壓有DC24V和48V兩種，其能量密度是鉛酸電池的十多倍，重量只有鉛酸電池的1／10，所占空間只有鉛酸電池的1／7，有望取代鉛酸蓄電池應(yīng)用于UPS/EPS。
3.3 EPS應(yīng)急電源的發(fā)展趨勢
由于EPS所帶負載類型的復(fù)雜性和環(huán)境的相對固定性，針對不同場合、不同負載，可對EPS功能做得更貼近現(xiàn)實應(yīng)用。其中包括以下幾方面。
1）結(jié)構(gòu)組成普通EPS為了更好地結(jié)合實際應(yīng)用，往往采用“多合一”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但由于負載及環(huán)境的復(fù)雜性，也由此帶來設(shè)備標準化和設(shè)計院所、用戶選型的困難。解決的辦法是采用模塊化設(shè)計，將主機與輸入或輸出配電分離開來。主機模塊完成主要的能量轉(zhuǎn)換及通訊控制功能；配電模塊實現(xiàn)豐富的配電管理功能。主機模塊通過標準控制接口實現(xiàn)對配電模塊的管理，如雙電源自動切換功能，多回路輸出功能，消防聯(lián)動功能均應(yīng)在配電模塊中實現(xiàn)。
2）配電模塊應(yīng)增加功能EPS用于緊急負載的供電，其負載往往為非單一的負載，而這些負載在緊急情況下的關(guān)鍵程度不盡相同，因此，對于EPS來說，某些配電管理功能至關(guān)重要。
（1）順序啟動功能諸如，EPS的負載很大一部分是感性沖擊負載，具有較大的啟動電流，在選型時必須加大EPS容量，從而造成設(shè)備資源的浪費以及用戶成本的增加。實際上，由于EPS負載供電的可間斷性，EPS可增加一個8路或16路的可編程配電管理接口，通過對負載啟動的順序、時間進行控制，可在很大程度上解決啟動沖擊電流和加大選型容量的問題。
（2）部分卸載功能由EPS負載性質(zhì)決定，當(dāng)過載發(fā)生時，需要EPS盡可能繼續(xù)工作，而不能象UPS那樣進行保護性關(guān)機，因此，同樣可通過配電管理接口卸除次要負載。
3）電池管理由于EPS的使用環(huán)境一般較UPS惡劣，為盡可能延長蓄電池的使用壽命，充電器應(yīng)同時具備以下功能：
（1）可設(shè)定充電限流；
（2）可設(shè)定電池放電終止電壓；
（3）具有自動浮充功能，充電機制應(yīng)符合DIN41773標準；
（4）具有浮充電壓溫度補償功能；
（5）智能電池檢測功能；
（6）深放電保護(可強制應(yīng)急)。
4）變頻起動功能目前變頻起動型EPS的設(shè)計，如圖8所示，主要著眼于解決較大電動機，如電梯、水泵、風(fēng)機等負載的起動沖擊問題，但更為合理的設(shè)計，應(yīng)該是在線式UPS與變頻器技術(shù)的完美結(jié)合。在線式UPS具有成熟的整流、電池管理技術(shù)；變頻器具有成熟的變頻控制技術(shù)，兩者的有機結(jié)合才是這一應(yīng)用領(lǐng)域的最終發(fā)展方向。
圖8 變頻起動
結(jié)語
隨著社會的進步和發(fā)展，環(huán)境要求的不斷提高，消防意識也越來越被人們重視。EPS以其特有的優(yōu)越性將被人們認識和采用，在一個工程中，它可以靈活的運用在消防供電回路末端、個別重要場合等多種情況。在選擇應(yīng)急電源上，不再只局限于柴油發(fā)電機了，因為它們各自的特點分別適用于不同的工程，這將為整個社會的安全提供更有力的保障。
（轉(zhuǎn)載）
