應急電源用的EPS和UPS電源

應急電源用的EPS和UPS電源

The major loads of the ESP and UPS for emergency source are lighting installation of the resistance property and electrical motor of the inductive property. Technical requirements for both of them are as followings: The adaptability for variety of the loads with different power factors should be strong; The efficiency of the power source should be high; The time of the transfer operation should be shorter. The operation characteristics and related technical parameters of both of EPS and UPS under driving various loads are analyzed and discussed.　Both of them have the advantages of high efficiency andthe capacity for reducing the energy resources and for driving a variety of the loads with different power factors, if the mains supply is normal.　As compared with EPS, UPS operated under ECO mode has the following advantages: shorter time of the transfer operation, higher reliability and higher maturity of the UPS production technology, if the mains supply is outage.
　　(1)應急電源是確保電力供電系統和消防系統安全運行的技術(shù)保障
　　當代社會(huì )生活對市電電網(wǎng)供電可靠性的依賴(lài)度之高是人所共知的。近年來(lái)，隨著(zhù)我國工農業(yè)生產(chǎn)的高速增長(cháng)及人民生活水平的提高所需求的電力供應量也隨之迅猛地增長(cháng)。近年來(lái)、由于電力工業(yè)所能提供的電力供應的增長(cháng)量低于國民經(jīng)濟增長(cháng)所需用電量, 缺電、”拉閘限電”等現象成為制約國民經(jīng)濟能否持續增長(cháng)的重要制約因素之一。此外，為確保位于現代辦公大樓、大型商業(yè)和服務(wù)業(yè)、大型體育場(chǎng)館及演出場(chǎng)地、醫院手術(shù)照明、地鐵應急照明、機場(chǎng)照明系統、工業(yè)廠(chǎng)房等重要區域中的應急照明系統、電梯、水泵、消防噴淋泵和監控系統等關(guān)鍵設備在遇到”因故停電”時(shí)、也能正常運行。為此，國內外的部份UPS廠(chǎng)家推出一種高效、節能的EPS(Emergency Power Supply)型應急電源, 以便在市電電網(wǎng)”停電”時(shí)、能確保用戶(hù)的各項關(guān)鍵業(yè)務(wù)不間斷地、順利地運轉著(zhù)。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、無(wú)法尋找到能適合于安裝柴油發(fā)電機”備用電源”的安裝場(chǎng)地。這是因為它可能帶來(lái)如下比較棘手的安裝和維護問(wèn)題：強烈機械震動(dòng)/嚴重嗓音的擾民問(wèn)題、柴油發(fā)電機組的日常維護及燃油的安全儲存問(wèn)題等。此外，由于發(fā)電機的開(kāi)機啟動(dòng)時(shí)間往往長(cháng)達幾秒—幾十秒。這樣一來(lái)，對某些不允許”瞬間供電中斷”時(shí)間長(cháng)的負載而言，就會(huì )帶來(lái)不必要的工作麻煩。
　　當用戶(hù)的主要負載是電阻性的照明設備及電感性的電動(dòng)機類(lèi)的一般負載時(shí)，對于這種負載而言，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重的”過(guò)壓/欠壓”等電源問(wèn)題有較高的要求。一般說(shuō)來(lái)，對電網(wǎng)的其它供電質(zhì)量(例如：頻率波動(dòng)、各種電磁干擾和”零—地電位”偏高等電源問(wèn)題)的要求較低。在此條件下，容易對在線(xiàn)式UPS 能否被用作應急電源之一產(chǎn)生如下誤解：
　　(a)處于逆變器供電條件下的雙變換、在線(xiàn)式UPS的系統效率僅為：89%--94%左右,難于將其系統效率提高到97%以上(注：UPS電源的輸出功率越高、其系統效率也越高)。顯而易見(jiàn)：供電電源的系統效率越高、其節能效果也越顯著(zhù)。
　　在此需說(shuō)明的是：部份廠(chǎng)商有時(shí)為了突出EPS的高效節能效果、在進(jìn)行EPS與 UPS的性能比較時(shí)，提出傳統UPS的效率僅80-90%, 其電能的損耗高達10-20% 的數據。顯然,這是與絕大多數的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型”非線(xiàn)性負載”所設計的雙變換、在線(xiàn)式UPS來(lái)說(shuō), 由于它的最佳的輸出功率因數為0.7/0.8(滯后)。因此，對于可能同時(shí)需要帶容性、感性和阻性負載的設備而言， UPS電源無(wú)論是在對上述負載的適應性上、還是在承受電機/電容負載在啟動(dòng)時(shí)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能效果、又能同時(shí)驅動(dòng)容性、感性和阻性等多種不同性質(zhì)負載的”應急電源”之一的EPS電源就應運而生了。
　　(2)EPS 電源的工作原理及它對不同Cosф值負載的帶載能力
　　2.1)EPS電源的工作原理
　　1臺典型的EPS電源的系統控制框圖被示于圖1中。對于熟悉UPS電源的人士來(lái)說(shuō),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(dòng)執行市電供電←→逆變器電源供電切換操作的”轉換開(kāi)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：根據各EPS廠(chǎng)家的不同設計，有的EPS電源配置有內置的充電器。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，當今的EPS的輸出功率的”復蓋范圍”卻可寬達1-400KVA左右。單相EPS的輸出功率(功率因數cosф=0.8)為：1—40KVA左右, 常見(jiàn)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(jiàn)的電池組電壓有：220Vdc、480Vdc、600Vdc 和 1000Vdc?；谏鲜鲈?，當用戶(hù)在選購大功率EPS電源時(shí)、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(guò)高的DC工作電壓必然會(huì )對用戶(hù)的安裝設備的絕緣電阻、防靜電保護、人員的操作安全及保護帶來(lái)相當嚴格的要求，從而增大投資成本和維護的難度。
　　

　　■當市電供電正常時(shí)，市電電源經(jīng)過(guò)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(gè)僅需向蓄電池組提供相當于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(shí)，市電電源經(jīng)由EFS的交流旁路和轉換開(kāi)關(guān)所組成的供電通道向用戶(hù)的各種應急負載供電。與此同時(shí)，在EPS的邏輯控制板的調控下，逆變器處于”停止工作”的自動(dòng)關(guān)機狀態(tài)。在此條件下，用戶(hù)負載所實(shí)際使用的電源是來(lái)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(lái)帶電阻性、電感性和電容性負載。這就是EPS廠(chǎng)家向用戶(hù)所宣揚的”可適應于全部Cosф范圍”的”優(yōu)異”帶載能力。此時(shí)，無(wú)需考慮EPS電源的額定輸出功率(KVA)對不同Cosф值負載的降額工作特性。
　　

　　■當市電供電中斷或市電電壓超限(±15%或±20%額定輸入電壓)時(shí)，EPS在對它的逆變器執行”開(kāi)機啟動(dòng)”的同時(shí)，還需在很短的時(shí)間內、利用它的”轉換開(kāi)關(guān)”執行從交流旁路供電→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(hù)負載所使用的電源是EPS的逆變器電源、并不是來(lái)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(huì )因負載的功率因數的不同而有所變化。此時(shí)，位于EPS中的逆變器電源的實(shí)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(jiàn)2.2節)。
　　■當市電恢復正常工作時(shí)，EPS在對逆變器執行自動(dòng)關(guān)機操作的同時(shí)、還通過(guò)它的”轉換開(kāi)關(guān)”執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載提供市電電源的同時(shí)，還經(jīng)充電器向電池組充電。
　　■當EPS電源在執行逆變器電源供電←→交流旁路供電的切換操作時(shí)，執行這種”切換操作”所可能產(chǎn)生的供電中斷時(shí)間(所謂的切換時(shí)間)會(huì )因為所配置的轉換開(kāi)關(guān)的不同而有所差別。對于釆用電磁式轉換開(kāi)關(guān)(例：快速繼電器/斷路器開(kāi)關(guān))的EPS電源來(lái)說(shuō)，其典型的切換時(shí)間為：25—200毫秒。對于釆用電子式轉換開(kāi)關(guān)(可控硅型”靜態(tài)開(kāi)關(guān)”)的EPS電源來(lái)說(shuō)，其典型的切換時(shí)間為：<10--20毫秒。
　　在此需特別說(shuō)明的是，長(cháng)期的UPS應用實(shí)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(xiàn)式UPS中的逆變器的故障率。乍看起來(lái)，似乎難以理解。這是因為對于EPS/后備式UPS來(lái)說(shuō)，在絕大多數的時(shí)間內、都是由市電經(jīng)過(guò)交流旁路在向負載供電(注：按2001年的統計資料，國內電網(wǎng)的平均”可利用率”約為: 99.9%)，僅在較短的時(shí)間內(<0.1%的幾率)、才會(huì )需要由EPS中的逆變器來(lái)向負載提供電源。相比之下、對于雙變換、在線(xiàn)式UPS來(lái)說(shuō)，只要它的逆變器不”被損壞”或在它的輸出端上、未出現”過(guò)載”/短路故障時(shí)、都應該由它的逆變器來(lái)向負載提供電源。造成上述”反?！钡脑蛴校?br>　　(a)當后備式UPS需要執行從交流旁路供電→逆變器電源供電的切換操作時(shí)，不僅要求原來(lái)處于”自動(dòng)關(guān)機狀態(tài)”的逆變器在極短的時(shí)間內、立即開(kāi)機啟動(dòng)。而且，還要求較短的時(shí)間內(<4ms左右)、立即向后接的負載供電。正是這種”突然帶載”開(kāi)機啟動(dòng)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”設計功率裕量”、并不是按長(cháng)時(shí)間的、連續工作方式來(lái)配置的。相反，它是按”短時(shí)間運行方式”來(lái)設計的(例：EPS的典型電池組后備供電時(shí)間為90分鐘)。
　　相比之下，在雙變換、在線(xiàn)式UPS的設計中，它釆取下述措施來(lái)消除在后備式UPS電源中所可能出現的故障隱患：
　　(a)位于它的逆變器中的IGBT功放管的”設計功率裕量”是按長(cháng)期、連續工作來(lái)配置的。
　　(b)為防止逆變器進(jìn)入”突然帶載”開(kāi)機啟動(dòng)的惡劣運行條件，不僅在它的逆變器設計中，釆用”漸進(jìn)式”慢啟動(dòng)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(shí)間”為：3—5秒。而且，在逆變器的輸出電壓達到其穩態(tài)值之前，是禁止執行從交流旁路供電→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(shí)，并非是”切換時(shí)間”越短的產(chǎn)品、其性能越好。從某種意義上講，切換時(shí)間”過(guò)短”易于導致它的故障率增大。為安全計，宜選用”切換時(shí)間”為：100-250ms的ESP機型。因此，在評價(jià)EPS的”切換時(shí)間”這項技術(shù)指標時(shí)，其判斷標準是不同于傳統的UPS的。眾所周知：對于在線(xiàn)式UPS來(lái)說(shuō)，則是它的”切換時(shí)間”越短越好，最好它的”切換時(shí)間”為零。
　　(2.2)EPS電源對于具有不同Cosф值負載的帶載能力
　　 由于EPS是為解決在遇到市電供電不正常時(shí)的電力和消防系統的應急供電問(wèn)題，以便防止因供電不正常而誘發(fā)其它的重大災難事故的發(fā)生。它的后接負載主要是電阻性照明、電感性的電機負載。因此，對這種負載而言, 其電流波形仍然保持正弦波的特性。這意味著(zhù)：對這些負載而言，不存在輸入電流諧波”污染”問(wèn)題。對于EPS電源來(lái)說(shuō)，影響它的帶載能力的唯一因素是：不同負載所造成的、由于在電壓與電流之間出現相位移而產(chǎn)生的Cosф型的功率因數。如果在EPS 和 UPS中、都釆用帶輸出隔離變壓器的逆變器設計方案的話(huà)，它們的輸出功率因數為0.8(滯后)。有關(guān)輸出功率因數=0.8(滯后)的逆變器電源在不同Cosф值負載時(shí)的降額輸出特性被示于表1中。
　　

　　3)EPS 電源的選配
　　(3.1) 應急照明或事故照明用EPS(1-50KVAKVA)
　　　按GB17945-2000國家標準(消防應急照明)：為確保大樓的應照明系統能正常運行，對EPS電源提出如下基本要求：
　　　■要求負責向普通應急照明燈供電的EPS電源的供電中斷時(shí)間<5秒。但對于高危險工作區及關(guān)鍵工作區的應急照明而言、則要求EPS的供電中斷時(shí)間<0.25秒。
　　■為盡可能地利用市電電源，當市電電壓在187V---242V(220V,-15%、+10%)的范圍內、不允許EPS進(jìn)入逆變器電源供電狀態(tài)。
　　■要求EPS應配置足夠容量的電池組，以便在市電供電中斷時(shí)，至少能確保應急照相明燈可以繼續工作90分鐘以上。
　　■EPS中的充電器對電池組的最長(cháng)充電間<24小時(shí)，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(shí)，EPS是通過(guò)它的交流旁路向負載供電。原則上，它可以帶具有各種不同Cosф值的負載。然而，當市電供電中斷/市電電壓或頻率超限時(shí)，則是由EPS中的逆變器電源來(lái)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值負載時(shí)的降額輸出特性。而且，還需根據所使用的應急照明燈具的不同來(lái)選配EPS的輸出功率和機型。
　　(a)普通的應急照明燈具：由于應急照明燈具的功耗是用有功功率KW來(lái)標注的，而EPS逆變器的輸出功率是用功率因數Cosф=0.8(滯后)時(shí)的視在功率KVA 來(lái)標注的。所以，實(shí)際選用的EPS的滿(mǎn)載輸出功率應為：KVA=KW/0.8。
　　(b)應急照明燈具為熒光燈時(shí), 所選用EPS的滿(mǎn)載輸出功率應為：KVA=1.3—1.5倍的KW/0.8。其原因是熒光燈在啟動(dòng)時(shí)、存在有較大的”啟動(dòng)浪涌”電流。
　　(c)應急照明燈具為高壓氣體燈時(shí)(例：高壓鈉燈、高壓鈀燈等)，宜選用切換時(shí)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(shí)間”超過(guò)20ms時(shí)，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”中斷現象，即使馬上就供電、也可能導致長(cháng)達”分鐘數量級”的燈具熄滅現象發(fā)生。這因為它需要足夠長(cháng)的時(shí)間來(lái)重新預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(chǎng)地的照明系統來(lái)說(shuō)，這是不允許出現這種故障的。
　　(3.2) 應急照明+電動(dòng)機混和型負載用EPS(三相，5--400KVAKVA)
　　為了正確地選擇EPS的輸出功率，應首先分別統計電阻性照明負載與電感性電機負載的比例。對于電機負載而言，因用戶(hù)所選的機型及工作方式的不同，它的啟動(dòng)電流可能高達5-10倍額定工作電流。為確保電機及EPS本身的安全運行, 對這種部份電機負載而言，不僅要求所選的EPS輸出功率應為6倍以上的電機的標稱(chēng)功耗。而且，還宜選用其切換時(shí)間<10-15ms的EPS機型。
　　(3.3) 帶電機負載的EPS
　　(a) 釆用電機”硬啟動(dòng)”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(diǎn)是：不管在市電供電中斷時(shí)、還是在市電恢復正常工作時(shí)，EPS均可確保電機的連續運行。其缺點(diǎn)是：需選用大功率的EPS、成本較高。
　　(b) 選用帶變頻啟動(dòng)功能的電機專(zhuān)用型EPS
　　

　　如圖3所示，市電供電正常時(shí)，經(jīng)交流旁路和轉換開(kāi)關(guān)向后接電機負載供電。與此同時(shí)，市電還經(jīng)充電器向電池組充電。當市電供電中斷時(shí)、為確保EPS的安全運行, 希望它執行”延時(shí)切換”操作，以便讓電機徹底”停止轉動(dòng)”后、再啟動(dòng)變頻器，由它對后接電機執行從0—50Hz的頻率逐漸增高的變頻啟動(dòng)的操作(啟動(dòng)時(shí)間為幾秒鐘)。釆用變頻啟動(dòng)方案帶來(lái)的好處是：
　　(a)防止在EPS電源與處于”慣性運動(dòng)狀態(tài)”下的電機所產(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(shí)，EPS的輸出功率只需取1.2—1.4倍電機的額定功率就可滿(mǎn)足要求。
　　其缺點(diǎn)是：
　　(a)要求用戶(hù)的電機負載要首先停機，然后再慢速”變頻啟動(dòng)”，從而造成電機負載工作的”不連續性”。
　　(b)如果后接的幾臺電機需要在不同的時(shí)刻進(jìn)行”分時(shí)啟動(dòng)”操作時(shí)，就會(huì )可能遇到這樣的技術(shù)難題：在啟動(dòng)新的電機時(shí)，當EPS的輸功率足夠大時(shí)，它可能會(huì )承受到5—10倍的電機啟動(dòng)浪涌電流的”沖擊”。否則，就會(huì )迫使EPS重新進(jìn)入新一輪的”變頻啟動(dòng)”工作狀態(tài)。由此所帶來(lái)的問(wèn)題之一是：原來(lái)處于正常工作轉速的電動(dòng)，會(huì )被再次拖入轉速由0—50Hz的變速啟動(dòng)階段，從而給用戶(hù)的工作帶來(lái)麻煩/問(wèn)題。
　　(4)應急電源用UPS
　　近年來(lái)，在雙變換、在線(xiàn)式UPS的基礎上開(kāi)發(fā)出一種帶ECO作模式(經(jīng)濟工作模式)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，當市電工作正常時(shí)，市電電源經(jīng)處于”導通狀態(tài)”的交流旁路上的靜態(tài)開(kāi)關(guān)向后接負載供電。與此同時(shí)，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(shí)，從逆變器所輸出的交流電源具有兩個(gè)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(kāi)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(jiàn)：按 ECO模式工作的UPS不僅可以驅動(dòng)具有各種不同Cosф值的負載。而且，它處于高效運行狀態(tài)(系統效率高達97%以上)。
　　當市電”供電中斷”/市電電壓或頻率超限時(shí)(見(jiàn)圖5)，它可以在<15ms的時(shí)間內、從交流旁路供電狀態(tài)→逆變器供電狀態(tài)。當輸入電源恢復正常后（在允許范圍內），系統自動(dòng)執行從逆變器供電狀態(tài)→交流旁路供電狀態(tài)。此時(shí)的切換時(shí)間為零。
　　同EPS處于逆變器供電狀態(tài)相比， 當UPS處于逆變器供電狀態(tài)時(shí)，它具有如下優(yōu)勢：
　　■UPS的切換時(shí)間小于EPS的切換時(shí)間：由于UPS的最大切換時(shí)間<15ms。所以，可以用它來(lái)驅動(dòng)高壓氣體燈型的負載。相比之下，由于多數EPS的切換時(shí)間在25ms-100ms左右。所以，不宜用它來(lái)帶這種照明系統。
　　■UPS的可靠性高：輸入電源正常時(shí),它的逆變器是處于”空載待命”狀態(tài)的，當輸入電源中斷/電壓超限時(shí)、對UPS的逆變器來(lái)說(shuō)，只需執行從空載→帶載的操作。不會(huì )出現在EPS中的逆變器所面臨的”突然開(kāi)機啟動(dòng)、并帶載”的惡劣工作環(huán)境。此外，導致UPS可靠性較高的另一個(gè)原因是：UPS的逆變器是按長(cháng)期、連續工作方式來(lái)設計的、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、應急工作方式來(lái)設計的、其IBGT功放管的”電流裕量”取得較小。
　　■UPS的抗輸出過(guò)載能力優(yōu)于EPS電源：當用戶(hù)的負載是照明+電機型混合負載時(shí)，它有利于釆用直接”硬啟動(dòng)”電機的工作方式?！鯱PS產(chǎn)品的生產(chǎn)”成熟性”遠高于EPS：UPS已經(jīng)歷過(guò)數十年的生產(chǎn)考驗和技術(shù)改進(jìn)，積累了相當豐富的生產(chǎn)和維護經(jīng)驗，大型UPS的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)高達40-50萬(wàn)小時(shí)。相比之下，EPS是近幾年才開(kāi)始小量生產(chǎn)，其產(chǎn)品的可靠性還有待于實(shí)踐的考驗。
　　

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