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EPS應急電源應用
發布時間 :2015-1-13 10:43:14

1.1EPS應急電源的分類

    目前市場上的EPS應急電源品牌眾多,大家在設計上所采用的控製方式和控製手段不盡相同,但針對所帶負載的種類大致可以歸納為以下三種:一是主要用於應急照明和事故照明的單相EPS;二是用於應急照明、事故照明之外,還有應用於空調、電梯、卷簾門、排氣風機、水泵等電感性負載或兼而有之的混合供電的三相係列EPS;三是直接給電動機供電的變頻係列EPS。

1.2EPS應急電源的設計要求

    EPS應急電源可以說是近兩年才迅猛發展起來的一個新興產業,相比於發展成熟的UPS而言,有相同之處,也有不同之處。其相同點在於都具備在市電故障(中斷)情況下繼續向負載提供交流電源的功能,均采用了IGBT逆變技術和脈寬調製(PWM)技術。不同之處是UPS除了提供不間斷供電外,還兼備改善市電品質的功能,而EPS應急電源則主要解決市電故障時的應急供電問題;UPS主要是為IT行業設備提供用電保障,EPS應急電源則適用於各種行業;UPS供電模式要求切換時間很短(0~10ms),EPS應急電源則相對較寬(0~4s);UPS主要帶計算機類負載,而EPS應急電源所帶負載混雜;UPS對於運行環境要求較高,EPS應急電源則要求能適應各種環境;UPS以一般用戶監控為主,EPS應急電源主要用於應急供電,要求與消防聯動;UPS以維護信息傳輸暢通為主要目的,EPS應急電源以防範重大災難事故為主要目的。可以形象地比喻,UPS以“救數據”為主,而EPS以“救人”為主。一般EPS功率較大,機內的逆變器處於備用狀態。鑒於EPS應急電源的主要設計思想是在市電突然中斷時提供安全可靠的應急電力供應,有效避免發生災害時的人身傷亡和財產損失為原則。因此,在設計EPS時應著重考慮其安全性、可靠性、適用性及合理性。主要有:1)斷電轉換時間一般在毫秒級(25ms),以保證供電的及時性;2)負載適應能力強,包括電容性、電感性、混合型負載,而且過載能力和抗衝擊能力強;3)有多路輸出,防止輸出單一形成的故障;4)有消防聯動和遠程控製信號,可手動與自動相互轉換;5)環境適應能力強,適用於各種惡劣環境,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,避免電池環節保護後無法啟動;11)無煙霧、無噪音、無公害等;12)維護簡單,維護費用低。

1.3EPS應急電源的設計原理

    1)應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。當輸入電源正常時,市電一路通過轉換裝置輸出給日常照明,另一路通過充電器給電池組充電,當控製器檢測到市電中斷或異常(偏低或偏高)時,向逆變器發出啟動信號,並控製互投轉換裝置轉至逆變器輸出。當然,對於EPS的接法不同,還可以把EPS當作二路電源、三路電源使用。

    2)應急照明及混合型負載類此類型EPS一般適用於負載性質比較複雜的場合,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、高層建築、醫院、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計,避免因電機起動過程中的大電流衝擊而損壞設備。被廣泛應用於大功率電動機負載,比如電梯、消防水泵、大型風機等。與其他EPS的不同之處是此類EPS一般隻有單路輸出,如圖4所示。當三相輸入市電正常時經整流後給逆變器提供直流電,同時經充電器對電池組充電;當三相輸入斷電或異常時,自動轉由電池組給變頻器提供直流電。當需要電機負載工作時,送給變頻器啟動信號(運行信號、遠程控製信號等),變頻器會立即輸出。從0~50Hz變頻,供給電動機進行變頻起動,當其頻率到達50Hz後保持正常運行。

1.4EPS應急電源領域的現狀

    隨著科技的不斷發展,眾多的智能大廈拔地而起,人們在對其居住環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,所以在眾多的應急供電場合,還是以發電機和UPS為主要應急供電方式來實現EPS的功能。就提供應急供電能力而言,這兩種方式已暴露出許多不足之處。

    1)用柴油發電機組作為應急電源是目前大部分工程所采用的,也是最常見的應急備用電源,由於柴油發電機的容量較大,可並機運行且連續供電時間長,所以已經有較長的應用曆史。然而,無論發電機的起動速度有多快,從停電後使發電機接到起動信號開始,至發電機電壓、頻率等達到穩定可以供電時為止,至少需要數十s至數min,這段時間,所有用電設備均停止工作,就可能造成少數設備的損壞或出現生命財產的安全問題。而EPS的啟動一般不會超過25ms,所以不會影響設備的正常工作。另一方麵,柴油發電機應用在應急供電場合,有諸多不利之處,主要有:(1)在高層建築中,柴油發電機組一般放在地下室,設計難度大,造價高,配備進風、冷卻、排煙、減震、消音等設施都需要充分考慮;(2)存在火災隱患。其油罐像一個極為危險的“炸彈”,萬一失火,後果不堪設想;(3)日常維護比較頻繁,工作量大;(4)柴油發電機噪音大,產生公害;(5)排煙中有大量的二氧化硫,汙染嚴重,影響環保。

    以負載容量為200kW為例,將EPS與柴油發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。而選用柴油發電機時,其額定功率與負載功率比應為1.3~1.5:1,對200kW的負載,柴油發電機組需250kVA規格,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,現以20萬元計算,即選用柴油發電機組總價為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容量小於200kW時,其價格要小於柴油發電機組的綜合造價。目前消防應急供電場合的負載總容量一般在200kW以下,從投資的長遠利益考慮,EPS較柴油發電機組經濟得多。

    2)用UPS作為應急電源EPS從原理結構上和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,隻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,當市電正常時,市電通過開關S輸出給負載,同時充電器對電池充電。當控製係統檢測到市電停電時,逆變器工作,使開關S切換至逆變輸出狀態,向負載提供電能,如圖6所示。從以上供電係統圖可以看出,UPS是一種雙變換結構的不間斷電源,主要為負載提供穩定的高質量電能,不受市電電網的影響,而且其轉換時間一般在10ms以內,所以,UPS被廣泛應用於計算機、程控交換機、醫療設備及精密電子儀器等不能中斷供電的場所。但正因為UPS不僅擔負著應急供電外,還擔負著改善電力品質的任務,所以其逆變器要連續不斷地工作,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。另一方麵,UPS的逆變器長期處於工作中,自身的損耗較大,而且對使用環境要求很高,隻能放在計算機房或空調房間裏。UPS專為IT行業的計算機類和通訊類負載而設計,其負載適應能力不及EPS,舉例說明,如果應急供電場合含有交流感應式電動機一類的感性負載,那麽在UPS的設計選型和使用中就會出現很大問題。由於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衝擊能力,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作為應急電源,工作既不可靠,還得花費大量資金。

2UPS/EPS的發展趨勢

2.1UPS/EPS的控製技術

    中小型UPS/EPS的AC/DC和DC/AC變換大多數仍采用模擬控製電路,AC/DC變換器的控製芯片大多數已集成化,使用簡單,工作可靠。DC/AC變換器的控製有兩種基本方式,一種是單閉環控製,另一種是雙閉環控製。前者控製電路簡單,但難於實現輸出端短路自動恢複。後者控製有電流內環和電壓外環,電壓調節器的輸出為電流調節器的給定,因此,限製電流給定幅值也就限製了逆變器的最大輸出電流。當前,數字控製已成為新型UPS/EPS控製技術發展的主流,數字控製器具有精度高,抗幹擾能力強,易於實現對UPS的檢測、故障診斷和隔離,易於實現遙控遙測,實現多台UPS的並聯和熱插拔,易於實現對蓄電池的監控和管理。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狀態。

2.1.1DSP的應用

    采用數字信號處理器(DSP)的數字PWM技術,是數字控製技術的核心,用於保證UPS/EPS輸出電壓的質量,即保證輸出電壓、頻率和輸出電壓波形滿足技術指標的要求。數字控製的另一個重要功能是實現UPS/EPS的初始自檢和運行自檢,進行故障保護和故障隔離,這是模擬控製器無法勝任的。由於數字控製器的靈活性,使UPS控製器的硬件電路可以標準化,從而簡化了生產、使用和維修,也大大提高了工作可靠性。

2.1.2控製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、驅動電路、監控顯示及控製保護電路和通信界麵電路。其中監控、顯示及控製保護電路和通信界麵電路,可以運用數字化設計技巧簡化其電路,並解決原類比電路需要調整、具有溫漂及參數調整不易的缺欠。采用的方法是:1)全微處理器化利用微處理器來執行監控、顯示及控製保護電路和通信界麵電路的功能;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、顯示及通信界麵的功能。

2.2蓄電池技術

   蓄電池是UPS/EPS的心髒,不管UPS/EPS電路多麽先進,其性能最終取決於它的電池,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,由於采用陰極吸收式密封技術,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、不汙染環境、體積小、重量輕的優點。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。正極表麵的超細玻璃纖維膜,阻止了活性物質脫落,提高了電池的壽命。安全閥的使用使蓄電池很少產生氣體,又可使已產生的氧氣被負極鉛所吸收,使蓄電池無水的損失,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充電,電池連續充電大約要減少一半的使用壽命。目前國外使用一種ABM(AdvancedBatteryManagement)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%,然後停止充電;第三階段是自然放電,在這個階段裏,電池利用自身的漏電流放電,一直到規定的電壓下限,再重複上述的三個階段。這種方式改變了以前那種充滿電後,仍使電池處於一天24h的浮充狀態,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點,而且又無鎳鎘電池可能造成的鎘汙染,將其應用於UPS/EPS可以收到小型輕量化的優點。但其缺點是售價太高。美國Alupower公司研發的高功率鉛-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,重量隻有鉛酸電池的1/10,所占空間隻有鉛酸電池的1/7,有望取代鉛酸蓄電池應用於UPS/EPS。

3EPS應急電源的發展趨勢

    由於EPS所帶負載類型的複雜性和環境的相對固定性,針對不同場合、不同負載,可對EPS功能做得更貼近現實應用。其中包括以下幾方麵。1)結構組成普通EPS為了更好地結合實際應用,往往采用“多合一”的結構設計,但由於負載及環境的複雜性,也由此帶來設備標準化和設計院所、用戶選型的困難。解決的辦法是采用模塊化設計,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換及通訊控製功能;配電模塊實現豐富的配電管理功能。主機模塊通過標準控製接口實現對配電模塊的管理,如雙電源自動切換功能,多回路輸出功能,消防聯動功能均應在配電模塊中實現。2)配電模塊應增加功能EPS用於緊急負載的供電,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鍵程度不盡相同,因此,對於EPS來說,某些配電管理功能至關重要。1)順序啟動功能諸如,EPS的負載很大一部分是感性衝擊負載,具有較大的啟動電流,在選型時必須加大EPS容量,從而造成設備資源的浪費以及用戶成本的增加。實際上,由於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、時間進行控製,可在很大程度上解決啟動衝擊電流和加大選型容量的問題。2)部分卸載功能由EPS負載性質決定,當過載發生時,需要EPS盡可能繼續工作,而不能象UPS那樣進行保護性關機,因此,同樣可通過配電管理接口卸除次要負載。3)電池管理由於EPS的使用環境一般較UPS惡劣,為盡可能延長蓄電池的使用壽命,充電器應同時具備以下功能:(1)可設定充電限流;(2)可設定電池放電終止電壓;(3)具有自動浮充功能,充電機製應符合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(可強製應急)。4)變頻起動功能目前變頻起動型EPS的設計,如圖8所示,主要著眼於解決較大電動機,如電梯、水泵、風機等負載的起動衝擊問題,但更為合理的設計,應該是在線式UPS與變頻器技術的完美結合。在線式UPS具有成熟的整流、電池管理技術;變頻器具有成熟的變頻控製技術,兩者的有機結合才是這一應用領域的最終發展方向。

結語

    隨著社會的進步和發展,環境要求的不斷提高,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。在選擇應急電源上,不再隻局限於柴油發電機了,因為它們各自的特點分別適用於不同的工程,這將為整個社會的安全提供更有力的保障。
 

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