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EPS應(yīng)急電源應(yīng)用
發(fā)布時間 :2015-1-13 10:43:14

1.1EPS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;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;三是直接給電動機供電的變頻系列EPS。

1.2EPS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。

1.3EPS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。當然,對于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(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,當其頻率到達50Hz后保持正常運行。

1.4EPS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、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不僅擔負著應(yīng)急供電外,還擔負著改善電力品質(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。

2UPS/EPS的發(fā)展趨勢

2.1UPS/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。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)。

2.1.1DSP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(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(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。

3EPS應(yīng)急電源的發(fā)展趨勢

    由于EPS所帶負載類型的復雜性和環(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。

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。
 

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