隨著電力電子技術(shù)突飛猛進(jìn);國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和發(fā)展，社會對電力的需求及依賴程度越來越高，特別是對那些重要、關(guān)鍵的電力負(fù)荷，一旦中斷供電，往往會導(dǎo)致非常嚴(yán)重的甚至災(zāi)難性的后果。同時，人們對突發(fā)事件的防范意識也越來越高，集中應(yīng)急供電系統(tǒng)或應(yīng)急電源越來越受到人們的重視和需求，并在更多的相關(guān)場合成為必備的集中應(yīng)急供電系統(tǒng)。
與原始的二路自切供電、油機(jī)等備用電源等應(yīng)急供電方式相比，采用蓄電池儲能、通過電力電子變流技術(shù)取得交流電源的靜止逆變式應(yīng)急電源系統(tǒng)，它具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢和極為廣泛的實(shí)用性，是一種真真的有效的末端切換裝置。近年來得到迅速的發(fā)展，以至于被公安部國家消防檢測中心認(rèn)可作為應(yīng)急燈集中供電的專用應(yīng)急電源“EPS(Emergency Power Supply)”。
EPS在結(jié)構(gòu)與工作原理上與伴隨著信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來的不間斷電源(UPS)截然不同的。EPS主要為滿足應(yīng)急供電系統(tǒng)高可靠、高效率、混合負(fù)載、過載能力(120%能正常運(yùn)行)、環(huán)境適應(yīng)性、自診斷能等，多數(shù)時間處于后備狀態(tài)(OFFLINE)等特殊應(yīng)急要求即可起動逆變系統(tǒng);而UPS主要為滿足應(yīng)急供電系的切換時間，追求零切換、輸入輸出鎖相、穩(wěn)壓穩(wěn)頻精度高等，現(xiàn)大多數(shù)UPS處于在線工作狀態(tài)(ONLINE)即逆變系統(tǒng)長期工作，從而它效率低、負(fù)載適應(yīng)性差、環(huán)境適應(yīng)性差、過載能力低(通常為標(biāo)稱值的60-80%)。在工作原理、工作方式、性能指標(biāo)、構(gòu)造、選型、安裝、維護(hù)等方面均與UPS有很多不同。準(zhǔn)確的理解、設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用、選型和維護(hù)，是保證EPS長期可靠運(yùn)行的必要條件。
一，EPS的構(gòu)造與性能特點(diǎn)
EPS一般由充電器、蓄電池組、逆變器、自動切換裝置、輸入輸出部件、電池監(jiān)測裝置、控制系統(tǒng)、狀態(tài)顯示器、操作面板等部分組成。
(1)充電器
為使蓄電池組保持充足電的狀態(tài)并能多次反復(fù)循環(huán)使用，充電器與蓄電池組是EPS不可缺少的組合部分。因EPS通常工作于后備狀態(tài)，不需在線運(yùn)行，市電正常時，EPS通過切換開關(guān)直接向負(fù)載供市電，并由充電器對蓄電池充電。按GB17945-2000的要求EPS的循環(huán)充電時間不大于24h，充電器的額定輸出電流值一般為C/20。因此充電器的額定輸出功率一般為EPS額定功率的10%～25%。當(dāng)后備時間需延長側(cè)充電器功率也相應(yīng)增大，可以在規(guī)定的時間內(nèi)完成蓄電池的再充電。
EPS中的充電器一般采用智能恒流恒壓二階段充電方式或恒壓限流的充電方式。充電器的好壞對蓄電池的容量及使用壽命影響較大，應(yīng)保證最大充電電流不
超過所配用蓄電池的允許值，浮充電壓滿足配用蓄電池的推薦值，如具備溫度補(bǔ)償特性則更佳，避免快速充電。當(dāng)然也有高端的采用其他充電方式，如定時自動進(jìn)行循環(huán)充電方式、自動均充-浮充控制等，但在控制上略為復(fù)雜。市電正常時，EPS中的充電器通常還需要為控制系統(tǒng)供電。充電器應(yīng)具備高可靠性和良好的自保護(hù)功能，應(yīng)能適應(yīng)較寬的輸入交流電壓范圍，以保證在各種惡劣供電環(huán)境中正常充電并為EPS的控制系統(tǒng)供電。因充電器功率較小，且多數(shù)時間內(nèi)工作于輕載狀態(tài)，其交流輸入功率因數(shù)和諧波含量等指標(biāo)并不十分重要。EPS中的充電器通常采用高頻開關(guān)電源技術(shù)實(shí)現(xiàn)，也有部分大功率的EPS采用了晶閘管相控整流型充電器。
現(xiàn)介紹一種EPS專用的主回路休眠式短路保護(hù)智能型全自動充電器(已有專利)。目前許多充電器主回路短路保護(hù)都是截止型短路保護(hù)，重要場所特別是消防應(yīng)急電源(EPS)不允許使用這類截止型短路保護(hù)的充電器。它一般均由電流檢測電路、整形電路及觸發(fā)封鎖電路組成，這種短路保護(hù)有以下缺點(diǎn)：主回路必須先形成短路電流才會被檢測到，然后再封鎖主回路功率器件，這樣主回路功率器件肯定已受到短路電流的沖擊，對功率器件會帶來一定的疲勞損傷，并會有累積效應(yīng)產(chǎn)生。另外截止型短路保護(hù)電路在撤消短路后必須做人工復(fù)位才會從新起動充電器恢復(fù)工作，這是GB17945-2000消防應(yīng)急電源對充電器最忌諱的。
本技術(shù)針對消防應(yīng)急電源(EPS)及其它通用型后備應(yīng)急電源而研制，主要是集光電隔離技術(shù)為一體的充電器輸出回路短路阻抗檢測電路。它的有益效果是在短路瞬間主回路功率器件并未形成短路電流就已被封鎖關(guān)閉了，故功率器件不會受短路電流的沖擊損傷，非常有利于功率器件的保護(hù)，同時又省去傳統(tǒng)的人工復(fù)位。它是一種真正意義上的短路保護(hù)。
(2)蓄電池
蓄電池是EPS應(yīng)急供電時的能量來源，是影響EPS可靠性的關(guān)鍵部件。目前EPS幾乎均采用免維護(hù)閥控鉛酸蓄電池，該電池技術(shù)成熟，價(jià)格較低，使用、維護(hù)簡單，成為UPS和EPS的首選。關(guān)于免維護(hù)閥控鉛酸蓄電池的特點(diǎn)與應(yīng)用在本行業(yè)中已眾所周知的，在此僅就其在EPS中應(yīng)用時的幾個特殊問題作一討論。
(A)多個電池串并聯(lián)運(yùn)行問題
在EPS中一般采用額定電壓12V的蓄電池串聯(lián)達(dá)到所需的額定直流電壓，在較大功率EPS系統(tǒng)中，為達(dá)到所需電池總?cè)萘浚枰嘟M電池并聯(lián)，例如110kva的EPS，90min標(biāo)準(zhǔn)配置需要4組110Ah蓄電池并聯(lián)。而蓄電池制造商一般不推薦太多組(例如6組以上)電池并聯(lián)使用，原因據(jù)稱是容易導(dǎo)致環(huán)流和充放電不均衡。而大功率EPS又必須要將多組電池進(jìn)行串并聯(lián)使用，為此對于品牌、規(guī)格、型號相同的蓄電池串并聯(lián)做了大量的試驗(yàn)、分析及觀察，采取如下方案是行之有效的。在正常運(yùn)行情況下可要求供應(yīng)商對電池內(nèi)阻作必要的選配(控制在2-3%)。然后就從工藝上采取必要的均流措施：a.確保每節(jié)電池的聯(lián)線的長度和規(guī)格都完全一樣;b.確保每組電池組與EPS主機(jī)的聯(lián)線的長度和規(guī)格都完全一樣。它是利用導(dǎo)線的固有電阻充當(dāng)大電流充放電時的均流電阻，從而達(dá)到各組電池組之間的自動平衡。并聯(lián)運(yùn)行的主要問題應(yīng)當(dāng)是各電池組間的電流難于控制，為此如何選配導(dǎo)線的規(guī)格，長度是很有講究的。另外采用功率二極管進(jìn)行各組電池的隔離匯流，并采用多個充電器分別充電。這樣的系統(tǒng)將更為可靠性和安全。同時，在各電池組并聯(lián)前，應(yīng)先確認(rèn)它們均處于充滿狀態(tài)。但這將使成本增加很多。不管采取任何措施，不同品牌或型號的蓄電池并聯(lián)自然是不可取的。
(B)蓄電池的工作溫區(qū)
因EPS經(jīng)常被安裝在地下室、豎井、低壓配電室等地方，環(huán)境溫度范圍較寬，0～40℃(或更高)的環(huán)境溫度要求往往也得不到滿足。而免維護(hù)閥控鉛酸蓄電池的推薦使用溫度一般為5～35℃，盡管電池制造商可能聲稱-15～50℃的工作溫度范圍，但溫度過高，蓄電池自放電加重，使用壽命明顯縮短，甚至?xí)霈F(xiàn)熱失控導(dǎo)致電池報(bào)廢;使用免維護(hù)閥控鉛酸蓄電池的最佳溫度20-25℃，當(dāng)超過25℃時，每升高10℃電池壽命將減少至25℃環(huán)境下的一半。溫度過低時，蓄電池放電容量嚴(yán)重下降，并且充電困難，強(qiáng)行充電會導(dǎo)致氣體析出，影響蓄電池壽命。因此當(dāng)EPS的安裝環(huán)境溫度過高或過低時，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)措施進(jìn)行調(diào)節(jié)。
另外當(dāng)環(huán)境溫度超過25℃時，每升高10℃或單體電池浮充電壓超出指標(biāo)范圍0.03V時，電池使用壽命縮短一半。
(3)逆變器與負(fù)載適應(yīng)性
逆變器是EPS中技術(shù)含量最高的核心部件，市電異常或火災(zāi)報(bào)警時，蓄電池存儲的直流電能通過逆變器轉(zhuǎn)換成與市電相同頻率、電壓的交流電，供給重要負(fù)載。因此，EPS的應(yīng)急供電質(zhì)量、逆變效率、負(fù)載適應(yīng)能力等多項(xiàng)重要指標(biāo)都決定于逆變器的品質(zhì)。特別是正弦波逆變系統(tǒng)的技術(shù)在EPS中就更為重要。同時，逆變器的可靠性也是影響EPS整機(jī)可靠性的關(guān)鍵之一。EPS的逆變器幾乎均采用了IGBT(或功率MOS管)SPWM逆變技術(shù)，但該技術(shù)與UPS、變頻調(diào)速器等應(yīng)用領(lǐng)域有較多的不同。它主要是圍繞著過載能力、負(fù)荷的適應(yīng)能力(混合負(fù)荷)供電的可靠性做系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。可以這么說EPS逆變器的供電可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)重要于逆變器的供電質(zhì)量，這也是在設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方案上不同于UPS。由于IGBT(已發(fā)展到第六代)在UPS、變頻調(diào)速器、電焊機(jī)等已得到充分的應(yīng)用和發(fā)展，是一個很成熟的電力電子功率元器件。目前經(jīng)常會見到關(guān)于UPS與EPS負(fù)載適應(yīng)能力差別的討論，或用UPS替代EPS。其實(shí)它們的逆變控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是完全不同的，一般UPS是以波形電壓反饋的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此其輸出電壓的正弦波波形及電壓的動態(tài)調(diào)整精度特好;而EPS專用的動力逆變器控制系統(tǒng)是由電壓反饋、電流反饋組成的多比環(huán)控制系統(tǒng)，主回路是完全電隔離的，因此其輸出功率過載能力、三相的偏相運(yùn)行能力、負(fù)載適應(yīng)能力及適應(yīng)強(qiáng)制工作能力特強(qiáng)，可靠性及高。在市電正常時，EPS會直接由市電提供負(fù)載，其負(fù)載能力僅決定于供電回路中的斷路器、轉(zhuǎn)換開關(guān)和導(dǎo)線的容量，一般無需討論，但市電中斷時，由EPS即刻切換由逆變器輸出提供負(fù)載，此時應(yīng)急供電必須保證其負(fù)載的重要負(fù)荷正常運(yùn)行，因此UPS與EPS負(fù)載適應(yīng)能力的差別本質(zhì)上還是其逆變器負(fù)載能力的差別。
現(xiàn)介紹一種專用單相及三相應(yīng)急電源(EPS)功率主回路(已有專利)目前許多重要場所特別是消防泵房、噴淋系統(tǒng)、送風(fēng)機(jī)房、排風(fēng)機(jī)、消防電梯、機(jī)房照明等重要混合負(fù)荷場所的現(xiàn)場動力設(shè)備的供配電及控制設(shè)備的純正弦波電壓輸出的功率主回路一般均由逆變器、輸出電抗器、輸出變壓器、輸出電容器等組成。這種功率主回路有以下缺點(diǎn)：設(shè)備多、成本高、損耗大、分布電感大、不便于主線布置、體積大等，不利EPS整機(jī)高效率低成本的開拓。本技術(shù)是針對消防應(yīng)急電源(EPS)而研制，主要集輸出電抗器、輸出變壓器于一體的正弦脈寬調(diào)制型單相及三相特殊逆變變壓器。它通過電磁原理及電子技術(shù)，使自感、互感及漏感巧妙地組合成一個特殊的漏感型逆變變壓器。在它的原邊輸入正弦脈寬調(diào)制波(SPWM)就能在副邊并上適當(dāng)?shù)臑V波電容電獲得純正弦電壓(失真度≤2.6%)。它的有益效果是省去了輸出電抗器，減少了發(fā)熱器件，減少了系統(tǒng)的分布電感，有效地減少了EPS電源輸出的內(nèi)阻，節(jié)省了不必要的銅、鐵材料(用漏感替代了電抗器)提高了整機(jī)效率，降低了成本，方便了生產(chǎn)裝配。
事實(shí)上，目前的SPWM逆變器中EPS上的IGBT功率器件的工作狀態(tài)優(yōu)于UPS，特別是三相5KVA以上的機(jī)種，IGBT功率器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗更為明顯。UPS與EPS的設(shè)計(jì)目標(biāo)不同，因此負(fù)載特性存在差異是自然的，但僅為適用領(lǐng)域的差異，并非優(yōu)劣之分。
EPS的負(fù)載具有多樣性，但多數(shù)情況下是用于應(yīng)急照明和動力負(fù)載。用于照明時，燈具有白熾燈、節(jié)能燈、日光燈和高壓氣體放電燈等等。用于動力負(fù)載時，又分為提供標(biāo)準(zhǔn)正弦波備用電源的普通型和直接變頻驅(qū)動電機(jī)的變頻型等等。
用于消防應(yīng)急照明的EPS必須符合GB17945-2000標(biāo)準(zhǔn)，其中對EPS的輸出容量是以kw為單位定義的，但實(shí)際上僅當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)為接近1時，該定義才是適當(dāng)?shù)模?dāng)負(fù)載功率因數(shù)較低時，EPS的電流輸出能力并不會增加，輸出視在
功率額定值也不會增加，因此實(shí)際選用EPS時，必須考慮負(fù)載的功率因數(shù)和視在功率，而不能僅考慮負(fù)載的有功功率。按照GB17945-2000標(biāo)準(zhǔn)的要求，EPS應(yīng)能在120%負(fù)載時正常工作;當(dāng)個別供電支路發(fā)生短路故障時EPS應(yīng)能使該支路斷路器跳閘而不影響其他支路的正常工作。也就是說，標(biāo)稱功率1000W的EPS，必須具備1200W的正常輸出能力;在局部負(fù)載發(fā)生短路故障時，EPS的逆變器必須能在短時間內(nèi)以限流輸出方式輸出數(shù)倍于額定值的清除電流。由此可以看出，標(biāo)稱容量相同的EPS和UPS，其逆變器實(shí)際輸出能力及工作方式是存在極大差別的。
用于動力負(fù)載的EPS必須能夠承受電機(jī)啟動時的沖擊電流，但若將EPS的逆變器容量設(shè)計(jì)的過大也是不現(xiàn)實(shí)的。因此各EPS廠家都給出了電機(jī)負(fù)載不同啟動方式下配用EPS容量的計(jì)算方法，其核心是保證EPS的逆變器在電機(jī)啟動時不至于過載停機(jī)。但是，為電機(jī)負(fù)載配置數(shù)倍于其額定功率的EPS既不經(jīng)濟(jì)，也不合理，因?yàn)閷τ诙虝r過載能力很強(qiáng)的逆變輸出變壓器和蓄電池而言，是能夠承受電機(jī)啟動時的沖擊的，在需要較大啟動電流的應(yīng)用場合，適當(dāng)加大功率器件容量以提高逆變橋的短時輸出能力，不失為一種更為合理的解決方案。實(shí)際上，用于動力負(fù)載的EPS在很大程度上具有根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)定制的特征，因而可以取得更合理的負(fù)載適應(yīng)能力。總之用逆變器作為電源向電機(jī)及電機(jī)控制系統(tǒng)供電是及不合理的首選方案。
最為合理的方案是選用“P型”EPS產(chǎn)品，它是采用變頻型逆變器，有效地控制了電機(jī)的V-F曲線，使起動電流得到控制，電機(jī)處于及為平滑的軟起動運(yùn)行。從而大大提高了EPS選配的經(jīng)濟(jì)性。這種方案的選用一般電機(jī)功率與EPS功率都可1﹕1配置。這一方案中的變頻型逆變器也可選用工控領(lǐng)域中的通用型變頻器加以二次開發(fā)。由于通用型變頻器的自身市場很大，因此在EPS上選用它反而能降低EPS的制造成本。因?yàn)橥ㄓ眯妥冾l器都由一些國際著名電氣公司研制生產(chǎn)，技術(shù)成熟、先進(jìn)，選材、工藝精良，具有很高的可靠性和負(fù)載能力，并且規(guī)格齊全、價(jià)格不高。多數(shù)變頻器均允許直流供電運(yùn)行，及易做二次開發(fā)用于“P型”EPS產(chǎn)品。選用適當(dāng)容量的變頻器，合理并巧妙地設(shè)置運(yùn)行參數(shù)后可以構(gòu)成可靠性很高的“P型”EPS逆變器。其缺點(diǎn)是：只能直接用于電動機(jī)，而不能帶起他任何性質(zhì)的負(fù)載。至于采用變頻器構(gòu)成電機(jī)專用變頻驅(qū)動的EPS，其合理性更不必多說。
EPS的逆變器一般需要具備冷啟動能力(在無市電狀態(tài)下依靠完全電池電力啟動或不考慮自身設(shè)備的損壞)，以滿足“強(qiáng)制啟動”功能要求，因此不但要在蓄電池與逆變器直流母線電容間需要加裝緩沖裝置，以完成母線電容的預(yù)充電，防止過大沖擊電流導(dǎo)致器件損壞和直流輸入斷路器跳閘，還要求逆變器能適應(yīng)較寬直流母線電壓的變化。 |
