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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的幾個(gè)特殊問題作一討論。
(A)多個(gè)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(shí)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(gè)充電器分別充電。這樣的系統(tǒng)將更為可靠性和安全。同時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，每升高10℃或單體電池浮充電壓超出指標(biāo)范圍0.03V時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)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(shí)，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(shí)，由EPS即刻切換由逆變器輸出提供負(fù)載，此時(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，該定義才是適當(dāng)?shù)模?dāng)負(fù)載功率因數(shù)較低時(shí)，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(shí)，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(shí)正常工作;當(dāng)個(gè)別供電支路發(fā)生短路故障時(shí)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(shí)，EPS的逆變器必須能在短時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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。
(4)自動切換裝置與切換時(shí)間
為實(shí)現(xiàn)市電供電與逆變器供電之間的自動切換，EPS按國家標(biāo)準(zhǔn)必須是后備式的。為此自動切換裝置是EPS中必不可少的部件，也是影響EPS可靠性的關(guān)鍵部件之一。根據(jù)EPS的輸出容量和負(fù)載要求不同，自動切換裝置可采用功率繼電器、交流接觸器、互投開關(guān)、固態(tài)開關(guān)(晶閘管)等構(gòu)成。對EPS的切換時(shí)間要求具有多樣性，例如，一般消防應(yīng)急照明要求切換時(shí)間小于5s，高危險(xiǎn)區(qū)域使用的消防應(yīng)急照明要求切換時(shí)間小于0.25s，為高壓氣體放電燈供電時(shí)，為保證不熄輝，則要求切換時(shí)間為數(shù)毫秒量級，為風(fēng)機(jī)、泵類、卷簾門、電梯等負(fù)載供電時(shí)，根據(jù)應(yīng)用要求不同，切換時(shí)間也會在數(shù)毫秒等。
EPS與UPS不同，多數(shù)應(yīng)用場合對切換時(shí)間并無苛刻要求，切換時(shí)間也并非越短越好，在能滿足應(yīng)用需求的前提下，適當(dāng)慢一點(diǎn)切換可以在其他方面獲益，例如降低損耗，減小暫態(tài)沖擊，提高可靠性，避免負(fù)載可能因瞬間失電而導(dǎo)致工作失常等等。市電正常時(shí)EPS的逆變器一般工作于備用狀態(tài)，且有冷備份與熱備份兩種工作方式。冷備份時(shí)，逆變器僅控制部分處于工作狀態(tài)，功率部分處于加電待機(jī)狀態(tài)，但不起動;熱備份時(shí)，整個(gè)逆變器處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，但不承擔(dān)負(fù)載。當(dāng)逆變器熱備份時(shí)，最短切換時(shí)間基本決定于所用切換裝置的動作時(shí)間;而當(dāng)逆變器冷備份時(shí)，最短切換時(shí)間還要受逆變器其動時(shí)間的制約。特別是容量較大的EPS，如果起動過快，逆變變壓器和低通濾波器會產(chǎn)生很大的暫態(tài)沖擊，甚至可能損壞IGBT功率器件，因此逆變器一般都具備軟起動特性，且功率越大，起動越慢，大容量EPS逆變器的起動時(shí)間可達(dá)數(shù)秒之久。如果要求更快的切換時(shí)間，則只能采取熱備份工作方式，此時(shí)EPS的待機(jī)損耗自然要增加許多，整機(jī)效率會較低。
至于采用何種切換裝置，主要是根據(jù)對切換時(shí)間的要求而定。如果要求毫秒級的切換時(shí)間，則只能采用固態(tài)開關(guān)(晶閘管)切換，且逆變器要處于熱備狀態(tài)。與同容量的機(jī)械切換開關(guān)相比，固態(tài)開關(guān)(晶閘管)切換的造價(jià)要高得多，通態(tài)損耗也大得多。在對切換時(shí)間無苛刻要求的應(yīng)用場合，一般采用機(jī)械切換開關(guān)進(jìn)行切換，容量較小的EPS一般采用功率繼電器，功率較大的EPS通常采用互鎖的交流接觸器或自動互投開關(guān)。與交流接觸器相比，自動互投開關(guān)動作較慢，但由于互投開關(guān)具有機(jī)械自保持特性，對于不頻繁的切換而言，在長期運(yùn)行的可靠性方面更具優(yōu)勢。
用固態(tài)開關(guān)(晶閘管)實(shí)現(xiàn)市電與逆變器輸出之間的快速切換技術(shù)已在UPS中應(yīng)用多年，但也有所不同，UPS用功率繼電器(或接觸器)與固態(tài)開關(guān)(晶閘管)組合成一個(gè)旁路(BYPASS)切換裝置的，固態(tài)開關(guān)(晶閘管)主要是做瞬間過載旁路(BYPASS)切換，靠它瞬間使逆變器與電網(wǎng)有個(gè)短暫的并聯(lián)運(yùn)行，從而獲得瞬間無切換時(shí)間的供電(彌補(bǔ)了功率繼電器或接觸器的渡越時(shí)間)。關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)逆變器的鎖相運(yùn)行和對市電即時(shí)電壓的快速檢測與跟蹤。它并不是真真的斷電切換，因這種方式均為“在線式”UPS所用，真真的斷電切換工作時(shí)固態(tài)開關(guān)(晶閘管)是不參于工作的。當(dāng)其用于EPS時(shí)才是固態(tài)開關(guān)(晶閘管)真真的參與斷電切換，EPS均為后備式是不設(shè)旁路接觸器的。就是處于在市電正常、逆變器也正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，即使是進(jìn)行不間斷的切換，在技術(shù)上也是可以做到的，但實(shí)際情況是，切換需要在市電突然發(fā)生中斷或故障時(shí)進(jìn)行，因市電中斷或故障的發(fā)生時(shí)刻是隨機(jī)的和非預(yù)知的，檢測確認(rèn)市電故障需要時(shí)間，此時(shí)的切換時(shí)間不可能小于檢測、確認(rèn)市電故障需要的時(shí)間。為防止各種電源*導(dǎo)致誤動作，檢測時(shí)間不能太短。實(shí)踐證明，當(dāng)檢測時(shí)間小于2ms時(shí)，其檢測可靠性會明顯下降。因此小于2ms的切換時(shí)間是不可取的。
在EPS的各種負(fù)載中，對切換時(shí)間要求最苛刻的應(yīng)當(dāng)是高壓氣體放電燈。盡管這種燈具不允許用于消防應(yīng)急照明，但由于其高強(qiáng)度、高效率，在許多大型場館中都有應(yīng)用。由于此種燈具一旦熄輝，需要冷卻后方能重新啟動，為保證照明不發(fā)生中斷，為其供電的EPS必須具備快速切換能力。根據(jù)對多種高壓氣體放電燈產(chǎn)品的測試，如果不采取適當(dāng)?shù)睦m(xù)流措施，5ms的電力中斷即可能導(dǎo)致熄輝，個(gè)別產(chǎn)品甚至3ms電力中斷就會熄輝。
而對于某些電梯類負(fù)載，毫秒級的切換顯然不是必要的，但切換時(shí)的瞬間失電可能導(dǎo)致電梯控制系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。此種情況需要通過EPS控制系統(tǒng)的延時(shí)適當(dāng)增加切換時(shí)間，方可保證電梯在應(yīng)急供電后繼續(xù)正常運(yùn)行。
在有些應(yīng)用場合，為了取得零切換，要求將EPS設(shè)計(jì)成在線運(yùn)行方式，此時(shí)的EPS實(shí)際已變成了一臺專用的UPS，逆變器是長帶負(fù)荷工作的。
(5)輸入輸出配電裝置
EPS的交流輸入輸部分一般不像UPS那樣簡單，而需要根據(jù)用戶要求或設(shè)計(jì)圖紙加裝配電開關(guān)。例如市電輸入端有時(shí)需要加裝雙路市電自動互投開關(guān)(ATS)，市電直供回路有時(shí)需要加裝獨(dú)立的斷路器，輸出回路一般需要多支路輸出，每個(gè)支路都要裝有獨(dú)立的斷路器，有時(shí)還需要加裝受消防聯(lián)動信號控制的消防聯(lián)動輸出支路等等。用戶為了安裝使用方便，一般均要求把EPS系統(tǒng)的輸入輸出配電開關(guān)裝置等全部裝于EPS產(chǎn)品內(nèi)部，因此EPS在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上需要為輸入輸出配電開關(guān)留有充分的拓展空間，有時(shí)甚至需要專門按用戶要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
(6)電池檢測裝置
GB17945-2000標(biāo)準(zhǔn)要求用于消防應(yīng)急照明的EPS能對其電池組中每個(gè)12V電池單元的電壓進(jìn)行監(jiān)測，以此為參照，許多用于其他方面的EPS往往也要求提供對每個(gè)電池單元的監(jiān)測功能。此時(shí)需要為EPS配置專門的電池監(jiān)測裝置。因每個(gè)電池單元的直流電位各不相同，檢測裝置需要能夠?qū)ζ溥M(jìn)行隔離采樣。目前常見的隔離采樣方式有繼電器、線性光耦、先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后再用光耦合器隔離傳輸數(shù)字信號等等。不同方式各有所長，但如果對每一電池單元分別隔離采樣，系統(tǒng)將過于繁雜。若先將電池單元適當(dāng)分組，采用分組A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號光耦隔離、通過串行數(shù)據(jù)總線上傳的監(jiān)測方式具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，安全性、可靠性高，可自動實(shí)時(shí)巡檢，監(jiān)測精度較高等較大優(yōu)勢。
目前EPS中對電池單元的檢測內(nèi)容一般僅限于各電池單元端電壓的測試，并不能全面反映電池狀態(tài)。但通過分別測試電池組充電和放電時(shí)各電池單元的端電壓，可以對各電池單元的一致性做出準(zhǔn)確的判斷，如充電狀態(tài)是否均衡、是否存在劣化的電池單元等等。有一些更為先進(jìn)的電池狀態(tài)檢測方法，如內(nèi)阻測試方法等，在國產(chǎn)EPS中的應(yīng)用還比較罕見。
因?qū)Ω麟姵貑卧M(jìn)行檢測需要將測試線連接到每個(gè)電池單元的輸出端，測試線路較密集且導(dǎo)線較細(xì)，容易發(fā)生意外短路或漏電問題，因此應(yīng)采用適當(dāng)電壓電流分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥骰蚱渌绞竭M(jìn)行安全隔離，防止蓄電池的高能量進(jìn)入測試系統(tǒng)，導(dǎo)致事故。
其實(shí)以上各種電池的監(jiān)測并沒有真真達(dá)到有效的電池監(jiān)控管理。其原因之一：就是檢測到某一電池的一致性有問題，現(xiàn)有的充電模式也是無能為力的，根本沒法改善該電池的狀況;原因之二：任何一節(jié)免維護(hù)閥控鉛酸蓄電池都是由若干節(jié)(一般為：3或6節(jié))2V的單體電池串聯(lián)而成的，所以只監(jiān)測并監(jiān)控管理單體電池串聯(lián)而成的組合體是沒多大意義的。每一有故障的蓄電池其真真的故障點(diǎn)是該節(jié)電池中的某一2V單體電池，故真真能有效地監(jiān)控管理好蓄電池必須監(jiān)控每個(gè)2V的單體電池，通過對每個(gè)2V的單體電池的充電流、浮/均充電壓、溫度的監(jiān)控管理，才能有效地用好每個(gè)蓄電池。隨著充電專用芯片的誕生;數(shù)據(jù)總線的成熟，新一代自帶智能管理充電器蓄電池的誕生將為時(shí)不晚了。那時(shí)就稱得上是真真的電池在線監(jiān)控系統(tǒng)了。
(7)控制系統(tǒng)
在此僅討論EPS中的控制系統(tǒng)。EPS的逆變器一般是一獨(dú)立的模塊結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電路，與UPS、變頻電源等十分類似，主要是與IGBT所配套的典型用法，在此不作討論。EPS的控制系統(tǒng)多由以單片機(jī)為核心的控制電路構(gòu)成，但也有部分產(chǎn)品采用了模擬控制和簡單邏輯控制或PLC控制器。
EPS的控制系統(tǒng)需要對市電電壓、電池電壓、負(fù)載電流、充電器狀態(tài)、逆變器狀態(tài)、轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)、設(shè)置參量、控制指令等多項(xiàng)參量實(shí)時(shí)監(jiān)控，并按照正確的控制邏輯向各功能單元發(fā)出控制指令，同時(shí)還要有一個(gè)較為友好的、簡單易懂的用戶操作界面，需要具備較為復(fù)雜和靈活的監(jiān)測、測邏輯判斷和控制能力。因此選擇功能適當(dāng)?shù)膯纹瑱C(jī)為核心器件，構(gòu)成數(shù)字化控制器，可以簡化系統(tǒng)硬件，并利用控制軟件的靈活性完成各種需要的監(jiān)測控制功能，是最為合理的設(shè)計(jì)方案。采用PLC完成系統(tǒng)控制也是一種不錯的方案，但成本很大，一般僅適用于大系統(tǒng)及智能化成度極高的高檔樓宇配置，對于較小系統(tǒng)，在成本上往往無法接受。模擬控制和簡單邏輯控制方式硬件復(fù)雜，在可靠性、靈活性、智能化程度等方面均處于劣勢，但也有一定的實(shí)用性。
EPS的控制系統(tǒng)除完成必須的監(jiān)測、控制功能外，系統(tǒng)自檢、顯示信息提供、歷史事件記錄、數(shù)字通訊、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控等能力也是相當(dāng)重要的，隨著樓宇消防智能化的發(fā)展，已將成為EPS必不可少的功能。這些功能只有采用數(shù)字化控制，方可實(shí)現(xiàn)。
(8)狀態(tài)顯示器和操作系統(tǒng)
EPS的應(yīng)用狀態(tài)顯示器和操作系統(tǒng)提供了EPS的人機(jī)界面，是EPS不可缺少的部分。EPS的狀態(tài)顯示一般由儀表與指令開關(guān)式;LED指示、數(shù)字顯示與輕觸按鍵式;LED指示、菜單式LCD顯示屏構(gòu)成。指示燈的設(shè)置、顏色和功能需要符合執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)(GB17945-2000)的要求，LCD的顯示內(nèi)容除標(biāo)準(zhǔn)要求的主要參數(shù)外，還有各自的人機(jī)對話界面。整機(jī)還必須設(shè)置強(qiáng)制啟動開關(guān)，但它必須受鑰匙干預(yù)才能操作。
二，EPS的應(yīng)用
目前EPS的主要應(yīng)用領(lǐng)域是為各種建筑物和重要公共設(shè)施的消防應(yīng)急照明和消防動力提供應(yīng)急備用電源。同時(shí)在化工、冶金、污水處理、自動化生產(chǎn)線等工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)院手術(shù)室和監(jiān)護(hù)病房、大型場館和超市等的正常照明等方面也有很多應(yīng)用。隨著EPS產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步、技術(shù)性能和可靠性的進(jìn)一步完善，以及人們安全防范意識的提高，真真實(shí)現(xiàn)有效的末端切換EPS應(yīng)急電源無法替代的消防必用產(chǎn)品，它的應(yīng)用會更加廣泛。
除用于消防應(yīng)急照明EPS外，由于缺乏相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，EPS的發(fā)展不夠規(guī)范，無論是規(guī)格系列還是技術(shù)性能、外形尺寸，都具有多樣性，標(biāo)準(zhǔn)化程度較差。這對制造廠家的生產(chǎn)制造和用戶的選用都造成很多困難，也在一定程度上影響了EPS產(chǎn)品及其應(yīng)用的健康發(fā)展。
但是隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施，EPS的發(fā)展必將日益規(guī)范，在產(chǎn)生良好的社會效益的同時(shí)，也為EPS開發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。
結(jié)語
筆者通過長期對UPS、EPS的開發(fā)生產(chǎn)以及變頻器的應(yīng)用、認(rèn)識和理解，結(jié)合作者在EPS設(shè)計(jì)、制造、和應(yīng)用方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對EPS的原理、構(gòu)造、性能特點(diǎn)和適用領(lǐng)域進(jìn)行了討論，并對進(jìn)一步完善及目前的不妥處談了些個(gè)人的看法，希望對大家更好地認(rèn)識和應(yīng)用EPS有所幫助。 |
