应急电源用的EPS和UPS电源

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(1)应急电源是确保电力供电系统和消防系统安全运行的技术保障

当代社会生活对市电电网供电可靠性的依赖度之高是人所共知的。近年来，随着我国工农业生产的高速增长及人民生活水平的提高所需求的电力供应量也隨之迅猛地增长。近年来、由于电力工业所能提供的电力供应的增长量低于国民经济增长所需用电量, 缺电、"拉闸限电"等现象成为制约国民经济能否持续增长的重要制约因素之一。此外，为确保位于现代办公大楼、大型商业和服务业、大型体育场馆及演出场地、医院手术照明、地铁应急照明、机场照明系统、工业厂房等重要区域中的应急照明系统、电梯、水泵、消防喷淋泵和监控系统等关键设备在遇到"因故停电"时、也能正常运行。为此，国内外的部份UPS厂家推出一种高效、节能的EPS(Emergency Power Supply)型应急电源, 以便在市电电网"停电"时、能确保用户的各项关键业务不间断地、顺利地运转着。EPS电源能在上述领域逐渐被釆用的技术背景是：

在某些办公和居民区、无法寻找到能适合于安装柴油发电机"备用电源"的安装场地。这是因为它可能带来如下比较棘手的安装和维护问题：強烈机械震动/严重嗓音的扰民问题、柴油发电机组的日常维护及燃油的安全储存问题等。此外，由于发电机的开机启动时间往往长达几秒—几十秒。这样一来，对某些不允许"瞬间供电中断"时间长的负载而言，就会带来不必要的工作麻烦。

当用户的主要负载是电阻性的照明设备及电感性的电动机类的一般负载时，对于这种负载而言，除了对输入电源能否消除"供电中断"故障、输入电源的电压是否有严重的"过压/欠压"等电源问题有较高的要求。一般说来，对电网的其它供电质量(例如：频率波动、各种电磁干扰和"零—地电位"偏高等电源问题)的要求较低。在此条件下，容易对在线式UPS 能否被用作应急电源之一产生如下误解：

(a)处于逆变器供电条件下的双变换、在线式UPS的系统效率仅为：89%--94%左右,难于将其系统效率提高到97%以上(注：UPS电源的输出功率越高、其系统效率也越高)。显而易见：供电电源的系统效率越高、其节能效果也越显著。

在此需说明的是：部份厂商有时为了突出EPS的高效节能效果、在进行EPS与 UPS的性能比较时，提出传统UPS的效率仅80-90%, 其电能的损耗高达10-20% 的数据。显然,这是与绝大多数的UPS产品的性能不相符合的。

(b)同市电电源相比，对于主要为带计算机型"非线性负载"所设计的双变换、在线式UPS来说, 由于它的最佳的输出功率因数为0.7/0.8(滯后)。因此，对于可能同时需要带容性、感性和阻性负载的设备而言， UPS电源无论是在对上述负载的适应性上、还是在承受电机/电容负载在启动时所产生的瞬态浪涌电流的"带载能力"上，都显得较弱。

正是在上述背景下，作为既能获得较好的节能效果、又能同时驱动容性、感性和阻性等多种不同性质负载的"应急电源"之一的EPS电源就应运而生了。

(2)EPS 电源的工作原理及它对不同Cosф值负载的带载能力

2.1)EPS电源的工作原理

1台典型的EPS电源的系统控制框图被示于图1中。对于熟悉UPS电源的人士来说,可以把它理解为：一台由交流旁路供电通道、逆变器电源供电通道和能自动执行市电供电←→逆变器电源供电切換操作的"转換开关"所组成的中、大型后备式(off-line )UPS电源。它的逆变器电源供电通道主要是由充电器、蓄电池和逆变器所组成(注：根据各EPS厂家的不同设计，有的EPS电源配置有内置的充电器。然而，有的EPS电源的充电器部则是属于外置的选配件)。传统的后备式UPS电源的输出功率较小、一般仅为0.5-2KVA左右。然后，当今的EPS的输出功率的"复盖范围"却可宽达1-400KVA左右。单相EPS的输出功率(功率因数cosф=0.8)为：1—40KVA左右, 常见的电池组电压有：24Vdc、48Vdc、110Vdc 和 220Vdc。三相EPS的输出功率(cosф=0.8)为：5—500KVA左右, 常见的电池组电压有：220Vdc、480Vdc、600Vdc 和 1000Vdc。基于上述原因，当用户在选购大功率EPS电源时、宜选用电池组电压为：220V/480Vdc的EPS产品。不宜选用电池组电压为：1000Vdc的EPS产品。因为过高的DC工作电压必然会对用户的安装设备的绝缘电阻、防静电保护、人员的操作安全及保护带来相当严格的要求，从而增大投资成本和维护的难度。

■当市电供电正常时，市电电源经过充电器对蓄电池组充电、然后再由蓄电池组向逆变器提供直流能源。在这里，充电器是一个仅需向蓄电池组提供相当于10%蓄电池组容量(Ah)的充电电流的小功率的直流电源，它并不具备直接向逆变器提供直流能源的能力。此时，市电电源经由EFS的交流旁路和转換开关所组成的供电通道向用户的各种应急负载供电。与此同时，在EPS的逻辑控制板的调控下，逆变器处于"停止工作"的自动关机状态。在此条件下，用户负载所实际使用的电源是来自电网的市电电源。众所周知：市电电网具有足够的带载能力来带电阻性、电感性和电容性负载。这就是EPS厂家向用户所宣扬的"可适应于全部Cosф范围"的"优异"带载能力。此时，无需考虑EPS电源的额定输出功率(KVA)对不同Cosф值负载的降额工作特性。

■当市电供电中断或市电电压超限(±15%或±20%额定输入电压)时，EPS在对它的逆变器执行"开机启动"的同时，还需在很短的时间内、利用它的"转换开关"执行从交流旁路供电→逆变器电源供电的切換操作。在此条件下，在电池组所提供的直流能源的支持下，用户负载所使用的电源是EPS的逆变器电源、并不是来自电网的市电电源。在此条件下，EPS中的逆变器电源的输出功率将会因负载的功率因数的不同而有所变化。此时，位于EPS中的逆变器电源的实际带载能力将服从于" Cosф为0.8(滞后)的"逆变器电源"的带载工作特性(见2.2节)。

■当市电恢复正常工作时，EPS在对逆变器执行自动关机操作的同时、还通过它的"转换开关"执行从逆变器电源供电→交流旁路供电的切換操作。此后，EPS在经交流旁路供电通路向负载提供市电电源的同时，还经充电器向电池组充电。

■当EPS电源在执行逆变器电源供电←→交流旁路供电的切換操作时，执行这种"切換操作"所可能产生的供电中断时间(所谓的切換时间)会因为所配置的转换开关的不同而有所差别。对于釆用电磁式转换开关(例：快速继电器/断路器开关)的EPS电源来说，其典型的切换时间为：25—200毫秒。对于釆用电子式转换开关(可控硅型"静态开关")的EPS电源来说，其典型的切换时间为：<10--20毫秒。

在此需特别说明的是，长期的UPS应用实践证明：位于后备式UPS中的逆变器的故障率明显地高于位于双变換、在线式UPS中的逆变器的故障率。乍看起来，似乎难以理解。这是因为对于EPS/后备式UPS来说，在绝大多数的时间内、都是由市电经过交流旁路在向负载供电(注：按2001年的统计资料，国内电网的平均"可利用率"约为: 99.9%)，仅在较短的时间内(<0.1%的几率)、才会需要由EPS中的逆变器来向负载提供电源。相比之下、对于双变換、在线式UPS来说，只要它的逆变器不"被损坏"或在它的输出端上、未出现"过载"/短路故障时、都应该由它的逆变器来向负载提供电源。造成上述"反常"的原因有：

(a)当后备式UPS需要执行从交流旁路供电→逆变器电源供电的切換操作时，不仅要求原来处于"自动关机状态"的逆变器在极短的时间內、立即开机启动。而且，还要求较短的时间内(<4ms左右)、立即向后接的负载供电。正是这种"突然带载"开机启动的恶劣运行条件、造成后备式UPS中的逆变器"被损坏"的事故频繁地发生。

(b)为降低成本，在后备式UPS/EPS电源中的逆变器的功率器件(MOS管或IGBT管)的"设计功率裕量"、并不是按长时间的、连续工作方式来配置的。相反，它是按"短时间运行方式"来设计的(例：EPS的典型电池组后备供电时间为90分钟)。

相比之下，在双变換、在线式UPS的设计中，它釆取下述措施来消除在后备式UPS电源中所可能出现的故障隐患：

(a)位于它的逆变器中的IGBT功放管的"设计功率裕量"是按长期、连续工作来配置的。

(b)为防止逆变器进入"突然带载"开机启动的恶劣运行条件，不仅在它的逆变器设计中，釆用"渐进式"慢启动工作方式：逆变器的输出电压从零上升到它额定输出电压的典型"缓升时间"为：3—5秒。而且，在逆变器的输出电压达到其稳态值之前，是禁止执行从交流旁路供电→逆变器电源供电的切換操作的。

基于上述原因，为获得尽可能高的可靠性，在选择EPS时，并非是"切换时间"越短的产品、其性能越好。从某种意义上讲，切换时间"过短"易于导致它的故障率增大。为安全计，宜选用"切换时间"为：100-250ms的ESP机型。因此，在评价EPS的"切换时间"这项技术指标时，其判断标准是不同于传统的UPS的。众所周知：对于在线式UPS来说，则是它的"切换时间"越短越好，最好它的"切换时间"为零。

(2.2)EPS电源对于具有不同Cosф值负载的带载能力

由于EPS是为解决在遇到市电供电不正常时的电力和消防系统的应急供电问题，以便防止因供电不正常而诱发其它的重大灾难事故的发生。它的后接负载主要是电阻性照明、电感性的电机负载。因此，对这种负载而言, 其电流波形仍然保持正弦波的特性。这意味着：对这些负载而言，不存在输入电流谐波"污染"问题。对于EPS电源来说，影响它的带载能力的唯一因素是：不同负载所造成的、由于在电压与电流之间出现相位移而产生的Cosф型的功率因数。如果在EPS 和 UPS中、都釆用带输出隔离变压器的逆变器设计方案的话，它们的输出功率因数为0.8(滞后)。有关输出功率因数=0.8(滞后)的逆变器电源在不同Cosф值负载时的降额输出特性被示于表1中。