應急電源用的EPS和UPS電源

The major loads of the ESP and UPS for emergency source are lighting installation of the resistance property and electrical motor of the inductive property. Technical requirements for both of them are as followings: The adaptability for variety of the loads with different power factors should be strong; The efficiency of the power source should be high; The time of the transfer operation should be shorter. The operation characteristics and related technical parameters of both of EPS and UPS under driving various loads are analyzed and discussed.　Both of them have the advantages of high efficiency andthe capacity for reducing the energy resources and for driving a variety of the loads with different power factors, if the mains supply is normal.　As compared with EPS, UPS operated under ECO mode has the following advantages: shorter time of the transfer operation, higher reliability and higher maturity of the UPS production technology, if the mains supply is outage.
　　(1)應急電源是確保電力供電系統和消防系統安全運行的技術保障
　　當代社會生活對市電電網供電可靠性的依賴度之高是人所共知的。近年來，隨著我國工農業生產的高速增長及人民生活水平的提高所需求的電力供應量也隨之迅猛地增長。近年來、由于電力工業所能提供的電力供應的增長量低于國民經濟增長所需用電量, 缺電、”拉閘限電”等現象成為制約國民經濟能否持續增長的重要制約因素之一。此外，為確保位于現代辦公大樓、大型商業和服務業、大型體育場館及演出場地、醫院手術照明、地鐵應急照明、機場照明系統、工業廠房等重要區域中的應急照明系統、電梯、水泵、消防噴淋泵和監控系統等關鍵設備在遇到”因故停電”時、也能正常運行。為此，國內外的部份UPS廠家推出一種高效、節能的EPS(Emergency Power Supply)型應急電源, 以便在市電電網”停電”時、能確保用戶的各項關鍵業務不間斷地、順利地運轉著。EPS電源能在上述領域逐漸被釆用的技術背景是：
　　在某些辦公和居民區、無法尋找到能適合于安裝柴油發電機”備用電源”的安裝場地。這是因為它可能帶來如下比較棘手的安裝和維護問題：強烈機械震動/嚴重嗓音的擾民問題、柴油發電機組的日常維護及燃油的安全儲存問題等。此外，由于發電機的開機啟動時間往往長達幾秒—幾十秒。這樣一來，對某些不允許”瞬間供電中斷”時間長的負載而言，就會帶來不必要的工作麻煩。
　　當用戶的主要負載是電阻性的照明設備及電感性的電動機類的一般負載時，對于這種負載而言，除了對輸入電源能否消除”供電中斷”故障、輸入電源的電壓是否有嚴重的”過壓/欠壓”等電源問題有較高的要求。一般說來，對電網的其它供電質量(例如：頻率波動、各種電磁干擾和”零—地電位”偏高等電源問題)的要求較低。在此條件下，容易對在線式UPS 能否被用作應急電源之一產生如下誤解：
　　(a)處于逆變器供電條件下的雙變換、在線式UPS的系統效率僅為：89%--94%左右,難于將其系統效率提高到97%以上(注：UPS電源的輸出功率越高、其系統效率也越高)。顯而易見：供電電源的系統效率越高、其節能效果也越顯著。
　　在此需說明的是：部份廠商有時為了突出EPS的高效節能效果、在進行EPS與 UPS的性能比較時，提出傳統UPS的效率僅80-90%, 其電能的損耗高達10-20% 的數據。顯然,這是與絕大多數的UPS產品的性能不相符合的。
　　(b)同市電電源相比，對于主要為帶計算機型”非線性負載”所設計的雙變換、在線式UPS來說, 由于它的最佳的輸出功率因數為0.7/0.8(滯后)。因此，對于可能同時需要帶容性、感性和阻性負載的設備而言， UPS電源無論是在對上述負載的適應性上、還是在承受電機/電容負載在啟動時所產生的瞬態浪涌電流的”帶載能力”上，都顯得較弱。
　　正是在上述背景下，作為既能獲得較好的節能效果、又能同時驅動容性、感性和阻性等多種不同性質負載的”應急電源”之一的EPS電源就應運而生了。
　　(2)EPS 電源的工作原理及它對不同Cosф值負載的帶載能力
　　2.1)EPS電源的工作原理
　　1臺典型的EPS電源的系統控制框圖被示于圖1中。對于熟悉UPS電源的人士來說,可以把它理解為：一臺由交流旁路供電通道、逆變器電源供電通道和能自動執行市電供電←→逆變器電源供電切換操作的”轉換開關”所組成的中、大型后備式(off-line )UPS電源。它的逆變器電源供電通道主要是由充電器、蓄電池和逆變器所組成(注：根據各EPS廠家的不同設計，有的EPS電源配置有內置的充電器。然而，有的EPS電源的充電器部則是屬于外置的選配件)。傳統的后備式UPS電源的輸出功率較小、一般僅為0.5-2KVA左右。然后，當今的EPS的輸出功率的”復蓋范圍”卻可寬達1-400KVA左右。單相EPS的輸出功率(功率因數cosф=0.8)為：1—40KVA左右, 常見的電池組電壓有：24Vdc、48Vdc、110Vdc 和 220Vdc。三相EPS的輸出功率(cosф=0.8)為：5—500KVA左右, 常見的電池組電壓有：220Vdc、480Vdc、600Vdc 和 1000Vdc。基于上述原因，當用戶在選購大功率EPS電源時、宜選用電池組電壓為：220V/480Vdc的EPS產品。不宜選用電池組電壓為：1000Vdc的EPS產品。因為過高的DC工作電壓必然會對用戶的安裝設備的絕緣電阻、防靜電保護、人員的操作安全及保護帶來相當嚴格的要求，從而增大投資成本和維護的難度。
　　

　　■當市電供電正常時，市電電源經過充電器對蓄電池組充電、然后再由蓄電池組向逆變器提供直流能源。在這里，充電器是一個僅需向蓄電池組提供相當于10%蓄電池組容量(Ah)的充電電流的小功率的直流電源，它并不具備直接向逆變器提供直流能源的能力。此時，市電電源經由EFS的交流旁路和轉換開關所組成的供電通道向用戶的各種應急負載供電。與此同時，在EPS的邏輯控制板的調控下，逆變器處于”停止工作”的自動關機狀態。在此條件下，用戶負載所實際使用的電源是來自電網的市電電源。眾所周知：市電電網具有足夠的帶載能力來帶電阻性、電感性和電容性負載。這就是EPS廠家向用戶所宣揚的”可適應于全部Cosф范圍”的”優異”帶載能力。此時，無需考慮EPS電源的額定輸出功率(KVA)對不同Cosф值負載的降額工作特性。
　　

　　■當市電供電中斷或市電電壓超限(±15%或±20%額定輸入電壓)時，EPS在對它的逆變器執行”開機啟動”的同時，還需在很短的時間內、利用它的”轉換開關”執行從交流旁路供電→逆變器電源供電的切換操作。在此條件下，在電池組所提供的直流能源的支持下，用戶負載所使用的電源是EPS的逆變器電源、并不是來自電網的市電電源。在此條件下，EPS中的逆變器電源的輸出功率將會因負載的功率因數的不同而有所變化。此時，位于EPS中的逆變器電源的實際帶載能力將服從于” Cosф為0.8(滯后)的”逆變器電源”的帶載工作特性(見2.2節)。
　　■當市電恢復正常工作時，EPS在對逆變器執行自動關機操作的同時、還通過它的”轉換開關”執行從逆變器電源供電→交流旁路供電的切換操作。此后，EPS在經交流旁路供電通路向負載提供市電電源的同時，還經充電器向電池組充電。
　　■當EPS電源在執行逆變器電源供電←→交流旁路供電的切換操作時，執行這種”切換操作”所可能產生的供電中斷時間(所謂的切換時間)會因為所配置的轉換開關的不同而有所差別。對于釆用電磁式轉換開關(例：快速繼電器/斷路器開關)的EPS電源來說，其典型的切換時間為：25—200毫秒。對于釆用電子式轉換開關(可控硅型”靜態開關”)的EPS電源來說，其典型的切換時間為：<10--20毫秒。
　　在此需特別說明的是，長期的UPS應用實踐證明：位于后備式UPS中的逆變器的故障率明顯地高于位于雙變換、在線式UPS中的逆變器的故障率。乍看起來，似乎難以理解。這是因為對于EPS/后備式UPS來說，在絕大多數的時間內、都是由市電經過交流旁路在向負載供電(注：按2001年的統計資料，國內電網的平均”可利用率”約為: 99.9%)，僅在較短的時間內(<0.1%的幾率)、才會需要由EPS中的逆變器來向負載提供電源。相比之下、對于雙變換、在線式UPS來說，只要它的逆變器不”被損壞”或在它的輸出端上、未出現”過載”/短路故障時、都應該由它的逆變器來向負載提供電源。造成上述”反常”的原因有：
　　(a)當后備式UPS需要執行從交流旁路供電→逆變器電源供電的切換操作時，不僅要求原來處于”自動關機狀態”的逆變器在極短的時間內、立即開機啟動。而且，還要求較短的時間內(<4ms左右)、立即向后接的負載供電。正是這種”突然帶載”開機啟動的惡劣運行條件、造成后備式UPS中的逆變器”被損壞”的事故頻繁地發生。
　　(b)為降低成本，在后備式UPS/EPS電源中的逆變器的功率器件(MOS管或IGBT管)的”設計功率裕量”、并不是按長時間的、連續工作方式來配置的。相反，它是按”短時間運行方式”來設計的(例：EPS的典型電池組后備供電時間為90分鐘)。
　　相比之下，在雙變換、在線式UPS的設計中，它釆取下述措施來消除在后備式UPS電源中所可能出現的故障隱患：
　　(a)位于它的逆變器中的IGBT功放管的”設計功率裕量”是按長期、連續工作來配置的。
　　(b)為防止逆變器進入”突然帶載”開機啟動的惡劣運行條件，不僅在它的逆變器設計中，釆用”漸進式”慢啟動工作方式：逆變器的輸出電壓從零上升到它額定輸出電壓的典型”緩升時間”為：3—5秒。而且，在逆變器的輸出電壓達到其穩態值之前，是禁止執行從交流旁路供電→逆變器電源供電的切換操作的。
　　基于上述原因，為獲得盡可能高的可靠性，在選擇EPS時，并非是”切換時間”越短的產品、其性能越好。從某種意義上講，切換時間”過短”易于導致它的故障率增大。為安全計，宜選用”切換時間”為：100-250ms的ESP機型。因此，在評價EPS的”切換時間”這項技術指標時，其判斷標準是不同于傳統的UPS的。眾所周知：對于在線式UPS來說，則是它的”切換時間”越短越好，最好它的”切換時間”為零。
　　(2.2)EPS電源對于具有不同Cosф值負載的帶載能力
　　 由于EPS是為解決在遇到市電供電不正常時的電力和消防系統的應急供電問題，以便防止因供電不正常而誘發其它的重大災難事故的發生。它的后接負載主要是電阻性照明、電感性的電機負載。因此，對這種負載而言, 其電流波形仍然保持正弦波的特性。這意味著：對這些負載而言，不存在輸入電流諧波”污染”問題。對于EPS電源來說，影響它的帶載能力的唯一因素是：不同負載所造成的、由于在電壓與電流之間出現相位移而產生的Cosф型的功率因數。如果在EPS 和 UPS中、都釆用帶輸出隔離變壓器的逆變器設計方案的話，它們的輸出功率因數為0.8(滯后)。有關輸出功率因數=0.8(滯后)的逆變器電源在不同Cosф值負載時的降額輸出特性被示于表1中。
　　

　　3)EPS 電源的選配
　　(3.1) 應急照明或事故照明用EPS(1-50KVAKVA)
　　　按GB17945-2000國家標準(消防應急照明)：為確保大樓的應照明系統能正常運行，對EPS電源提出如下基本要求：
　　　■要求負責向普通應急照明燈供電的EPS電源的供電中斷時間<5秒。但對于高危險工作區及關鍵工作區的應急照明而言、則要求EPS的供電中斷時間<0.25秒。
　　■為盡可能地利用市電電源，當市電電壓在187V---242V(220V,-15%、+10%)的范圍內、不允許EPS進入逆變器電源供電狀態。
　　■要求EPS應配置足夠容量的電池組，以便在市電供電中斷時，至少能確保應急照相明燈可以繼續工作90分鐘以上。
　　■EPS中的充電器對電池組的最長充電間<24小時，最大充電電流<0.4C20A。
　　■帶RS232/485通信接口
　　由上述可知：在市電供電正常時，EPS是通過它的交流旁路向負載供電。原則上，它可以帶具有各種不同Cosф值的負載。然而，當市電供電中斷/市電電壓或頻率超限時，則是由EPS中的逆變器電源來供電的。在此條件下，EPS的帶載能力、不僅需要考慮如表1所示的逆變器電源在不同Cosф值負載時的降額輸出特性。而且，還需根據所使用的應急照明燈具的不同來選配EPS的輸出功率和機型。
　　(a)普通的應急照明燈具：由于應急照明燈具的功耗是用有功功率KW來標注的，而EPS逆變器的輸出功率是用功率因數Cosф=0.8(滯后)時的視在功率KVA 來標注的。所以，實際選用的EPS的滿載輸出功率應為：KVA=KW/0.8。
　　(b)應急照明燈具為熒光燈時, 所選用EPS的滿載輸出功率應為：KVA=1.3—1.5倍的KW/0.8。其原因是熒光燈在啟動時、存在有較大的”啟動浪涌”電流。
　　(c)應急照明燈具為高壓氣體燈時(例：高壓鈉燈、高壓鈀燈等)，宜選用切換時間<20ms的EPS產品。這是因為：如果對高壓氣體燈的供電”中斷時間”超過20ms時，就有可能致使氣體發光燈中的放電電弧”熄滅/中斷”。一旦發生”放電電弧”中斷現象，即使馬上就供電、也可能導致長達”分鐘數量級”的燈具熄滅現象發生。這因為它需要足夠長的時間來重新預熱高壓氣體燈中的燈絲的綠故。顯然，對于大型體育館和演出場地的照明系統來說，這是不允許出現這種故障的。
　　(3.2) 應急照明+電動機混和型負載用EPS(三相，5--400KVAKVA)
　　為了正確地選擇EPS的輸出功率，應首先分別統計電阻性照明負載與電感性電機負載的比例。對于電機負載而言，因用戶所選的機型及工作方式的不同，它的啟動電流可能高達5-10倍額定工作電流。為確保電機及EPS本身的安全運行, 對這種部份電機負載而言，不僅要求所選的EPS輸出功率應為6倍以上的電機的標稱功耗。而且，還宜選用其切換時間<10-15ms的EPS機型。
　　(3.3) 帶電機負載的EPS
　　(a) 釆用電機”硬啟動”工作方式，對于這種的EPS的輸出功率的選用方案同于(3.2)中所述。釆用這種方案的優點是：不管在市電供電中斷時、還是在市電恢復正常工作時，EPS均可確保電機的連續運行。其缺點是：需選用大功率的EPS、成本較高。
　　(b) 選用帶變頻啟動功能的電機專用型EPS
　　

　　如圖3所示，市電供電正常時，經交流旁路和轉換開關向后接電機負載供電。與此同時，市電還經充電器向電池組充電。當市電供電中斷時、為確保EPS的安全運行, 希望它執行”延時切換”操作，以便讓電機徹底”停止轉動”后、再啟動變頻器，由它對后接電機執行從0—50Hz的頻率逐漸增高的變頻啟動的操作(啟動時間為幾秒鐘)。釆用變頻啟動方案帶來的好處是：
　　(a)防止在EPS電源與處于”慣性運動狀態”下的電機所產生的自激勵電源之間、因相互處于”非同步入鎖”狀態而產生的故障隱患;
　　(b)可以降低EPS的輸出功率和降低投資成本。此時，EPS的輸出功率只需取1.2—1.4倍電機的額定功率就可滿足要求。
　　其缺點是：
　　(a)要求用戶的電機負載要首先停機，然后再慢速”變頻啟動”，從而造成電機負載工作的”不連續性”。
　　(b)如果后接的幾臺電機需要在不同的時刻進行”分時啟動”操作時，就會可能遇到這樣的技術難題：在啟動新的電機時，當EPS的輸功率足夠大時，它可能會承受到5—10倍的電機啟動浪涌電流的”沖擊”。否則，就會迫使EPS重新進入新一輪的”變頻啟動”工作狀態。由此所帶來的問題之一是：原來處于正常工作轉速的電動，會被再次拖入轉速由0—50Hz的變速啟動階段，從而給用戶的工作帶來麻煩/問題。
　　(4)應急電源用UPS
　　近年來，在雙變換、在線式UPS的基礎上開發出一種帶ECO作模式(經濟工作模式)的UPS電源(例：艾默生公司的UL33及Hipulse系列的UPS電源)。
　　

　　如圖4所示，當市電工作正常時，市電電源經處于”導通狀態”的交流旁路上的靜態開關向后接負載供電。與此同時，市電電源經整流器向電池組充電及向逆變器提供直流電源。此時，從逆變器所輸出的交流電源具有兩個工作特性：(a) 與市電電源處于同步跟蹤狀態; (b) 由于逆變器的輸出靜態開關處于關斷狀態,UPS中的逆變器處于低功耗的空載運行狀態。
　　由此可見：按 ECO模式工作的UPS不僅可以驅動具有各種不同Cosф值的負載。而且，它處于高效運行狀態(系統效率高達97%以上)。
　　當市電”供電中斷”/市電電壓或頻率超限時(見圖5)，它可以在<15ms的時間內、從交流旁路供電狀態→逆變器供電狀態。當輸入電源恢復正常后（在允許范圍內），系統自動執行從逆變器供電狀態→交流旁路供電狀態。此時的切換時間為零。
　　同EPS處于逆變器供電狀態相比， 當UPS處于逆變器供電狀態時，它具有如下優勢：
　　■UPS的切換時間小于EPS的切換時間：由于UPS的最大切換時間<15ms。所以，可以用它來驅動高壓氣體燈型的負載。相比之下，由于多數EPS的切換時間在25ms-100ms左右。所以，不宜用它來帶這種照明系統。
　　■UPS的可靠性高：輸入電源正常時,它的逆變器是處于”空載待命”狀態的，當輸入電源中斷/電壓超限時、對UPS的逆變器來說，只需執行從空載→帶載的操作。不會出現在EPS中的逆變器所面臨的”突然開機啟動、并帶載”的惡劣工作環境。此外，導致UPS可靠性較高的另一個原因是：UPS的逆變器是按長期、連續工作方式來設計的、其IBGT功放管的”電流裕量”取得較大。相反，EPS的逆變器是按短期、應急工作方式來設計的、其IBGT功放管的”電流裕量”取得較小。
　　■UPS的抗輸出過載能力優于EPS電源：當用戶的負載是照明+電機型混合負載時，它有利于釆用直接”硬啟動”電機的工作方式。■UPS產品的生產”成熟性”遠高于EPS：UPS已經歷過數十年的生產考驗和技術改進，積累了相當豐富的生產和維護經驗，大型UPS的平均無故障時間(MTBF)高達40-50萬小時。相比之下，EPS是近幾年才開始小量生產，其產品的可靠性還有待于實踐的考驗。
　　

　　(5)結論
　　當市電供電正常時，EPS 和按ECO模式工作的UPS都具有高效、節能和可帶各種Cosф值負載的能力。當市電供電不正常時，UPS同EPS相比，它具有切換時間短、可靠性高和產品的生產”成熟性”高等優勢。當用戶的負載為高壓氣體燈時，宜選用UPS電源。