应急电源用的EPS和UPS电源

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摘要:  绿色奥运、科技奥运是举世瞩目的2008年北京奥运会所追求的主题之一。能向大型体育体设施提供高效、节能和不间断的电源的应急电源是确保奥运会能顺利地运行所必备的电源设备之一。应急电源用的EPS和UPS电源的主要负载为电阻性照明设备和电感性的电机负载。对EPS 和按ECO模式工作的UPS的主要技术要求是:对各种不同功率因数的负载的适应能力强、供电系统的运行效率高和执行”市电供电”转”逆变器供电”的”切换操作时间”短。本文详细分析它们在带各种负载时的工作特性。当市电供电不正常时,UPS同EPS相比,它具有切换时间短、可靠性高和产品的生产”成熟性”高的优势。
 
 

Abstract:  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)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。

(2.3)EPS 电源 与 UPS的典型电性能比较
 

  由于EPS所带的主要负载是照明或电机类的普通动力负载,UPS所带的负载为计算机及服务器等精密负载。因此,当ESP和UPS同时处于逆变器电源供电状态时,ESP除输入电压的容限范围稍宽于UPS之外,其余各项电性能指标均是UPS优于EPS产品。

(3)EPS 电源的选配
 
(3.1) 应急照明或事故照明用EPS(1-50KVAKVA)
  
  按GB17945-2000国家标准(消防应急照明):为确保大楼的应照明系统能正常运行,对EPS电源提出如下基本要求:

  ■要求负责向普通应急照明灯供电的EPS电源的供电中断时间<5秒。但对于高危险工作区及关键工作区的应急照明而言、则要求EPS的供电中断时间<0.25秒。

  ■为尽可能地利用市电电源,当市电电压在187V---242V(220V,-15%、+10%)的范围内、不允许EPS进入逆变器电源供电状态。

  ■要求EPS应配置足够容量的电池组,以便在市电供电中断时,至少能确保应急照相明灯可以继续工作90分钟以上。

  ■EPS中的充电器对电池组的最长充电间<24小时,最大充电电流<0.4C20A。

  ■带RS232/485通信接口
 
  由上述可知:在市电供电正常时,EPS是通过它的交流旁路向负载供电。原则上,它可以带具有各种不同Cosф值的负载。然而,当市电供电中断/市电电压或频率超限时,则是由EPS中的逆变器电源来供电的。在此条件下,EPS的带载能力、不仅需要考虑如表1所示的逆变器电源在不同Cosф值负载时的降额输出特性。而且,还需根据所使用的应急照明灯具的不同来选配EPS的输出功率和机型。

  (a)普通的应急照明灯具:由于应急照明灯具的功耗是用有功功率KW来标注的,而EPS逆变器的输出功率是用功率因数Cosф=0.8(滞后)时的视在功率KVA 来标注的。所以,实际选用的EPS的满载输出功率应为:KVA=KW/0.8。

  (b)应急照明灯具为荧光灯时, 所选用EPS的满载输出功率应为:KVA=1.3—1.5倍的KW/0.8。其原因是荧光灯在启动时、存在有较大的”启动浪涌”电流。

  (c)应急照明灯具为高压气体灯时(例:高压钠灯、高压钯灯等),宜选用切换时间<20ms的EPS产品。这是因为:如果对高压气体灯的供电”中断时间”超过20ms时,就有可能致使气体发光灯中的放电电弧”熄灭/中断”。一旦发生”放电电弧”中断现象,即使马上就供电、也可能导致长达”分钟数量级”的灯具熄灭现象发生。这因为它需要足够长的时间来重新预热高压气体灯中的灯丝的綠故。显然,对于大型体育馆和演出场地的照明系统来说,这是不允许出现这种故障的。

(3.2) 应急照明+电动机混和型负载用EPS(三相,5--400KVAKVA)
  
  为了正确地选择EPS的输出功率,应首先分别统计电阻性照明负载与电感性电机负载的比例。对于电机负载而言,因用户所选的机型及工作方式的不同,它的启动电流可能高达5-10倍额定工作电流。为确保电机及EPS本身的安全运行, 对这种部份电机负载而言,不仅要求所选的EPS输出功率应为6倍以上的电机的标称功耗。而且,还宜选用其切换时间<10-15ms的EPS机型。

(3.3) 带电机负载的EPS
 
  (a) 釆用电机”硬启动”工作方式,对于这种的EPS的输出功率的选用方案同于(3.2)中所述。釆用这种方案的优点是:不管在市电供电中断时、还是在市电恢复正常工作时,EPS均可确保电机的连续运行。其缺点是:需选用大功率的EPS、成本较高。
 
  (b) 选用带变频启动功能的电机专用型EPS

  如图3所示,市电供电正常时,经交流旁路和转换开关向后接电机负载供电。与此同时,市电还经充电器向电池组充电。当市电供电中断时、为确保EPS的安全运行, 希望它执行”延时切换”操作,以便让电机彻底”停止转动”后、再启动变频器,由它对后接电机执行从0—50Hz的频率逐渐增高的变频启动的操作(启动时间为几秒钟)。釆用变频启动方案带来的好处是:

  (a)防止在EPS电源与处于”惯性运动状态”下的电机所产生的自激励电源之间、因相互处于”非同步入锁”状态而产生的故障隐患;

  (b)可以降低EPS的输出功率和降低投资成本。此时,EPS的输出功率只需取1.2—1.4倍电机的额定功率就可满足要求。

  其缺点是:
  (a)要求用户的电机负载要首先停机,然后再慢速”变频启动”,从而造成电机负载工作的”不连续性”。

  (b)如果后接的几台电机需要在不同的时刻进行”分时启动”操作时,就会可能遇到这样的技术难题:在启动新的电机时,当EPS的输功率足够大时,它可能会承受到5—10倍的电机启动浪涌电流的”冲击”。否则,就会迫使EPS重新进入新一轮的”变频启动”工作状态。由此所带来的问题之一是:原来处于正常工作转速的电动,会被再次拖入转速由0—50Hz的变速启动阶段,从而给用户的工作带来麻烦/问题。

(4)应急电源用UPS

  近年来,在双变换、在线式UPS的基础上开发出一种带ECO作模式(经济工作模式)的UPS电源(例:艾默生公司的UL33及Hipulse系列的UPS电源)。

  如图4所示,当市电工作正常时,市电电源经处于”导通状态”的交流旁路上的静态开关向后接负载供电。与此同时,市电电源经整流器向电池组充电及向逆变器提供直流电源。此时,从逆变器所输出的交流电源具有两个工作特性:(a) 与市电电源处于同步跟踪状态; (b) 由于逆变器的输出静态开关处于关断状态,UPS中的逆变器处于低功耗的空载运行状态。

  由此可见:按 ECO模式工作的UPS不仅可以驱动具有各种不同Cosф值的负载。而且,它处于高效运行状态(系统效率高达97%以上)。
 
  当市电”供电中断”/市电电压或频率超限时(见图5),它可以在<15ms的时间内、从交流旁路供电状态→逆变器供电状态。当输入电源恢复正常后(在允许范围内),系统自动执行从逆变器供电状态→交流旁路供电状态。此时的切换时间为零。
 
  同EPS处于逆变器供电状态相比, 当UPS处于逆变器供电状态时,它具有如下优势:

  ■UPS的切换时间小于EPS的切换时间:由于UPS的最大切换时间<15ms。所以,可以用它来驱动高压气体灯型的负载。相比之下,由于多数EPS的切换时间在25ms-100ms左右。所以,不宜用它来带这种照明系统。

  ■UPS的可靠性高:输入电源正常时,它的逆变器是处于”空载待命”状态的,当输入电源中断/电压超限时、对UPS的逆变器来说,只需执行从空载→带载的操作。不会出现在EPS中的逆变器所面临的”突然开机启动、并带载”的恶劣工作环境。此外,导致UPS可靠性较高的另一个原因是:UPS的逆变器是按长期、连续工作方式来设计的、其IBGT功放管的”电流裕量”取得较大。相反,EPS的逆变器是按短期、应急工作方式来设计的、其IBGT功放管的”电流裕量”取得较小。

  ■UPS的抗输出过载能力优于EPS电源:当用户的负载是照明+电机型混合负载时,它有利于釆用直接”硬启动”电机的工作方式。

  ■UPS产品的生产”成熟性”远高于EPS:UPS已经历过数十年的生产考验和技术改进,积累了相当丰富的生产和维护经验,大型UPS的平均无故障时间(MTBF)高达40-50万小时。相比之下,EPS是近几年才开始小量生产,其产品的可靠性还有待于实践的考验。


(5)结论

  当市电供电正常时,EPS 和按ECO模式工作的UPS都具有高效、节能和可带各种Cosф值负载的能力。当市电供电不正常时,UPS同EPS相比,它具有切换时间短、可靠性高和产品的生产”成熟性”高等优势。当用户的负载为高压气体灯时,宜选用UPS电源。