EPS的构造与性能特点

        EPS一般由充电器、蓄电池组、逆变器、自动切换装置、输入输出部件、电池监测装置、控制系统、状态显示器、操作面板等部分组成。

(1)充电器

       为使蓄电池组保持充足电的状态并能多次反复循环使用,充电器与蓄电池组是EPS不可缺少的组合部分。因EPS通常工作于后备状态,不需在线运行,市电正常时,EPS通过切换开关直接向负载供市电,并由充电器对蓄电池充电。按GB17945-2000的要求EPS的循环充电时间不大于24h,充电器的额定输出电流值一般为C/20.因此充电器的额定输出功率一般为EPS额定功率的10%~25%.当后备时间需延长侧充电器功率也相应增大,可以在规定的时间内完成蓄电池的再充电。

       EPS中的充电器一般采用智能恒流恒压二阶段充电方式或恒压限流的充电方式。充电器的好坏对蓄电池的容量及使用寿命影响较大,应保证最大充电电流不超过所配用蓄电池的允许值,浮充电压满足配用蓄电池的推荐值,如具备温度补偿特性则更佳,避免快速充电。当然也有高端的采用其他充电方式,如定时自动进行循环充电方式、自动均充-浮充控制等,但在控制上略为复杂。市电正常时,EPS中的充电器通常还需要为控制系统供电。充电器应具备高可靠性和良好的自保护功能,应能适应较宽的输入交流电压范围,以保证在各种恶劣供电环境中正常充电并为EPS的控制系统供电。因充电器功率较小,且多数时间内工作于轻载状态,其交流输入功率因数和谐波含量等指标并不十分重要。EPS中的充电器通常采用高频开关电源技术实现,也有部分大功率的EPS采用了晶闸管相控整流型充电器。

(2)蓄电池

       蓄电池是EPS应急供电时的能量来源,是影响EPS可靠性的关键部件。目前EPS几乎均采用免维护阀控铅酸蓄电池,该电池技术成熟,价格较低,使用、维护简单,成为UPS和EPS的首选。关于免维护阀控铅酸蓄电池的特点与应用在本行业中已众所周知的,在此仅就其在EPS中应用时的几个特殊问题作一讨论。

(A)多个电池串并联运行问题

       在EPS中一般采用额定电压12V的蓄电池串联达到所需的额定直流电压,在较大功率EPS系统中,为达到所需电池总容量,往往需要多组电池并联,例如110kva的EPS,90min标准配置需要4组110Ah蓄电池并联。而蓄电池制造商一般不推荐太多组(例如6组以上)电池并联使用,原因据称是容易导致环流和充放电不均衡。而大功率EPS又必须要将多组电池进行串并联使用,为此对于品牌、规格、型号相同的蓄电池串并联做了大量的试验、分析及观察,采取如下方案是行之有效的。在正常运行情况下可要求供应商对电池内阻作必要的选配(控制在2-3%)。然后就从工艺上采取必要的均流措施:a.确保每节电池的联线的长度和规格都完全一样;b.确保每组电池组与EPS主机的联线的长度和规格都完全一样。它是利用导线的固有电阻充当大电流充放电时的均流电阻,从而达到各组电池组之间的自动平衡。并联运行的主要问题应当是各电池组间的电流难于控制,为此如何选配导线的规格,长度是很有讲究的。另外采用功率二极管进行各组电池的隔离汇流,并采用多个充电器分别充电。这样的系统将更为可靠性和安全。同时,在各电池组并联前,应先确认它们均处于充满状态。但这将使成本增加很多。不管采取任何措施,不同品牌或型号的蓄电池并联自然是不可取的。

(B)蓄电池的工作温区

        因EPS经常被安装在地下室、竖井、低压配电室等地方,环境温度范围较宽,0~40℃(或更高)的环境温度要求往往也得不到满足。而免维护阀控铅酸蓄电池的推荐使用温度一般为5~35℃,尽管电池制造商可能声称-15~50℃的工作温度范围,但温度过高,蓄电池自放电加重,使用寿命明显缩短,甚至会出现热失控导致电池报废;使用免维护阀控铅酸蓄电池的最佳温度20-25℃,当超过25℃时,每升高10℃电池寿命将减少至25℃环境下的一半。温度过低时,蓄电池放电容量严重下降,并且充电困难,强行充电会导致气体析出,影响蓄电池寿命。因此当EPS的安装环境温度过高或过低时,应当采取适当措施进行调节。

另外当环境温度超过25℃时,每升高10℃或单体电池浮充电压超出指标范围0.03V时,电池使用寿命缩短一半。

(3)逆变器与负载适应性

        逆变器是EPS中技术含量最高的核心部件,市电异常或火灾报警时,蓄电池存储的直流电能通过逆变器转换成与市电相同频率、电压的交流电,供给重要负载。因此,EPS的应急供电质量、逆变效率、负载适应能力等多项重要指标都决定于逆变器的品质。特别是正弦波逆变系统的技术在EPS中就更为重要。同时,逆变器的可靠性也是影响EPS整机可靠性的关键之一。EPS的逆变器几乎均采用了IGBT(或功率MOS管)SPWM逆变技术,但该技术与UPS、变频调速器等应用领域有较多的不同。它主要是围绕着过载能力、负荷的适应能力(混合负荷)供电的可靠性做系统设计的。可以这么说EPS逆变器的供电可靠性远远重要于逆变器的供电质量,这也是在设计思路及设计方案上不同于UPS.由于IGBT(已发展到第六代)在UPS、变频调速器、电焊机等已得到充分的应用和发展,是一个很成熟的电力电子功率元器件。目前经常会见到关于UPS与EPS负载适应能力差别的讨论,或用UPS替代EPS.其实它们的逆变控制系统的数学模型是完全不同的,一般UPS是以波形电压反馈的单闭环控制系统,因此其输出电压的正弦波波形及电压的动态调整精度特好;而EPS专用的动力逆变器控制系统是由电压反馈、电流反馈组成的多比环控制系统,主回路是完全电隔离的,因此其输出功率过载能力、三相的偏相运行能力、负载适应能力及适应强制工作能力特强,可靠性及高。在市电正常时,EPS会直接由市电提供负载,其负载能力仅决定于供电回路中的断路器、转换开关和导线的容量,一般无需讨论,但市电中断时,由EPS即刻切换由逆变器输出提供负载,此时应急供电必须保证其负载的重要负荷正常运行,因此UPS与EPS负载适应能力的差别本质上还是其逆变器负载能力的差别。

4)自动切换装置与切换时间

       为实现市电供电与逆变器供电之间的自动切换,EPS按国家标准必须是后备式的。为此自动切换装置是EPS中必不可少的部件,也是影响EPS可靠性的关键部件之一。根据EPS的输出容量和负载要求不同,自动切换装置可采用功率继电器、交流接触器、互投开关、固态开关(晶闸管)等构成。对EPS的切换时间要求具有多样性,例如,一般消防应急照明要求切换时间小于5s,高危险区域使用的消防应急照明要求切换时间小于0.25s,为高压气体放电灯供电时,为保证不熄辉,则要求切换时间为数毫秒量级,为风机、泵类、卷帘门、电梯等负载供电时,根据应用要求不同,切换时间也会在数毫秒等。

5)输入输出配电装置
       EPS的交流输入输部分一般不像UPS那样简单,而需要根据用户要求或设计图纸加装配电开关。例如市电输入端有时需要加装双路市电自动互投开关(ATS),市电直供回路有时需要加装独立的断路器,输出回路一般需要多支路输出,每个支路都要装有独立的断路器,有时还需要加装受消防联动信号控制的消防联动输出支路等等。用户为了安装使用方便,一般均要求把EPS系统的输入输出配电开关装置等全部装于EPS产品内部,因此EPS在产品结构上需要为输入输出配电开关留有充分的拓展空间,有时甚至需要专门按用户要求进行结构设计。

(6)电池检测装置

       GB17945-2000标准要求用于消防应急照明的EPS能对其电池组中每个12V电池单元的电压进行监测,以此为参照,许多用于其他方面的EPS往往也要求提供对每个电池单元的监测功能。此时需要为EPS配置专门的电池监测装置。因每个电池单元的直流电位各不相同,检测装置需要能够对其进行隔离采样。目前常见的隔离采样方式有继电器、线性光耦、先进行A/D转换后再用光耦合器隔离传输数字信号等等。不同方式各有所长,但如果对每一电池单元分别隔离采样,系统将过于繁杂。若先将电池单元适当分组,采用分组A/D转换、数字信号光耦隔离、通过串行数据总线上传的监测方式具有硬件结构简单,安全性、可靠性高,可自动实时巡检,监测精度较高等较大优势。

        目前EPS中对电池单元的检测内容一般仅限于各电池单元端电压的测试,并不能全面反映电池状态。但通过分别测试电池组充电和放电时各电池单元的端电压,可以对各电池单元的一致性做出准确的判断,如充电状态是否均衡、是否存在劣化的电池单元等等。有一些更为先进的电池状态检测方法,如内阻测试方法等,在国产EPS中的应用还比较罕见。

       因对各电池单元进行检测需要将测试线连接到每个电池单元的输出端,测试线路较密集且导线较细,容易发生意外短路或漏电问题,因此应采用适当电压电流分断能力的熔断器或其他方式进行安全隔离,防止蓄电池的高能量进入测试系统,导致事故。

7)控制系统

       在此仅讨论EPS中的控制系统。EPS的逆变器一般是一独立的模块结构、驱动电路,与UPS、变频电源等十分类似,主要是与IGBT所配套的典型用法,在此不作讨论。EPS的控制系统多由以单片机为核心的控制电路构成,但也有部分产品采用了模拟控制和简单逻辑控制或PLC控制器。

        EPS的控制系统需要对市电电压、电池电压、负载电流、充电器状态、逆变器状态、转换开关状态、设置参量、控制指令等多项参量实时监控,并按照正确的控制逻辑向各功能单元发出控制指令,同时还要有一个较为友好的、简单易懂的用户操作界面,需要具备较为复杂和灵活的监测、测逻辑判断和控制能力。因此选择功能适当的单片机为核心器件,构成数字化控制器,可以简化系统硬件,并利用控制软件的灵活性完成各种需要的监测控制功能,是最为合理的设计方案。采用PLC完成系统控制也是一种不错的方案,但成本很大,一般仅适用于大系统及智能化成度极高的高档楼宇配置,对于较小系统,在成本上往往无法接受。模拟控制和简单逻辑控制方式硬件复杂,在可靠性、灵活性、智能化程度等方面均处于劣势,但也有一定的实用性。

       EPS的控制系统除完成必须的监测、控制功能外,系统自检、显示信息提供、历史事件记录、数字通讯、计算机远程监控等能力也是相当重要的,随着楼宇消防智能化的发展,已将成为EPS必不可少的功能。这些功能只有采用数字化控制,方可实现。

(8)状态显示器和操作系统

       EPS的应用状态显示器和操作系统提供了EPS的人机界面,是EPS不可缺少的部分。EPS的状态显示一般由仪表与指令开关式;LED指示、数字显示与轻触按键式;LED指示、菜单式LCD显示屏构成。指示灯的设置、颜色和功能需要符合执行标准(GB17945-2000)的要求,LCD的显示内容除标准要求的主要参数外,还有各自的人机对话界面。整机还必须设置强制启动开关,但它必须受钥匙干预才能操作。