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EPS应急电源原理及应用选型

信息时间：2007-06-19 信息来源：

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EPS应急电源原理及应用选型
摘  要: 简要介绍EPS应急电源的工作原理;重点介绍常用EPS的类型及选型计算要点；提供了典型的几种EPS应用方案供读者参考。
关键词: 应急电源  EPS   EPS工作原理    EPS应用选型  EPS典型应用方案
一、    概要  
      《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95）对于消防设施的供电保障是这样要求的：一类高层建筑的消防设施，必须按一级负荷进行供配电设计。《供配电系统设计规范》（GB50052—95）对于一级负荷供电要求是按这样规定的：一级负荷应应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不致同时受到损坏。一级负荷中特别重要的负荷，除由两个电源供电外，尚应增设应急电源。应急电源可选用：(1)独立于正常电源的发电机组；(2)供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路；(3)蓄电池；（4）干电池。对于自备应急电源的设置，《供配电系统设计规范》是这样规定的：（1）需要设置自备电源作为一级负荷中特别重要负荷的应急电源时或第二电源不能满足一级负荷的条件时。（2）设置自备电源较从电力系统取得第二电源经济合理时。（3）有常年稳定余热、压差、废气可供发电，技术可靠、经济合理时。（4）所在地区偏僻，远离电力系统，设置自备电源经济合理时。
      柴油发电机组作为消防应急电源在工程上被广泛应用在国内外已有几十年的历史。随着建筑设计理念进步，采用柴油发电机组作为消防应急电源的很多弊端日益突出,如机组噪音和有害气体的排放公害；机组占用成本高昂的建筑空间且配套建筑设计要求高、难度大； 储油设施本身存在火灾隐患，需要配套自动气体灭火等高成本的消防设施等。近年来，随着电力电子逆变技术的发展，静止逆变应急电源（一般称为EPS）得到了迅速发展，由于其应急反应时间短、对安装环境的灵活适应性和较强的负载的适应能力、无噪声和废气排放的环保特点以及在中低功率段明显的综合造价等优势，被愈来愈多地采用作为消防应急电源；并在400KW以下中小功率范围,有逐步取代应急柴油发电机组趋势。
二、EPS的基本工作原理
      EPS应急电源广泛意义上是指正常供电电源中断时，可以向用户的重要负载进行短时供电的独立应急电源装置 (EPS：Emergency Power Supply)，这个广义的称谓当然包括了应急柴油发电机组。随着静止逆变电源在建筑消防中应作为急电源的逐步应用，目前国内电源和消防行业中被简称为EPS的主要是专指采用电力电子技术静止型逆变应急电源系统（下文统一简称为EPS）其主要构成如下图1所示：
                     图1  EPS系统控制原理框图
      EPS应急电源系统主要包括整流充电器、蓄电池组、逆变器、互投装置和系统控制器等部分。其中逆变器是核心，通常采用DSP或单片CPU对逆变部分进行SPWM调制控制，使之获得良好的交流波形输出；整流充电器的作用是在市电输入正常时，实现对蓄电池组适时充电；逆变器的作用则是在市电非正常时，将蓄电池组存储的直流电能变换成交流电输出，供给负载设备稳定持续的电力；互投装置保证负载在市电及逆变器输出间的顺利切换；系统控制器对整个系统进行实时控制，并可以发出故障告警信号和接收远程联动控制信号，并可通过标准通讯接口由上位机实现EPS系统的远程监控。
EPS的基本工作原理可以从图1中得到清晰的说明：
(1) 在市电输入正常时，输入市电通过互投装置给重要负载供电，同时系统控制器自动进行市电检测及通过充电机对蓄电池组充电管理。通常EPS充电器的容量仅相当于10%蓄电池组容量(Ah)，仅需提供蓄电池组浮充或补充电功能，并不需要具备直接向逆变器提供直流电源的能力。此时,市电经由EPS内的互投装置向用户的应急负载供电。与此同时，在EPS的系统控制器的调控下，逆变器停止工作处于自动关机状态。用户负载在此时实际使用是电网电源，此时通常称EPS应急电源处在睡眠状态，可以有效达到节能的效果。
(2) 当输入市电供电中断或市电电压超限(±15%或±20%额定输入电压)时，系统控制器指令互投装置将在(0.1~4)S短时间内投切至逆变器供电，EPS系统在蓄电池组所提供的直流能源的支持下，向用户负载供电。
(3) 当输入市电电压恢复正常工作时，EPS的系统控制器发出指令对逆变器执行关机操作，同时还通过互投开关执行从逆变器供电向交流旁路供电的切换操作。此后EPS在经交流旁路供电通路向负载提供市电，同时继续通过整流充电器向其蓄电池组充电。
三、   EPS应急电源的设计选型
1）EPS以产品特征分为以下三类产品：
1.1)    应急照明和事故照明EPS，输出功率范围：(0.5～10) KVA。
　　  这类EPS由单路、双路供电输入二类产品组成，一般输入单/三相220VAC或380VAC，输出单相
      220VAC, 并可带多路输出配电开关，适应于应急照明和事故照明的照明负载。
1.2)    混合负载型EPS，输出功率范围：(2.2～800) KVA。
  　　这类EPS由单路、双路供电输入二类产品组成，一般输入/输出电压均为三相380/220VAC。除可用于应急照明、事故照明，同时也适应于消防电梯、卷帘门、风机、水泵、淋浴泵、供水泵等电感性负载或混合供电。
1.3)    单机软启动型EPS，输出功率范围：(2.2～800) KVA。
      这类EPS主要用于大功率的单台负载，通常有单逆变台单负载、由单逆变单台负载一用一备用、双逆变单台负载一用一备用三类型式；一般输入/输出电压均为三相380/220VAC，它仅为只有一路电源的消防设施或一级负荷中的大功率负载电动机提供一种可软启动的独立三相应急电源系统，适应于高层建筑的电梯、消防风机、消防水泵等大功率的电机负载。
2）根据应急负载特征选用EPS
2.1）应急照明或事故照明用EPS　
根据国家标准《消防应急灯具》（GB17945-2000）规定，为确保建筑内部的应急照明系统能正常运行，应对EPS提出如下基本要求：
(1) 要求负责向普通应急照明灯供电EPS的供电中断时间<5s；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<0.25s；
(2) 为尽可能的利用市电，当市电电压在187~242V(220V/-15%,+10%)的范围内不允许EPS进入逆变器供电状态；
(3) 要求EPS配置足够容量的蓄电池组，以便在市电供电中断时，至少确保应急照明灯继续工作90min以上；
(4) EPS中的充电器对蓄电池组的最长充电时间小于24h，最大充电电流小于0.4C(A)。
      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功率因数的负载，然而在市电供电中断或市电电压或频率超限时则是有EPS中的逆变器来供电的。在此条件下EPS的带载能力不仅需要考虑逆变器在不同功率因数值负载时的降额度输出特性，而且还需要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。在选配EPS时应注意以下几个问题：
      (1) 普通的应急照明灯具：由于应急照明的功耗是用有功功率P(KW)来标注的，而EPS逆变器的输出功率是用功率因数cosφ=0.8(滞后)时的视在功率S(KVA)来标注的，所以实际选用EPS的满载输出功率应为：S=P/0.8；
      (2) 应急照明灯具为荧光灯时，所选用的EPS满载输出功率应为S=(1.3~1.5)ΣP/0.8，其原因是荧光灯启动时存在较大的”启动浪涌”电流；
      (3) 应急照明灯具为高压气体灯时(例：高压钠灯,高压钯灯等)，宜选用切换时间小于20ms的特殊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，就有可能致使气体灯中的放电电弧”熄灭或中断”。一旦发生放电电弧中断现象，即使马上恢复供电也可能导致长达数分钟的灯具熄灭现象发生。这因为它需要足够长时间来重新预热高压气体灯中灯丝的缘故。显然，对于大型体育馆和演出场地的照明系统来说，是不允许出现这种状况的。
2.2）应急照明+电动机混合型负载用EPS
      为了正确的选用EPS的输出功率，应首先分别统计应急阻性照明负载与应急感性电机类负载的比例。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，对这部分电机负载而言，不仅要求所选的EPS输出功率应为6倍以上的电机标称功率；其切换时间也必须充份满足保证应急快速反应的需要。
2.3）带电机负载的EPS
      (1) 采用电机“硬启动”工作方式，对于这种EPS输出功率的选用方案同2.2所述，采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。
      (2) 选用带变频软启动功能的电机专用型EPS
对于大功率电机负载，可以采用带变频软启动功能的电机专用型EPS。主要优点是很明显的：
      ① 可以利用EPS交流逆变器的“转速自动跟踪”或“瞬时掉电自启动”功能使电机平滑上电，防止在EPS与处于“惯性运动状态”下的电机所产生的自激励电势发生短路故障；
      ② 可以降低EPS的输出功率和降低投资成本，此时EPS的输出功率只需选取1:1电机的额定功率就可满足要求。
      3）EPS的设计选型计算（见表1）：


EPS 容 量 计 算
负载类型	EPS容量选型要求
风机水泵	1）有变频启动风机、水泵，总容量选配比为1:1; 2）负载有星三角降压启动器，选配比为3:1; 3）无任何降压、变频措施启动，选配比为5:1; 4）适用负载为排风机、进风机、消防泵、喷淋泵等。
消防电梯	有变频启动的电梯拖动电机总容量与EPS的选配比为1:1;
防火卷帘门	1)防火卷帘门运行时间短，配置电池可小于30min; 2)防火卷帘门在实际使用中不需要同时启动，因此卷帘门电机容量总和与EPS 容量的选配比为1:1。
混合类负载	1)若电机均有变频启动功能，则各负载容量总和与EPS容量的选配比为1:1; 2)若最大单台电机的容量小于各类负载容量的1/7，不论其有无变频启动功 能，EPS容量与负载总容量的选配比为1:1; 3)无变频启动功能时，EPS的容量等于3倍电机负载总容量与其它同时工作的各类负载总容量之和。
独立动力负载	单机容量超过55KW以上消防动力负载,宜选用带变频软启动功能的电机专用型EPS,容量选配比为1:1。
EPS持续供电时间计算
Pe*Te≥1.2*Σ(P1*t1+P2*t2+···+Pn*tn) 式中：Pe — EPS额定输出功率P=0.8S              (KW)       Te --  EPS额定工作时间                   (min)       Pn -- 某台应急设备的额定功率              (KW)       tn -- 某台应急设备的对应的持续应急工作时间(min)

                                  表1  EPS的设计选型计算
4）典型应用设计方案
图2～7为几个典型的EPS应用方案原理框图。实际设计选用时可以根据实际情况灵活组合使用。
     图2 单电源双输入原理图                      图3 单电源单输入原理图
     图4  双电源原理图（一）                     图5  双电源原理图（二）
图6  EPS充当第二路电双回路原理图
图7 单机软启动型EPS单台负载一用一备原理图
四、结束语
      电力电子技术的快速发展催生发展出了EPS应急电源这一有着良好技术经济优势的消防产品。作为一种可靠的环保型应急供电源，EPS应急电源可被灵活地设计运用在消防供电回路末端及作为其他重要负载和场合的应急供电电源等。在消防设计中合理正确地选择EPS应急电源，可以为用户的整个消防系统的可靠运行提供可靠安全的动力能源保障。