EPS应急电源的兴起和现状以及发展趋势 韦德电子有限公司 工程部 摘要:应急电源EPS的工作原理,以及如何使用户能够理性的去选择产品。文中详细分析了EPS的构造和工作原理以及带负载时的工作特性和运行参数。 关键词:应急电源;EPS;应急电源工作原理;EPS特性 EPS应急电源已被广泛应用于建筑电气领域和特殊应急供电场合。随着社会发展，越是信息化、现代化，就越依赖于电力。突然的断电必然会给人们正常的生活秩序和学习带来影响，尤其是对于生产、生活中特别重要的负荷，一旦中断供电，将会造成重大的经济损失。然而，电力故障具有突发性，不以人们的意志为转移，即使电网设施再先进，意外的断电也在所难免。目前，城市供电系统的安全对策一般是采用并网供电，为城市电力提供可靠的电源保护。但从企业及工业、民用建筑使用情况来看，仅仅靠公用电网还远远不够，必须具备应急供电系统（EPS），其重要性是在事故发生的情况下确保提供所需的应急电力，以有效降低因为断电而造成的损失，为人们生产和生活安全提供保障。因此，EPS也被称为“城市生命线系统”的重要组成部分。 1.1 EPS应急电源的分类 目前市场上的EPS应急电源品牌众多，大家在设计上所采用的控制方式和控制手段不尽相同，但针对所带负载的种类大致可以归纳为以下三种：一是主要用于应急照明和事故照明的单相EPS相应我公司的WY系列；二是用于应急照明、事故照明之外，还有应用于空调、电梯、卷帘门、排气风机、水泵等电感性负载或兼而有之的混合供电的三相系列EPS相应我公司WYS系列；三是直接给电动机供电的变频系列EPS相应我公司WYS/B系列。 1.2 EPS应急电源的设计要求 EPS应急电源可以说是近两年才迅猛发展起来的一个新兴产业，相比于发展成熟的UPS而言，有相同之处，也有不同之处。其相同点在于都具备在市电故障(中断)情况下继续向负载提供交流电源的功能，均采用了IGBT逆变技术和脉宽调制(PWM)技术。不同之处是UPS除了提供不间断供电外，还兼备改善市电品质的功能，而EPS应急电源则主要解决市电故障时的应急供电问题；UPS主要是为IT行业设备提供用电保障，EPS应急电源则适用于各种行业；UPS供电模式要求切换时间很短(0～10ms)，EPS应急电源则相对较宽(0～4s)；UPS主要带计算机类负载，而EPS应急电源所带负载混杂；UPS对于运行环境要求较高，EPS应急电源则要求能适应各种环境；UPS以一般用户监控为主，EPS应急电源主要用于应急供电，要求与消防联动；UPS以维护信息传输畅通为主要目的，EPS应急电源以防范重大灾难事故为主要目的。可以形象地比喻，UPS以“救数据”为主，而EPS以“救人”为主。一般EPS功率较大，机内的逆变器处于备用状态。 鉴于EPS应急电源的主要设计思想是在市电突然中断时提供安全可靠的应急电力供应，有效避免发生灾害时的人身伤亡和财产损失为原则。因此，在设计EPS时应着重考虑其安全性、可靠性、适用性及合理性。主要有： 1）断电转换时间一般在毫秒级(25ms)，以保证供电的及时性； 2）负载适应能力强，包括电容性、电感性、混合型负载，而且过载能力和抗冲击能力强； 3）有多路输出，防止输出单一形成的故障； 4）有消防联动和远程控制信号，可手动与自动相互转换； 5）环境适应能力强，适用于各种恶劣环境，有防止高低温、湿热、盐雾、灰尘、震动及鼠咬等措施； 6）使用寿命长，有电池快速充电能力和管理能力； 7）节能，运行效率高，运行成本低； 8）有无人值守、自动操作功能； 9）报警功能齐全，能及时提供各种异常状况的报警； 10）有强启动功能，避免电池环节保护后无法启动； 11）无烟雾、无噪音、无公害等； 12）维护简单，维护费用低。 1.3 EPS应急电源的设计原理 1）应急照明和事故照明类照明型的EPS一般以单相为主，主要为应急照明场合（商场、娱乐场所、办公场所、交易场所等）提供集中供电，如图2所示。当输入电源正常时，市电一路通过转换装置输出给日常照明，另一路通过充电器给电池组充电，当控制器检测到市电中断或异常(偏低或偏高)时，向逆变器发出启动信号，并控制互投转换装置转至逆变器输出。当然，对于EPS的接法不同，还可以把EPS当作二路电源、三路电源使用。 图2 照明EPS的供电系统 2）应急照明及混合型负载类此类型EPS一般适用于负载性质比较复杂的场合，譬如既有照明型负载，又有动力型负载，所以一般以三相居多，如图3所示。适用场合为宾馆、高层建筑、医院、大型商场等。 图3 混合负载型EPS供电系统 3）电机专用的变频起动类此种类型EPS主要为电机类负载而设计，避免因电机起动过程中的大电流冲击而损坏设备。被广泛应用于大功率电动机负载，比如电梯、消防水泵、大型风机等。与其他EPS的不同之处是此类EPS一般只有单路输出，如图4所示。当三相输入市电正常时经整流后给逆变器提供直流电，同时经充电器对电池组充电；当三相输入断电或异常时，自动转由电池组给变频器提供直流电。当需要电机负载工作时，送给变频器启动信号(运行信号、远程控制信号等)，变频器会立即输出。从0～50Hz变频，供给电动机进行变频起动，当其频率到达50Hz后保持正常运行。 图4 电机专用型EPS的供电系统 1.4 EPS应急电源领域的现状 随着科技的不断发展，众多的智能大厦拔地而起，人们在对其居住环境提出了更高要求的同时，也提出了电力保障和消防安全问题。但EPS的起步较发电机和UPS要晚，人们对其认识的程度还不够，所以在众多的应急供电场合，还是以发电机和UPS为主要应急供电方式来实现EPS的功能。就提供应急供电能力而言，这两种方式已暴露出许多不足之处。 1）用柴油发电机组作为应急电源是目前大部分工程所采用的，也是最常见的应急备用电源，由于柴油发电机的容量较大，可并机运行且连续供电时间长，所以已经有较长的应用历史。然而，无论发电机的起动速度有多快，从停电后使发电机接到起动信号开始，至发电机电压、频率等达到稳定可以供电时为止，至少需要数十s至数min，这段时间，所有用电设备均停止工作，就可能造成少数设备的损坏或出现生命财产的安全问题。而EPS的启动一般不会超过25ms，所以不会影响设备的正常工作。 另一方面，柴油发电机应用在应急供电场合，有诸多不利之处，主要有： （1）在高层建筑中，柴油发电机组一般放在地下室，设计难度大，造价高，配备进风、冷却、排烟、减震、消音等设施都需要充分考虑； （2）存在火灾隐患。其油罐像一个极为危险的“炸弹”，万一失火，后果不堪设想； （3）日常维护比较频繁，工作量大； （4）柴油发电机噪音大，产生公害； （5）排烟中有大量的二氧化硫，污染严重，影响环保。 以负载容量为200kW为例，将EPS与柴油发电机组的性价比作一个比较。选用EPS时，其额定功率与负载功率比为1：1即可，其总价约为60万元左右。而选用柴油发电机时，其额定功率与负载功率比应为1.3～1.5：1，对200kW的负载，柴油发电机组需250kVA规格，该机组价格为40万元左右，但是除机组本身价格之外，还需外加其他辅助装置费用约16～29万元，现以20万元计算，即选用柴油发电机组总价为60万元左右。所以，二者价格相差不多。从中也不难看出，如果EPS容量小于200kW时，其价格要小于柴油发电机组的综合造价。目前消防应急供电场合的负载总容量一般在200kW以下，从投资的长远利益考虑，EPS较柴油发电机组经济得多。 2）用UPS作为应急电源EPS从原理结构上和UPS大同小异。在线式UPS不论市电是否正常，它都一直由逆变器供电，即按照“市电输入→整流→逆变→输出”的顺序进行，只有在逆变器故障或过载时才改由旁路输出，如图5所示。而EPS，当市电正常时，市电通过开关S输出给负载，同时充电器对电池充电。当控制系统检测到市电停电时，逆变器工作，使开关S切换至逆变输出状态，向负载提供电能，如图6所示。 图5 UPS供电系统 图6 EPS供电系统 从以上供电系统图可以看出，UPS是一种双变换结构的不间断电源，主要为负载提供稳定的高质量电能，不受市电电网的影响，而且其转换时间一般在10ms以内，所以，UPS被广泛应用于计算机、程控交换机、医疗设备及精密电子仪器等不能中断供电的场所。但正因为UPS不仅担负着应急供电外，还担负着改善电力品质的任务，所以其逆变器要连续不断地工作，使用寿命相对较短，一般为5～8年，尤其是电池的更换较为频繁。另一方面，UPS的逆变器长期处于工作中，自身的损耗较大，而且对使用环境要求很高，只能放在计算机房或空调房间里。 UPS专为IT行业的计算机类和通讯类负载而设计，其负载适应能力不及EPS，举例说明，如果应急供电场合含有交流感应式电动机一类的感性负载，那么在UPS的设计选型和使用中就会出现很大问题。由于交流电动机的起动电流通常是其额