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EPS应急电源设计之解决方案

一)EPS应急电源与负载的功率匹配关系
1)照明型EPS容量的计算
单相或三相照明型EPS应急电源用于配带灯具类负载时:
  • 当负载为电子镇流器日光灯,EPS容量=电子镇流器日光灯功率和X1.1倍;
  • 当负载为电感镇流器日光灯,EPS容量=电感镇流器日光灯功率和X1.5倍;
  • 当负载为金属卤化物灯或金属钠灯,EPS容量=金属卤化物灯或金属钠灯功率和X1.6倍。
    (注:三相应急电源中每一相的输出功率仅为EPS标称容量的1/3,不可偏相过多。)
    附:主要电光源灯具的主要特性

光源名称

白织灯

卤钨灯

荧光灯

高压汞灯

管型氙灯

高压钠灯

金属卤化物灯

光效/(1m/W)

6.5~19

19.5~21

25~67

30~50

20~37

90~100

60~80

平均寿命/h

1000

3000

3000~5000

2500~5000

500~1000

18000

6000~9000

启动稳压时间

瞬时

瞬时

1~3S

4~8min

1~2S

4~8min

4~8min

再启动时间

瞬时

瞬时

瞬时

5~10 min

瞬时

10~20 min

10~15 min

功率范围/W

15~500

15~500

15~40

50~1000

30~1800

70~1000

400~3500
2000W以上为三相

功率因数

1

1

0.33~0.7

0.44~0.67

0.4~4.9

0.44

0.4~0.61

三相常规型EPS带电机类负载时,EPS容量的计算方法:
2.1当EPS带多台电动机同时启动时,则EPS的容量应遵循如下原则。EPS容量:带变频启动电动机功率之和+带软启动电动机功率之和×3倍+带星三角启动电动机之和×4倍+直接启动电动机之和×7倍。
2.2当EPS带多台电动机且分别单台启动时(不是同时启动),则EPS的容量应遵循如下原则:
直接启动的最大的单台电动机功率是EPS容量的1/7;
星三角启动的最大的单台电动机功率是EPS的1/4;
软启动的最大的单台电动机功率是EPS的1/3; 
变频启动的最大的单台电动机功率不大于EPS;
如果不满足上述条件,则应按上述条件中的最大数调整EPS的容量,电动机启动时的顺序应直接启动的在先,其次是星三角的启动,有软启动的再启动,最后是变频启动的再启动。
2.3当EPS用带混合负载时,EPS的容量应遵循如下原则:
2.3.1负载中直接同时启动的电动机功率之和是EPS容量的1/7;
2.3.2负载中星三角同时启动的电动机功率之和是EPS容量的1/4;
2.3.3负载中有软启动同时启动的电动机功率之和是EPS容量的1/3;
2.3.4负载中有变频器同时启动的电动机功率之和不大于EPS容量;
电动机功率当量:直接且同时启动电动机总功率之和×7倍+星三角且同时启动电动机总功率之和×4倍+软启动且同时启动电动机功率之和×3倍+变频且同时变频启动电动机功率之和。若电动机前后启动时间相差大于1分钟均不视为同时启动。
同时启动的所有负载的功率之和=同时启动的所有负载(非电动机负载)的当量功率之和×功率因数+电动机当量功率。
动力变频型EPS电源配带负载时,EPS容量计算方法:
  EPS容量=所带电动机(或其它类负载)功率容量。
  以上所讲EPS容量均指EPS的标称额定容量(kW)
EPS电源的后备应急时间
  产品标准应急时间一般为90min(或180min),可以根据用户的需要或相应规范来设计。
1)应急时间减少:A)单相:除10kW以外,应急时间减少时EPS柜体尺寸不变,只是电池容量减少。10kW时间缩短至60min以内时,柜体与7-9kW相同。B)三相(混合及动力型):11kW以内应急时间减少时柜体尺寸不变,11kW以上机型根据应急时间缩短按比例减少柜体数量。
2)应急时间增加:所有应急电源应急时间加长时其电池容量及柜体尺寸均会增大,若有需要,则一般需与制造商联系定制。
EPS应急电源的切换时间
 常规照明型EPS电源的标准切换时间一般为:0.5~3s(秒)
 在一些特殊应用场合(譬如高压钠灯等高强气体放电灯),需要小于3ms(毫秒)切换时间。针对这类负载,我公司有专用的高速切换机型。另外,我公司还有切换时间可以做到零切换的不间断电源;中川公司的工业级UPS(工频机)不间断电源可以按具体技术方案要求而定制(设计时注明定制即可)。
蓄电池及其充电方式的设计
1)全密封免维护铅酸蓄电池在EPS电源配用中的选择
EPS消防应急电源一般均有蓄电池强制启动功能,放电电压不受截止保护(即消除了电池放电低端保护电压的限制),普通的铅钙型蓄电池很容易耗光电能后不能再充复。这就要求EPS配用的蓄电池必须具有很强的深度放电性能,低锑的铅锑型铅酸蓄电池既价廉,又能满足EPS蓄电池强启功能的要求,较适合EPS电源配置(小缺点:仓库储存时的自放电,高于纯铅钙型蓄电池)。一般的纯铅钙型蓄电池(UPS不间断电源、通讯设备等配用的铅酸蓄电池类型),在EPS强启方式的配用中寿命不长,强启方式下一般几次来回就报废。镍镉型蓄电池或镍氢型蓄电池虽然具有很强的深度放电性能,但价格过高不适用。另外,胶体类铅酸蓄电池,只是在蓄电池内部以胶体贫液隔板设计替代超细玻璃纤维膜隔板,在非强启方式下的使用寿命相对较长,但在强启方式下同样几次来回就报废(除非其正极板栅是低锑的铅锑型合金设计)。
EPS对蓄电池的充电方式有何要求?
其充电方式的最大要求是:充电电路须具有限流设计或初始充电为恒流方式。这是因为:在EPS的强制启动功能执行后,其蓄电池一般已被深度放电耗光了电能。在这种情况下充电的初始瞬间蓄电池接受的充电电流是很大的,恒压方式的充电板很容易烧坏。EPS最佳的充电方式是:ABM方式,即先恒流充至80%—90%,再恒压浮充至100%,然后是蓄电池的在线静待,当长时间静放电低于90%时,自动再次进行充电。有些要求较高的设计者或设计方案,对充电过程还进行温度补偿的方案设计,但,此类设计需对温度补偿的温度精准探测和微电压补偿的精准测算具有非常可靠的软硬件技术。否则,微小的误差失误反而会对蓄电池组发生致命性的全部损坏。国家新标准GB17945-2010中,蓄电池组应配有电池检测仪之类的监测单元,能对单体蓄电池的电压或内阻(测内阻要求过高,设备也昂贵)进行实时监测和管理。
铅酸蓄电池的使用与维护常识
A)设备如暂时不能接入市电电源时,电池应保存在25±2℃的干燥环境内,每六个月进行一次充电、放电全过程。
B)严禁电池在缺电情况下保存,电池放电后应争取在48小时内充足电,长期不充电将造成电池永久性损坏。
C)设备正常运行后,每三个月应进行一次人为将市电断路器断开,让设备逆变工作5分钟,然后将市电断路器再合上,此做法有利于延长电池使用寿命。
D)禁止使用机内电池做其他电源使用。
EPS应急电源设计前需关注的机型要素
因EPS产品是随用户图纸设计的不同需求而变化的产品,所以在定货时对所需了解每个客户的如下信息以便技术部制定相应的技术方案,使用户能舒服的使用我们的产品:
A)输入的路数,是双路进电还是单路进电;
B)输入相数,是单相还是三相;
C)负载总容量,指一台EPS的负载总容量;
D)负载种类,指做照明用、还是做动力用,带什么负载;
E)应急备用时间;
F)输出支路数,指要求输出多少回路;
G)是否要求有消防联动及支路数;
H)进出线位置与方式及进出线孔尺寸,指进出线是否有特殊要求;
I)机箱颜色,一般是在驼灰色或微机色之间选择;
J)其它要求,指上述要求以外还有何要求。
EPS应急电源的常见不合理设计一般有哪些?
由于EPS电源在消防行业相对来说还是一个新产品项目,正式面向市场时间不长,建筑电气设计部门的部分设计人员对该产品还不是完全熟悉,因此,从客观上讲,在现实的EPS建筑规划设计中肯定会存在一些EPS电源设计上的不足或不合理的地方。
(1)逆变照明型EPS功率在5kW以下的,应尽可能设计为单相型的,因为三相型价格较高,经济上浪费,反而存在一些不利因素,如一旦三相中的其中一相断相(也叫掉相)或者输入相序反相(一般为电力部门的线路检修工造成)就有可能增添EPS的故障甚至瘫痪,无断相(或相序)保护功能的三相EPS更是如此。照明用途的三相型EPS最大的好处是负载总功率较大时可以平均分配到三相输出上,实际应用中一般在6kW以上可综合比较考虑三相型的选用。
(2)没有考虑灯具的功率因数与EPS逆变输出功率因数的匹配:有的灯具功率因数很低,只有0.4,甚至更低,设计确定EPS的功率时,应加大常规EPS功率匹配的裕量(即EPS需降功率使用),既需满足有功功率还需满足无功功率的匹配需要。例如,2kW功率因数为0.4的灯具选用的EPS功率(逆变输出功率因数0.7),至少需要2kW×(1-0.4)÷(1-0.7)=4kW(无功功率匹配要求)以上才行。或者要求EPS厂商在EPS输出上并加合适的功因补偿电容器使其负载端的功率因数得到校正提高。因此,设计人员在设计的图样上凡涉及到EPS产品的,应该在图样上注明除功率外的灯具功率因数,以及标注需定的EPS输出功率因数(差异较大时,一般要求对负载补偿功率因数,可在现场灯具上也可在EPS输出端上实施,但实施非常麻烦困难)。
(3)EPS的输出回路必须是全封闭式,不应在EPS输出的终端设计备用的插座、插销等。即使需设计备用照明回路,也只需在EPS输出的配电排上预留。否则,就会存在一定的安全隐患,因为终端的插座、插销给人的思想空间是任何需要方便使用的电器均可方便插用,这样往往会造成一般的装修工的电焊、切割、电钻、气动工具,或值班员的一些生活用具如风机、电视机等家电在应急状态下的插接,对固定功率的照明型EPS可能造成逆变中断、故障甚至毁坏。
(4)动力型EPS输出回路中不应再设置减压起动柜等之类缓起动器设备;动力型EPS输出回路中不应设置中继性质的断路器等开关,因为动力型EPS本身具有变频起动的软缓起动功能,如果输出后端再接有二次起动开关,则电机的二次起动冲击电流会造成运行中的EPS死机,甚至直接故障损坏。
(5)EPS输入/输出端的供电设计不应加装任何形式的漏电开关或节电器,否则存在较大的安全隐患(人逃生的重要性远远大于轻微的漏电保护)。
(6)EPS的逆变切换时间不是越小越好,要看具体的负载或场合的实际需要所需!一般是:A)安全应急照明逆变切换时间应<0.5S(如医院的手术室);B)疏散应急照明逆变切换时间应<5S(如消防通道的疏散应急照明);C)备用应急照明逆变切换时间应<15S(如地下商场的日常备用应急照明)。
EPS逆变切换时间与切换可靠性的关系
EPS逆变切换时间是由EPS的逆变切换设计方式决定的。逆变器有冷备份和热备份两种工作状态,冷备份时逆变器仅控制部分处于工作状态,其功率部分处于加电待机状态,但不起动;热备份时整个逆变器处于正常运转状态,但不承担负载。当逆变器处于热备份时,最短切换时间基本决定于所用切换装置的动作时间,而当逆变器处于冷备份时,最短切换时间还要受逆变器起动时间的制约。功率较大的EPS如果起动过快,逆变输出变压器和低通滤波器会产生很大的暂态冲击,甚至会损坏半导体功率器件,因此,大功率逆变器均具备软起动特性,且功率越大,起动越慢。毫秒级(ms)的切换时间只能采用晶闸管固态切换开关,且逆变器要处于热备份状态并保持与市电锁相。对切换时间无苛刻要求的应用场合一般采用机械切换开关进行切换,功率较小的EPS一般采用功率继电器,功率较大的EPS一般采用互锁的交流接触器或自动互投开关。与交流接触器相比,自动互投开关动作较慢,但由于互投开关具有机械自保持特性,对于不频繁切换而言,在长期运行的可靠性方面更具优势。设计方式一般有五种。
(1)ATS双电源机电转换设计:转换时间一般在1~3s,市电正常时逆变器不工作,处于待起动的冷起(也叫冷备份)状态。
(2)接触器式的常规转换设计:转换时间一般在1~3s,市电正常时逆变器不工作,处于待起动的冷起状态。
(3)继电式的快速转换设计:转换时间一般在100~250ms,市电正常时逆变器工作但不带载,处于热备份的待切换状态。
(4)晶闸管式的静态高速转换设计:转换时间一般在ms级以内,市电正常时逆变器工作不带载,处于热备份的待切换状态。
(5)零切换:相当于在线式UPS电源(或常规变频器)的双变换式电路设计。
上述第一、二种设计一般采用高可靠机械互锁交流接触器或互投开关,切换时间决定于逆变器的起动时间(小功率一般零点几秒,大功率一般为1~3秒),具有如下优点和缺点。优点:①降低损耗,市电正常时逆变器的功率器件不工作,有利于延长逆变器的使用寿命(逆变器如果长期运行,三五年需更换一些易损的器件,如不长期使用,则可能延长到15年以上)。②此种低速转换装置的逆变一般均设有软起动功能,减小暂态冲击,可以在配带强感性负载、风机/水泵类负载、大功率负载中避免因为相位/电压误差而造成环流增大,引起逆变保护或故障跳闸保护。③不具有晶闸管切换电路,故障点减少,有利于可靠性的增加。缺点:切换时间较长,不适合安全等级的应急场合使用。
第三种设计具有如下优点和缺点。优点:①不具有晶闸管切换电路,故障点减少,有利于可靠性的增加。②可以避免因为相位/电压误差而造成环流增大,引起逆变保护或故障跳闸保护。③切换时间短,较适合安全等级的应急照明使用。缺点:①逆变器始终在工作,不利于延长逆变器的使用寿命(三五年需更换一些易损的器件)。②切换时间短,无法设计使用逆变器软起动功能,配带强感性负载时的硬起动会引起大电流冲击;但对于电机转动类负载,转动的惯性运动可减低起动时引起大电流的冲击,有时可两者相抵,但有时也难以判断完全相抵。
第四种设计具有如下优点和缺点。优点:切换时间极短,可用于HID型高强度气体放电灯的使用场合,以及适合安全等级的应急照明场合使用。在电网及供电质量较高的地区,配带非要害负载,它可以取代在线式UPS的使用。缺点:①具有晶闸管和锁相环切换电路,增加了设备的复杂性和造价,同时故障点增多,可靠性降低。②逆变器始终在工作,不利于延长逆变器的使用寿命(三五年需更换一些易损的器件)。③切换时间极短,配带强感性负载或大功率设备的硬起动会引起很大电流冲击,容易引起快速切换电路的故障,因为电子器件的过载能力和可靠性相对比接触器、ATS开关小得多。④对于强电感性负载,由于反电动势的存在,又由于采样电路的误差和反应时间,不可能做到与市电完全同步,电压也做不到完全一致。只要在逆变输出与市电间存在一点误差,理论上只要存在70相位差或15%的电压差,就会在切换中不可避免存在环流,引起切换电路的损坏。为何UPS电源一般均采用晶闸管式静态高速转换设计而少出问题呢?那是因为UPS配带的一般是计算机类弱容性负载,采用高速切换运行模式一般是没有问题的。 ⑤雷电等浪涌电流容易造成快速切换电路的损坏。
第五种的零切换设计具有如下优点和缺点:优点是可实现严格的不间断供电,供电质量不受市电质量的影响。缺点是逆变器始终承担负载,工作应力大,老化速度较其他几种工作方式快,并需要消耗8~15%的电能,效率较低。
用晶闸管固态切换开关实现市电与逆变器输出之间的快速切换技术已在UPS电源领域应用较久,其在EPS设计应用中同样可行。关键是要实现逆变器的锁相运行和对市电异常的快速检测。切换需要在无预知市电突然发生中断或故障的时进行,检测市电故障需要时间,此时的切换时间不可能小于检测/确认市电故障的时间。为防止各种电源干扰导致误动作,检测时间不能太短,实践证明:当检测时间小于2ms时,其检测可靠性会明显下降,因此,小于2ms的切换时间对整机来说是不可靠的。
        综合以上结论是:①低速转换方式是最可靠的EPS应急转换方式,主要是由EPS的复杂的负载特性决定的。②快速转换方式是以牺牲逆变部分和蓄电池的寿命来换取的。③高速转换方式是以逆变器产生环流、浪涌、短路、起动冲击等导致的高故障率来换取的。④转换时间每提高一个级别,EPS寿命和可靠度就下降一个层次。⑤在某些毫秒级或零切换的特殊要求场合,建议使用在线式UPS不间断电源。
        特殊情况的解决方案(可靠的高速转换设计方案):在市电旁路上串接一定能量的储能单元(电抗器、电容器或两者的组合),且市电锁相采测点需设计于此储能单元的前端。这样,当市电断电时,储能器件储存的少量电能可以缓冲市电故障检测时间和开关动作时间。但这种方案设计的难点在于储能器件与终端负载匹配(功率与负载性质)的参数选择上,因为不同用户的终端负载功率和性质是存在很大差异的。譬如,厂商在车间调试高速切换型EPS所带的负载是100%带载率下的弱感性负载,到用户现场的情况可能是80%带载率下的强感性负载(譬如高压钠灯等),或60%带载率下的弱容性负载(譬如IT类计算机设备等),这样就会造成缓冲时间设计与现实的差异,可能会造成一些特定情况下的高速切换失败。因此,在此种高速切换型EPS的实际使用中,应该实行:根据用户的负载实际(确定负载的功率与负载性质)情况来定制的方式去执行。