在傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)當中，數(shù)據(jù)中心的主進線先至配電柜(配電柜一般額定功率為50~500kW)，配電柜一般配有大型電力變壓器用以轉(zhuǎn)換電壓或改善電力質(zhì)量。然后，配電柜將主進線分配成一定數(shù)量的分支電路(一般額定功率為1.5~15kW)為IT設備配電。每臺IT機柜使用一條或多條分支電路。IT機柜的布線通常要求使用硬管或軟管，一般部署在高架地板之下。
在傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)推出之時數(shù)據(jù)中心內(nèi)僅有數(shù)量非常少的大型IT設備。那時，除了對IT設備進行重要升級時執(zhí)行計劃宕機外，很少會對此進行變更。
面臨的挑戰(zhàn)
當下，數(shù)據(jù)中心用電方面已然發(fā)生了巨大變化，特別是面臨著功率密度升高、獨立IT設備數(shù)量不斷增加、需要在現(xiàn)有IT設施部署的基礎上添減設備等難題，而這些難題給傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)帶來了很大的挑戰(zhàn)。較之過去數(shù)據(jù)中心內(nèi)寥寥數(shù)個大型IT設備，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心內(nèi)可能裝有上千臺帶有獨立電源線的插接設備，這就需要更多的電源插座。
在數(shù)據(jù)中心生命周期內(nèi)，機柜內(nèi)的IT設備更換頻繁，常常需要更改功率或在機柜處增減插座。由于功率需求的變化，處于運作中的數(shù)據(jù)中心時常要在不*附近IT負載的情況下添加電路。單位機柜功率密度顯著提高，單位機柜內(nèi)部的支電路數(shù)量也相應增多，大量電線導管充塞地板下的通風空間，會導致氣流阻塞，也加大了更改布線的難度。分支電路斷路器連接的IT設備數(shù)量常常遠不只一臺，這就很難估算分支電路尺寸或判斷是否臨界過載。現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心普遍安裝雙路供電系統(tǒng)，必須確保所有電路負載均不超過50%.
然而，目前尚沒有任何辦法對其進行監(jiān)控或規(guī)劃。雖然人們已經(jīng)普遍意識到了這些問題，市場上也出現(xiàn)了各種相應的產(chǎn)品，但由于仍使用了傳統(tǒng)的配電架構，導致一些新建的數(shù)據(jù)中心處于以下窘境：數(shù)據(jù)中心操作員不得不帶電更換電路(熱作業(yè));操作員無法判斷哪些電路臨界過載，或當一條電路斷電時哪些電路可能過載;地板下的供冷空間被大量的纜線阻塞，減少了現(xiàn)代IT設備的通風量;配電柜的占地面積過大，對地板承重能力要求過高;由于沒有足夠的分支電路，配有大型變壓器的配電柜無法得到充分利用;配有大型變壓器的配電柜產(chǎn)生大量廢熱，必須對其制冷，導致數(shù)據(jù)中心效率降低。
優(yōu)化配電架構以應對數(shù)據(jù)中心發(fā)展需求
優(yōu)化目標
通過優(yōu)化，可打造高效、可擴展、可重新配置的數(shù)據(jù)中心配電架構，其具備以下特征：可在運行的系統(tǒng)中安全新增或變更電路;無需在地板下敷設纜線;可對所有的電路功率進行監(jiān)控;可遠程監(jiān)控所有斷路器狀態(tài);可隨時對IT區(qū)域或相關配電區(qū)域進行部署;IT機柜僅通過一根線纜滿足所有功率需求;IT人員可自行更換使用IT機柜上的插座型號;可對每條支電路的容量及冗余進行管理;無需使用過量的銅線;效率高。
大型數(shù)據(jù)中心場景
對于較大的數(shù)據(jù)中心，在安裝一組機柜時，小型的模塊化配電柜也會被同時安裝，并插接上方的母線槽。不同于傳統(tǒng)斷路器面板的導線線頭事先未經(jīng)過處理，模塊化配電柜使用的是安裝有預先端接防電擊斷路器模塊的背板。模塊化配電柜內(nèi)起初并未安裝分支電路模塊。從模塊化配電柜到IT機柜的電源電路均使用軟線纜連接，這些線纜需在現(xiàn)場插接到模塊化配電柜的正面，以滿足每臺機柜的不同需要。IT機柜的分支電路線纜為預先端接，同時配有可插接模塊化配電柜防電擊背板的斷路器模塊。對于需要使用專門分支電路的設備而言，例如大多數(shù)的刀片服務器，一根配電柜線纜內(nèi)含有1～3個分支電路，這些線路直接插接刀片服務器，無需額外機柜級配電柜(比如配電盤)。當機柜內(nèi)的設備進行混合部署時，可使用提供額定電流且可更換插座的機柜式配電柜。在該系統(tǒng)中，新增IT機柜行配備有配電柜以及所有配套分支電路電線、條形機柜插座，可在1h內(nèi)安裝完成，無需任何切線或端接操作。
小型數(shù)據(jù)中心場景
300kW以下的小型數(shù)據(jù)中心可采用簡化架構，其組成元件及工作原理與大型數(shù)據(jù)中心相同。對于只允許使用一到兩個配電柜的小型數(shù)據(jù)中心，用傳統(tǒng)導管及電線將模塊化配電柜直接連接至關鍵母線的方法往往更加經(jīng)濟。小型數(shù)據(jù)中心也可以采取一種更為簡化的方案，即將模塊化配電柜直接集成于UPS系統(tǒng)，構成一個可安放于IT房間并與IT機柜排成一行的緊湊部署方案。這樣便可省去利用主母線布線環(huán)節(jié)，同時也無需額外準備電源安置空間。至于很小的數(shù)據(jù)中心或形狀不規(guī)則的數(shù)據(jù)中心，采用小型模塊化配電單元則極為適合。
改造、升級應用場景
現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的升級往往涉及許多個數(shù)據(jù)中心項目，擴容或安裝高密度區(qū)域項目是其中最為普遍的。相比安裝傳統(tǒng)配電柜，模塊化配電系統(tǒng)的安裝過程要來得簡單方便許多，尤其適用于這些改造項目。在為現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心安裝新的傳統(tǒng)配電柜時會面臨一連串挑戰(zhàn)，而模塊化配電系統(tǒng)卻可將多數(shù)的挑戰(zhàn)難題一并“解決”。隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，模塊化配電柜可與現(xiàn)有傳統(tǒng)配電柜共處運行。在這些改造方案中，傳統(tǒng)配電柜的安裝常常受限于各種歷史局限，不使用吊頂母線槽元件，每個配電柜均由傳統(tǒng)管道及電線連接至主母線。模塊化配電柜在升級傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心時最重要的優(yōu)勢為：由于線纜均置于吊頂線纜槽之內(nèi)，其安裝不會加劇地板下氣流阻塞現(xiàn)象。
配電監(jiān)控
在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中，可能有數(shù)以百計的斷路器處于負載狀態(tài)。而經(jīng)過優(yōu)化的配電系統(tǒng)采用更高容量的機柜供電，其斷路器數(shù)量較之一般系統(tǒng)減少20%～40%.即使這樣，系統(tǒng)中仍存在諸多電路，這些電路可分為4個級別：UPS主母線、配電柜輸入、分支電路、插座。模塊化配電系統(tǒng)采用內(nèi)置電流及能源監(jiān)控，可對各個級別的每條線路做到了如指掌。除此之外，配電柜的分支電路斷路器也處于監(jiān)控之中，以便實時掌握其工作狀態(tài)。所有監(jiān)控均通過簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議(SNMP)公開標準協(xié)議進行通訊。容量管理軟件可對系統(tǒng)中每條電路實施監(jiān)控，增強安全系數(shù)，驗證冗余并對現(xiàn)有容量進行確認。
隨著電力電子技術突飛猛進;國民經(jīng)濟的進步和發(fā)展，社會對電力的需求及依賴程度越來越高，特別是對那些重要、關鍵的電力負荷，一旦中斷供電，往往會導致非常嚴重的甚至災難性的后果。同時，人們對突發(fā)事件的防范意識也越來越高，集中應急供電系統(tǒng)或應急電源越來越受到人們的重視和需求，并在更多的相關場合成為必備的集中應急供電系統(tǒng)。
與原始的二路自切供電、油機等備用電源等應急供電方式相比，采用蓄電池儲能、通過電力電子變流技術取得交流電源的靜止逆變式應急電源系統(tǒng)，它具有許多獨特的優(yōu)勢和極為廣泛的實用性，是一種真真的有效的末端切換裝置。近年來得到迅速的發(fā)展，以至于被公安部國家消防檢測中心認可作為應急燈集中供電的專用應急電源“EPS(Emergency Power Supply)”。
EPS在結(jié)構與工作原理上與伴隨著信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來的不間斷電源(UPS)截然不同的。EPS主要為滿足應急供電系統(tǒng)高可靠、高效率、混合負載、過載能力(120%能正常運行)、環(huán)境適應性、自診斷能等，多數(shù)時間處于后備狀態(tài)(OFFLINE)等特殊應急要求即可起動逆變系統(tǒng);而UPS主要為滿足應急供電系的切換時間，追求零切換、輸入輸出鎖相、穩(wěn)壓穩(wěn)頻精度高等，現(xiàn)大多數(shù)UPS處于在線工作狀態(tài)(ONLINE)即逆變系統(tǒng)長期工作，從而它效率低、負載適應性差、環(huán)境適應性差、過載能力低(通常為標稱值的60-80%)。在工作原理、工作方式、性能指標、構造、選型、安裝、維護等方面均與UPS有很多不同。準確的理解、設計、制造、應用、選型和維護，是保證EPS長期可靠運行的必要條件。
一，EPS的構造與性能特點
EPS一般由充電器、蓄電池組、逆變器、自動切換裝置、輸入輸出部件、電池監(jiān)測裝置、控制系統(tǒng)、狀態(tài)顯示器、操作面板等部分組成。
(1)充電器
為使蓄電池組保持充足電的狀態(tài)并能多次反復循環(huán)使用，充電器與蓄電池組是EPS不可缺少的組合部分。因EPS通常工作于后備狀態(tài)，不需在線運行，市電正常時，EPS通過切換開關直接向負載供市電，并由充電器對蓄電池充電。按GB17945-2000的要求EPS的循環(huán)充電時間不大于24h，充電器的額定輸出電流值一般為C/20。因此充電器的額定輸出功率一般為EPS額定功率的10%～25%。當后備時間需延長側(cè)充電器功率也相應增大，可以在規(guī)定的時間內(nèi)完成蓄電池的再充電。
EPS中的充電器一般采用智能恒流恒壓二階段充電方式或恒壓限流的充電方式。充電器的好壞對蓄電池的容量及使用壽命影響較大，應保證最大充電電流不
超過所配用蓄電池的允許值，浮充電壓滿足配用蓄電池的推薦值，如具備溫度補償特性則更佳，避免快速充電。當然也有高端的采用其他充電方式，如定時自動進行循環(huán)充電方式、自動均充-浮充控制等，但在控制上略為復雜。市電正常時，EPS中的充電器通常還需要為控制系統(tǒng)供電。充電器應具備高可靠性和良好的自保護功能，應能適應較寬的輸入交流電壓范圍，以保證在各種惡劣供電環(huán)境中正常充電并為EPS的控制系統(tǒng)供電。因充電器功率較小，且多數(shù)時間內(nèi)工作于輕載狀態(tài)，其交流輸入功率因數(shù)和諧波含量等指標并不十分重要。EPS中的充電器通常采用高頻開關電源技術實現(xiàn)，也有部分大功率的EPS采用了晶閘管相控整流型充電器。
現(xiàn)介紹一種EPS專用的主回路休眠式短路保護智能型全自動充電器(已有專利)。目前許多充電器主回路短路保護都是截止型短路保護，重要場所特別是消防應急電源(EPS)不允許使用這類截止型短路保護的充電器。它一般均由電流檢測電路、整形電路及觸發(fā)封鎖電路組成，這種短路保護有以下缺點：主回路必須先形成短路電流才會被檢測到，然后再封鎖主回路功率器件，這樣主回路功率器件肯定已受到短路電流的沖擊，對功率器件會帶來一定的疲勞損傷，并會有累積效應產(chǎn)生。另外截止型短路保護電路在撤消短路后必須做人工復位才會從新起動充電器恢復工作，這是GB17945-2000消防應急電源對充電器最忌諱的。
本技術針對消防應急電源(EPS)及其它通用型后備應急電源而研制，主要是集光電隔離技術為一體的充電器輸出回路短路阻抗檢測電路。它的有益效果是在短路瞬間主回路功率器件并未形成短路電流就已被封鎖關閉了，故功率器件不會受短路電流的沖擊損傷，非常有利于功率器件的保護，同時又省去傳統(tǒng)的人工復位。它是一種真正意義上的短路保護。
(2)蓄電池
蓄電池是EPS應急供電時的能量來源，是影響EPS可靠性的關鍵部件。目前EPS幾乎均采用免維護閥控鉛酸蓄電池，該電池技術成熟，價格較低，使用、維護簡單，成為UPS和EPS的首選。關于免維護閥控鉛酸蓄電池的特點與應用在本行業(yè)中已眾所周知的，在此僅就其在EPS中應用時的幾個特殊問題作一討論。
(A)多個電池串并聯(lián)運行問題
在EPS中一般采用額定電壓12V的蓄電池串聯(lián)達到所需的額定直流電壓，在較大功率EPS系統(tǒng)中，為達到所需電池總?cè)萘浚枰嘟M電池并聯(lián)，例如110kva的EPS，90min標準配置需要4組110Ah蓄電池并聯(lián)。而蓄電池制造商一般不推薦太多組(例如6組以上)電池并聯(lián)使用，原因據(jù)稱是容易導致環(huán)流和充放電不均衡。而大功率EPS又必須要將多組電池進行串并聯(lián)使用，為此對于品牌、規(guī)格、型號相同的蓄電池串并聯(lián)做了大量的試驗、分析及觀察，采取如下方案是行之有效的。在正常運行情況下可要求供應商對電池內(nèi)阻作必要的選配(控制在2-3%)。然后就從工藝上采取必要的均流措施：a.確保每節(jié)電池的聯(lián)線的長度和規(guī)格都完全一樣;b.確保每組電池組與EPS主機的聯(lián)線的長度和規(guī)格都完全一樣。它是利用導線的固有電阻充當大電流充放電時的均流電阻，從而達到各組電池組之間的自動平衡。并聯(lián)運行的主要問題應當是各電池組間的電流難于控制，為此如何選配導線的規(guī)格，長度是很有講究的。另外采用功率二極管進行各組電池的隔離匯流，并采用多個充電器分別充電。這樣的系統(tǒng)將更為可靠性和安全。同時，在各電池組并聯(lián)前，應先確認它們均處于充滿狀態(tài)。但這將使成本增加很多。不管采取任何措施，不同品牌或型號的蓄電池并聯(lián)自然是不可取的。
(B)蓄電池的工作溫區(qū)
因EPS經(jīng)常被安裝在地下室、豎井、低壓配電室等地方，環(huán)境溫度范圍較寬，0～40℃(或更高)的環(huán)境溫度要求往往也得不到滿足。而免維護閥控鉛酸蓄電池的推薦使用溫度一般為5～35℃，盡管電池制造商可能聲稱-15～50℃的工作溫度范圍，但溫度過高，蓄電池自放電加重，使用壽命明顯縮短，甚至會出現(xiàn)熱失控導致電池報廢;使用免維護閥控鉛酸蓄電池的最佳溫度20-25℃，當超過25℃時，每升高10℃電池壽命將減少至25℃環(huán)境下的一半。溫度過低時，蓄電池放電容量嚴重下降，并且充電困難，強行充電會導致氣體析出，影響蓄電池壽命。因此當EPS的安裝環(huán)境溫度過高或過低時，應當采取適當措施進行調(diào)節(jié)。
另外當環(huán)境溫度超過25℃時，每升高10℃或單體電池浮充電壓超出指標范圍0.03V時，電池使用壽命縮短一半。
(3)逆變器與負載適應性
逆變器是EPS中技術含量最高的核心部件，市電異�；蚧馂膱缶瘯r，蓄電池存儲的直流電能通過逆變器轉(zhuǎn)換成與市電相同頻率、電壓的交流電，供給重要負載。因此，EPS的應急供電質(zhì)量、逆變效率、負載適應能力等多項重要指標都決定于逆變器的品質(zhì)。特別是正弦波逆變系統(tǒng)的技術在EPS中就更為重要。同時，逆變器的可靠性也是影響EPS整機可靠性的關鍵之一。EPS的逆變器幾乎均采用了IGBT(或功率MOS管)SPWM逆變技術，但該技術與UPS、變頻調(diào)速器等應用領域有較多的不同。它主要是圍繞著過載能力、負荷的適應能力(混合負荷)供電的可靠性做系統(tǒng)設計的�？梢赃@么說EPS逆變器的供電可靠性遠遠重要于逆變器的供電質(zhì)量，這也是在設計思路及設計方案上不同于UPS。由于IGBT(已發(fā)展到第六代)在UPS、變頻調(diào)速器、電焊機等已得到充分的應用和發(fā)展，是一個很成熟的電力電子功率元器件。目前經(jīng)常會見到關于UPS與EPS負載適應能力差別的討論，或用UPS替代EPS。其實它們的逆變控制系統(tǒng)的數(shù)學模型是完全不同的，一般UPS是以波形電壓反饋的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此其輸出電壓的正弦波波形及電壓的動態(tài)調(diào)整精度特好;而EPS專用的動力逆變器控制系統(tǒng)是由電壓反饋、電流反饋組成的多比環(huán)控制系統(tǒng)，主回路是完全電隔離的，因此其輸出功率過載能力、三相的偏相運行能力、負載適應能力及適應強制工作能力特強，可靠性及高。在市電正常時，EPS會直接由市電提供負載，其負載能力僅決定于供電回路中的斷路器、轉(zhuǎn)換開關和導線的容量，一般無需討論，但市電中斷時，由EPS即刻切換由逆變器輸出提供負載，此時應急供電必須保證其負載的重要負荷正常運行，因此UPS與EPS負載適應能力的差別本質(zhì)上還是其逆變器負載能力的差別。
現(xiàn)介紹一種專用單相及三相應急電源(EPS)功率主回路(已有專利)目前許多重要場所特別是消防泵房、噴淋系統(tǒng)、送風機房、排風機、消防電梯、機房照明等重要混合負荷場所的現(xiàn)場動力設備的供配電及控制設備的純正弦波電壓輸出的功率主回路一般均由逆變器、輸出電抗器、輸出變壓器、輸出電容器等組成。這種功率主回路有以下缺點：設備多、成本高、損耗大、分布電感大、不便于主線布置、體積大等，不利EPS整機高效率低成本的開拓。本技術是針對消防應急電源(EPS)而研制，主要集輸出電抗器、輸出變壓器于一體的正弦脈寬調(diào)制型單相及三相特殊逆變變壓器。它通過電磁原理及電子技術，使自感、互感及漏感巧妙地組合成一個特殊的漏感型逆變變壓器。在它的原邊輸入正弦脈寬調(diào)制波(SPWM)就能在副邊并上適當?shù)臑V波電容電獲得純正弦電壓(失真度≤2.6%)。它的有益效果是省去了輸出電抗器，減少了發(fā)熱器件，減少了系統(tǒng)的分布電感，有效地減少了EPS電源輸出的內(nèi)阻，節(jié)省了不必要的銅、鐵材料(用漏感替代了電抗器)提高了整機效率，降低了成本，方便了生產(chǎn)裝配。
事實上，目前的SPWM逆變器中EPS上的IGBT功率器件的工作狀態(tài)優(yōu)于UPS，特別是三相5KVA以上的機種，IGBT功率器件的通態(tài)損耗和開關損耗更為明顯。UPS與EPS的設計目標不同，因此負載特性存在差異是自然的，但僅為適用領域的差異，并非優(yōu)劣之分。
EPS的負載具有多樣性，但多數(shù)情況下是用于應急照明和動力負載。用于照明時，燈具有白熾燈、節(jié)能燈、日光燈和高壓氣體放電燈等等。用于動力負載時，又分為提供標準正弦波備用電源的普通型和直接變頻驅(qū)動電機的變頻型等等。
用于消防應急照明的EPS必須符合GB17945-2000標準，其中對EPS的輸出容量是以kw為單位定義的，但實際上僅當負載功率因數(shù)為接近1時，該定義才是適當?shù)�，當負載功率因數(shù)較低時，EPS的電流輸出能力并不會增加，輸出視在
功率額定值也不會增加，因此實際選用EPS時，必須考慮負載的功率因數(shù)和視在功率，而不能僅考慮負載的有功功率。按照GB17945-2000標準的要求，EPS應能在120%負載時正常工作;當個別供電支路發(fā)生短路故障時EPS應能使該支路斷路器跳閘而不影響其他支路的正常工作。也就是說，標稱功率1000W的EPS，必須具備1200W的正常輸出能力;在局部負載發(fā)生短路故障時，EPS的逆變器必須能在短時間內(nèi)以限流輸出方式輸出數(shù)倍于額定值的清除電流。由此可以看出，標稱容量相同的EPS和UPS，其逆變器實際輸出能力及工作方式是存在極大差別的。
用于動力負載的EPS必須能夠承受電機啟動時的沖擊電流，但若將EPS的逆變器容量設計的過大也是不現(xiàn)實的。因此各EPS廠家都給出了電機負載不同啟動方式下配用EPS容量的計算方法，其核心是保證EPS的逆變器在電機啟動時不至于過載停機。但是，為電機負載配置數(shù)倍于其額定功率的EPS既不經(jīng)濟，也不合理，因為對于短時過載能力很強的逆變輸出變壓器和蓄電池而言，是能夠承受電機啟動時的沖擊的，在需要較大啟動電流的應用場合，適當加大功率器件容量以提高逆變橋的短時輸出能力，不失為一種更為合理的解決方案。實際上，用于動力負載的EPS在很大程度上具有根據(jù)用戶需求設計定制的特征，因而可以取得更合理的負載適應能力�？傊媚孀兤髯鳛殡娫聪螂姍C及電機控制系統(tǒng)供電是及不合理的首選方案。
最為合理的方案是選用“P型”EPS產(chǎn)品，它是采用變頻型逆變器，有效地控制了電機的V-F曲線，使起動電流得到控制，電機處于及為平滑的軟起動運行。從而大大提高了EPS選配的經(jīng)濟性。這種方案的選用一般電機功率與EPS功率都可1﹕1配置。這一方案中的變頻型逆變器也可選用工控領域中的通用型變頻器加以二次開發(fā)。由于通用型變頻器的自身市場很大，因此在EPS上選用它反而能降低EPS的制造成本。因為通用型變頻器都由一些國際著名電氣公司研制生產(chǎn)，技術成熟、先進，選材、工藝精良，具有很高的可靠性和負載能力，并且規(guī)格齊全、價格不高。多數(shù)變頻器均允許直流供電運行，及易做二次開發(fā)用于“P型”EPS產(chǎn)品。選用適當容量的變頻器，合理并巧妙地設置運行參數(shù)后可以構成可靠性很高的“P型”EPS逆變器。其缺點是：只能直接用于電動機，而不能帶起他任何性質(zhì)的負載。至于采用變頻器構成電機專用變頻驅(qū)動的EPS，其合理性更不必多說。
EPS的逆變器一般需要具備冷啟動能力(在無市電狀態(tài)下依靠完全電池電力啟動或不考慮自身設備的損壞)，以滿足“強制啟動”功能要求，因此不但要在蓄電池與逆變器直流母線電容間需要加裝緩沖裝置，以完成母線電容的預充電，防止過大沖擊電流導致器件損壞和直流輸入斷路器跳閘，還要求逆變器能適應較寬直流母線電壓的變化。
(4)自動切換裝置與切換時間
為實現(xiàn)市電供電與逆變器供電之間的自動切換，EPS按國家標準必須是后備式的。為此自動切換裝置是EPS中必不可少的部件，也是影響EPS可靠性的關鍵部件之一。根據(jù)EPS的輸出容量和負載要求不同，自動切換裝置可采用功率繼電器、交流接觸器、互投開關、固態(tài)開關(晶閘管)等構成。對EPS的切換時間要求具有多樣性，例如，一般消防應急照明要求切換時間小于5s，高危險區(qū)域使用的消防應急照明要求切換時間小于0.25s，為高壓氣體放電燈供電時，為保證不熄輝，則要求切換時間為數(shù)毫秒量級，為風機、泵類、卷簾門、電梯等負載供電時，根據(jù)應用要求不同，切換時間也會在數(shù)毫秒等。
EPS與UPS不同，多數(shù)應用場合對切換時間并無苛刻要求，切換時間也并非越短越好，在能滿足應用需求的前提下，適當慢一點切換可以在其他方面獲益，例如降低損耗，減小暫態(tài)沖擊，提高可靠性，避免負載可能因瞬間失電而導致工作失常等等。市電正常時EPS的逆變器一般工作于備用狀態(tài)，且有冷備份與熱備份兩種工作方式。冷備份時，逆變器僅控制部分處于工作狀態(tài)，功率部分處于加電待機狀態(tài)，但不起動;熱備份時，整個逆變器處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，但不承擔負載。當逆變器熱備份時，最短切換時間基本決定于所用切換裝置的動作時間;而當逆變器冷備份時，最短切換時間還要受逆變器其動時間的制約。特別是容量較大的EPS，如果起動過快，逆變變壓器和低通濾波器會產(chǎn)生很大的暫態(tài)沖擊，甚至可能損壞IGBT功率器件，因此逆變器一般都具備軟起動特性，且功率越大，起動越慢，大容量EPS逆變器的起動時間可達數(shù)秒之久。如果要求更快的切換時間，則只能采取熱備份工作方式，此時EPS的待機損耗自然要增加許多，整機效率會較低。
至于采用何種切換裝置，主要是根據(jù)對切換時間的要求而定。如果要求毫秒級的切換時間，則只能采用固態(tài)開關(晶閘管)切換，且逆變器要處于熱備狀態(tài)。與同容量的機械切換開關相比，固態(tài)開關(晶閘管)切換的造價要高得多，通態(tài)損耗也大得多。在對切換時間無苛刻要求的應用場合，一般采用機械切換開關進行切換，容量較小的EPS一般采用功率繼電器，功率較大的EPS通常采用互鎖的交流接觸器或自動互投開關。與交流接觸器相比，自動互投開關動作較慢，但由于互投開關具有機械自保持特性，對于不頻繁的切換而言，在長期運行的可靠性方面更具優(yōu)勢。
用固態(tài)開關(晶閘管)實現(xiàn)市電與逆變器輸出之間的快速切換技術已在UPS中應用多年，但也有所不同，UPS用功率繼電器(或接觸器)與固態(tài)開關(晶閘管)組合成一個旁路(BYPASS)切換裝置的，固態(tài)開關(晶閘管)主要是做瞬間過載旁路(BYPASS)切換，靠它瞬間使逆變器與電網(wǎng)有個短暫的并聯(lián)運行，從而獲得瞬間無切換時間的供電(彌補了功率繼電器或接觸器的渡越時間)。關鍵是要實現(xiàn)逆變器的鎖相運行和對市電即時電壓的快速檢測與跟蹤。它并不是真真的斷電切換，因這種方式均為“在線式”UPS所用，真真的斷電切換工作時固態(tài)開關(晶閘管)是不參于工作的。當其用于EPS時才是固態(tài)開關(晶閘管)真真的參與斷電切換，EPS均為后備式是不設旁路接觸器的。就是處于在市電正常、逆變器也正常運轉(zhuǎn)的情況下，即使是進行不間斷的切換，在技術上也是可以做到的，但實際情況是，切換需要在市電突然發(fā)生中斷或故障時進行，因市電中斷或故障的發(fā)生時刻是隨機的和非預知的，檢測確認市電故障需要時間，此時的切換時間不可能小于檢測、確認市電故障需要的時間。為防止各種電源*導致誤動作，檢測時間不能太短。實踐證明，當檢測時間小于2ms時，其檢測可靠性會明顯下降。因此小于2ms的切換時間是不可取的。
在EPS的各種負載中，對切換時間要求最苛刻的應當是高壓氣體放電燈。盡管這種燈具不允許用于消防應急照明，但由于其高強度、高效率，在許多大型場館中都有應用。由于此種燈具一旦熄輝，需要冷卻后方能重新啟動，為保證照明不發(fā)生中斷，為其供電的EPS必須具備快速切換能力。根據(jù)對多種高壓氣體放電燈產(chǎn)品的測試，如果不采取適當?shù)睦m(xù)流措施，5ms的電力中斷即可能導致熄輝，個別產(chǎn)品甚至3ms電力中斷就會熄輝。
而對于某些電梯類負載，毫秒級的切換顯然不是必要的，但切換時的瞬間失電可能導致電梯控制系統(tǒng)進入保護狀態(tài)。此種情況需要通過EPS控制系統(tǒng)的延時適當增加切換時間，方可保證電梯在應急供電后繼續(xù)正常運行。
在有些應用場合，為了取得零切換，要求將EPS設計成在線運行方式，此時的EPS實際已變成了一臺專用的UPS，逆變器是長帶負荷工作的。
(5)輸入輸出配電裝置
EPS的交流輸入輸部分一般不像UPS那樣簡單，而需要根據(jù)用戶要求或設計圖紙加裝配電開關。例如市電輸入端有時需要加裝雙路市電自動互投開關(ATS)，市電直供回路有時需要加裝獨立的斷路器，輸出回路一般需要多支路輸出，每個支路都要裝有獨立的斷路器，有時還需要加裝受消防聯(lián)動信號控制的消防聯(lián)動輸出支路等等。用戶為了安裝使用方便，一般均要求把EPS系統(tǒng)的輸入輸出配電開關裝置等全部裝于EPS產(chǎn)品內(nèi)部，因此EPS在產(chǎn)品結(jié)構上需要為輸入輸出配電開關留有充分的拓展空間，有時甚至需要專門按用戶要求進行結(jié)構設計。
(6)電池檢測裝置
GB17945-2000標準要求用于消防應急照明的EPS能對其電池組中每個12V電池單元的電壓進行監(jiān)測，以此為參照，許多用于其他方面的EPS往往也要求提供對每個電池單元的監(jiān)測功能。此時需要為EPS配置專門的電池監(jiān)測裝置。因每個電池單元的直流電位各不相同，檢測裝置需要能夠?qū)ζ溥M行隔離采樣。目前常見的隔離采樣方式有繼電器、線性光耦、先進行A/D轉(zhuǎn)換后再用光耦合器隔離傳輸數(shù)字信號等等。不同方式各有所長，但如果對每一電池單元分別隔離采樣，系統(tǒng)將過于繁雜。若先將電池單元適當分組，采用分組A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號光耦隔離、通過串行數(shù)據(jù)總線上傳的監(jiān)測方式具有硬件結(jié)構簡單，安全性、可靠性高，可自動實時巡檢，監(jiān)測精度較高等較大優(yōu)勢。
目前EPS中對電池單元的檢測內(nèi)容一般僅限于各電池單元端電壓的測試，并不能全面反映電池狀態(tài)。但通過分別測試電池組充電和放電時各電池單元的端電壓，可以對各電池單元的一致性做出準確的判斷，如充電狀態(tài)是否均衡、是否存在劣化的電池單元等等。有一些更為先進的電池狀態(tài)檢測方法，如內(nèi)阻測試方法等，在國產(chǎn)EPS中的應用還比較罕見。
因?qū)Ω麟姵貑卧M行檢測需要將測試線連接到每個電池單元的輸出端，測試線路較密集且導線較細，容易發(fā)生意外短路或漏電問題，因此應采用適當電壓電流分斷能力的熔斷器或其他方式進行安全隔離，防止蓄電池的高能量進入測試系統(tǒng)，導致事故。
其實以上各種電池的監(jiān)測并沒有真真達到有效的電池監(jiān)控管理。其原因之一：就是檢測到某一電池的一致性有問題，現(xiàn)有的充電模式也是無能為力的，根本沒法改善該電池的狀況;原因之二：任何一節(jié)免維護閥控鉛酸蓄電池都是由若干節(jié)(一般為：3或6節(jié))2V的單體電池串聯(lián)而成的，所以只監(jiān)測并監(jiān)控管理單體電池串聯(lián)而成的組合體是沒多大意義的。每一有故障的蓄電池其真真的故障點是該節(jié)電池中的某一2V單體電池，故真真能有效地監(jiān)控管理好蓄電池必須監(jiān)控每個2V的單體電池，通過對每個2V的單體電池的充電流、浮/均充電壓、溫度的監(jiān)控管理，才能有效地用好每個蓄電池。隨著充電專用芯片的誕生;數(shù)據(jù)總線的成熟，新一代自帶智能管理充電器蓄電池的誕生將為時不晚了。那時就稱得上是真真的電池在線監(jiān)控系統(tǒng)了。
(7)控制系統(tǒng)
在此僅討論EPS中的控制系統(tǒng)。EPS的逆變器一般是一獨立的模塊結(jié)構、驅(qū)動電路，與UPS、變頻電源等十分類似，主要是與IGBT所配套的典型用法，在此不作討論。EPS的控制系統(tǒng)多由以單片機為核心的控制電路構成，但也有部分產(chǎn)品采用了模擬控制和簡單邏輯控制或PLC控制器。
EPS的控制系統(tǒng)需要對市電電壓、電池電壓、負載電流、充電器狀態(tài)、逆變器狀態(tài)、轉(zhuǎn)換開關狀態(tài)、設置參量、控制指令等多項參量實時監(jiān)控，并按照正確的控制邏輯向各功能單元發(fā)出控制指令，同時還要有一個較為友好的、簡單易懂的用戶操作界面，需要具備較為復雜和靈活的監(jiān)測、測邏輯判斷和控制能力。因此選擇功能適當?shù)膯纹瑱C為核心器件，構成數(shù)字化控制器，可以簡化系統(tǒng)硬件，并利用控制軟件的靈活性完成各種需要的監(jiān)測控制功能，是最為合理的設計方案。采用PLC完成系統(tǒng)控制也是一種不錯的方案，但成本很大，一般僅適用于大系統(tǒng)及智能化成度極高的高檔樓宇配置，對于較小系統(tǒng)，在成本上往往無法接受。模擬控制和簡單邏輯控制方式硬件復雜，在可靠性、靈活性、智能化程度等方面均處于劣勢，但也有一定的實用性。
EPS的控制系統(tǒng)除完成必須的監(jiān)測、控制功能外，系統(tǒng)自檢、顯示信息提供、歷史事件記錄、數(shù)字通訊、計算機遠程監(jiān)控等能力也是相當重要的，隨著樓宇消防智能化的發(fā)展，已將成為EPS必不可少的功能。這些功能只有采用數(shù)字化控制，方可實現(xiàn)。
(8)狀態(tài)顯示器和操作系統(tǒng)
EPS的應用狀態(tài)顯示器和操作系統(tǒng)提供了EPS的人機界面，是EPS不可缺少的部分。EPS的狀態(tài)顯示一般由儀表與指令開關式;LED指示、數(shù)字顯示與輕觸按鍵式;LED指示、菜單式LCD顯示屏構成。指示燈的設置、顏色和功能需要符合執(zhí)行標準(GB17945-2000)的要求，LCD的顯示內(nèi)容除標準要求的主要參數(shù)外，還有各自的人機對話界面。整機還必須設置強制啟動開關，但它必須受鑰匙干預才能操作。
二，EPS的應用
目前EPS的主要應用領域是為各種建筑物和重要公共設施的消防應急照明和消防動力提供應急備用電源。同時在化工、冶金、污水處理、自動化生產(chǎn)線等工業(yè)領域、醫(yī)院手術室和監(jiān)護病房、大型場館和超市等的正常照明等方面也有很多應用。隨著EPS產(chǎn)品的技術進步、技術性能和可靠性的進一步完善，以及人們安全防范意識的提高，真真實現(xiàn)有效的末端切換EPS應急電源無法替代的消防必用產(chǎn)品，它的應用會更加廣泛。
除用于消防應急照明EPS外，由于缺乏相應的國家標準或行業(yè)標準，EPS的發(fā)展不夠規(guī)范，無論是規(guī)格系列還是技術性能、外形尺寸，都具有多樣性，標準化程度較差。這對制造廠家的生產(chǎn)制造和用戶的選用都造成很多困難，也在一定程度上影響了EPS產(chǎn)品及其應用的健康發(fā)展。
但是隨著相關標準的發(fā)布實施，EPS的發(fā)展必將日益規(guī)范，在產(chǎn)生良好的社會效益的同時，也為EPS開發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。
結(jié)語
筆者通過長期對UPS、EPS的開發(fā)生產(chǎn)以及變頻器的應用、認識和理解，結(jié)合作者在EPS設計、制造、和應用方面的實際經(jīng)驗，對EPS的原理、構造、性能特點和適用領域進行了討論，并對進一步完善及目前的不妥處談了些個人的看法，希望對大家更好地認識和應用EPS有所幫助。 |
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