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EPS 的原理特点与实际应用
2006-12-27
摘要： EPS 的实际应用需求出发，
从
通过对构成 EPS 的各功½单元之设计考虑和性½特征的
分析，对 EPS 的构造原理、性½特点、适用领域及进一步完善½了较为全面的分析与讨论。
引言
随着电力电子技术突飞猛进；½民经济的进步和发展，社会对电力的需求及
依赖程度越来越高，特别是对那些重要、关键的电力负荷，一旦中断供电，往往
会导致非常严重的甚至灾难性的后果。同时，人们对突发事件的防范意识也越来
越高，集中应急供电系统或应急电源越来越受到人们的重视和需求，并在更多的
相关场合成为必备的集中应急供电系统。
与原始的二路自切供电、油机等备用电源等应急供电方式相比，采用蓄电池
储½、通过电力电子变流技术取得交流电源的静止逆变式应急电源系统，它具有
许多独特的优势和极为广泛的实用性，是一种真真的有效的末端切换装½。近年
来得到迅速的发展，
以至于被公安部½家消防检测中心认可½为应急灯集中供电
的专用应急电源“EPS （Emergency Power Supply）”。
EPS 在结构与工½原理上与伴随着信息产业发展起来的不间断电源（UPS）
截然不同的。EPS 主要为满足应急供电系统高可靠、高效率、混合负½½、过½½½
力
（120%½正常运行） 环境适应性、
、
自诊断½等， 多数时间处于后备状态
（OFF
LINE）等特殊应急要求即可起动逆变系统；而 UPS 主要为满足应急供电系的切换
时间，½求零切换、输入输出锁相、稳压稳频精度高等，现大多数 UPS 处于在线
工½状态（ON LINE）即逆变系统长期工½，从而它效率½、负½½适应性差、环
境适应性差、过½½½力½（通常为标称值的 60-80%）。在工½原理、工½方式、
性½指标、构造、选型、安装、维护等方面均与 UPS 有很多不同。准确的理解、
设计、制造、应用、选型和维护，是保证 EPS 长期可靠运行的必要条件。
一，EPS 的构造与性½特点
EPS 一般由充电器、蓄电池组、逆变器、自动切换装½、输入输出部件、电
池监测装½、控制系统、状态显示器、操½面板等部分组成。
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（1） 充电器
为½蓄电池组保持充足电的状态并½多次反复循环½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½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½½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%½25%。½
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½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½坏对蓄电池的容量及½用寿½½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½，避免快速充电。½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，½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½的自
保护功½，
应½适应较½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½于½½½
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。
现 介 绍 一 种 EPS 专 用 的 主 回 路 休 眠 式 短 路 保 护 智 ½ 型 全 自 动 充 电
器 （ 已 有 专 利 ） 目前许多充电器主回路短路保护½是截止型短路保护，重要
。
场所特别是消防应急电源（EPS）不允许½用这类截止型短路保护的充电器。它
一般均由电流检测电路、整½电路及触发封锁电路组成，这种短路保护有以下缺
点：主回路必须先½成短路电流才会被检测到，然后再封锁主回路功率器件，这
样主回路功率器件肯定已受到短路电流的冲击，
对功率器件会带来一定的疲劳损
伤，并会有累积效应产生。另外截止型短路保护电路在撤消短路后必须做人工复
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½才会从新起动充电器恢复工½，这是 GB17945-2000 消防应急电源对充电器最
忌讳的。
本技术针对消防应急电源（EPS）及其它通用型后备应急电源而研制，主要
是集光电隔离技术为一½的充电器输出回路短路阻抗检测电路。
它的有益效果是
在短路瞬间主回路功率器件并未½成短路电流就已被封锁关闭了，
故功率器件不
会受短路电流的冲击损伤，
非常有利于功率器件的保护，同时又省去传统的人工
复½。它是一种真正意义上的短路保护。
（2） 蓄电池
蓄电池是 EPS 应急供电时的½量来源，是½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½，
½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½一讨论。
(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½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½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½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½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½：a.确保每节电池的联线的长度和
规格½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½完全一
样。它是利用导线的固有电阻充½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½是各电池组间的电流难于控制，
为此如½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。
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同时，在各电池组并联前，应先确认它们均处于充满状态。½这将½成本增加很
多。不管采取任½措½，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½温区
因 EPS 经常被安装在地下室、
竖井、
½压配电室等地方，
环境温度范围较½，
0½40℃（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½用温度一般为 5½35℃，½管电池制造商可½声称-15½50℃的工½
温度范围，½温度过高，蓄电池自放电加重，½用寿½明显缩短，甚至会出现热
失控导致电池报废；½用免维护阀控铅酸蓄电池的最½温度 20-25℃，½超过
25℃时，每升高 10℃电池寿½将减少至 25℃环境下的一半。温度过½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½析出，½响蓄电池寿
½。因此½ EPS 的安装环境温度过高或过½时，应½采取适½措½进行调节。
另外½环境温度超过 25℃时，每升高 10℃或单½电池浮充电压超出指标范
围 0.03V 时，电池½用寿½缩短一半。
（3） 逆变器与负½½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½通过逆变器½换成与市电相同频率、电压的交流电，供给重要负
½½。因此，EPS 的应急供电质量、逆变效率、负½½适应½力等多项重要指标½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½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，½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½½½力、负荷的适应½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½½适应½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，
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一般 UPS 是以波½电压反馈的单闭环控制系统，
因此其输出电压的正弦波波½及
电压的动态调整精度特½； EPS 专用的动力逆变器控制系统是由电压反馈、电
而
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½½½
力、
三相的偏相运行½力、
负½½适应½力及适应强制工½½力特强，
可靠性及高。
在市电正常时，EPS 会直接由市电提供负½½，其负½½½力仅决定于供电回路中的
断路器、½换开关和导线的容量，一般无需讨论，½市电中断时，由 EPS 即刻切
换由逆变器输出提供负½½，此时应急供电必须保证其负½½的重要负荷正常运行，
因此 UPS 与 EPS 负½½适应½力的差别本质上还是其逆变器负½½½力的差别。
现 介 绍 一 种 专 用 单相及三相应急电源（EPS）功率主回路（ 已 有 专 利 ）
目前许多重要场所特别是消防泵房、喷淋系统、送风机房、排风机、消防电梯、
机房照明等重要混合负荷场所的现场动力设备的供配电及控制设备的纯正弦波
电压输出的功率主回路一般均由逆变器、输出电抗器、输出变压器、输出电容器
等组成。这种功率主回路有以下缺点：设备多、成本高、损耗大、分布电感大、
不便于主线布½、½积大等，不利 EPS 整机高效率½成本的开拓。本技术是针对
消防应急电源（EPS）而研制，主要集输出电抗器、输出变压器于一½的正弦脉
½调制型单相及三相特殊逆变变压器。它通过电磁原理及电子技术，½自感、互
感及漏感巧妙地组合成一个特殊的漏感型逆变变压器。
在它的原边输入正弦脉½
调制波（SPWM）就½在副边并上适½的滤波电容电获得纯正弦电压（失真度≤
2.6%）
。它的有益效果是省去了输出电抗器，减少了发热器件，减少了系统的分
布电感，有效地减少了 EPS 电源输出的内阻，节省了不必要的铜、铁材料（用漏
感替代了电抗器）提高了整机效率，降½了成本，方便了生产装配。
事实上，
目前的 SPWM 逆变器中 EPS 上的 IGBT 功率器件的工½状态优于 UPS，
特别是三相 5KVA 以上的机种，IGBT 功率器件的通态损耗和开关损耗更为明显。
UPS 与 EPS 的设计目标不同，因此负½½特性存在差异是自然的，½仅为适用领域
的差异，并非优劣之分。
EPS 的负½½具有多样性，½多数情况下是用于应急照明和动力负½½。用于照
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