动力型应急电源原理特点与实际应用

1 前言

随着电力电子技术地突飞猛进，国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、人口密集的场所及楼宇，一旦火灾消防联动信号动作就即刻中断常用供电，起动消防应急电源。而消防应急电源的起动失败往往会导致非常严重的甚至灾难性的后果。新型ＴＪＴＷ柔性无机矿物绝缘电缆的开发诞生为消防应急电源电池（电池柜）连线消除了及大的消防安全隐患。同时，人们对突发事件的防范意识也越来越高，动力型应急供电系统或动力型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消防应急供电系统。

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，采用蓄电池储能、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，具有许多独特的优势和极为广泛的实用性，是一种真实有效的末端切换装置。近年来也得到了迅速的发展，并且被公安部国家消防检测中心认可。

动力型应急电源在结构与工作原理上与伴随着信息产业发展起来的不间断电源（ＵＰＳ）是截然不同的。动力型应急电源主要为满足消防应急供电系统高可靠、高效率、电机负载、软起动特性、环境适应性、自诊断能等要求，多数时间处于在线待备用状态（不带载运行或轻载运行）；而ＵＰＳ主要为满足应急供电系的切换时间，电脑设备的高速运算数据不丢失，它追求零切换、输入输出锁相、稳压稳频精度高、旁路控制（ＢＹ　ＰＡＳＳ）等，所有的ＵＰＳ逆变器本身是无法控制负载起动的过载电流，它的过载电流是必须靠走旁路（ＢＹ　ＰＡＳＳ）由市电来承担的，所以在无市电的情况下走不了旁路故起动电机是不行的。动力型应急电源在工作原理、工作方式、性能指标、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，是保证动力型应急电源长期可靠运行的必要条件。

2 动力型应急电源的构造与性能特点

动力型应急电源一般由充电器、蓄电池组、专用电机节能型变频器、输入输出部件、电池监测装置、控制系统、状态显示器、操作面板等部分组成。

2.1 充电器

为使蓄电池组保持充足电的状态并能多次反复循环使用，充电器与蓄电池组是动力型应急电源不可缺少的组成部分。因动力型应急电源通常工作于在线待用状态，市电正常时，动力型应急电源的能量直接来自于市电并通过专用电机节能型变频器向负载（风机、水泵）供电，并由充电器对蓄电池充电。国际按ＧＢ１７９４５－２０００的要求动力型应急电源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动力型应急电源额定功率的１０％～２５％.当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。

动力型应急电源中的充电器一般采用智能恒流恒压二阶段充电方式或恒压限流的充电方式。充电器的控制特性对蓄电池的容量及使用寿命影响较大，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佳，避免快速充电。当然也有高端的采用其它充电方式，如定时自动进行循环充电方式、自动均充－浮充控制等，但在控制上略为复杂。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好的自保护功能，应能适应较宽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动力型应急电源的控制系统供电。因充电器功率较小，且多数时间内工作于轻载状态，其交流输入功率因数和谐波含量等指标并不十分重要。动力型应急电源中的充电器通常采用高频开关电源技术实现，也有部分大功率的动力型应急电源采用了晶闸管相控整流型充电器。

本文介绍一种动力型应急电源专用的主回路休眠式短路保护智能型全自动充电器（已有专利）。目前许多充电器主回路短路保护都是截止型短路保护，重要场所特别是消防动力型应急电源不允许使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、整形电路及触发封锁电路组成，这种短路保护有以下缺点：主回路必须先形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位才会从新起动充电器恢复工作，这是ＧＢ１７９４５－２０００消防应急电源对充电器最忌讳的。

该技术针对消防动力型应急电源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体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形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位，它是一种真正意义上的短路保护。

2.2 蓄电池

蓄电池是动力型应急电源应急供电时的能量来源，是影响动力型应急电源可靠性的关键部件。目前，动力型应急电源几乎均采用免维护阀控铅酸蓄电池，该电池技术成熟，价格较低，使用、维护简单，正逐渐成为ＵＰＳ和动力型应急电源的选择重点。关于免维护阀控铅酸蓄电池的特点与应用在行业中已众所周知，在此仅就其在动力型应急电源中应用时的几个特殊问题进行讨论。

（1）多个电池串并联运行问题

在动力型应急电源一般采用额定电压１２Ｖ的蓄电池串联达到所需的额定直流电压，在较大功率动力型应急电源系统中，为达到所需电池总容量，往往需要多组电池并联，例如１１０ｋｖａ的动力型应急电源，１２０ｍｉｎ标准配置需要６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）电池并联使用，据称原因是容易导致环流和充放电不均衡。而大功率动力型应急电源又必须要将多组电池进行串并联使用，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，采取下列方案是行之有效的。在正常运行情况下可要求供应商对电池内阻作必要的选配（控制在２％~３％）。然后就从工艺上采取必要的均流措施：①确保每节电池的联线的长度和规格都完全一样；②确保每组电池组与动力型应急电源主机的联线的长度和规格完全一样。它是利用导线的固有电阻充当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当是各电池组间的电流难于控制，为此如何选配导线的规格，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。同时，在各电池组并联前，应先确认它们均处于充满状态。但这将使成本增加很多，不管采取任何措施，不同品牌或型号的蓄电池并联自然也是不可取的。

（2）蓄电池的工作温区

因ＥＰＳ经常被安装在地下室、竖井、低压配电室等地方，环境温度范围较宽，０～４０℃（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使用温度一般为５℃～３５℃，尽管电池制造商可能声称－１５℃～５０℃的工作温度范围，但温度过高，蓄电池自放电加重，使用寿命明显缩短，甚至会出现热失控导致电池报废；使用免维护阀控铅酸蓄电池的最佳温度２０℃~２５℃，当超过２５℃时，每升高１０℃电池寿命将减少至２５℃环境下的一半。温度过低时，蓄电池放电容量严重下降，并且充电困难，强行充电会导致气体析出，会影响蓄电池寿命。因此，当ＥＰＳ的安装环境温度过高或过低时，应当采取适当措施进行调节。

另外，当环境温度超过２５℃时，每升高１０℃或单体电池浮充电压超出指标范围０．０３Ｖ时，电池使用寿命缩短一半。

（3）各电池连线最好才用新型柔性防火电缆，这样可提高火灾是由于电池连线被烧引起短路起火的二次火灾隐患，因电池连线短路引起的火灾威力也很大，这是要求系统设计不可掉以轻心的一大问题。

2.3 专用电机节能型变频器与负载适应性

专用电机节能型变频器是动力型应急电源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能通过专用电机节能型变频器供给重要负载。因此，动力型应急电源的应急供电质量、效率、负载适应能力等多项重要指标都决定于专用电机节能型变频器的品质。特别是节能逆变系统的技术在动力型应急电源中就更为重要。同时，专用电机节能型变频器的可靠性也是影响动力型应急电源整机可靠性的关键之一。动力型应急电源的专用电机节能型变频器几乎均采用了ＩＧＢＴ（或功率ＭＯＳ管）ＳＰＷＭ逆变技术，但该技术与ＵＰＳ、变频调速器等应用领域有较多的不同。它主要是围绕着过载能力、负荷的适应能力（起动电流的控制与动态节能控制）供电的可靠性做系统设计的。可以这么说，专用电机节能型变频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，已经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与专用电机节能型变频器负载适应能力差别的讨论，或用ＵＰＳ替代专用电机节能型变频器。其实它们的逆变控制系统的数学模型是完全不同的，一般来讲，ＵＰＳ是以波形电压反馈的单闭环控制系统，因此其输出电压的正弦波波形及电压的动态调整精度特好；而动力型应急电源专用的专用电机节能型变频器控制系统是由电压反馈、电流反馈、动态力矩电压补偿控制组成的多比环控制系统，主回路可完全电隔离的，因此其输出功率过载能力、三相的偏相运行能力、负载适应能力及适应强制工作能力特强，可靠性极高。在市电正常时，动力型应急电源会直接由市电作为能量给逆变器再提供负载，其负载能力仅决定于专用电机节能型变频器控制水平，应是专为电机控制设计的一般情况下无需讨论，而用ＵＰＳ来带电机负载则存在许多缺陷。因此，ＵＰＳ与动力型应急电源负载适应能力的差别本质上还是其逆变器负控制方式（模型）的差别。

现介绍一种专用电机节能型变频器功率主回路（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、等重要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、不便于主线布置、体积大等，不利于动力型应急电源整机高效率低成本的开拓。该技术是针对动力型应急电源而研制，主要集输出电抗器、输出变压器于一体的正弦脉宽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，使自感、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宽调制波（ＳＰＷＭ）就能在副边并上适当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，有效地减少了动力型应急电源输出的内阻，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，降低了成本，方便了生产装配。

事实上，目前的ＳＰＷＭ逆变器中动力型应急电源上的ＩＧＢＴ功率器件的工作状态优于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与动力型应急电源的设计目标不同，因此负载特性存在差异是自然的，但仅为适用领域的差异，并非优劣之分。动力型应急电源的负载是电机，故控制驱动电机的起动电流和动态Ｖ/Ｆ曲线控制是最重要的技术所在。

用于消防应急电源必须符合ＧＢ１７９４５－２０００标准，其中对应急电源的输出容量是以ｋW为单位定义的，但实际上仅当负载功率因数接近１时，该定义是适当的，当负载功率因数较低时，应急电源的电流输出能力并不会增加，输出视在功率额定值也不会增加，因此实际选用应急电源时，必须考虑负载的功率因数和视在功率，而不能仅考虑负载的有功功率。按照标准ＧＢ１７９４５－２０００的要求，应急电源应能在１２０％负载时正常工作；也就是说，标称功率１０００Ｗ的应急电源，必须具备１２００Ｗ的正常输出能力；由此可以看出，标称容量相同的应急电源和ＵＰＳ，其逆变器实际输出能力及工作方式是存在极大差别的。

用于动力负载的动力型应急电源必须能够承受和控制电机启动时的冲击电流，但若将逆变器容量设计的过大也是不现实的。因此各应急电源厂家都给出了电机负载不同启动方式下配用应急电源容量的计算方法，其核心是保证应急电源的逆变器在电机启动时不至于因过载停机。但是，为电机负载配置数倍于其额定功率的应急电源既不经济，也不合理，因为对于控制起动冲击电流及动态控制Ｖ/Ｆ曲线不失为一种更为合理的解决方案。实际上，用于动力负载的动力型应急电源在很大程度上具有根据用户需求设计定制的特征，因而可以取得更合理的负载适应能力。总之用ＵＰＳ或通用型逆变器作为电源向电机及电机控制系统供电是及不合理的首选方案。

最为合理的方案是选用动力型应急电源产品，它是采用专用电机节能型变频器，有效地控制了电机的起动电流和动态Ｖ－Ｆ曲线节能控制，使起动电流得到控制，电机处于及为平滑的软起动运行。从而大大提高了动力型应急电源选配的经济性。这种方案的选用一般电机功率与动力型应急电源功率都可１:１配置。这一方案中的动力型应急电源也可选用工控领域中的通用型变频器加以二次开发。由于通用型变频器的自身市场很大，因此在应急电源上选用它反而能降低应急电源的制造成本。因为通用型变频器都由一些国际著名电气公司研制生产，技术成熟、先进，选材、工艺精良，具有很高的可靠性和负载能力，并且规格齐全、价格不高。多数变频器均允许直流供电运行，及易做二次开发用于动力型应急电源产品。选用适当容量的变频器，合理并巧妙地设置运行参数后可以构成可靠性很高的动力型应急电源，其合理性更不必多说。

消防应急电源逆变器一般需要具备冷启动能力（在无市电状态下依靠完全电池电力启动或不考虑自身设备的损坏），以满足“强制启动”功能要求，因此不但要在蓄电池与逆变器直流母线电容间需要加装缓冲装置，以完成母线电容的预充电，防止过大冲击电流导致器件损坏和直流输入断路器跳闸，还要求逆变器能适应较宽直流母线电压的变化。

2.4 输入输出配电装置

应急电源的交流输入输部分一般不像ＵＰＳ那样简单，而需要根据用户要求或设计图纸加装配电开关。例如市电输入端有时需要加装双路市电自动互投开关（ＡＴＳ），市电直供回路有时需要加装独立的断路器，输出回路一般需要多支路输出，每个支路都要装有独立的断路器，有时还需要加装受消防联动信号控制的消防联动输出支路等。用户为了安装使用方便，一般均要求把动力型应急电源系统的输入输出配电开关装置等全部装于动力型应急电源产品内部，因此动力型应急电源在产品结构上需要为输入输出配电开关留有充分的拓展空间，有时甚至需要专门按用户要求进行结构设计。

标准ＧＢ１７９４５－２０００要求用于消防应急电源能对其电池组中每个１２Ｖ电池单元的电压进行监测，以此为参照，许多用于其它方面的应急电源往往也要求提供对每个电池单元的监测功能。此时需要为应急电源配置专门的电池监测装置。因每个电池单元的直流电位各不相同，检测装置需要能够对其进行隔离采样。目前常见的隔离采样方式有继电器、线性光耦、先进行Ａ/Ｄ转换后再用光耦合器隔离传输数字信号等。不同方式各有所长，但如果对每一电池单元分别隔离采样，系统将过于繁杂。若先将电池单元适当分组，采用分组Ａ/Ｄ转换、数字信号光耦隔离、通过串行数据总线上传的监测方式具有硬件结构简单，安全性、可靠性高，可自动实时巡检，监测精度较高等较大优势。

目前应急电源中对电池单元的检测内容一般仅限于各电池单元端电压的测试，并不能全面反映电池状态。但通过分别测试电池组充电和放电时各电池单元的端电压，可以对各电池单元的一致性做出准确的判断，如充电状态是否均衡、是否存在劣化的电池单元等。有一些更为先进的电池状态检测方法，如内阻测试方法等，在国产应急电源中的应用还比较罕见。

因对各电池单元进行检测需要将测试线连接到每个电池单元的输出端，测试线路较密集且导线较细，容易发生意外短路或漏电问题，因此应采用适当电压电流分断能力的熔断器或其它方式进行安全隔离，防止蓄电池的高能量进入测试系统，导致事故。

其实以上各种电池的监测并没有完全达到有效的电池监控管理。其原因之一：就是检测到某一电池的一致性有问题，现有的充电模式也是无能为力的，根本没法改善该电池的状况；原因之二：任何一节免维护阀控铅酸蓄电池都是由若干节（一般为３或６节）２Ｖ的单体电池串联而成的，所以只监测并监控管理单体电池串联而成的组合体没多大意义。每一有故障的蓄电池其真实的故障点是该节电池中的某一２Ｖ单体电池，故真实能有效地监控管理好蓄电池必须监控每个２Ｖ的单体电池，通过对每个２Ｖ的单体电池的充电流、浮/均充电压、温度的监控管理，才能有效地用好每个蓄电池。随着充电专用芯片的诞生；数据总线的成熟，新一代自带智能管理充电器蓄电池的诞生将为时不晚了。那时就称得上是真实的电池在线监控系统了。

2.5 控制系统

本文仅讨论动力型应急电源中的控制系统。动力型应急电源的专用电机节能型变频器是一独立的模块结构、驱动电路，与ＵＰＳ、变频电源等十分类似，主要是与ＩＧＢＴ所配套的典型用法。动力型应急电源的控制系统多由以单片机为核心的控制电路构成，但也有部分产品采用了模拟控制和简单逻辑控制或ＰＬＣ控制器。

动力型应急电源的控制系统需要对市电电压、电池电压、负载电流、充电器状态、专用电机节能型变频器状态、ＡＴＳ开关状态、设置参量、控制指令等多项参量实时监控，并按照正确的控制逻辑向各功能单元发出控制指令，同时还要有一个较为友好的、简单易懂的用户操作界面，需要具备较为复杂和灵活的监测、测逻辑判断和控制能力。因此选择功能适当的单片机为核心器件，构成数字化控制器，可以简化系统硬件，并利用控制软件的灵活性完成各种需要的监测控制功能，是最为合理的设计方案。采用ＰＬＣ完成系统控制也是一种不错的方案，但成本很大，一般仅适用于大系统及智能化成度极高的高档楼宇配置，对于较小系统，在成本上往往无法接受。模拟控制和简单逻辑控制方式硬件复杂，在可靠性、灵活性、智能化程度等方面均处于劣势，但也有一定的实用性。

动力型应急电源的控制系统除完成必须的监测、控制功能外，系统自检、显示信息提供、历史事件记录、数字通讯、计算机远程监控等能力也是相当重要的，随着楼宇消防智能化的发展，已将成为动力型应急电源必不可少的功能，而这些功能只有采用数字化控制，方可实现。

2.6　状态显示器和操作系统

动力型应急电源的应用状态显示器和操作系统提供了动力型应急电源的人机界面，是动力型应急电源不可缺少的部分。动力型应急电源的状态显示一般由仪表与指令开关式；ＬＥＤ指示、数字显示与轻触按键式；ＬＥＤ指示、菜单式ＬＣＤ显示屏构成。指示灯的设置、颜色和功能需要符合执行标准ＧＢ１７９４５－２０００的要求，ＬＣＤ的显示内容除标准要求的主要参数外，还有各自的人机对话界面。整机还必须设置强制启动开关，但它必须受钥匙干预才能操作。

3 动力型应急电源的应用

目前，动力型应急电源的主要应用领域是为各种建筑物和重要公共设施的消防动力提供应急备用电源。同时在化工、冶金、污水处理、玻璃纲化生产线等自动化生产线的工业领域、医院、大型场馆和超市等的通风等方面也有很多应用。随着动力型应急电源产品的技术进步、技术性能和可靠性的进一步完善，以及人们安全防范意识的提高，实现有效的末端切换，动力型应急电源是无法替代的消防必用产品，它的应用将会更加广泛。

动力型应急电源除用于消防外，由于缺乏相应的国家标准或行业标准，动力型应急电源的发展不够规范，无论是规格系列还是技术性能、外形尺寸，都具有多样性，标准化程度较差。这对制造厂家的生产制造和用户的选用都造成很多困难，也在一定程度上影响了动力型应急电源产品及其应用的健康发展。

但是随着相关标准的发布实施，动力型应急电源的发展必将日益规范，如消防应急电源中防火电缆的运用，特别是电池连线专用防火电缆的选用是奠定系统安全性的必不可少的配套器件。在产生良好的社会效益的同时，也为动力型应急电源开发、生产企业创造良好的经济效益。

4 结束语

笔者通过长期对ＵＰＳ、ＥＰＳ、动力型应急电源的开发生产以及变频器、柔性防火电缆的应用、认识和理解，结合作者在动力型应急电源设计、制造和应用方面的实际经验，对动力型应急电源的原理、构造、性能特点和适用领域进行了讨论，并对进一步完善及目前的不妥处进行了解分析。