吳曉雪

(西安地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西 西安 710016)

EPS應(yīng)急電源裝置改造

吳曉雪

(西安地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西 西安 710016)

在地鐵特殊的工作環(huán)境和較高的安全要求下，EPS采用熱后備式工作方式更能實(shí)現(xiàn)后備電源的功能，保障人員疏散的應(yīng)急照明。冷后備式EPS改造成熱后備式工作方式，以修改控制原理和更換關(guān)鍵元器件(如逆變器、控制板件)為切入點(diǎn)，在原設(shè)備參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)上傳功能基礎(chǔ)上增加市電/蓄電池電源切換功能和逆變器熱后備式啟動(dòng)功能。

EPS；熱后備式；冷后備式；改造；逆變

0 引 言

地鐵照明系統(tǒng)負(fù)荷依賴電力系統(tǒng)供電，一旦供電系統(tǒng)中斷，地鐵公共區(qū)無任何照明，會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的甚至災(zāi)難性的后果。同時(shí)，隨著安全意識(shí)和對突發(fā)事件的防范意識(shí)的迅速提高[1]，應(yīng)急電源裝置(EPS)越來越受到重視，對EPS工作可靠性的要求越來越高。隨著EPS技術(shù)的發(fā)展和逆變技術(shù)的不斷研究，EPS熱后備式工作方式的運(yùn)用越來越廣泛。

1 EPS應(yīng)急電源工作原理

圖1 工作原理

EPS應(yīng)急電源主要采用SPWM(交流脈寬調(diào)制)技術(shù)，系統(tǒng)主要包括充電器、蓄電池組、逆變器、互投裝置等部分，其中逆變器是核心。充電器的作用是將交流電變成直流電，實(shí)現(xiàn)對蓄電池及向逆變器模塊供電；逆變器的作用則是將直流電變換成交流電，供給負(fù)載設(shè)備穩(wěn)定持續(xù)的電力；互投裝置保證負(fù)載在市電及逆變器輸出間的順利切換；系統(tǒng)控制器對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)可通過串行口與計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的微機(jī)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。工作原理圖如圖1。

當(dāng)有市電時(shí)，市電通過KM輸出，同時(shí)充電機(jī)對蓄電池充電；當(dāng)控制器檢測到市電停電或者市電過低時(shí)，逆變器工作，使KM切換至應(yīng)急輸出狀態(tài)，向負(fù)載提供應(yīng)急電能；當(dāng)控制器再次檢測到有市電時(shí)，逆變器退出工作，恢復(fù)市電向負(fù)載提供電源[2]。

2 EPS應(yīng)急電源技術(shù)改造

2.1 EPS工作方式

地鐵使用的EPS應(yīng)急電源有熱后備式和冷后備式兩種工作方式。冷后備式時(shí)逆變器僅控制部分處于工作狀態(tài)，其功率部分處于加電待機(jī)狀態(tài)，但不起動(dòng)；熱后備式時(shí)整個(gè)逆變器處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，但不承擔(dān)負(fù)載。

2.2 EPS應(yīng)急電源技術(shù)改造(冷后備式向熱后備式改造)

2.2.1 EPS應(yīng)急電源冷后備式

1)冷后備式一次工作原理

一次原理圖如圖2所示。

市電正常時(shí)，市電經(jīng)QF1輸出后引至1 KM，1 KM吸合輸出至輸出總開關(guān)QF5和熔斷器，完成市電對負(fù)載供電。市電正常給負(fù)載供電的同時(shí)，從QF1輸出端引一路220 V的交流電至整流輸入開關(guān)QF3，QF3合閘后即為充電機(jī)提供輸入電壓。充電機(jī)將交流電整流成蓄電池組充電所需達(dá)到的充電電壓，并通過整流輸出開關(guān)QF4，加載至蓄電池組“+”、“-”兩極，完成對蓄電池組的充電過程。

若兩路市電都不能正常供電，此時(shí)市電輸入開關(guān)QF1后級無輸出，1 KM斷開。逆變模塊檢測到市電的異常，啟動(dòng)逆變器工作，將備電開關(guān)QF2控制的電池組直流電壓逆變成交流電壓，并通過變壓器T1升壓至AC380 V，再經(jīng)過濾波后輸出至2 KM，此時(shí)2 KM線圈得電吸合，將逆變電輸出給輸出總開關(guān)QF5，從而完成逆變的過程[2]。

2)冷后備式控制原理

逆變啟動(dòng)控制原理如圖3所示。

圖2 一次工作原理圖

圖3 逆變啟動(dòng)控制原理

1KM和2KM是一組帶機(jī)械互鎖功能的交流接觸器，1KM和2KM有且僅有一個(gè)處于吸合狀態(tài)。市電供電通過1KM輸出，蓄電池逆變供電通過2KM輸出。

市電正常時(shí)，主控測檢測板CD1檢測兩路進(jìn)線電壓正常，CD1的14/15常開觸點(diǎn)不吸合，ZJ1繼電器釋放，J1繼電器吸合，1KM接觸器吸合，2KM接觸器釋放，逆變器不啟動(dòng)，市電給負(fù)載供電，

市電異常時(shí)，主控檢測板CD1檢測到主用和備用兩路進(jìn)線電源電壓缺失或降低，CD1的14/15、16/17、18/19三對常開觸點(diǎn)閉合，ZJ1繼電器吸合得電，導(dǎo)致1KM、J1釋放，2KM吸合。同時(shí)逆變器觸發(fā)G2/SF常開觸點(diǎn)導(dǎo)通，逆變器工作，逆變電壓經(jīng)2KM輸出至負(fù)載供電[3]。

3)冷后備式工作方式的缺陷

(1)從控制原理圖分析得到，逆變工作條件是當(dāng)兩路進(jìn)線電源均無電的條件下才啟動(dòng)逆變器。只要有一路電源有電，無論在任何條件下，逆變器均不會(huì)啟動(dòng)。這樣將會(huì)造成一路市電有電，雙切裝置故障無法切換至有電回路供電的工況下，既無市電輸出，逆變器又無法啟動(dòng)，沒有應(yīng)急電源輸出，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

(2)逆變器處于冷后備式時(shí)，最短切換時(shí)間除切換裝置的動(dòng)作時(shí)間外，還要受逆變器起動(dòng)時(shí)間的制約，切換時(shí)間較長；而且當(dāng)負(fù)載功率較大時(shí)，逆變輸出變壓器和低通濾波器會(huì)產(chǎn)生很大的暫態(tài)沖擊，甚至?xí)p壞逆變器半導(dǎo)體功率器件，導(dǎo)致逆變器啟動(dòng)過程中故障停止工作，造成無應(yīng)急照明輸出[4-5]。

逆變器處于熱后備式時(shí)，最短切換時(shí)間基本決定于所用切換裝置的動(dòng)作時(shí)間，切換時(shí)間較短，抗大功率負(fù)載沖擊力強(qiáng)。

針對地鐵特殊的工作環(huán)境和安全要求，EPS應(yīng)急電源采用熱后備式工作方式更能實(shí)現(xiàn)后備電源的功能，保障當(dāng)電力系統(tǒng)故障時(shí)能夠立即切換到逆變器輸出電源狀態(tài)，確保應(yīng)急照明正常點(diǎn)亮。

2.2.2 冷后備式技術(shù)改造方案

1)改造內(nèi)容

(1)逆變啟動(dòng)方式由冷后備式變換為熱后備式，即逆變器一直處于工作狀態(tài)，保持與市電相序一致，但不輸出功率。當(dāng)市電缺失或失壓，逆變器立即輸出與市電相同相序的應(yīng)急電源，保證負(fù)載供電正常。

(2)逆變啟動(dòng)條件：檢測ASCO后級輸出端電源缺失或失壓時(shí)，啟動(dòng)逆變器。

2)改造項(xiàng)目

(1)市電電壓檢測、蓄電池電壓檢測。

(2)強(qiáng)制切換命令輸入。

(3)切換接觸器控制。

(4)電保關(guān)機(jī)控制。

(5)逆變器控制。

(6)逆變器故障反饋。

3)改造方案

(1)一次回路改造

①一次工作回路原理不變。

②由于逆變器啟動(dòng)方式變化，逆變器更換成具有熱后備式啟動(dòng)功能的產(chǎn)品。

③逆變器產(chǎn)品變化，逆變器的輸出電源波形發(fā)生變化，更換與逆變器配套使用的變壓器。

④逆變啟動(dòng)條件變化，主控檢測板CD1的部分功能取消，由切換控制板和繼電器控制板替代實(shí)現(xiàn)CD1板卡取消的功能。

(2)二次控制回路改造

①市電電壓檢測改造

原方案：由主控檢測板CD1檢測ASCO兩路進(jìn)線電源A相電壓。

改造方案：由切換控制板檢測ASCO后級輸出端市電電壓。

②市電控制改造

原方案：繼電器ZJ1是主電欠壓繼電器，原理為主控檢測板CD1檢測到市電欠壓時(shí)，繼電器ZJ1動(dòng)作，ZJ1觸點(diǎn)斷開，接觸器1KM線包失電，市電斷開。SZ是手動(dòng)轉(zhuǎn)逆變開關(guān)，SZ手動(dòng)斷開時(shí)，1KM線包失電，市電斷開。1KM線包失電的同時(shí)，繼電器J1失電，控制冷后備式的逆變器啟動(dòng)輸出。

改造方案：保留繼電器ZJ1的線包信號(hào)，斷開ZJ1的動(dòng)作信號(hào)，由切換控制板檢測市電斷電或過欠壓，繼電器控制板干接點(diǎn)輸出XS3-1/XS3-2代替ZJ1控制即可。如圖4所示[6]。

圖4 市電控制改造圖

③逆變器控制改造

原方案：逆變控制信號(hào)中，CD1-16/17為電保控制信號(hào)，QZ為強(qiáng)制信號(hào)。

改造方案：QZ強(qiáng)制信號(hào)串入切換控制板XS9-3/XS9-4，J3信號(hào)串入切換控制板對變頻器的控制回路，取消原控制回路。如圖5所示。

圖5 逆變器控制改造

④逆變器輸出控制改造

原方案：逆變器輸出時(shí)，用逆變器其中一相輸出電壓控制逆變接觸器線包，當(dāng)逆變器有輸出時(shí)逆變接觸器2KM吸合。

改造方案：在控制回路中增加切換控制板逆變器切換控制信號(hào)XS3-3/XS3-4。如圖6所示。

圖6 逆變器輸出控制改造

⑤逆變器故障反饋信號(hào)改造

原方案：原逆變器輸出故障信號(hào)。

改造方案：逆變器故障反饋信號(hào)由變頻器TA-TC輸出。如圖7所示。

圖7 逆變器故障反饋信號(hào)改造

2.2.3 技術(shù)改造效果

改造完成后，除市電/蓄電池電源切換功能和逆變器熱后備式功能實(shí)現(xiàn)外，其他設(shè)備顯示、數(shù)據(jù)上傳等功能仍由原設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語

EPS應(yīng)急電源熱后備式工作方式具有切換速度快、工作穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)，在地鐵應(yīng)用中逐漸替代了冷后備式工作方式。在地鐵供電系統(tǒng)故障情況下，能夠以最快速度切換至蓄電池逆變供電，保證車站應(yīng)急照明的持續(xù)性，提供人員疏散的關(guān)鍵性條件。

EPS應(yīng)急電源熱后備式工作方式，逆變器雖不輸出功率，但一直處于工作狀態(tài)，元器件老化和使用壽命較短是熱后備式的缺點(diǎn)。如何提高逆變器的工作壽命，如何正確測試逆變功能提高使用壽命，如何減少大功率負(fù)載沖擊減少逆變器故障率，將是EPS應(yīng)急電源的研究重點(diǎn)。

[1] 盧其威,郭殿林,王聰.一種新型三相應(yīng)急電源(EPS)的研制[J].電氣應(yīng)用,2005,24(7):74-76.

[2] 銀佳.EPS使用手冊[K].江蘇,2009.

[3] 龔文楊.數(shù)字式應(yīng)急電源的開發(fā)與設(shè)計(jì)[D].湖南:湖南大學(xué),2006.

[4] 楊兆華,李順林.EPS應(yīng)急電源中均衡式充電裝置的設(shè)計(jì)[J].建筑電氣,2006,26(2):74-78.

[5] 王坤林,楊兆華，李建民.基于高頻整流模式新型EPS及工作原理分析[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化,2007,26(2):19-22.

[6] 劉韜,師彥茹.方正書版中的EPS圖[J].印刷雜志,2003,32(3):22-23.

Modification of EPS Emergency Power Supply Device

WU Xiao-xue

(Xi’an Metro Co., Ltd., Xi’an Shaanxi 710016,China)

Considering special operational environment and high security demand of the metro, the hot backup type of EPS can perform better function and guarantee emergency lighting for evaluation of people. The cold backup type of EPS can be transformed into the hot backup type through modification of its control principle and replacement of key elements (such as inverter and control board) so that the function of switching between commercial power and battery as well as the hot backup start of the inverter can be added to parameter display and data upload already available with the original equipment.

EPS; hot backup type; cold backup type; modification; inversion

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.038

TM92

A

1000-3886(2015)02-0111-04

吳曉雪(1986-)，女，湖北人 ，工程師，專業(yè)：電氣及自動(dòng)化。

定稿日期: 2014-07-10