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摘 要： EPS作为一种可靠的绿色应急供电电源，在社会发展过程中的作用不断增大，对它的研究也愈加深入。本文针对传统的EPS充电电路与逆变电路分开的现状，提出了一种新型的基于PWM整流器的EPS电源，使两者合为一体，降低成本，提高系统的可靠性，具有广泛的应用前景。
关键词： PWM整流器 EPS应急电源 工作原理
1.引言
GB50045—95（2001年版）规定：“一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏。一级负荷中特别重要负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源。”常用的应急电源有下列几种：（1）独立于正常电源的发电机组；（2）供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路；（3）蓄电池。应急电源包括柴油发电机组、EPS和UPS。EPS尤其适用于当高层建筑消防设施没有第二路市电，又不便于使用柴油发电机组的场合。PWM整流器具有功率因数可为“1”，交流侧电流为正弦波和电能可以双向传输等优点。下面先介绍PWM整流器的工作原理，再提出把充电电路与逆变电路集为一体的新型EPS电源。
2.PWM整流器工作原理
PWM整流器采用全控型开关管取代传统的半控型开关管或二极管，以PWM斩控整流取代了相近整流或不控整流，具有以下几大优良性能：
（1）交流侧电流这正弦波。
（2）交流侧功率因数可控（如单位功率因数控制）。
（3）电能双向传输。
（4）较快的动态控制响应。
显然，由于电能的双向传输，PWM整流器不是传统意义上的AC/DC变换器。当PWM整流器从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态，作为整流器工作；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于逆变状态，作为逆变器工作，所以PWM整流器是集整流与逆变于一身的新型变换器。PWM整流器模型电路图如图（1）所示：
图（2） 电压矢量关系
电网电压E作为实轴坐标系，即有功分量。从图上可知，RI，VL都是由电流I决定的。控制电流矢量I与E的夹角φ就可以进行网侧功率因数控制，当电流矢量I在第一、四相限时，有I*E*cosφ＞0，PWM整流器吸收电网有功功率，此时PWM整流器是真正意义的整流器；当电流矢量I在第二、三相限时，有I*E*cosφ＜0，PWM整流器则向电网提供有功功率，此时，PWM整流器则是逆变器。只要控制电流I的大小和φ，就可以控制PWM整流器的工作状态（整流/逆变）和功率因数。电流|I|一定时，|VL|也一定，忽略R的影响，电压矢量关系如图（3）所示：
图（4） 传统EPS工作原理
从图中可以看出，充电电路与放电电路是分开的，当市电正常供电，切换开关Ks接通市电，应急电源处于整流状态，蓄电池浮充，逆变电路不工作。当市电异常时，切换开关接通逆变电路，应急电源进入逆变状态，并停业充电；同时，检测蓄电池组端电压，当端电压小于放电终止电压时，蓄电池放电完毕，停业放电。再加上蓄电池组过压、欠压保护；输出交流过压、过流、高温、短路保护等功能就组成了传统EPS应急电源的全部功能。
4.新型EPS应急电源工作原理
根据传统的EPS应急电源，任何时候充电电路与逆变电路都只有一个电路工作，是一种互斥关系，而且需要配置两套驱动电路，分别驱动整流桥和逆变桥。在结构上有一定的臃肿，控制复杂，功耗高，成本高。充电电路与放电电路都是由IGBT及二极管组成的桥路，它们的驱动电路都是由IGBT驱动芯片及其一些外围电路组成，结构完全相同。如果可以把充电、放电两部分电路合为一体，则结构简化，控制简单化，系统可靠性也相对提高，更重要的是产品成本低，功耗也相对减少一半。而PWM整流器则提供了理论依据，这两者都就是设计新型EPS应急电源的出发点。
4.1新型EPS工作原理
新型的EPS应急电源工作原理如图（5）所示：
图（6） 系统结构框图
4.2.1辅助电源
PWM整流器担任了两重任务，给蓄电池充电与放电，为了能够持续工作，驱动电路绝不能出现断电现象。开机时，首先“辅助电源1”给驱动电路供电，蓄电池充满电后，“辅助电源2”同时给驱动电路供电，以防电网突然停电。市电异常时，“辅助电源1”自然也断电，但是“辅助电源2”照常供电，不会影响PWM整流器的工作。
4.2.2电量检测
在EPS工作期间，我们应同时检测以下几个电量（电流或电压）：
（1）市电电压E，以便决定PWM的工作状态。
（2）PWM整流器交流侧电压V，作为逆变时输出电压的反馈信息。
（3）PWM整流器交流侧电流I，用于功率因数控制，以及作为整流时电流内环的反馈信息。
（4）蓄电池端电压Vdc，作为整流时电压环外环的反馈作息，也对蓄电池进行各种操作的依据（恒流充电，恒压充电，浮充，停止放电）。
（5）PWM整流器直流侧电流I′，蓄电池容量检测的主要参数，蓄电池容量为放电电流与放电时间的乘积。
4.2.3容量检测
蓄电池在使用过程中，容量是不断下降的，当电池容量衰减至初始值的80%时，进入快速失效期，容量衰减加快，普遍认为容量低于初始值的80%的蓄电池为失效电池。若没有发现失效电池而继续使用，将埋下安全隐患。可见电池容量是很重要的一个参数，应不定期检测。进行容量检测时，控制放电电流I′为一指定的恒定值，并计时，当电蓄电池电压下降到放电终止电压时，即放电完毕，停止放电和计时，并立刻对蓄电池充电。
4.2.4工作状态切换
由于该EPS电源添加了蓄电池容量检测功能，此时，PWM整流器工作于有源逆变状态，那么PWM整流器就有三个工作状态：整流，有源逆变和无源逆变，它们之间的关系如下：
（1）市电正常时
整流：依次给蓄电池恒流充电、恒压充电和浮充，控制对象是PWM整流器直流侧电压和交流侧电流波形。
有源逆变：容量检测时间到，控制对象是PWM整流器直流侧电流和交流侧电流波形。
（2）市电异常时
无源逆变：断开开关Ks，控制PWM整流器交流侧电压为220V，电流为正弦波，频率为50HZ。
4.2.5控制电路
这是EPS应急电源的控制核心部分，实现各种工作状态的切换控制，以及各种控制算法。对各种采样进行转换和存储，键盘输入信息能够修改程序中的参数，并把一些重要变量的实时值送给显示单元，还能进行各种必要声光报警，有需要时，还得与上位机进行通信，实现更为友好的人机交互界面，或者远程通讯，实现远程监控与管理。
5.结语
根据PWM整流器能够双向传输能量并且同时进行功率因数校正，把传统EPS充电功能与逆变功能统一由一个PWM整流器完成，控制还是由一片智能芯片完成，同时增加了单位功率因数控制和电池容量检测功能，降低了系统的功耗和成本，功能却更加强大。因此，新型EPS应急电源具有更广泛的应用前景，是应急电源研究和开发的一个重要方向。
参考文献：
［１］伍永华.阀控式铅酸蓄电池运行维护分析.安全用电，2005，5：35-36.
［2］李立伟.邹积岩.蓄电池在线监测系统的设计与实现.电工技术杂志，2002，11：7-9.
［3］卢其威等.一种新型三相应急电源（EPS）的研制.电气应用，2005，24（7）：74-76.
［4］陈志萍.应急电源.科技情报开发与经济，2004，14（11）：323-324.
［5］任红.EPS智能应急电源系统的应用.建筑电气，2003，2：18-19.
［6］王坤林等.基于高频整流模式新型EPS及工作原理分析.计算技术与自动化，2007，2（26）：33-35.
［7］张崇巍等.PWM整流器及其控制.北京：机械工业出版社，2003，10.
关键词： PWM整流器 EPS应急电源 工作原理
1.引言
GB50045—95（2001年版）规定：“一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏。一级负荷中特别重要负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源。”常用的应急电源有下列几种：（1）独立于正常电源的发电机组；（2）供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路；（3）蓄电池。应急电源包括柴油发电机组、EPS和UPS。EPS尤其适用于当高层建筑消防设施没有第二路市电，又不便于使用柴油发电机组的场合。PWM整流器具有功率因数可为“1”，交流侧电流为正弦波和电能可以双向传输等优点。下面先介绍PWM整流器的工作原理，再提出把充电电路与逆变电路集为一体的新型EPS电源。
2.PWM整流器工作原理
PWM整流器采用全控型开关管取代传统的半控型开关管或二极管，以PWM斩控整流取代了相近整流或不控整流，具有以下几大优良性能：
（1）交流侧电流这正弦波。
（2）交流侧功率因数可控（如单位功率因数控制）。
（3）电能双向传输。
（4）较快的动态控制响应。
显然，由于电能的双向传输，PWM整流器不是传统意义上的AC/DC变换器。当PWM整流器从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态，作为整流器工作；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于逆变状态，作为逆变器工作，所以PWM整流器是集整流与逆变于一身的新型变换器。PWM整流器模型电路图如图（1）所示：
图（2） 电压矢量关系
电网电压E作为实轴坐标系，即有功分量。从图上可知，RI，VL都是由电流I决定的。控制电流矢量I与E的夹角φ就可以进行网侧功率因数控制，当电流矢量I在第一、四相限时，有I*E*cosφ＞0，PWM整流器吸收电网有功功率，此时PWM整流器是真正意义的整流器；当电流矢量I在第二、三相限时，有I*E*cosφ＜0，PWM整流器则向电网提供有功功率，此时，PWM整流器则是逆变器。只要控制电流I的大小和φ，就可以控制PWM整流器的工作状态（整流/逆变）和功率因数。电流|I|一定时，|VL|也一定，忽略R的影响，电压矢量关系如图（3）所示：
图（4） 传统EPS工作原理
从图中可以看出，充电电路与放电电路是分开的，当市电正常供电，切换开关Ks接通市电，应急电源处于整流状态，蓄电池浮充，逆变电路不工作。当市电异常时，切换开关接通逆变电路，应急电源进入逆变状态，并停业充电；同时，检测蓄电池组端电压，当端电压小于放电终止电压时，蓄电池放电完毕，停业放电。再加上蓄电池组过压、欠压保护；输出交流过压、过流、高温、短路保护等功能就组成了传统EPS应急电源的全部功能。
4.新型EPS应急电源工作原理
根据传统的EPS应急电源，任何时候充电电路与逆变电路都只有一个电路工作，是一种互斥关系，而且需要配置两套驱动电路，分别驱动整流桥和逆变桥。在结构上有一定的臃肿，控制复杂，功耗高，成本高。充电电路与放电电路都是由IGBT及二极管组成的桥路，它们的驱动电路都是由IGBT驱动芯片及其一些外围电路组成，结构完全相同。如果可以把充电、放电两部分电路合为一体，则结构简化，控制简单化，系统可靠性也相对提高，更重要的是产品成本低，功耗也相对减少一半。而PWM整流器则提供了理论依据，这两者都就是设计新型EPS应急电源的出发点。
4.1新型EPS工作原理
新型的EPS应急电源工作原理如图（5）所示：
图（6） 系统结构框图
4.2.1辅助电源
PWM整流器担任了两重任务，给蓄电池充电与放电，为了能够持续工作，驱动电路绝不能出现断电现象。开机时，首先“辅助电源1”给驱动电路供电，蓄电池充满电后，“辅助电源2”同时给驱动电路供电，以防电网突然停电。市电异常时，“辅助电源1”自然也断电，但是“辅助电源2”照常供电，不会影响PWM整流器的工作。
4.2.2电量检测
在EPS工作期间，我们应同时检测以下几个电量（电流或电压）：
（1）市电电压E，以便决定PWM的工作状态。
（2）PWM整流器交流侧电压V，作为逆变时输出电压的反馈信息。
（3）PWM整流器交流侧电流I，用于功率因数控制，以及作为整流时电流内环的反馈信息。
（4）蓄电池端电压Vdc，作为整流时电压环外环的反馈作息，也对蓄电池进行各种操作的依据（恒流充电，恒压充电，浮充，停止放电）。
（5）PWM整流器直流侧电流I′，蓄电池容量检测的主要参数，蓄电池容量为放电电流与放电时间的乘积。
4.2.3容量检测
蓄电池在使用过程中，容量是不断下降的，当电池容量衰减至初始值的80%时，进入快速失效期，容量衰减加快，普遍认为容量低于初始值的80%的蓄电池为失效电池。若没有发现失效电池而继续使用，将埋下安全隐患。可见电池容量是很重要的一个参数，应不定期检测。进行容量检测时，控制放电电流I′为一指定的恒定值，并计时，当电蓄电池电压下降到放电终止电压时，即放电完毕，停止放电和计时，并立刻对蓄电池充电。
4.2.4工作状态切换
由于该EPS电源添加了蓄电池容量检测功能，此时，PWM整流器工作于有源逆变状态，那么PWM整流器就有三个工作状态：整流，有源逆变和无源逆变，它们之间的关系如下：
（1）市电正常时
整流：依次给蓄电池恒流充电、恒压充电和浮充，控制对象是PWM整流器直流侧电压和交流侧电流波形。
有源逆变：容量检测时间到，控制对象是PWM整流器直流侧电流和交流侧电流波形。
（2）市电异常时
无源逆变：断开开关Ks，控制PWM整流器交流侧电压为220V，电流为正弦波，频率为50HZ。
4.2.5控制电路
这是EPS应急电源的控制核心部分，实现各种工作状态的切换控制，以及各种控制算法。对各种采样进行转换和存储，键盘输入信息能够修改程序中的参数，并把一些重要变量的实时值送给显示单元，还能进行各种必要声光报警，有需要时，还得与上位机进行通信，实现更为友好的人机交互界面，或者远程通讯，实现远程监控与管理。
5.结语
根据PWM整流器能够双向传输能量并且同时进行功率因数校正，把传统EPS充电功能与逆变功能统一由一个PWM整流器完成，控制还是由一片智能芯片完成，同时增加了单位功率因数控制和电池容量检测功能，降低了系统的功耗和成本，功能却更加强大。因此，新型EPS应急电源具有更广泛的应用前景，是应急电源研究和开发的一个重要方向。
参考文献：
［１］伍永华.阀控式铅酸蓄电池运行维护分析.安全用电，2005，5：35-36.
［2］李立伟.邹积岩.蓄电池在线监测系统的设计与实现.电工技术杂志，2002，11：7-9.
［3］卢其威等.一种新型三相应急电源（EPS）的研制.电气应用，2005，24（7）：74-76.
［4］陈志萍.应急电源.科技情报开发与经济，2004，14（11）：323-324.
［5］任红.EPS智能应急电源系统的应用.建筑电气，2003，2：18-19.
［6］王坤林等.基于高频整流模式新型EPS及工作原理分析.计算技术与自动化，2007，2（26）：33-35.
［7］张崇巍等.PWM整流器及其控制.北京：机械工业出版社，2003，10.