艾默生网络能源公司          李成章
　　
　　摘要在金卤灯照明系统的运行中，如果输入电源因故发生“闪断”故障的持续时间超过4～5ms，就会导致金卤灯发生“熄灯”10min以上的严重事故。为了确保奥运工程相关用电设备的稳定运行，艾默生公司为此开发出“场馆专用”UPS产品，以确保金卤灯照明系统的安全运行。
　　
　　4 采用UPS才能确保金卤灯照明系统的安全运行
　　
　　以前因为各种原因,曾经将用于驱动一般应急照明的EPS用于金卤灯的供电电源。然而,无论从理论上还是从奥运测试赛的运行实践中都证明:EPS无法确保金卤灯照明系统的安全运行,只有UPS才能确保金卤灯照明系统的安全运行。之所以有的用户选用EPS的主要原因是:对于由普通应急照明灯和金卤灯所允许的“瞬间供电中断”时间长短之间的差别,以及由此所可能造成的危害程度的认知度不够。这是由于以下两点原因所致:

　　
　　(1)在忽视对金卤灯供电的“高可靠性”的情况下,过分地强调供电电源的“高效率”。当初推荐选用EPS的重要论据之一就是认为EPS的效率高于UPS:当市电供电正常时,EPS的系统效率可高达96%～97%。相比之下,在线式双变换UPS的系统效率仅为92%～94%。如图11a所示,对于EPS而言,当市电供电正常时,其逆变器是处于“自动关机”状态或空载的“待机运行”状态之下的。此时的市电经充电器的AC/DC变换处理后,仅需向蓄电池组提供少量电能。在此条件下,市电将直接经其交流旁路向负载提供不稳压、随时都可能发生停电/“闪断”故障的电源,从而给金卤灯的安全运行留下严重的故障隐患。实际上,在此条件下运行的EPS作用仅相当一条传输电缆。与此相反,对于在线式双变换UPS而言(图11b),它是首先经AC/DC变换处理将不稳压的市电变成自动稳压的直流电源,由该直流电源同时承担向蓄电池和逆变器提供直流电的任务。此后,这路直流电源再经UPS的逆变器进行DC/AC变换处理后,向负载输出高品质的“逆变电源”。显而易见,同ESP相比,虽然UPS的效率相对稍低一些。然而从UPS所输出的“逆变电源”同时具有自动稳压特性的、不间断的、无频率“突变”的、无干扰的正弦波电源等优异特性,这样的供电质量是远非EPS的供电质量所能相比拟的,利用它完全可以确保金卤灯的安全运行。
　　
　　(2)因各种原因对金卤灯与常见的应急灯运行特性之间的本质区别认识不够。人们主要存在着认为EPS的切换时间也能满足技术需求的“误解”。其原因之一是,误认为可以直接引用GB17945-2000国家标准(消防应急照明)来设计相应的金卤灯供电系统。这是因为按照该标准的相关规定，为了确保消防系统及大楼的应急照明系统能正常运行，要求EPS在执行市电交流旁路供电←→逆变器供电的切换操作时,所可能产生的“瞬间供电中断”时间(即EPS的切换时间)小于5s即可(见图11a)。即使对于用于高危险工作区及关键工作区的应急照明而言,也仅要求EPS的“瞬间供电中断”时间小于0.25s(即250ms)即可。这是因为,对于这些应急灯而言,由于输入电源的“瞬间供电中断”所可能造成的影响仅表现为应急灯的“短暂熄灯”。一旦输入电源恢复正常供电后,这些应急灯就会立即被重新点亮，因此可以使用EPS。相关的统计数据表明:EPS在执行市电旁路供电转为逆变器供电的切换操作时,所需的切换时间长达25～100ms。然而,对于金卤灯而言,它所允许的瞬间供电中断时间应该小于4～5ms。否则,就会出现金卤灯系统至少熄灯10min以上的现象。显然,这对于承担奥运会的体育场馆的照明系统来说,是绝对不允许的。基于上述原因,不宜选用EPS作为金卤灯的供电电源,只能选用UPS。这是因为,UPS在执行市电旁路供电转为逆变器供电的切换操作时,它所需的切换时间为零。
　　
　　(3)由于各种原因,由于对UPS采用市电优先供电的ECO(节能)工作模式的工作原理和实践运行不够熟悉,目前有的厂家试图采用将EPS中的执行市电交流旁路供电,转为逆变器供电切换操作的切换开关从快速继电器改为SCR型的静态开关的办法,来将其切换时间降到小于3ms以下(注:“快速切换型”EPS的工作原理与处于ECO工作状态下运行的UPS的工作原理并无任何实质上的差别)。然而,多年运行实践表明:为确保市电电网及UPS本身的可靠性不致降低,对于处于ECO工作模式下运行的UPS来说,它执行市电交流旁路供电转为逆变器供电切换操作的切换时间为15ms左右,不能满足金卤灯所需的供电要求。
　　
　　(4)此外,对于EPS而言,一旦它进入逆变器供电状态时,还存在着与传统UPS在逆变器工作状态有着相同的故障隐患,因发生“谐波电流谐振”而导致逆变器“自动关机”。其故障现象为:当负载比较重时,EPS的逆变器会“莫名其妙”地自动关机(详情见下节分析)。有关UPS和EPS之间的主要技术区别如表3所示。

　　
　　5 为金卤灯照明系统研发专用的􀁬场地照明用UPS􀁺的必要性
　　
　　根据在线式双变换UPS的设计原理:其逆变电源的频率和相位始终同步跟踪交流旁路输入电源,而因故需要它执行逆变电源供电转为市电交流旁路供电的切换操作时,采用的是“重叠供电”式的“先通后断”的切换操作方式。因此,可以确保其切换时间为零。此外,对于UPS而言,一旦其市电输入电源供电因故发生停电/闪断故障时,还可在电池组所提供的直流电支持下,确保不间断地向负载输出高品质的逆变电源,无需执行任何的切换操作。所以,在UPS的各种运行工况下,其切换时间都是零。正是基于UPS具有如此优异的技术性能,因此才将UPS选配为金卤灯照明系统的供电电源。然而,并不是所有的在线式双变换UPS都能直接用于金卤灯的照明系统。对于金卤灯的UPS供电系统而言,当传统UPS接的负载比较轻时,它似乎可以正常工作(见图12a)。

然而,随着UPS负载逐渐地增大,就会出现如图12b所示的“电流谐波谐振”现象(注:由于各种UPS的SPWM型脉宽调制调控方式及参数值的设计方案的不同,其临界负载百分比为40%～50%左右)。在此条件下,用户往往会观察到金卤灯的发光亮度会出现周期性的闪烁现象。此时,如果不采取必要的技术改进措施,随着UPS负载的继续增大,就会出现因UPS的输出电压波形和输出电流波形发生严重的波形畸变,而导致UPS因其输出THDV/THDI值“过大”迫使逆变电源进入自动关机状态,并进而使UPS切换到交流旁路供电状态。在此条件下,金卤灯随时有可能熄灭,导致发生上述异常现象发生的原因是,目前市场上销售的UPS均是针对信息产业用的IT设备和工控系统中的DCS设备来进行设计和生产的。当UPS在带这种负载时,面对UPS输出端的负载类型是整流滤波器(见图13a)。

在这里,IT设备/DCS设备中的整流滤波器将从UPS所输出的交流电源经AC/DC变换处理,转变成IT设备/DCS设备的控制电路所需的各种低压直流电源,通常配置有“时间常数很大”的滤波器。然而,对于金卤灯照明系统而言,其输入调控特性则完全不同(见图13b)。在这里,从UPS所输出的交流电源,在其“LC型输入滤波器+镇流器”所组成的输入调控电路的控制下,经AC/AC变换处理后,再将50Hz正弦波的输入电源转变成金卤灯的灯管所需的50Hz方波电源,整个调控线路的“时间常数”较小。也就是说,在这里是对50Hz的交流电源进行AC/AC型的波形变换,而不是从交流电源转变成直流电源的AC/DC的变换。两者之间不仅调控原理完全不同,而且“时间常数”相差很大。在这里,还需特别说明的是:
　　
　　①当UPS的负载为IT设备/DCS设备时,由于在它们的整流滤波器中配置有大容量的滤波电容(典型值为几万微法数量级),所以,它们允许UPS的瞬间断电时间较长(10～20ms);
　　
　　②当UPS的负载为金卤灯照明系统时,由于在其LC型无源滤波器中所配置的滤波电容的电容量较小(典型值为几十微法数量级),因此允许UPS的瞬间断电时间较短(<4ms)。
　　
　　在金卤灯的50Hz正弦波形的输入电流波上叠加有大量的频率为几千赫的高频脉动电流。正是由于这种高频脉动电流的出现,极易导致UPS因产生电流谐波振荡,迫使其“实际带载量”大幅度下降。有鉴于此,为确保奥运场馆用的金卤灯照明系统能安全可靠地运行,不宜采用传统UPS供电。因此,有研发实力的UPS产品制造商有必要开发新型的“场馆专用UPS”。
　　
　　（未完待续）

【红尘有你】