基于能量循環(huán)的電源節(jié)能方案

在電源設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)電源設(shè)備進(jìn)行例行測(cè)試?yán)匣菣z驗(yàn)設(shè)備的必要環(huán)節(jié)，可以提高電源設(shè)備的可靠性，降低工廠的返工和擔(dān)保成本。但由于設(shè)備老化同時(shí)也增加了生產(chǎn)的電力消耗成本。通常情況下，設(shè)備的例行老化是讓設(shè)備接上模擬負(fù)載進(jìn)行模擬工作，當(dāng)然能量就消耗在模擬負(fù)載上，這種消耗通常沒(méi)有得到最佳的利用。本文根據(jù)電源轉(zhuǎn)換器是將電能轉(zhuǎn)換為不同等級(jí)電能的特點(diǎn)，提出通過(guò)能量反饋實(shí)現(xiàn)大部分能量的循環(huán)利用，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。如何節(jié)能，減少能源消耗是人們一直追求的目標(biāo)，在建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的今天，節(jié)能降耗的意義更顯重要。

工作原理

電源轉(zhuǎn)換器能將電能加工為需要的電能，它的例行老化使用只要在電源轉(zhuǎn)換器的輸出端連接合適的電阻負(fù)載或等效阻抗的用電設(shè)備讓其保證一定的負(fù)荷工作即可。如圖1所示：輸入電壓Vin被電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為Vout加在電阻負(fù)載上，在例行工作時(shí)，電源轉(zhuǎn)換器消耗功率（未計(jì)算轉(zhuǎn)換過(guò)程損耗）為Po="Vout2"/R1。

圖1轉(zhuǎn)換器工作示意圖

這種情況下，電能消耗沒(méi)有得到任何利用，就直接轉(zhuǎn)化為熱能從電阻負(fù)載上散發(fā)出去，是對(duì)電能的一種嚴(yán)重浪費(fèi)。

要實(shí)現(xiàn)節(jié)能循環(huán)利用，主要考慮將消耗在電阻負(fù)載上的能量更加合理的利用。如果能將輸出電壓Vout再還原為輸入電壓Vin，則輸出電能轉(zhuǎn)換為輸入的電能，便可以實(shí)現(xiàn)電能的循環(huán)利用，如圖2所示：將原有轉(zhuǎn)換器的電阻負(fù)載R1用等效輸入阻抗的轉(zhuǎn)換器2取代，轉(zhuǎn)換器2的輸出接轉(zhuǎn)換器1的輸入。則與R1等效輸入阻抗的轉(zhuǎn)換器2從轉(zhuǎn)換器1輸出端消耗的能量被轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換器1的輸入端，再經(jīng)轉(zhuǎn)換器1又到轉(zhuǎn)換器2的輸入端，實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)利用。如果在理想情況下，沒(méi)有轉(zhuǎn)換損耗，則系統(tǒng)可以自循環(huán)工作。當(dāng)然這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，所以在能量分析時(shí)，要引入轉(zhuǎn)換過(guò)程的消耗。

圖2轉(zhuǎn)換器能量循環(huán)示意圖

對(duì)以上兩種工作模式下的能量消耗做如下分析：

第一種工作模式是在沒(méi)有能量循環(huán)的情況下，Pi為轉(zhuǎn)換器的輸入能量，Pw為電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過(guò)程中的消耗能量，Po為轉(zhuǎn)換器消耗在電阻負(fù)載上的輸出能量。假定轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率為80%時(shí)，于是可設(shè)轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過(guò)程消耗的能量為Pw=25%Po，則整體總能量消耗也就是轉(zhuǎn)換器的輸入能量Pi=Po+Pw=1.25Po。

第二種工作模式是引入能量反饋的情況下，能量轉(zhuǎn)換如圖3所示：轉(zhuǎn)換器1為需要例行使用的電源轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器2為用于能量反饋的轉(zhuǎn)換器，Pi為系統(tǒng)外給轉(zhuǎn)換器1的輸入能量，Pw為轉(zhuǎn)換器1轉(zhuǎn)換過(guò)程中的消耗能量，Po為例行使用電源轉(zhuǎn)換器1正常應(yīng)輸出的能量，同時(shí)也是轉(zhuǎn)換器2的輸入能量；Pwf為用于能量反饋的轉(zhuǎn)換器2轉(zhuǎn)換過(guò)程中的消耗能量，Pf為轉(zhuǎn)換器2反饋給電源轉(zhuǎn)換器1的能量。

假設(shè)電源轉(zhuǎn)換器1和轉(zhuǎn)換器2的轉(zhuǎn)換效率都為80%，則轉(zhuǎn)換器1轉(zhuǎn)換過(guò)程消耗能量同模式1為：Pw=25%Po，由轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率得轉(zhuǎn)換器2轉(zhuǎn)換過(guò)程的消耗能量：Pwf=20%Po,根據(jù)能量守衡定律，則整體總消耗能量：Pi=Pw+Pwf=25%Po+20%Po=45%Po。

從以上兩種模式情況下，能量消耗分析可以得出結(jié)論，采用具有能量反饋的工作模式進(jìn)行例行老化使用時(shí)，所消耗的能量只要工作能量的0.45，相比較沒(méi)有能量反饋的例行老化使用，總消耗能量為工作能量的1.25倍.因此具有能量反饋的例行老化使用模式節(jié)約能源。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

從以上兩種工作模式分析所得，可以利用能量反饋形成能量循環(huán)系統(tǒng)，減少能量消耗，系統(tǒng)工作可由圖4示意，包括三個(gè)部分：

圖4能量反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)示意圖

a)電源部分，為系統(tǒng)提供外在激勵(lì)源；

b)轉(zhuǎn)換器部分為需要例行老化的電源設(shè)備，將輸入電源電壓轉(zhuǎn)換為需要輸出電壓；

c)能量反饋部分可將轉(zhuǎn)換器的輸出電壓轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。

能量反饋部分和需要例行試用的轉(zhuǎn)換器組成一個(gè)能量循環(huán)系統(tǒng)，在外電源的激勵(lì)下，系統(tǒng)保持額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)。由功率公式P=U*I,U由例行老化的電源轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定，要保證該額定功率，就是保證輸出電流I，即能量反饋部分設(shè)計(jì)成恒流電路，所以系統(tǒng)在額定功率下，保證能量循環(huán)穩(wěn)定工作的等效控制量為需要例行使用的電能轉(zhuǎn)換器的輸出電流。

在能量反饋部分就要能實(shí)現(xiàn)上述要求，保證穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換器的輸出電流，采用電流傳感器檢測(cè)電能轉(zhuǎn)換器的輸出電流，同時(shí)反饋部分采用反饋電壓與輸出控制電流之間成反比系數(shù)關(guān)系即Uf∝K/Io，為便于分析，設(shè)電源電壓Ui為穩(wěn)定值。當(dāng)輸出電流較小時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電壓，使其變大，則反饋電壓與輸入的電壓差△U=Uf-Ui變大,相應(yīng)的由反饋電壓流向輸入電壓的電流加大，造成相應(yīng)的反饋功率加大；當(dāng)輸出電流較大時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電壓，使Uf變小，則反饋電壓與輸入的電壓差△U變小，相應(yīng)的由反饋電壓流向輸入電壓的電流減小，造成循環(huán)的功率減小；整個(gè)過(guò)程維持負(fù)反饋控制，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，維持設(shè)定的額定功率。