新型基于能量循環(huán)的電源老化節(jié)能實(shí)現(xiàn)

1引言

現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了電源業(yè)的發(fā)展，任何電子設(shè)備都離不開(kāi)各種精度的電源。電源轉(zhuǎn)換器能將各種電壓轉(zhuǎn)換為用戶需要的電壓，比如：電力變壓器能將輸送的千伏高壓交流電轉(zhuǎn)換為正常使用的市電；各種充電機(jī)、以及工業(yè)和通信用供電模塊，能將交流或直流電壓轉(zhuǎn)換為用戶要求直流或交流電壓，這種設(shè)備都是提供電能轉(zhuǎn)換的電源轉(zhuǎn)換器。相比較信號(hào)級(jí)的轉(zhuǎn)換器電能轉(zhuǎn)換器的功率要大得多，從幾瓦到幾十千瓦，他們的工作伴隨巨大的能量轉(zhuǎn)換。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)試老化是檢驗(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。

2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。

圖3有反饋模式的能量轉(zhuǎn)換圖

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。

3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??；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。

4反饋設(shè)計(jì)

從以上能量反饋系統(tǒng)工作分析可知，能量反饋部分為系統(tǒng)穩(wěn)定工作提供必要的保證， 能量反饋部分組成可由圖5所示，主要包括：輸入部分、功率轉(zhuǎn)換部分、輸出部分、采樣、基準(zhǔn)、比較器和控制器七個(gè)組成部分。

圖5能量反饋組成框圖

a) 輸入部分是對(duì)輸入電能必要的濾波處理同時(shí)為控制器部分電路提供輔助工作電源；

b) 功率轉(zhuǎn)換部分作用主要是在控制器的控制下，將輸入電能轉(zhuǎn)換為需要的電能；

c) 輸出濾波部分主要作用是對(duì)功率轉(zhuǎn)換部分輸出電能進(jìn)行必要的濾波；

d) 采樣部分主要是對(duì)輸出電能采樣提供與輸出呈線性關(guān)系的采樣信號(hào)；

e) 基準(zhǔn)部分提供與采用比較的穩(wěn)定參考值；

f) 比較器將采樣信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較，產(chǎn)生兩者的誤差信號(hào)；

g) 控制器部分作用是根據(jù)比較器提供的誤差信號(hào)，給出對(duì)功率轉(zhuǎn)換部分的控制信號(hào)。

對(duì)于功率轉(zhuǎn)換部分的電路拓?fù)淇筛鶕?jù)功率大小以及轉(zhuǎn)換電壓，選定如buck型或boost型以及由此引申的各種電路形式?？刂破骺蛇x用專門的控制芯片或通用的處理芯片實(shí)現(xiàn)上述要求的控制。

5 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

根據(jù)上述反饋部分的設(shè)計(jì)要求，采用一種轉(zhuǎn)換電壓從48V到200V功率為180W的直流變換器為需要例行老化的轉(zhuǎn)換器1，用于能量反饋的轉(zhuǎn)換器2電路主要包括兩大主要部分：分為功率轉(zhuǎn)換部分和控制器部分。在功率轉(zhuǎn)換部分的采用推挽轉(zhuǎn)換方式電路和全橋整流電路?？刂破鞑捎肬NITRODE公司的固定頻率，電流模式的PWM控制芯片3846，其內(nèi)部電路圖由振蕩器、誤差放大器、基準(zhǔn)源、鎖存器、圖騰輸出等組成。其主要特點(diǎn)是：逐周波電流限制、支持緩啟動(dòng)、差分電流檢測(cè)放大、高達(dá)500 的工作頻率、500 的峰值圖騰輸出以及欠壓鎖定等功能,比較便于外圍功能設(shè)定。按照上述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，依據(jù)例行老化

圖6 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

轉(zhuǎn)換器1的輸出功率，測(cè)試系統(tǒng)相應(yīng)的消耗功率，同時(shí)對(duì)比沒(méi)有電能反饋模式下的消耗功率，所得的對(duì)比結(jié)果如圖6所示，由圖可知，在通常工作模式情況下，消耗功率大于輸出功率，同時(shí)隨著輸出功率增大迅速上升；對(duì)于有能量反饋的模式，系統(tǒng)消耗功率小于工作循環(huán)功率，在輸出功率為100W前，曲線的增長(zhǎng)率較大，在輸出功率大于100W后，曲線增長(zhǎng)率較小且有一定的收斂趨勢(shì)。

結(jié)果分析：在通常工作模式情況下，曲線的波動(dòng)是由于電能轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率影響造成的，由前面原理分析可知消耗功率為Pi=Po+Pw, 如果轉(zhuǎn)換效率為 ，則Pi=Po/η，轉(zhuǎn)換效率η通常隨著輸出功率的變化有一定的波動(dòng)，所以曲線的波動(dòng)符合理論分析；在有反饋的工作模式情況下，由前面原理分析部分得系統(tǒng)的消耗功率為Pi=Pw+Pwf，分別設(shè)轉(zhuǎn)換器1的轉(zhuǎn)換效率為η1，反饋部分的轉(zhuǎn)換效率為η2，則系統(tǒng)的消耗功率為：

由于η1和η2隨著功率的加大都會(huì)有所提高，所以系數(shù)1/η1-η2會(huì)有一定的收斂，相應(yīng)的功率消耗有一定的收斂符合理論分析。

6結(jié)論

基于能量循環(huán)的老化節(jié)能實(shí)現(xiàn)方法具有明顯的節(jié)能效果，能大幅度降低電源老化過(guò)程的電能消耗，從本質(zhì)上解決電源老化設(shè)備大能耗問(wèn)題。有利于降低生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化水平，為國(guó)家節(jié)能降耗做出貢獻(xiàn)。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：針對(duì)目前電源老化過(guò)程的高電能消耗現(xiàn)狀，提出將老化過(guò)程中消耗的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換反饋到輸入端，實(shí)現(xiàn)電能的循環(huán)利用，同時(shí)保證電源的正常老化過(guò)程，從本質(zhì)上解決電源老化設(shè)備高能耗問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 張占松,蔡宣三. 開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì).北京:電子工業(yè)出版社,1998.6

[2] 王水平，周培志 PWM控制與驅(qū)動(dòng)器使用指南及應(yīng)用電路

西安電子科技大學(xué)出版社 2005

[3] 張衛(wèi)平 現(xiàn)代電能變換技術(shù)及應(yīng)用 科學(xué)出版社, 2001

[4] 陳偉 基于DSP的PWM型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 微計(jì)算機(jī)信息，2006，1-2：238-240

[5] 王水平,付敏江. 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001