基于能量循環(huán)的電源節能方案

在電源設備生產(chǎn)過(guò)程中，對電源設備進(jìn)行例行測試老化是檢驗設備的必要環(huán)節，可以提高電源設備的可靠性，降低工廠(chǎng)的返工和擔保成本。但由于設備老化同時(shí)也增加了生產(chǎn)的電力消耗成本。通常情況下，設備的例行老化是讓設備接上模擬負載進(jìn)行模擬工作，當然能量就消耗在模擬負載上，這種消耗通常沒(méi)有得到最佳的利用。本文根據電源轉換器是將電能轉換為不同等級電能的特點(diǎn)，提出通過(guò)能量反饋實(shí)現大部分能量的循環(huán)利用，從而實(shí)現節能的目的。如何節能，減少能源消耗是人們一直追求的目標，在建設節約型社會(huì )的今天，節能降耗的意義更顯重要。

工作原理

電源轉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換器的輸出端連接合適的電阻負載或等效阻抗的用電設備讓其保證一定的負荷工作即可。如圖1所示：輸入電壓Vin被電源轉換器轉換為Vout加在電阻負載上，在例行工作時(shí)，電源轉換器消耗功率（未計算轉換過(guò)程損耗）為Po="Vout2"/R1。

圖1轉換器工作示意圖

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

要實(shí)現節能循環(huán)利用，主要考慮將消耗在電阻負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，則輸出電能轉換為輸入的電能，便可以實(shí)現電能的循環(huán)利用，如圖2所示：將原有轉換器的電阻負載R1用等效輸入阻抗的轉換器2取代，轉換器2的輸出接轉換器1的輸入。則與R1等效輸入阻抗的轉換器2從轉換器1輸出端消耗的能量被轉換到轉換器1的輸入端，再經(jīng)轉換器1又到轉換器2的輸入端，實(shí)現了能量的循環(huán)利用。如果在理想情況下，沒(méi)有轉換損耗，則系統可以自循環(huán)工作。當然這是無(wú)法實(shí)現的，所以在能量分析時(shí)，要引入轉換過(guò)程的消耗。

圖2轉換器能量循環(huán)示意圖

對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為轉換器的輸入能量，Pw為電源轉換器轉換過(guò)程中的消耗能量，Po為轉換器消耗在電阻負載上的輸出能量。假定轉換器的轉換效率為80%時(shí)，于是可設轉換器在轉換過(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，能量轉換如圖3所示：轉換器1為需要例行使用的電源轉換器，轉換器2為用于能量反饋的轉換器，Pi為系統外給轉換器1的輸入能量，Pw為轉換器1轉換過(guò)程中的消耗能量，Po為例行使用電源轉換器1正常應輸出的能量，同時(shí)也是轉換器2的輸入能量；Pwf為用于能量反饋的轉換器2轉換過(guò)程中的消耗能量，Pf為轉換器2反饋給電源轉換器1的能量。

假設電源轉換器1和轉換器2的轉換效率都為80%，則轉換器1轉換過(guò)程消耗能量同模式1為：Pw=25%Po，由轉換器的轉換效率得轉換器2轉換過(guò)程的消耗能量：Pwf=20%Po,根據能量守衡定律，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約能源。

系統實(shí)現

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，減少能量消耗，系統工作可由圖4示意，包括三個(gè)部分：

圖4能量反饋系統實(shí)現示意圖

a)電源部分，為系統提供外在激勵源；

b)轉換器部分為需要例行老化的電源設備，將輸入電源電壓轉換為需要輸出電壓；

c)能量反饋部分可將轉換器的輸出電壓轉換為轉換器的輸入電壓。

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

在能量反饋部分就要能實(shí)現上述要求，保證穩定的電能轉換器的輸出電流，采用電流傳感器檢測電能轉換器的輸出電流，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關(guān)系即Uf∝K/Io，為便于分析，設電源電壓Ui為穩定值。當輸出電流較小時(shí)，通過(guò)調節反饋電壓，使其變大，則反饋電壓與輸入的電壓差△U=Uf-Ui變大,相應的由反饋電壓流向輸入電壓的電流加大，造成相應的反饋功率加大；當輸出電流較大時(shí)，通過(guò)調節反饋電壓，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)程維持負反饋控制，最終達到動(dòng)態(tài)平衡，維持設定的額定功率。