試驗室用交流穩(wěn)壓電源節(jié)能措施的研究

李子琦,王 璐,史 驥

(上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135)

試驗室用交流穩(wěn)壓電源節(jié)能措施的研究

李子琦,王 璐,史 驥

(上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135)

針對試驗室機電類產(chǎn)品檢測能耗日益增加的問題，對交流穩(wěn)壓電源在試驗室內(nèi)使用的現(xiàn)狀進行了分析，研究了其在日常使用過程中的能耗情況。根據(jù)試驗室在檢測工作中對于交流穩(wěn)壓電源的使用習慣，以及研究和分析目前國內(nèi)外主流交流穩(wěn)壓電源的技術(shù)特點，給出了交流穩(wěn)壓電源節(jié)能措施的建議，提出了電源容量最佳匹配和節(jié)能型電源的相關(guān)設(shè)計方案。通過實際數(shù)據(jù)驗證了該方案的可行性和有效性。試驗結(jié)果表明，該設(shè)計方案能有效降低在測試機電產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的總能耗，達到了節(jié)能的目的。該方法為試驗室節(jié)能研究提供了一種有效思路，具有一定的借鑒作用。

節(jié)能； 變壓器； 交流穩(wěn)壓電源； 容量匹配； 優(yōu)化；可靠性

0 引言

交流穩(wěn)壓電源(以下簡稱電源)是一種能為負載提供穩(wěn)定交流電源的電子電器設(shè)備，被廣泛應用于工業(yè)自動化、成套設(shè)備等各種需要穩(wěn)定電壓的場合。作為標準配置，機電產(chǎn)品的檢測試驗室需要配置穩(wěn)定性好、運行可靠性高的電源為檢測樣品供電[1-3]，以滿足日常檢測工作的需要。同時，為了顯示自身的硬件能力，試驗室大多配置大容量的電源。無論檢測小功率產(chǎn)品，還是大功率產(chǎn)品，均使用同一臺大容量電源為產(chǎn)品供電。大容量的電源確實滿足了試驗室對于產(chǎn)品檢測的需要，但其不僅帶來了較高的采購成本，還每日消耗試驗室大量的電能。而這卻是大多數(shù)試驗室未曾考慮和加以研究的問題。

本文根據(jù)試驗室在檢測工作中對于交流穩(wěn)壓電源的使用習慣，以及目前國內(nèi)外主流交流穩(wěn)壓電源的技術(shù)特點，提出了電源容量最佳匹配和節(jié)能型電源的相關(guān)設(shè)計方案，并進行了可行性驗證。

1 電源節(jié)能措施的研究和設(shè)計

對于電源，其整體能耗的計算方法為：電源的最終能耗=電源空載能耗+被測產(chǎn)品功耗+電源負荷運行的疊加損耗。其中，電源空載能耗一般由絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)開關(guān)損耗、散熱系統(tǒng)損耗、濾波器損耗和控制電源損耗等部分組成。當電源帶載負荷運行時，控制電源損耗部分基本不變，而其他部分損耗一般會隨著負載功率的上升而增加，增加部分稱為電源負荷運行時的疊加損耗。電源空載時的能耗加上電源負荷運行時的疊加損耗，稱為電源在正常運行過程中的自身能耗。由于被測產(chǎn)品的功耗無法改變，因此，可認為降低電源在正常運行過程中的自身能耗就能降低電源系統(tǒng)在試驗過程中的整體能耗。

經(jīng)過多次對比測試和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，以現(xiàn)有技術(shù)條件可通過以下兩個方案實現(xiàn)對電源整體能耗的控制和改善。

1.1 試驗室用電源容量匹配方案

根據(jù)被測試產(chǎn)品容量的不同尋找容量最為匹配的電源是電源容量匹配較簡單、較直接的方法。根據(jù)實際測試，1臺10 kV的電源和1臺100 kV的電源同時空載運行，前者的能耗明顯低于后者。而造成這一切的主要原因是電源系統(tǒng)內(nèi)部的變壓器容量不同。

變壓器是電源的核心部件，容量越大的電源，其所配備的變壓器容量也越大。根據(jù)我國國家標準，變壓器的空載損耗不允許超過其額定容量的10%。而根據(jù)有關(guān)電源制造企業(yè)的反饋，一般用于電源的變壓器，其空載損耗不超過額定容量的2%。不同容量電源的空載能耗如表1所示。

表1 不同容量電源的空載能耗表

從表1可以看出，容量越大的電源，空載損耗也越高。若用于同一臺產(chǎn)品的試驗供電，最終產(chǎn)生的能耗也將隨著電源容量的增加呈上升趨勢。試驗室日常工作經(jīng)驗證明，使用不同容量但品質(zhì)相近的電源，對產(chǎn)品的試驗結(jié)果沒有任何直接影響。因此，根據(jù)被測試產(chǎn)品的容量選取最佳匹配的電源，可以改善電源能源消耗過量的問題，有效控制和降低試驗過程中的能耗。

此外，對于絕大多數(shù)電源，其工作的最佳效率區(qū)間為額定容量的40%～80%，最高效率點往往位于額定容量的50%～60%。結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)進行分析，同時兼顧目前市場上電源系統(tǒng)的標準容量配置以及產(chǎn)品試驗時可能出現(xiàn)的過載運行情況，再依據(jù)試驗室配置電源的習慣，給出如表2所示的方案，用于改善和控制電源的能耗。

表2 試驗室檢測用電源最佳匹配方案表

1.2 容量可變的節(jié)能型電源方案

并非所有試驗室都具有雄厚的財力，可以根據(jù)產(chǎn)品不同將所有容量電源配置齊全，也并非所有試驗室都能有場地容納這么多電源。為此，給出另一種節(jié)能型電源設(shè)計方案：通過技術(shù)設(shè)計和改進，控制并降低大容量電源在正常運行過程中的自身能耗。該方案通過調(diào)節(jié)節(jié)能型電源運行時的容量來實現(xiàn)降低能耗，具體介紹如下。

設(shè)計電源主要由變壓器、整流濾波電路、逆變器、控制回路以及設(shè)置面板等部分組成。逆變器至少由一個子逆變器組成。子逆變器相互并聯(lián)，且額定容量相同(便于調(diào)節(jié)，也可選用不同額定容量)。各子逆變器中均包括驅(qū)動控制周邊電路以及若干相互并聯(lián)的功率模塊。驅(qū)動控制周邊電路連接其所在的子逆變器中的若干功率模塊，每個子逆變器中功率模塊的數(shù)量相同，且每個功率模塊的額定容量相同。變壓器的額定容量等于若干子逆變器的容量之和。設(shè)置面板上還設(shè)有若干選通開關(guān)，選通開關(guān)分別串聯(lián)接入每個功率模塊的并聯(lián)支路。通過選取適當容量的功率模塊，以降低交流穩(wěn)壓變頻電源運行時的能耗，從而達到節(jié)能的目的。

為具體分析和驗證上述設(shè)計方案的可行性和節(jié)能特點，以額定容量為60 kV的電源為研究對象，采用上述方案對其進行改造。經(jīng)改造后的60 kV電源，包括變壓器、整流濾波電路、逆變器、設(shè)置面板、電壓頻率檢測電路以及電壓頻率顯示裝置。逆變器由若干子逆變器構(gòu)成。子逆變器數(shù)量以及額定容量值不作限定，可以采用不同數(shù)量的逆變器，也可以采用其他額定容量的子逆變器，各子逆變器的容量必須相同。子逆變器的個數(shù)小于3，只適用于單相電的供應，而3個或3個以上的子逆變器則適用于單相電以及三相電的供應。當某一子逆變器工作異常時，子逆變器多于3個的可以通過其他子逆變器進行替換。逆變器中子逆變器的數(shù)量以及子逆變器中功率模塊的數(shù)量可以根據(jù)供電需求、精度以及電源尺寸的限制進行設(shè)定。其中，變壓器的容量等于子逆變器的額定容量之和，而每個子逆變器的容量等于其下功率模塊的容量之和。

當使用電源時[4-6]，首先需要確定連接的外部負載功率、所需電壓以及頻率，根據(jù)外部負載的功率閉合6個(三組)選通開關(guān)，并通過調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)鈕以及頻率調(diào)節(jié)鈕設(shè)置外部負載所需電壓和頻率，再閉合總開關(guān)即可。①若外部負載功率≤10 kW，且需要供應單相電，則閉合6個選通開關(guān)中的任意1個，即可滿足供電需求；②若10 kW<外部負載功率≤20 kW,且需要供應單相電，則只需將選通開關(guān)中的2個閉合即可；若外部負載功率≤10 kW，且需要供應三相電，則需要關(guān)閉選通開關(guān)6個中的3個(每組中的1個)，即分別選通第一功率模塊、第二功率模塊以及第三功率模塊，使其進行工作；③若外部負載功率>20 kW，需要供應三相電，則需關(guān)閉全部6個選通開關(guān)。改造前后的電源能耗情況對比如表3所示。

表3 改造前后的電源能耗情況對比表

相對傳統(tǒng)容量60 kV的電源固定的運行能耗模式，上述設(shè)計方案中內(nèi)部設(shè)置多個子逆變器，且子逆變器中設(shè)置多個功率模塊的交流變頻穩(wěn)壓電源。在子逆變器以及子逆變器的功率模塊單獨或并聯(lián)組合運行情況下，其運行能耗較低，從而能有效減少在測試機電產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的總能耗，達到節(jié)能的目的。

2 結(jié)束語

十三五期間，我國政府提出了能量系統(tǒng)優(yōu)化的節(jié)能減排重點工程。本文以此為契機，對機電產(chǎn)品檢測試驗室中常用電源的節(jié)能技術(shù)措施進行了研究和方案設(shè)計，并加以驗證。該設(shè)計方法只是控制試驗室能耗的一個環(huán)節(jié)，其他可供研究的節(jié)能關(guān)鍵點尚有很多。機電產(chǎn)品檢測試驗室應從各方面加快自身的能耗優(yōu)化和改革步伐，努力向建設(shè)節(jié)能環(huán)保型試驗室的目標邁進。

[1] 劉鳳君.PWM逆變器式交流穩(wěn)壓電源的原理分析 [J].電源技術(shù)應用，2001，6(6)：241-245.

[2] 中華人民共和國上海出入境檢驗檢疫局.一種可調(diào)節(jié)容量的節(jié)能型交流穩(wěn)壓電源：ZL 2014 2 0100350.0[P].[2016-08-15].

[3] 裴云慶,楊旭,王兆安.開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計和應用[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2010.

[4] 張永瑞.電路分析基礎(chǔ) [M].4版.西安：西安電子科技大學出版社， 2014.

[5] 吳建華,李華,賀立紅，等.電路原理[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社， 2013.

[6] FLOYD L T.電路原理[M].羅偉雄,譯.北京：電子工業(yè)出版社， 2005.

科技論文中文文摘的撰寫

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Research on the Energy-Saving Measures for AC Power Supply Used in Laboratory

LI Ziqi,WANG Lu,SHI Ji

(Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Shanghai 200135,China)

Considering the increasing energy consumption for detection of electromechanical products in laboratory,the current situation of usage of AC power supplies in laboratory is analyzed,and the conditions of energy consumption are researched.In accordance with the habit in usage of the AC power supply in detection;and the technical features of the power supplies at home and abroad are researched and analyzed,the suggestions and measures about energy saving for AC power supplies are given;the optimal matching of capacity of power supply and relevant design scheme of energy saving power supply are proposed.The feasibility and effectiveness of the scheme are verified through actual data.It shows that with this design scheme,the total energy consumption in test process of electromagnetic products can be effectively reduced;the purpose of energy saving is reached.The method provides an effective concept for researching energy saving in laboratory,and possesses certain reference value.

Energy- saving； Transformer; AC power supply； Capacity-matching； Optimization； Reliability

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局基金資助項目(2015IK236)

李子琦(1984—)，男，學士，工程師，主要從事機電產(chǎn)品的檢測及標準研究。E-mail:lizq@shciq.gov.cn。

TH-39;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703026

修改稿收到日期：2016-11-08