试验室用交流稳压电源节能措施的研究

李子琦,王 璐,史 骥

(上海出入境检验检疫局，上海 200135)

试验室用交流稳压电源节能措施的研究

李子琦,王 璐,史 骥

(上海出入境检验检疫局，上海 200135)

针对试验室机电类产品检测能耗日益增加的问题，对交流稳压电源在试验室内使用的现状进行了分析，研究了其在日常使用过程中的能耗情况。根据试验室在检测工作中对于交流稳压电源的使用习惯，以及研究和分析目前国内外主流交流稳压电源的技术特点，给出了交流稳压电源节能措施的建议，提出了电源容量最佳匹配和节能型电源的相关设计方案。通过实际数据验证了该方案的可行性和有效性。试验结果表明，该设计方案能有效降低在测试机电产品过程中产生的总能耗，达到了节能的目的。该方法为试验室节能研究提供了一种有效思路，具有一定的借鉴作用。

节能； 变压器； 交流稳压电源； 容量匹配； 优化；可靠性

0 引言

交流稳压电源(以下简称电源)是一种能为负载提供稳定交流电源的电子电器设备，被广泛应用于工业自动化、成套设备等各种需要稳定电压的场合。作为标准配置，机电产品的检测试验室需要配置稳定性好、运行可靠性高的电源为检测样品供电[1-3]，以满足日常检测工作的需要。同时，为了显示自身的硬件能力，试验室大多配置大容量的电源。无论检测小功率产品，还是大功率产品，均使用同一台大容量电源为产品供电。大容量的电源确实满足了试验室对于产品检测的需要，但其不仅带来了较高的采购成本，还每日消耗试验室大量的电能。而这却是大多数试验室未曾考虑和加以研究的问题。

本文根据试验室在检测工作中对于交流稳压电源的使用习惯，以及目前国内外主流交流稳压电源的技术特点，提出了电源容量最佳匹配和节能型电源的相关设计方案，并进行了可行性验证。

1 电源节能措施的研究和设计

对于电源，其整体能耗的计算方法为：电源的最终能耗=电源空载能耗+被测产品功耗+电源负荷运行的叠加损耗。其中，电源空载能耗一般由绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)开关损耗、散热系统损耗、滤波器损耗和控制电源损耗等部分组成。当电源带载负荷运行时，控制电源损耗部分基本不变，而其他部分损耗一般会随着负载功率的上升而增加，增加部分称为电源负荷运行时的叠加损耗。电源空载时的能耗加上电源负荷运行时的叠加损耗，称为电源在正常运行过程中的自身能耗。由于被测产品的功耗无法改变，因此，可认为降低电源在正常运行过程中的自身能耗就能降低电源系统在试验过程中的整体能耗。

经过多次对比测试和数据分析发现，以现有技术条件可通过以下两个方案实现对电源整体能耗的控制和改善。

1.1 试验室用电源容量匹配方案

根据被测试产品容量的不同寻找容量最为匹配的电源是电源容量匹配较简单、较直接的方法。根据实际测试，1台10 kV的电源和1台100 kV的电源同时空载运行，前者的能耗明显低于后者。而造成这一切的主要原因是电源系统内部的变压器容量不同。

变压器是电源的核心部件，容量越大的电源，其所配备的变压器容量也越大。根据我国国家标准，变压器的空载损耗不允许超过其额定容量的10%。而根据有关电源制造企业的反馈，一般用于电源的变压器，其空载损耗不超过额定容量的2%。不同容量电源的空载能耗如表1所示。

表1 不同容量电源的空载能耗表

从表1可以看出，容量越大的电源，空载损耗也越高。若用于同一台产品的试验供电，最终产生的能耗也将随着电源容量的增加呈上升趋势。试验室日常工作经验证明，使用不同容量但品质相近的电源，对产品的试验结果没有任何直接影响。因此，根据被测试产品的容量选取最佳匹配的电源，可以改善电源能源消耗过量的问题，有效控制和降低试验过程中的能耗。

此外，对于绝大多数电源，其工作的最佳效率区间为额定容量的40%～80%，最高效率点往往位于额定容量的50%～60%。结合表1中的数据进行分析，同时兼顾目前市场上电源系统的标准容量配置以及产品试验时可能出现的过载运行情况，再依据试验室配置电源的习惯，给出如表2所示的方案，用于改善和控制电源的能耗。

表2 试验室检测用电源最佳匹配方案表

1.2 容量可变的节能型电源方案

并非所有试验室都具有雄厚的财力，可以根据产品不同将所有容量电源配置齐全，也并非所有试验室都能有场地容纳这么多电源。为此，给出另一种节能型电源设计方案：通过技术设计和改进，控制并降低大容量电源在正常运行过程中的自身能耗。该方案通过调节节能型电源运行时的容量来实现降低能耗，具体介绍如下。

设计电源主要由变压器、整流滤波电路、逆变器、控制回路以及设置面板等部分组成。逆变器至少由一个子逆变器组成。子逆变器相互并联，且额定容量相同(便于调节，也可选用不同额定容量)。各子逆变器中均包括驱动控制周边电路以及若干相互并联的功率模块。驱动控制周边电路连接其所在的子逆变器中的若干功率模块，每个子逆变器中功率模块的数量相同，且每个功率模块的额定容量相同。变压器的额定容量等于若干子逆变器的容量之和。设置面板上还设有若干选通开关，选通开关分别串联接入每个功率模块的并联支路。通过选取适当容量的功率模块，以降低交流稳压变频电源运行时的能耗，从而达到节能的目的。

为具体分析和验证上述设计方案的可行性和节能特点，以额定容量为60 kV的电源为研究对象，采用上述方案对其进行改造。经改造后的60 kV电源，包括变压器、整流滤波电路、逆变器、设置面板、电压频率检测电路以及电压频率显示装置。逆变器由若干子逆变器构成。子逆变器数量以及额定容量值不作限定，可以采用不同数量的逆变器，也可以采用其他额定容量的子逆变器，各子逆变器的容量必须相同。子逆变器的个数小于3，只适用于单相电的供应，而3个或3个以上的子逆变器则适用于单相电以及三相电的供应。当某一子逆变器工作异常时，子逆变器多于3个的可以通过其他子逆变器进行替换。逆变器中子逆变器的数量以及子逆变器中功率模块的数量可以根据供电需求、精度以及电源尺寸的限制进行设定。其中，变压器的容量等于子逆变器的额定容量之和，而每个子逆变器的容量等于其下功率模块的容量之和。

当使用电源时[4-6]，首先需要确定连接的外部负载功率、所需电压以及频率，根据外部负载的功率闭合6个(三组)选通开关，并通过调节电压调节钮以及频率调节钮设置外部负载所需电压和频率，再闭合总开关即可。①若外部负载功率≤10 kW，且需要供应单相电，则闭合6个选通开关中的任意1个，即可满足供电需求；②若10 kW<外部负载功率≤20 kW,且需要供应单相电，则只需将选通开关中的2个闭合即可；若外部负载功率≤10 kW，且需要供应三相电，则需要关闭选通开关6个中的3个(每组中的1个)，即分别选通第一功率模块、第二功率模块以及第三功率模块，使其进行工作；③若外部负载功率>20 kW，需要供应三相电，则需关闭全部6个选通开关。改造前后的电源能耗情况对比如表3所示。

表3 改造前后的电源能耗情况对比表

相对传统容量60 kV的电源固定的运行能耗模式，上述设计方案中内部设置多个子逆变器，且子逆变器中设置多个功率模块的交流变频稳压电源。在子逆变器以及子逆变器的功率模块单独或并联组合运行情况下，其运行能耗较低，从而能有效减少在测试机电产品过程中产生的总能耗，达到节能的目的。

2 结束语

十三五期间，我国政府提出了能量系统优化的节能减排重点工程。本文以此为契机，对机电产品检测试验室中常用电源的节能技术措施进行了研究和方案设计，并加以验证。该设计方法只是控制试验室能耗的一个环节，其他可供研究的节能关键点尚有很多。机电产品检测试验室应从各方面加快自身的能耗优化和改革步伐，努力向建设节能环保型试验室的目标迈进。

[1] 刘凤君.PWM逆变器式交流稳压电源的原理分析 [J].电源技术应用，2001，6(6)：241-245.

[2] 中华人民共和国上海出入境检验检疫局.一种可调节容量的节能型交流稳压电源：ZL 2014 2 0100350.0[P].[2016-08-15].

[3] 裴云庆,杨旭,王兆安.开关稳压电源的设计和应用[M].北京：机械工业出版社， 2010.

[4] 张永瑞.电路分析基础 [M].4版.西安：西安电子科技大学出版社， 2014.

[5] 吴建华,李华,贺立红，等.电路原理[M].2版.北京：机械工业出版社， 2013.

[6] FLOYD L T.电路原理[M].罗伟雄,译.北京：电子工业出版社， 2005.

科技论文中文文摘的撰写

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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

国家质量监督检验检疫总局基金资助项目(2015IK236)

李子琦(1984—)，男，学士，工程师，主要从事机电产品的检测及标准研究。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