大功率高頻開關(guān)電源節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用與研究

常寶平

（兗州煤業(yè)榆林能化有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引 言

電源是設(shè)備運(yùn)行過程中的重要支撐部件，對安全性和穩(wěn)定性的要求較高。雖然傳統(tǒng)可控硅整流開關(guān)電源能滿足設(shè)備運(yùn)行需求，但是其資源耗費(fèi)嚴(yán)重，還會造成環(huán)境污染。在此背景下，大功率高頻開關(guān)電源節(jié)能技術(shù)逐漸受到人們的關(guān)注。通過節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用，不僅可以提升電源使用效率，還有助于從源頭上減少能源損耗，為企業(yè)的長遠(yuǎn)建設(shè)創(chuàng)造條件。

1 開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展研究

隨著人們對電力資源的需求逐漸增加，電源運(yùn)行壓力不斷提升。大功率高頻開關(guān)電源作為新時(shí)代電源優(yōu)化的重要形式，為各行業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化提供了技術(shù)支持，越來越多的企業(yè)開始借助電源升級降低成本，提高運(yùn)行效率。高頻開關(guān)電源是設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)，目前此類電源在使用過程中極易產(chǎn)生嚴(yán)重的能源損失，為此相關(guān)人員只有借助科學(xué)管控和模塊升級的方式完成智能化管理，才能在提高設(shè)備使用效率的基礎(chǔ)上，降低企業(yè)設(shè)備運(yùn)行成本。

當(dāng)前我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，人們的生活水平進(jìn)一步提升，在電源運(yùn)用方面開始關(guān)注節(jié)能環(huán)保效果。在此背景下，部分企業(yè)會借助新興技術(shù)及時(shí)完成電源生產(chǎn)升級優(yōu)化，以此滿足設(shè)備運(yùn)行需求，但整體效果并不明顯。相關(guān)人員提出通過運(yùn)用大功率高頻開關(guān)電源節(jié)能技術(shù)強(qiáng)化電源智能化、高頻化水平，減少能源損失，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持。

與傳統(tǒng)的可控硅整流電源相比，大功率高頻開關(guān)電源的輸出電壓僅在直流5.1 ～7.2 V 左右，而輸出電流可以達(dá)到50 ～55 kA。此外，傳統(tǒng)可控硅整流電源使用效率不高，功率因數(shù)僅能達(dá)到0.7 ～0.85，會帶來資源浪費(fèi)，加大設(shè)備運(yùn)行成本。尤其是在負(fù)載電壓較小的環(huán)境下，功率會進(jìn)一步降低。通過大功率高頻開關(guān)電源的使用，可有效解決以上問題。目前，此類電源生產(chǎn)和相關(guān)技術(shù)研究已經(jīng)成為開關(guān)電源發(fā)展的重要趨勢[1]。

2 大功率高頻開關(guān)電源分析

2.1 電路原理

交流輸電電壓通過整流電路后會進(jìn)一步提升，經(jīng)過設(shè)備完成逆變操作，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?8 kHz 的能量形式，并將其更改為次級，通過濾波器完成濾波操作，最終得到可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓。該過程中，將信息轉(zhuǎn)化為脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號形式，以此實(shí)現(xiàn)電路管控，確保電路運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。大功率高頻開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 大功率高頻開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)原理

從電路設(shè)計(jì)規(guī)劃來看，主電路前端應(yīng)用了三相橋式的二極管整流電路模式，關(guān)鍵區(qū)域則使用PWM 管控技術(shù)，可有效降低整流電路運(yùn)行過程中的能量損耗[2]。

2.2 整機(jī)原理

銅箔工藝在數(shù)據(jù)參數(shù)方面規(guī)定直流電源應(yīng)為50 kA/7 V，能結(jié)合實(shí)際需求完成電流實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，進(jìn)而確保其電流的穩(wěn)定性與安全性，滿足常年運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)需求。整機(jī)設(shè)計(jì)過程中，采用“N+2”并聯(lián)形式完成電力獲取。此外通過應(yīng)用備用單元，一旦運(yùn)行中出現(xiàn)異常，系統(tǒng)就會自動切斷故障，并將電流分配給其他單元，確保總輸出符合標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，前期設(shè)計(jì)中使用新型模塊結(jié)構(gòu)作為主規(guī)劃模型，在維修時(shí)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域局部維修更換的目的，減少對周圍零件的影響。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員可以直接通過使用自動均流管控技術(shù)強(qiáng)化開關(guān)電源的運(yùn)行效果。與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，自動均流控制技術(shù)的應(yīng)用，使設(shè)備運(yùn)行效率進(jìn)一步提升，這也是我國現(xiàn)階段大功率高頻開關(guān)電源使用均流控制技術(shù)的主要原因[3]。

為有效解決單元并聯(lián)過程中的均流問題，還能使用可變電源虛擬的形式進(jìn)行電壓反饋，高效完成輸出管控工作，有效提升設(shè)備的多場景適應(yīng)能力。在多個(gè)單元并聯(lián)的過程中，可變電源的內(nèi)阻配置相一致，因此可借助閉環(huán)管控的手段展開均流控制，保障整機(jī)的穩(wěn)定性。除此之外，混合冷卻方式也是提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的重要手段。在此基礎(chǔ)上，部分企業(yè)會使用純水冷卻等手段排出單元機(jī)箱內(nèi)的熱量，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3 控制系統(tǒng)

從控制系統(tǒng)運(yùn)用的角度來看，大功率高頻開關(guān)電源主要使用RS485 進(jìn)行單元管控，通過技術(shù)形式實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息傳輸，可以實(shí)現(xiàn)1.2 km 以上的長距離信息通信。目前，多數(shù)企業(yè)會使用西門子可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）搭建控制系統(tǒng)，其中主機(jī)與操作面板均采用西門子監(jiān)控系統(tǒng)，可完成電流管控并顯示故障信息與參數(shù)信息，為工作人員監(jiān)管系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持[4]。

3 大功率高頻開關(guān)電源節(jié)能技術(shù)運(yùn)用分析

對于開關(guān)電源而言，其工作原理是將電源經(jīng)整流和濾波轉(zhuǎn)化為高壓直流電，并在開關(guān)電路與高頻開關(guān)變壓器裝置的作用下，將其轉(zhuǎn)化為高頻率的低壓脈沖，最終將其輸出為低壓直流電。在輸出過程中，設(shè)置一條電路對控制電路進(jìn)行反饋，促使整個(gè)電壓的輸出達(dá)到相應(yīng)的穩(wěn)定性。對于高頻開關(guān)電源系統(tǒng)而言，其工作效率范圍最高可以達(dá)到80%，最低為40%。同時(shí)，研究期間，電源效率會受到負(fù)載率的影響，電路負(fù)載率越大，電源效率越大。通常來看，采購用于制作開關(guān)電源的相關(guān)元件時(shí)，通常會考慮擴(kuò)容因素。開關(guān)電源的容量通常大于當(dāng)前通信設(shè)備的實(shí)際負(fù)載，若沒有對冗余模塊進(jìn)行智能控制，必然會造成電源工作效率的降低。在大部分情況下，基站開關(guān)電源是在浮充狀態(tài)下進(jìn)行工作的，系統(tǒng)的整體輸出量占總量1/3，其中模塊要在40%以上負(fù)載率才能達(dá)到較高水平的轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

為提高大功率高頻開關(guān)電源的節(jié)能效果，優(yōu)化節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用，傳統(tǒng)開關(guān)電源通常會采用移項(xiàng)控制的整流方式，但存在諧波大、損耗嚴(yán)重的情況。根據(jù)已有數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)可控硅電源和高頻開關(guān)電源的功率差約為45 kW，效率差異約為17.2%。可控硅開關(guān)電源在損耗方面更加明顯，尤其是無功損耗較為嚴(yán)重。而借助PWM 高頻開關(guān)電源完成整流操作，則可以減少無用功的能量損耗，幫助企業(yè)降低成本。與此同時(shí)，高頻開關(guān)電源在使用的過程中零件損耗較小。此外，其備用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式，可在不停機(jī)的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)局部維修，既達(dá)到保障安全生產(chǎn)的目的，又可以確保企業(yè)產(chǎn)量。在冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景下，大功率高頻開關(guān)電源不僅可以保證設(shè)備高效運(yùn)行，減少故障的產(chǎn)生，還能減少無功損耗，提高成品率[5]。

通過使用大功率高頻開關(guān)電源節(jié)能技術(shù)，可以在一定程度上減少對資源、能源的消耗，可為企業(yè)降低成本，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益以及環(huán)保效益，是提高企業(yè)核心競爭力的有效方式之一。同時(shí)，此類節(jié)能技術(shù)對于原有技術(shù)而言具有一定的創(chuàng)新性，相較于傳統(tǒng)電源，高頻開關(guān)電源具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)上的升級可增強(qiáng)電源在不同場景的適應(yīng)性，并在結(jié)構(gòu)方面呈現(xiàn)更明顯的穩(wěn)定性，為后續(xù)使用打下穩(wěn)定的環(huán)境基礎(chǔ)，降低風(fēng)險(xiǎn)性，促使整個(gè)應(yīng)用流程更加安全和節(jié)能。傳統(tǒng)方式會產(chǎn)生大量的能源消耗，對于周邊環(huán)境的影響也無法進(jìn)行處理，現(xiàn)階段，部分電廠在日常經(jīng)營過程中運(yùn)用高頻開關(guān)電源，能夠減少能源損失，降低對周圍環(huán)境的影響。在新型開關(guān)技術(shù)應(yīng)用背景下，不僅滿足可持續(xù)發(fā)展理念，還能完成電源整流處理，實(shí)現(xiàn)技術(shù)理念與實(shí)踐的進(jìn)一步創(chuàng)新目標(biāo)。在新技術(shù)的推動下，電廠對于自身發(fā)展需求會產(chǎn)生了解，并逐步增強(qiáng)對節(jié)能新技術(shù)的重視，通過這種方式可以顯著增強(qiáng)企業(yè)的核心競爭力，并為行業(yè)帶來更多的參考價(jià)值，實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)部良性競爭，提高電廠的綜合競爭能力。在大功率高頻開關(guān)電源內(nèi)部配置整流變壓器，可調(diào)整交流電源的電壓，使其在整流的基礎(chǔ)上完成電力輸送。在改造的背景下，能有效降低成本，塑造企業(yè)綠色環(huán)保形象。

在通信機(jī)房中運(yùn)用大功率高平開關(guān)電源，可在提升電源性能和使用穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，降低外在環(huán)境對通信機(jī)房內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行的干擾。大功率高頻開關(guān)電源中的熱插拔功能可實(shí)現(xiàn)電源保護(hù)，確保通信接口連接過程中，系統(tǒng)能夠達(dá)到運(yùn)行要求[6]。

4 結(jié) 論

圍繞大功率高頻開關(guān)電源節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用開展系統(tǒng)化研究，能夠解決我國電力能源短缺、資源浪費(fèi)的問題。在節(jié)能技術(shù)運(yùn)用背景下，大功率高頻開關(guān)電源的能源運(yùn)行效率有較大提高，有效降低了企業(yè)設(shè)備運(yùn)行成本，可幫助相關(guān)產(chǎn)業(yè)增強(qiáng)核心競爭力。在后續(xù)工作中，企業(yè)需加大對此類電源運(yùn)用的重視程度，以此為可持續(xù)建設(shè)目標(biāo)的達(dá)成提供支持。