CN101304174A - 用于交流电流电源供应器的能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于交流电流电源供应器，例如电子式镇流器的能量回收系统。该能量回收系统包括能量回收负载，连接至交流电流电源供应器的输出端，其中该能量回收负载包括整流器，用以将该交流电流电源供应器的输出交流电流整流成整流直流电流，以及滤波器，连接至该整流器，用以移除该整流直流电流的高频谐波。此外，该能量回收系统还包括直流－交流转换器，连接至该能量回收负载，用以将该能量回收负载所输出的直流电压转换成交流电压，该交流电压接着传递至电力网络以完成能量回收作业。本发明提出一种可节省能源消耗的用于交流电流电源供应器的能量回收系统，其能够在功率损耗为最低的情形下将能量传递到电力网络。

Description

用于交流电流电源供应器的能量回收系统

技术领域

本发明涉及一种交流电流电源供应器，特别是涉及一种使用于交流电流电源供应器的能量回收系统。

背景技术

随着电子组件的运行速度与频率的提升，可预见的是对于电力网络(utility grid)所提供的电力的需求也会增加。因此，有效的利用电力来操作耗电组件并避免能量的浪费的需求也开始得到重视。为了回收电力，一些电源供应器会将过剩的电力回收至电力网络来节省能源的消耗。在电源供应器的测试阶段，也需要精确测量每个耗能组件或装置的效能，来验证电源供应器在使用最少电力的情形下的电力参数是否维持在预定的容忍范围内。

一般而言，电源供应器需要进行约24至72个小时的烧机测试(burn-intest)来验证电源供应器的可靠度与稳定度。传统用于电源供应器的烧机测试系统需要设置一个电阻柜(resistor tank)作为电源供应器的负载。在这种例子中，会有大量的能量转换为热能从而浪费掉，此外还会导致空气调节系统中的额外的能量消耗。为了节省能源消耗并减少烧机测试的成本，通常会在烧机测试系统中采用能量回收的机制来避免多余的能量被消耗掉。近年来，在应用于直流电源供应器与不间断电源供应器(UPS)的烧机测试中能量回收技术已经被广泛应用。图1显示一种应用于直流电源供应器的烧机测试系统中的能量回收系统。如图所示，该能量回收系统100包括一升压转换器102，用以自一直流电源供应器(未显示)汲取负载电流并且将直流电源供应器的一个或多个输出直流电压转换成一个合适的直流电压，以及一降压转换器104，用以将升压转换器的输出电压调降至一个所想要的直流电压。该能量回收系统100还包括一直流-交流转换器106，用以将降压转换器104的输出直流电压转换成一交流电压，以及一输出滤波器108，用以移除直流-交流转换器106的输出交流电流中的高频谐波。输出滤波器108的输出交流电流会注入电力网络中，据此完成能量回收作业。由于升压转换器102、降压转换器104以及直流-交流转换器106有较高的能量转换效率，因此大部分的能量都能够传递回到电力网络。对于应用于点亮气体放电灯管如荧光灯管的电子式镇流器(electronic ballast)而言，其也需要进行烧机测试。如电源供应器技术领域的技术人员所熟知，电子式镇流器的输出是一个具有高频(约30～60kHz)的交流电源。因此，电子式镇流器可被视为一种交流电流电源供应器(AC current power supply)。在一般的情形下，放电灯管会显示出电阻的特性。因此电子式镇流器采用功率电阻作为其进行烧机测试时的负载装置。在这种条件下，大量的能量转换成热能而浪费掉，并且会导致空气调节系统中额外的能量消耗。

因此，本发明提出一种可节省能源消耗的用于交流电流电源供应器的能量回收系统，其能够在功率损耗为最低的情形下将能量传递到电力网络。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种能量回收系统，适用于一交流电流电源供应器，用以将该交流电流电源供应器所输出的能量回收。

根据本发明的第一较佳实施例的构想，本发明提出一种用于交流电流电源供应器的能量回收系统，该交流电流电源供应器包括至少一输出端，该能量回收系统包括至少一能量回收负载，每个能量回收负载连接至该交流电流电源供应器的输出端，用以将该交流电流电源供应器的输出交流电流转换成直流电流，以及能量反馈转换电路，连接至该能量回收负载，用以接收该至少一能量回收负载所输出的直流电流，其中每个能量回收负载包括整流器，连接至该交流电流电源供应器的输出端，用以将该输出交流电流整流成直流电流，以及滤波器，连接至该整流器的输出端，用以移除该直流电流中的高频谐波。

如上所述的能量回收系统，该能量反馈转换电路为直流-交流转换器，连接至该能量回收负载，用以将该至少一能量回收负载所输出的直流电流转换成交流电压或交流电流。

如上所述的能量回收系统，其中该交流电流电源供应器为电子式镇流器。

如上所述的能量回收系统，其中该整流器为桥式整流器。

如上所述的能量回收系统，其中该桥式整流器由多个未受控制的整流二极管所组成。

如上所述的能量回收系统，其中该滤波器包括：滤波电容，与该整流器并联；以及滤波电感，与该整流器串联。

如上所述的能量回收系统，其中该滤波器包括：第一滤波电容，与该整流器并联；以及至少一电感电容滤波网络，与该第一滤波电容并联，其中该电感电容滤波网络由第一滤波电感与第二滤波电容组成。

如上所述的能量回收系统，其中该滤波器还包括第二滤波电感，与该电感电容滤波网络串联。

如上所述的能量回收系统，其中该能量回收负载还包括逆向电流保护装置，连接于该滤波器与该能量反馈转换电路，用以防止逆向电流自该能量反馈转换电路流向该能量回收负载。

如上所述的能量回收系统，其中该逆向电流保护装置由二极管所组成。

如上所述的能量回收系统，还包括至少一个阻尼器，每个阻尼器连接于该能量回收负载与该交流电流电源供应器之间，用以减弱该交流电流电源供应器的输出交流电流的谐波。

如上所述的能量回收系统，其中该阻尼器由互相并联的电感支路、电容支路以及电阻所组成。

如上所述的能量回收系统，其中该电感支路为电感，该电容支路为电容。

根据本发明的第二较佳实施例的构想，本发明提出一种用于交流电流电源供应系统的能量回收系统，其中该交流电流电源供应系统包括多个互相并联的交流电流电源供应器，该能量回收系统包括多个能量回收负载，每个能量回收负载连接至交流电流电源供应器的输出端，用以将该交流电流电源供应器的输出交流电流转换成直流电流，其中该多个能量回收负载的输出端互相并联，以及能量反馈转换电路，连接至该多个能量回收负载，用以接收该至少一能量回收负载所输出的直流电流，其中每个能量回收负载包括整流器，连接至该交流电流电源供应器的输出端，用以将该输出交流电流整流成直流电流，以及滤波器，连接至该整流器的输出端，用以移除该直流电流中的高频谐波。

如上所述的能量回收系统，该能量反馈转换电路为直流-交流转换器，连接至该能量回收负载，用以将该至少一能量回收负载所输出的直流电流转换成交流电压或交流电流。

如上所述的能量回收系统，其中该直流-交流转换器连接至该多个能量回收负载的输出端。

本发明提出一种用于交流电流电源供应器的能量回收系统，其由一能量回收负载与一直流-交流转换器所组成，其中能量回收负载包括一整流器与一滤波器。能量回收负载的整流器设定为将交流电流电源供应器的输出交流电流转换成一整流的直流电流，而能量回收负载的滤波器设定为将整流的直流电流中的高频谐波给移除。经由适当地选择滤波器中的滤波电感的电感值与滤波电容的电容值，能量回收负载在交流电流i的基频上显示出电阻的特性，从而自交流电流电源供应器的输出端汲取负载电流并将大部分的能量经由直流-交流转换器传递回电力网络，完成能量回收的作业。

本发明的优点与特征，通过下面实施例配合下列图示详细说明，获得更深入的了解。

附图说明

图1显示根据公知技术的一种应用于直流电源供应器的烧机测试系统中的能量回收系统；

图2显示本发明的第一较佳实施例的交流电流电源供应器及其能量回收系统的一般性系统示意图；

图3显示图2的能量回收负载的电路结构；

图4显示图3的能量回收负载内部的电压与电流波形图；

图5显示构成能量回收负载的滤波器的电路拓朴的另一个例子；

图6显示构成能量回收负载的滤波器的电路拓朴的另一个例子；

图7显示根据本发明的第二较佳实施例，能量回收系统的应用被扩充到并联式交流电流电源供应系统的系统方块图；

图8显示一种变形的能量回收负载的电路结构；

图9显示一电子式镇流器的电路结构；

图10显示图7的能量回收系统的电路示意图；

图11显示了本发明的能量回收系统的实验数据图；

图12显示一阻尼器的电路结构图；

图13显示具有阻尼器的能量回收负载的能量回收系统的电路示意图；

图14显示将具有阻尼器的能量回收负载的能量回收系统应用于并联式交流电流电源供应系统的电路示意图；以及

图15显示了本发明的能量回收系统的实验数据图。

其中，附图标记说明如下：

100 能量回收系统

102 升压转换器

104 降压转换器

106 直流-交流转换器

108 输出滤波器

202 交流电流电源供应器

204 能量回收负载

206 直流-交流转换器

302 整流器

304 滤波器

D1，D2，D3，D4  未受控制的整流二极管

L   滤波电感

C   滤波电容

L1  第一滤波电感

L2  第二滤波电感

C1  第一滤波电容

C2  第二滤波电容

D5  逆向电流保护装置

504 滤波器

Lk  变压器的漏电感

C_rA，C_rB，C_rC  输出电容

C_b3，C_b6  共振电容

602 阻隔变压器

702  阻尼器

具体实施方式

体现本发明的特征与优点的较佳实施例将在后面的说明中详细叙述。须注意的是相同的组件标号指向相同的组件。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

请参见图2，显示本发明的第一较佳实施例的交流电流电源供应器及其能量回收系统的系统方块图。交流电流电源供应器202设定为提供一交流电流为其输出，该输出交流电流提供至能量回收负载(energy recycle load)204。能量回收负载204设定为从交流电流电源供应器202汲取负载交流电流并且将交流电流转换成直流电流i_dc。除此之外，一能量反馈转换电路如一直流-交流转换器206串接于能量回收负载204，其设定为将能量回收负载204的输出直流电流i_dc与输出直流电压转换成交流电流或交流电压，并且将能量传递回到电力网络。该直流-交流转换器206可以采用多种结构，例如图1中的降压转换器104以及直流-交流转换器106串联后得到的转换器结构。当然该能量反馈转换电路也可以为别的结构，例如一直流-直流转换器，该直流-直流转换器可以将能量回收负载204的输出转换成为一直流量。

图3显示图2的能量回收负载204的电路结构，其中能量回收负载204会在交流电流i的基频上显示出电阻的特性。如图所示，能量回收负载204包括一整流器302，其由未受控制的整流二极管D1，D2，D3，D4所组成的桥式电路所组成，并且其设定为用来将交流电流i整流成一个整流的直流电压i_rec。除此之外，能量回收负载204还包括一滤波器304，其由一滤波电容C与一滤波电感L所组成，其中滤波电容C与整流器302并联而滤波电感L与整流器302串联。滤波器304设定为用来将整流器302所输出的直流电流i_rec的高频谐波移除而得到一直流电流i_dc。

图4显示图3的能量回收负载202内部的电压与电流波形图。如图所示，u为交流电流电源供应器202的输出交流电压，i为交流电流电源供应器202的输出交流电流，u_dc为滤波器304的输出直流电压，i_dc为滤波器304的输出直流电流，而i_rec为整流器302的输出电流。假设交流电流电源供应器202的输出交流电流i的波形为一个理想的正弦波形并且滤波电容C的电感值足够大，交流电流电源供应器202的输出交流电压u的波形便会为方波。如图所示，i_rec为整流器302的输出电流，其为具有许多谐波的整流正弦波电流。滤波器304乃是用来移除整流器302的输出电流i_rec的谐波。在本较佳实施例中，滤波电容C的电容值设定为在高频谐波的情形下具有低阻抗而滤波电感L的电感值设定为在低频谐波的情形下具有低阻抗，因此整流器302的输出电流i_rec的直流成分会流经滤波电感L。

图5显示构成滤波器304的电路拓朴的另一个例子。如图所示，滤波器在第一滤波电容C1之后并联了一个LC滤波单元网络，其包括一第一滤波电容C1，与图3所示的整流器302并联，以及一第一滤波电感L1，与图3所示的整流器302串联，以及一第二滤波电容C2，与第一滤波电容C1并联，据此可增进滤波器304的滤波效果。

图6显示构成滤波器304的电路拓朴的另一个例子。如图所示，滤波器包括一第一滤波电容C1，与图3所示的整流器302并联，一第一滤波电感L1，与图3所示的整流器302串联，以及一第二滤波电容C2构成一个LC滤波单元网络，与第一滤波电容C1并联。除此之外，滤波器还包括一第二滤波电感L2，与第一滤波电感L1串联，据此可增加滤波器304的滤波器级数，以达到更好的滤波效果。

图7显示根据本发明的第二较佳实施例，能量回收系统的应用被扩充到并联式交流电流电源供应系统的系统方块图。如图所示，多个交流电流电源供应器202互相并联并且每个交流电流电源供应系统与一能量回收负载串接。该多个能量回收负载204设定为将交流电流电源供应系统202的输出交流电流转换成一直流电流，并且该直流电流的能量经由直流-交流转换器206而传递回电力网络。该多个能量回收负载204的输出端互相并联并且连接至直流-交流转换器206。

图8显示一种变形的能量回收负载的电路结构。与图3相较，图8的能量回收负载204中的滤波器504加入了一个逆向电流保护装置，其连接于滤波电感L与直流-交流转换器206之间。在本实施例中，逆向电流保护装置由二极管D5所组成，其用来保护能量回收负载204以避免逆向电流自直流-交流转换器206流向能量回收负载204。或者，逆向电流保护装置可由晶体管所组成，并且在这种例子中，能量回收负载204还包括一晶体管控制单元(未显示)，用以控制逆向电流保护装置的开关切换。

图9显示一电子式镇流器的电路结构。如图所示，该电子式镇流器为设置在一直流-交流转换器的拓朴上，并且为采用并联共振(parallel resonance)电路的多灯管镇流转换器(multi-lamp ballast converter)，其中负载也为共振电路的组件。在图9中，Lk为变压器T1_b的漏电感，C_rA，C_rB与C_rC为输出电容，而C_b3与C_b6为共振电容。节点A、节点B与节点C为镇流器的输出，其可分别连接至负载A、负载B与负载C，所述负载可为例如荧光灯管。在公知的应用中，当进行烧机测试的情形下负载A、负载B与负载C为功率电阻。在本案中，负载A、负载B与负载C可由图3或图8的能量回收负载204来实现，其可模拟功率电阻的效能以便从镇流器汲取负载电流。

图10显示图7的能量回收系统的电路示意图。须注意的是每个交流电流电源供应器202与能量回收负载204之间设置了一个阻隔变压器(isolatedtransformer)602，用来阻隔交流电流电源供应器202与能量回收负载204。在图10中，能量回收负载204的电路结构与图8所示的电路结构相同。

图11显示了本发明的能量回收系统的实验数据图，其中u_A与i_A分别代表图10的交流电流电源供应器202的输出电压与输出电流。由图标中可看出输出电压u_A与输出电流i_A的相位近似为零。因此，本发明的能量回收负载在基频上作用为类似功率电阻。然而，由于交流电流电源供应器具有寄生谐振(parasitic resonance)，输出电流i_A会具有高频谐波。

为了要使交流电流电源供应器的输出交流电流i的电流波形更为平滑，一阻尼器(damper)便需要加入能量回收负载中。图12所示为一阻尼器，其在输出交流电流i的谐振频率上具有高阻抗，而在其它的频率上具有低阻抗。如图所示，该阻尼器具有一电感Ld、电容Cd与电阻Rd，彼此互相并联，其中电感Ld的电感值设定与电容Cd的电容值设定会使得阻尼器在谐振频率上具有高阻抗以便减弱谐振，并且在其它的频率上具有低阻抗因而不会影响到交流电流电源供应器的正常运作。此外，电阻Rd的加入使得阻尼器在一定频率的范围内都呈现了高阻抗特性。因此，阻尼器的特征在于具有高阻抗区间(impedance band)以及低功率损耗。为了得到一个宽的高阻抗区间，共振电感Ld与共振电容Cd的共振频率设定为近似谐波频率。关于电感Ld的电感值设定与电容Cd的电容值设定，其可由下列公式计算出来：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LdCd}}}$

其中f为近似谐振频率的频率。此外，若是要减弱所有的谐振共振，电阻Rd的电阻值必须要大。然而，若是要减少阻尼器的电源损耗，电阻Rd的电阻值必须要小。因此在设计阻尼器的时候，对于电阻Rd的电阻值的选择必须进行取舍以符合设计需求。除了图中所描述的阻尼器的结构以外，另外一些结构的阻尼器也可以适用。例如，在图中所描述的阻尼器结构中，在电容Cd的支路中串联入电阻之后再和电感Ld以及电阻Rd并联，或者在电感Ld的支路中串连入电阻之后再和电容Cd以及电阻Rd并联，或者在电容Cd以及电感Ld的支路中都串连入电阻之后两条支路再和电阻Rd并联等。

图13显示具有阻尼器的能量回收负载的能量回收系统的电路示意图。图13的电路示意图与图8相似，所不同之处在于图13的能量回收负载204与交流电流电源供应器(未显示)之间设置了一个阻尼器702，因此可以大幅衰减交流电流电源供应器的输出交流电流i中的高频谐波。

图14显示将具有阻尼器的能量回收负载的能量回收系统应用于并联式交流电流电源供应系统的电路示意图。图14的电路示意图与图10相似，所不同之处在于图14的每个能量回收负载204与每个交流电流电源供应器202之间设置了一个阻尼器，因此可以大幅衰减交流电流电源供应器的输出交流电流i中的高频谐波。

图15显示了本发明的能量回收系统的实验数据图，其中u_A与i_A分别代表图13的交流电流电源供应器的输出电压与输出电流。由图标中可看出输出电压u_A与输出电流i_A的相位仍然近似为零。然而，经由加入阻尼器于能量回收负载与交流电流电源供应器之间，输出电流i_A中大部分的谐波成份已经被移除。

综合以上所述，本发明提出一种用于交流电流电源供应器的能量回收系统，其由一能量回收负载与一直流-交流转换器所组成，其中能量回收负载包括一整流器与一滤波器。能量回收负载的整流器设定为将交流电流电源供应器的输出交流电流转换成一整流的直流电流，而能量回收负载的滤波器设定为将整流的直流电流中的高频谐波给移除。经由适当地选择滤波器中的滤波电感的电感值与滤波电容的电容值，能量回收负载在交流电流i的基频上显示出电阻的特性，从而自交流电流电源供应器的输出端汲取负载电流并将大部分的能量经由直流-交流转换器传递回电力网络，完成能量回收的作业。

本发明可以由本领域普通技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱离如随附权利要求所保护的范围。

Claims (17)

1.一种用于交流电流电源供应器的能量回收系统，该交流电流电源供应器包括至少一输出端，该能量回收系统包括：

至少一能量回收负载，每个能量回收负载连接至该交流电流电源供应器的输出端，用以将该交流电流电源供应器的输出交流电流转换成直流电流；以及

能量反馈转换电路，连接至该能量回收负载，用以接收该至少一能量回收负载所输出的直流电流。

2.如权利要求1所述的能量回收系统，该能量反馈转换电路为直流-交流转换器，连接至该能量回收负载，用以将该至少一能量回收负载所输出的直流电流转换成交流电压或交流电流。

3.如权利要求2所述的能量回收系统，其中该交流电流电源供应器为电子式镇流器。

4.如权利要求2所述的能量回收系统，其中每个能量回收负载包括整流器，连接至该交流电流电源供应器的该输出端，用以将该输出交流电流整流成该直流电流，以及滤波器，连接至该整流器的输出端，用以移除该直流电流中的高频谐波。

5.如权利要求4所述的能量回收系统，其中该整流器为桥式整流器。

6.如权利要求5所述的能量回收系统，其中该桥式整流器由多个未受控制的整流二极管所组成。

7.如权利要求4所述的能量回收系统，其中该滤波器包括：

滤波电容，与该整流器并联；以及

滤波电感，与该整流器串联。

8.如权利要求4所述的能量回收系统，其中该滤波器包括：

第一滤波电容，与该整流器并联；以及

至少一电感电容滤波网络，与该第一滤波电容并联，其中该电感电容滤波网络由第一滤波电感与第二滤波电容组成。

9.如权利要求8所述的能量回收系统，其中该滤波器还包括第二滤波电感，与该电感电容滤波网络串联。

10.如权利要求4所述的能量回收系统，其中该能量回收负载还包括逆向电流保护装置，连接于该滤波器与该能量反馈转换电路，用以防止逆向电流自该能量反馈转换电路流向该能量回收负载。

11.如权利要求10所述的能量回收系统，其中该逆向电流保护装置由二极管所组成。

12.如权利要求1所述的能量回收系统，还包括至少一个阻尼器，每个阻尼器连接于该能量回收负载与该交流电流电源供应器之间，用以减弱该交流电流电源供应器的输出交流电流的谐波。

13.如权利要求12所述的能量回收系统，其中该阻尼器由互相并联的电感支路、电容支路以及电阻所组成。

14.如权利要求13所述的能量回收系统，其中该电感支路为电感，该电容支路为电容。

15.一种用于交流电流电源供应系统的能量回收系统，其中该交流电流电源供应系统包括多个互相并联的交流电流电源供应器，该能量回收系统包括：

多个能量回收负载，每个能量回收负载连接至交流电流电源供应器的输出端，用以将该交流电流电源供应器的输出交流电流转换成直流电流；以及

能量反馈转换电路，连接至该能量回收负载，用以接收该至少一能量回收负载所输出的直流电流。

16.如权利要求15所述的能量回收系统，该能量反馈转换电路为直流-交流转换器，连接至该能量回收负载，用以将该至少一能量回收负载所输出的直流电流转换成交流电压或交流电流。

17.如权利要求16所述的能量回收系统，其中该多个能量回收负载的输出端互相并联，并且该直流-交流转换器连接至该多个能量回收负载的输出端。

Images