外部電源能效快速自動(dòng)檢測系統(tǒng)的研制

楊 悅 王 杰 趙海波

(惠州出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東惠州 516006)

1 前言

目前，越來越多的帶有外部電源（也稱電源適配器）的電子產(chǎn)品，進(jìn)入了家庭和辦公室，例如手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器等等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球在用的外部電源有 100 億只，中國在用的外部電源約7 億只。因?yàn)橥獠侩娫词菍⒔涣鞯碾娋W(wǎng)高電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)穩(wěn)定的直流或交流低電壓，因此在高壓和低壓的轉(zhuǎn)換過程中，就會(huì)有能量損失。檢測數(shù)據(jù)表明，一些外部電源的轉(zhuǎn)換效率只有 20%-40%，而高效的外部電源轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)90%。為提高外部電源的能效，全球幾乎所有的發(fā)達(dá)國家和大部分發(fā)展中國家都提出了外部電源的能效要求，通過推廣和采用高效電源產(chǎn)品，從而降低對環(huán)境的負(fù)面影響。

美國、歐盟、加拿大、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)相繼制訂了關(guān)于外部電源能效限值的強(qiáng)制性要求，中國也于2007年12月1日開始執(zhí)行外部電源的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 20943-2007《單路輸出式交流-直流和交流-交流外部電源能效限定值及節(jié)能評價(jià)值》[1]。根據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)的檢測機(jī)構(gòu)普遍采用人工方式進(jìn)行外部電源能效檢測和數(shù)據(jù)計(jì)算，存在檢測周期長、手動(dòng)人工操作簡單重復(fù)誤差大、結(jié)果計(jì)算和判定復(fù)雜等問題，影響了檢測工作的效率。因此，研制一套外部電源能效快速自動(dòng)檢測系統(tǒng)，對于外部電源產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢測均具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性。

2 能效自動(dòng)檢測系統(tǒng)研制

2.1 外部電源能效指標(biāo)的檢測要求和結(jié)果計(jì)算

2.1.1 中國外部電源能效指標(biāo)的檢測要求和結(jié)果計(jì)算

GB20943-2007規(guī)定的檢測方法：樣品依照其標(biāo)稱輸出特性工作30分鐘預(yù)熱，調(diào)節(jié)負(fù)載使輸出電流分別達(dá)到額定輸出的x%（x=100、75、50、25），分別獲取在此穩(wěn)定狀態(tài)下的交流輸入有功功率Pix和輸出功率Pox。此狀態(tài)的工作效率按（1）式計(jì)算，平均效率按（2）式計(jì)算。

另外還要檢測并記錄待測樣品置于空載狀態(tài)時(shí)的交流輸入有功功率。

GB20943-2007要求分別檢測3個(gè)樣品，對于標(biāo)稱電壓和頻率為寬幅的產(chǎn)品，則分別在交流電壓115V、頻率為60Hz和交流電壓230V、頻率為50Hz兩種模式下進(jìn)行測量，正常情況下檢測周期在3個(gè)小時(shí)以上。

2.1.2 國際上外部電源能效指標(biāo)的檢測要求和結(jié)果計(jì)算

目前，美國、歐盟、加拿大、澳大利亞等國家和地區(qū)對外部電源能效的檢測方法基本都是采用IEC 62301-2011《家用電器-待機(jī)能耗的檢測》[2]，檢測方法和結(jié)果計(jì)算與中國標(biāo)準(zhǔn)基本一致。但為確保外部電源輸入功率穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)要求在檢測額定輸出電流的100%時(shí)，需預(yù)熱30分鐘；而在其他4個(gè)檢測點(diǎn)上需先記下功率計(jì)的初始功率讀數(shù)，等待5分鐘，記下第2個(gè)讀數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)讀數(shù)之間的差異小于5%，則記錄第2個(gè)測量結(jié)果；如果發(fā)現(xiàn)差異大于5%，則需要計(jì)算輸入功率的積分，然后用這個(gè)結(jié)果除以間隔時(shí)間。而加拿大的CAN/CSA-C381.1-08 (R2013)《單路輸出式交流-直流和交流-交流外部電源能效計(jì)算的檢測方法》[3]則要求在全部5個(gè)檢測點(diǎn)上，都要先預(yù)熱30分鐘。

IEC 62301-2011標(biāo)準(zhǔn)要求每次檢測3個(gè)樣品，對于標(biāo)稱電壓和頻率為寬幅的產(chǎn)品，將分別在交流電壓115V、頻率為60Hz和交流電壓230V、頻率為50Hz 2種模式下進(jìn)行測量。由此可見，一般情況下國外完成1個(gè)樣品1種模式外部能效檢測，至少需耗時(shí)1個(gè)小時(shí)，完成3個(gè)樣品2種模式的檢測，至少需耗時(shí)6個(gè)多小時(shí)；而按照加拿大標(biāo)準(zhǔn)，完成1個(gè)樣品1種模式檢測，至少需耗時(shí)5.5個(gè)小時(shí)，完成3個(gè)樣品2種模式的檢測，至少需耗時(shí)33個(gè)小時(shí)，即4個(gè)多工作日。

2.2 能效自動(dòng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

能效自動(dòng)檢測系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下設(shè)計(jì)要求：

（1）能夠同時(shí)檢測3臺(tái)樣品，提高工作效率，縮短檢測周期。

（2）實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化檢測，節(jié)省人力成本。通過控制系統(tǒng)，完成樣品的預(yù)熱階段和連續(xù)檢測，利用繼電器的切換使得功率計(jì)對完成預(yù)熱的3個(gè)樣品進(jìn)行輪流檢測；自動(dòng)控制電子負(fù)載，并分別檢測外部電源輸出電流為額定輸出電流的100%、75%、50%、25%時(shí)的輸出功率和交流輸入功率，最后檢測空載輸入功率；自動(dòng)判斷5分鐘內(nèi)的功率變化，按照標(biāo)準(zhǔn)要求選擇每個(gè)功率值。

（3）要內(nèi)置中國、美國、歐盟、澳洲等國家和地區(qū)的能效判定標(biāo)準(zhǔn)，對檢測結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)顯示、自動(dòng)記錄，生成報(bào)表，計(jì)算出能效限定值、節(jié)能評價(jià)值及目標(biāo)能效限定值，并進(jìn)行與標(biāo)準(zhǔn)對比，直接判定。

（4）系統(tǒng)要組成簡便，成本低廉，具有良好的推廣性。

2.3 設(shè)計(jì)路線和技術(shù)方案

2.3.1 設(shè)計(jì)路線

本研究最初的設(shè)計(jì)思路是采用中國強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn) GB20943-2007設(shè)計(jì)檢測方案，對3個(gè)樣品進(jìn)行同時(shí)檢測。但考慮到與國外檢測方法的協(xié)同一致，綜合考慮EN 50563:2011《外部交流-直流和交流-交流電源供應(yīng)器 空載功耗和工作模式下的平均效率》[4]、IEC 62301-2011等標(biāo)準(zhǔn)要求（見2.1.2），決定采用上述標(biāo)準(zhǔn)要求，對3個(gè)樣品進(jìn)行輪流檢測，并自動(dòng)判斷5分鐘內(nèi)的功率變化，按照標(biāo)準(zhǔn)要求選擇每個(gè)功率值。

2.3.2 技術(shù)方案

設(shè)計(jì)方案設(shè)置了3個(gè)檢測工位，能自動(dòng)完成3個(gè)外部電源樣品的能效試驗(yàn)。檢測前需要首先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置額定輸入電壓、額定輸出電壓、額定電流、預(yù)熱時(shí)間等；然后將3個(gè)樣品與控制箱、變頻電源和電子負(fù)載連接，進(jìn)入預(yù)熱階段；通過檢測軟件的自動(dòng)控制，利用繼電器的切換使得功率計(jì)對完成預(yù)熱的3個(gè)樣品進(jìn)行輪流檢測，并分別檢測外部電源輸出電流為額定輸出電流的100%、75%、50%、25%時(shí)的輸出功率和交流輸入功率，最后檢測空載輸入功率。具體工作步驟如下：

（1）將樣品與控制箱和電子負(fù)載分別連接，并對軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

（2）樣品1進(jìn)入30分鐘預(yù)熱階段。

（3）通過檢測軟件的自動(dòng)控制，利用繼電器的切換，對完成預(yù)熱階段的1號樣品，檢測外部電源輸出電流為額定輸出電流的100%時(shí)的輸出功率和交流輸入功率。先記下功率計(jì)的初始功率讀數(shù)，等待5分鐘，記下第二個(gè)讀數(shù)；如果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)讀數(shù)之間的差異小于5%，則記錄第二個(gè)測量結(jié)果；如果發(fā)現(xiàn)差異大于5%，則需要計(jì)算輸入功率的積分，然后用這個(gè)結(jié)果除以間隔時(shí)間，將平均功率作為輸入功率。調(diào)節(jié)電子負(fù)載使樣品1的輸出電流分別為額定值的75%、50%、25%，按上述方法，檢測相應(yīng)狀態(tài)的輸入功率。

（4）當(dāng)1號樣品完成檢測，2號樣品已經(jīng)完成預(yù)熱。利用繼電器的切換，再對完成預(yù)熱階段的2號樣品，檢測外部電源輸出電流為額定輸出電流的100%、75%、50%、25%時(shí)的輸出功率和交流輸入功率。

（5）當(dāng)2號樣品完成檢測，3號樣品已經(jīng)完成預(yù)熱。利用繼電器的切換，再對完成預(yù)熱階段的3號樣品，檢測外部電源輸出電流為額定輸出電流的100%、75%、50%、25%時(shí)的輸出功率和交流輸入功率。

（6）軟件自動(dòng)計(jì)算能效結(jié)果，顯示檢測數(shù)據(jù)，并根據(jù)內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)判定是否符合中國、美國、歐盟、澳洲等國家和地區(qū)的能效標(biāo)準(zhǔn)。

本項(xiàng)目研制的外部電源能效快速自動(dòng)檢測系統(tǒng)硬件部分主要包括：功率計(jì)、電子負(fù)載、變頻電源、控制箱、計(jì)算機(jī)（見圖1）；軟件部分主要是基于LabVIEW的控制軟件。在系統(tǒng)組成方面，考慮到成本和推廣性，采用了實(shí)驗(yàn)室通用的檢測設(shè)備：日本橫河公司生產(chǎn)的功率計(jì)（型號WT-210），臺(tái)灣華儀公司生產(chǎn)的變頻電源（型號6500），南京艾德克斯公司生產(chǎn)的IT8702電子負(fù)載（型號WT-210），控制箱為自制。

圖1 硬件設(shè)計(jì)圖

3 測試結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，該系統(tǒng)建設(shè)后邀請了3家實(shí)驗(yàn)室用人工測試的方式與本系統(tǒng)的自動(dòng)測試進(jìn)行比對。比對試驗(yàn)采用3個(gè)額定電壓115-230V的單路輸出式交流-直流電源適配器樣品，按照GB20943-2007進(jìn)行測試。由于平均效率和空載狀態(tài)有功功率的過程數(shù)據(jù)很多，限于文章篇幅，僅列出系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果和其他實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果，省略試驗(yàn)過程中監(jiān)控和采集的數(shù)據(jù)記錄，且本文僅引用1號樣品結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，詳見表1、表2。

表1 平均效率測試結(jié)果比對數(shù)據(jù)

表2 空載狀態(tài)有功功率測試結(jié)果比對數(shù)據(jù)

比對結(jié)果顯示，利用該系統(tǒng)測試的平均效率和空載狀態(tài)有功功率的測試結(jié)果Z值均小于1，結(jié)果較為滿意，證明該系統(tǒng)能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)要求。且各實(shí)驗(yàn)室的人工測試和判定時(shí)間為4個(gè)小時(shí)，該系統(tǒng)的自動(dòng)測試和判定時(shí)間為1個(gè)小時(shí)，達(dá)到快速自動(dòng)測試的設(shè)計(jì)要求。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)有以下4個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)具有“自動(dòng)檢測”、“同時(shí)檢測3個(gè)樣品”、“內(nèi)置判定標(biāo)準(zhǔn)”的特點(diǎn)。

（2）系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷試驗(yàn)開始和結(jié)束的時(shí)間，自動(dòng)采集試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷5分鐘內(nèi)的功率變化，按照標(biāo)準(zhǔn)要求選擇每個(gè)功率值，實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化檢測，節(jié)省人力成本。

（3）檢測軟件對3個(gè)工位的外部電源進(jìn)行分別檢測并采集和記錄數(shù)據(jù)，利用繼電器的切換使得功率計(jì)對完成預(yù)熱的3個(gè)樣品進(jìn)行輪流檢測，提高工作效率，縮短檢測周期。該系統(tǒng)按照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62301-2011檢測，可節(jié)省35%的檢測時(shí)間；按照中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB20943-2007檢測，可節(jié)省67%的檢測時(shí)間。

（4）內(nèi)置中國、美國、歐盟、澳洲等國家和地區(qū)的能效判定標(biāo)準(zhǔn)，對檢測結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)顯示、自動(dòng)記錄，生成報(bào)表，計(jì)算出能效限定值、節(jié)能評價(jià)值及目標(biāo)能效限定值，并與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，直接判定。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)可大大縮短人工數(shù)據(jù)采集和計(jì)算時(shí)間，提高外部電源能效檢測的工作效率和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，直接判定能效結(jié)果，可為政府部門、生產(chǎn)企業(yè)、第三方檢測機(jī)構(gòu)開展能效等級判定和節(jié)能認(rèn)證檢測提供技術(shù)支持。今后還需進(jìn)一步跟進(jìn)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中檢測方法和能效限值的變化，改進(jìn)檢測系統(tǒng)硬件構(gòu)成和軟件限值設(shè)定，從而更好地開展外部電源能效檢測工作。

［1］GB 20943-2007 單路輸出式交流-直流和交流-交流外部電源能效限定值及節(jié)能評價(jià)值[S].

［2］IEC 62301-2011 家用電器-待機(jī)能耗的檢測[S].

［3］CAN/CSA-C381.1-08 (R2013) 單路輸出式交流-直流和交流-交流外部電源能效計(jì)算的檢測方法[S].

［4］EN 50563:2011 外部交流-直流和交流-交流電源供應(yīng)器 空載功耗和工作模式下的平均效率[S].