电力电子技术在节能领域的应用ppt课件.pptx

电力电子与现代生活,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,2,电力电子与现代生活,第3章 电力电子技术在节能领域的应用3.1 能源危机与对策3.2 变频器节能3.3 绿色照明节能 3.4 无功功率补偿节能 3.5 逆变焊机的节能3.6 开关电源的节能,3,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3.1 能源危机与对策能源和水、土地一样都是人类赖于生存和发展的基础。什么是能源？能源是能量的来源，是在一定条件下可转换成人类所需的燃料或动力来源的物质。能源包括：煤炭、石油、天然气、水能等常规能源，也包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能和核能等新能源。有些能源储量非常有限，如煤炭、石油等，用一点就少一点，不能再生，所以称之为不可再生能源；有些能源如水能、太阳能、风能、生物能等，可以不断重复产生，所以称之为可再生能源。,4,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,能源的重要性：能源是人类文明发展的基石。近二百年来，能源的利用，推动科技迅猛发展，人类社会急剧变革，几千年来的手工作坊，跃变到今天的工业化、电气化社会。第一次工业革命，瓦特发明蒸汽机，煤炭提供了工业动力。第二次工业革命，电力工业迅速崛起，煤炭让电能流进千家万户、工厂企业。内燃机的发明，是石油让汽车交通方便、迅捷。能源是国民经济的命脉。经济的发展是能源作为支撑的，GDP的增速与能源消费的增速是成正比的。能源相当于社会的血液，它驱动着社会的运转，现代化程度越高的社会对能源的依赖越强。能源的争夺是国际政治、外交、战争的重要根源。,5,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,但是，由于人类对化石能源的过度依赖，致使化石类能源面临日益枯竭的危险。我国的能源问题体现在：一是过度依赖化石燃料，二是经济社会发展对能源的依赖度过大，三是要满足小康社会对环境的要求的可持续发展面临着巨大挑战，四是能源安全尤其是石油安全问题越来越重要。,过去100多年世界能源消费变化,6,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,据国际能源机构的预测，目前全球已探明的剩余可采石油储量1700多亿吨，按年产原油38亿吨计算，假如今后不再发现新的石油资源，理论上还可以开采40年。世界煤炭研究所（WCI）研究报告分析指出，目前已知的煤炭资源分布在全球近100个国家。按照目前的开采速度，已勘测到可供开采的煤炭储量可够开采160年。化石类能源，不可再生，用一点少一点，终有用完的一天。在人类社会的历史长河中，几百年只是一瞬间，化石能源只能为人类向现代化社会发展的转折过程中，提供一个跳板。百年以后的社会，需要新能源。 现在，我们要做的是：开发新能源，节能低碳。,7,人类利用能源的演化历史：,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,8,化石能源剩余探明储量居世界前五位的国家（2011）,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,目前，中国的煤炭开采量是全世界煤炭开采量的50% 。,9,世界及我国人均化石能源剩余探明可采储量（2011）,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,10,我国与世界及部分国家剩余化石能源储产比（2011） 单位：年,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,11,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,中国的能源储量：（2000年）我国是一个人口大国，各种资源的人均占有率远远低于世界平均水平。中国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的1/2，仅为美国人均水平的1/10。,（2000年）,12,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,我国一次能源消费结构,1）能源结构不合理，大量燃煤增加了碳排放 2）交通运输压力巨大，包括燃油供应、尾气污染,13,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,中国与世界一次能源消费结构比较（2004年）（美国数据为2001年）,中国与世界一次能源消费结构比较: (%),14,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,我国与世界及部分国家人均能源消费量比较 单位：吨标准煤/人,15,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,中国能源消费增长情况：可见，中国的能源储量少，而能源消耗却同步增加，所以节约现有资源，开发新能源，更是迫在眉睫的事。,16,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,中国能源产消现状,17,中国的资源和能源储备人口约占世界总人口的 21国土面积占世界面积的 7.1耕地面积占世界面积的 7.1草地面积占世界面积的 9.3水资源占世界水资源的 7森林面积占世界面积的 3.3石油占世界 2.3天然气占世界 1.2煤炭占世界煤炭总量的 12,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,18,资源与供需矛盾突出,资源贫乏，但能源消费持续增长。2010年，中国是世界能源生产和消费第二大国，煤炭的生产和消费是第一大国，石油和电力的生产和消费是第二大国。2010年能耗结构：能源消耗总量32.5亿吨标准煤，其中煤炭消耗30亿吨，原油消费量3.8亿吨（原油净进口1.99亿吨），天然气消费量887亿立方米。我国2010年全年发电量3.65万亿千瓦时，84%是燃煤发电，燃煤为主的能源结构，造成严重污染。,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,19,能源效率偏低，新能源技术滞后,目前我们的能源利用效率33.4%，比发达国家平均水平低了10个百分点以上。日本能源利用效率达60%-70%，我国能源利用水平比日本落后30年。可再生能源、清洁能源技术开发滞后，正在急起直追。,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,20,2009年全球新能源投资方向（单位：10亿美元）,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,21,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,世界能源发展趋势：,22,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,能源危机的应对策略：在能源紧缺的情况下，“开源”和“节流”是解决能源短缺和保障经济发展的必由之路。发展低碳经济，开发利用风能、太阳能等新能源，以替代煤、石油、天然气等不可再生的能源，属于“开源”的范畴；而提高供电、用电系统的效率，降低能耗，则属于“节流”的范畴。在新能源还不能替代化石能源时，节流很重要。电力电子技术不仅在风能、太阳能发电等新能源领域有着不可替代的作用，在节能领域也有非凡的表现，也是实现新能源可靠利用的重要保障。,23,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,光伏发电,24,风力发电,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,25,水力发电,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,26,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,电力电子节能效果粗略估算：电力是人类最理想的二次能源和能源使用方式，目前在所有的能源中电力能源约占50%。据粗略计算，采用电力电子技术对设备进行改造，平均可节电15%20%左右。据统计，2006年我国电能有35%左右通过电力电子使用，如果这个比例提高到60%，以2010年用电量为4万亿千瓦时计算，可节电约3600亿千瓦时，折合标准煤12000万吨，相当于减排CO2约为3.24亿吨。(相当于4个三峡，70个黄台电厂)在产品细分中，节能效果比较明显的电力电子产品包括变频器、节能灯、无功补偿装置、开关电源、逆变焊机等。,27,二氧化碳（CO2）包含1个碳原子和2个氧原子。一吨纯净碳在氧气中燃烧后能产生大约3.67吨二氧化碳。电与标煤的等价值折算系数为：1千克原煤 = 0.7143千克标准煤1度电(1千瓦小时)= 0.4千克标准煤 每节约1度电 =节约 0.4千克标准煤 =减排 0.997千克二氧化碳C02 =减排 0.272千克碳粉尘 =减排 0.03千克二氧化硫S02 =减排 0.015千克氮氧化物NOX,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,28,节约1千克标准煤 = 减排2.493千克“二氧化碳” = 减排0.68千克碳粉尘 根据BP中国碳排放计算器提供的资料：节约1升汽油 = 减排2.3千克二氧化碳 = 减排0.627千克碳粉尘节约1升柴油 = 减排2.63千克二氧化碳 = 减排0.717千克碳粉尘,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,29,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3.2 变频器节能 变频器的基本原理：变频器的功能：变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。变频器的结构：现在使用的变频器主要采用交直交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。,30,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,变频器主要由整流单元、滤波单元、逆变单元、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理器单元等组成的。,31,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,变频调速的基本原理：异步电机的转速n可以表示为 n = 60f/p n同步速度，f电源频率，p电动机极对数可见，改变电源频率就可以改变同转速和电机转速。为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，即在降低频率的同时也要降低交流电压，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。,32,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,据统计，我国电动机用电量占总发电量60%以上。 若全国电机都用变频调速，可节电10%40%，仅此一项，就可节约全国总发电量的10%至15%。所有电机负荷中，风机、泵类约占50%，占全国用电量的31。正是这类负荷其节能潜力最大，主要原因：一是设计驱动裕量过大，形成“大马拉小车”现象。二是系统需要风量或流量减小时，控制风门或节流阀的转角，减小风道或水管的横断面积，而电机转速不变，因而消耗功率变化很小。,空调、冰箱、风扇洗衣机、吸尘器,33,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,采用变频调速后，变频器可以根据负载要求调节输出交流电的频率，从而调节电动机转速，实现对风量或水流量的控制。（不用遮挡管道面积）,图 变频器、水泵、风机的实物外形图,34,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,变频调速节能的基本原理： 由流体力学理论可知，风机或泵的轴功率P等于流量Q与压力H的乘积。流量Q与转速n的一次方成正比，压力H与转速n的平方成正比，则功率P与转速n的三次方成正比。 P = Q H如果水泵的效率一定，当要求调节流量Q下降时，转速n可成比例的下降，而此时轴输出功率P成三次方关系下降，因此节能效果相当明显。 Q n P ,n3,n2,n,35,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,图 风机运行曲线,风机的风压-风量特性（n1）,风机的风压-风量特性（n2）,管网风阻特性（风门全开）,管网风阻特性（风门遮挡）,风机运行曲线：满负荷运行，风量Q1，转速n1，工作点A,面积,P1=Q1H2,流量,压力,36,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,现在要减少风量到Q2，两种方案：,P,37,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,采用变频器进行调速： (不考虑摩擦阻力)风量下降到80%，轴功率P下降到额定功率的51.2%；风量下降到60%，轴功率P下降到额定功率的21.6%。实例：茂名石化公司炼油厂，1990年先后在20条生产线上使用161台变频调速装置，总功率达8091kW。1990年10月到92年2月，对其中30台泵进行测试，采用节流阀耗电999.9kW；而采用变频调速耗电396.7kW，节电603.2kw ，节电率60.3%。此外，由于变频可实现电机软启动、泵的转速下降、管道压力下降等，使得轴承等机械摩损降低，泵端密封系统不易损坏，机泵故障率降低，维修工作量大大减少。 同时，提高了功率因数。,38,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3.3 绿色照明节能 1991年1月美国环保局首先提出实施 “绿色照明工程（Green Lights Program）” 概念。 1993年11月中国经贸委启动绿色照明工程，并于1996年正式列入国家计划。照明是用电大户。美国照明占总发电量的24，我国占15左右，且以低效照明为主，是终端节电主要对象之一。2004年我国总发电量21870亿度，照明耗电3280.5亿度，相当于三峡工程26台70万kw年发电量(840亿度)的四倍左右。 发改委统计，1996-2005年，中国绿色照明工程累计节电590亿度。,39,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,我国主要照明灯具是白炽灯(家用)和日光灯(办公、商场) 。 白炽灯：钨丝，电阻。发光效率低、热损耗大。 工作原理：电首先被转化成了热，将灯丝加热至极高的温度-2000以上（钨丝熔点3000多），灯丝处于白炽状态，就象烧红了的铁能发光一样而发出光来。灯丝的温度越高，发出的光就越亮。 故称之为白炽灯。 大部分能量都转化成了热， 所以效率低下10%-15%。许多国家将禁用白炽灯。,40,全球白炽灯禁止时间,41,全球白炽灯禁止时间,42,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,日光灯：（带铁心镇流器）工作原理：接通电源后，启辉器辉光放电，双金属片受热弯曲，触点接通，将灯丝预热；随后辉光停止，双金属片冷却，触点又断开，镇流器感应出高电压，灯管击穿放电，开始正常工作。启辉器相当一只自动开关，能自动接通电路（加热灯丝）和开断电路（使镇流器产生高压，将灯管击穿放电）。,43,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,正常工作时，灯管两端的电压较低（40W的约110V， 20W的约60V），该电压启辉器不会产生辉光放电。日光灯耗电多的原因：一是：大多电压降落在镇流器上，镇流器发热严重。二是：镇流器串联在电路中，电感量较大，因而整个电路的功率因数很低。（约0.5左右）为提高功率因数，可在日光灯的进线端并联电容器。 （40W并联4.75F/450V ， 20W并联2.5F/450V ）近年来，电子镇流器的出现，较好地解决了这个问题。,44,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,电子镇流器：问世于80年代初，由荷兰飞利浦公司首先研制成功. 是一个由电力电子器件构成的AC/DC/AC变换器。1）节能。工作频率20k60kHz，灯管光效比工频提高约10%；自身功耗低，发热少，使灯的总输入功率下降约20%。2）消除频闪，发光稳定，有利于保护视力。3）功率因数高。普通的功率因数约0.70.8。符合国家标准的25W以上的，其功率因数高于0.95。,45,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,电子节能灯：（正大力推广）又叫紧凑型荧光灯，1978年国外厂家发明，我国1982年，首先在复旦大学电光源研究所研制成功我国已经把它作为国家重点发展的节能产品（绿色照明产品）推广和使用。工作原理 与前面电子镇流器基本相似，但功率稍小。,46,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,电子节能灯电路： 与前述的电子整流器类似。,47,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,电子节能灯的优点：光效高、节能发光效率是白炽灯的56倍，如11W节能灯的光通量相当于60W普通白炽灯，可以节电约70%。寿命长 白炽灯额定寿命1000小时，节能灯为5000小时。 显色好 指在光源照射下物体的颜色能够得到真实的反映。采用稀土三基色荧光粉，比普通日光灯显色性显著提高。 若采用廉价的卤粉作原料，将达不到此效果。体积小巧，造型美观，使用简便。,48,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,LED光源： （第四代照明光源、绿色光源、正大力推广 ）美国从2000年起实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。预计未来，LED将引起照明领域的巨大变革，对绿色照明实施产生重大影响。,LED灯具、LED灯带及LED景观灯,49,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,LED光源就是发光二极管（LED）为发光体的光源。发光二极管发明于20世纪60年代，在随后的数十年中，其基本用途是作为收录机等电子设备的指示灯。,LED的发光原理,LED是发光二极管（Light Emitting Diode）的简称。是一种将电能转化为光能的电子器件,具有二极管的特性。LED与普通二极管一样有两个电极，有和半导体二极管相似的P区和N区，两区交界处是PN结。当正向导通电压加在LED两端，P区和N区的正负电荷向PN结移动，复合以后能量以光的形式放射出来。,50,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,LED灯特点：节能、环保、寿命长、体积小等，可用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等。高效节能：相同照度下，电能消耗仅为白炽灯的1/10，电子节能灯的1/4。冷光源，自身几乎不发热。 超长寿命：半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时。发光效率高：90%的电能转化为可见光，普通白炽灯仅有15%电能转化为光能。健康、绿色环保、保护视力：光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射；不含汞等有害元素；不会频闪。,51,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,一款实用的LED灯恒流驱动电路：,滤波,整流,功率因数校正,功率变换,电流检测及反馈,52,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3.4 无功功率补偿节能 1. 什么是有功功率、无功功率、功率因数？有功功率 是指保持设备正常运行所需电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。无功功率 比较抽象，它是用来在电气设备中建立和维持电场或磁场的电功率。电容负载时，建立电容内部电场，就需要无功功率。有电磁线圈电气设备，要建立磁场，也需要无功功率。无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要无功功率建立和维持旋转磁场，使转子转动。变压器也同样需要无功功率，才能产生磁场，在付边感应出电压。因此，没有无功功率，电动机不会转动，变压器不能变压，交流接触器不会吸合。,53,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,无功功率的物理意义：在正弦电路中，无功功率表示负载与电源有能量交换，但是不消耗功率。原因：纯电感和纯电容是储能型负载，自身并不耗能，只是在某一段时间将来自电网的能量储存起来，而在另一段时间将储存的能量返还给电网，这部分功率就是无功功率。交流电在通过纯电阻（耗能型负载）时，电能都转成了热能，这就是消耗了有功功率；当然实际负载，不可能为纯容性负载或者纯感性负载，一般都是混合性负载，这样电流在通过它们的时候，就有部分电能不做功，就是无功功率。以下通过波形进一步解释。,54,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,纯电阻负载时，工作波形及瞬时功率：,p=ui,在纯电阻负载时，电流和电压的波形是同步的，也就是同相位，不管正半周还是负半周，瞬时功率都是正的，表明：纯电阻消耗的是有功功率。,瞬时功率：,55,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,某电阻电感负载工作波形及瞬时功率流向表：,p=ui,相位差,A. 可见：负载与电源之间有能量交换。B. 怎样描述负载的有功功率占总功率的比率呢？,电感特点：阻碍电流的变化。电流比电压变化的慢一点。,56,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,相位差,t1 t2,t3 t4,t2 t3,t4 t5,消耗的功率,交换的功率,57,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,u,0,t,t1,t2,t3,t4,t5,i,从另一角度分析：可以把负载电流分解成有功电流（绿色曲线）和无功电流（棕色曲线）,负载电流,无功电流,有功电流,58,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,负载电流,无功电流,有功电流,59,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,功率因数的数学概念：几种功率的定义：视在功率： S = UI有功功率： P = UIP=UIcos无功功率： Q = UIQ= UI sin功率因数： = P/ S = cos交流电路中，把有功功率和视在功率的比值定义为功率因数，即=P/ S。在数值上，功率因数恰好等于负载电压与电流之间的相位差()的余弦，=P/ S = cos；,60,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,2. 提高功率因数与无功补偿由以上分析可知，像电动机之类的负载，在运行时是必须从电网索取无功功率的，而无功电流占用了发电机、变压器、输电线的容量，造成输出有功功率减少，也就是说，电网提供了无功又会造成功率因数降低，带来诸多不利影响，那该怎么解决呢？最好的办法就是有一种装置，专门为电动机之类的负载就地产生和提供无功功率，尽量减少从电网索取，从而提高电网的功率因数，这就是无功补偿。,无功补偿装置,发电机,电动机,61,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3. 提高功率因数的优点实际用电过程中，提高负载的功率因数，降低电源输出的无功功率，是提高电力资源利用率、节约电能的有效方式。供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求，一般不允许低于0.9。,无功补偿装置,功率因数低,功率因数高,有功电流,无功电流,62,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,提高功率因数意味着： 1) 企业可节约电能，降低生产成本，减少电费开支。例如：某设备视在功率为100个单位，也就是说，正常运行时有100个单位的功率输送到设备中。然而，该设备存在固有的无功损耗，功率因数是0.7，只能使用70个单位的有功功率。虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。,63,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,2) 能提高企业供电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力。例如，一台1000KVA变压器，当输出端的功率因数为0.8时，它可以输出800KW（即10000.8）的有功功率；若通过无功补偿，将功率因数提高到0.98时，就可以输出980KW（即10000.98）的有功功率；可见，同一台1000KVA的变压 器，功率因数改变后，它就可以 多承担180KW的负载，变压器的 利用率提高22%。（减少了无功电流， 就可以增加有功电流）,64,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3) 可提高发电机的发电量、电网的输电量。因发电机的发电容量、电网的输电量都有最高容量限定，故提高cos，也就减少了系统的无功电流和无功功率，使发电机能多发出有功电流和有功功率。其道理和上述的变压器多承担负载一样。,65,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,4) 可减少线路的功率损失，提高电网输电效率。例如，一条220V的输电线路，线路电阻为1欧姆，给某负载传送1000W的有功功率。当功率因数为0.7时，线路上的功率损耗为42W（包含无功电流流过线路电阻时产生的功率损耗）；将功率因数提高到0.98时，线路上的功率损耗仅为21.5W，减少损耗近50%，同时也减少了线路上的电压损失。同线路一样，发电机、变压器绕组也有电阻，也产生功率损耗，并且导致设备发热。（实际上，发热是决定设备容量的主要因素）,66,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,4. 无功补偿装置无功补偿是提高电网功率因数的主要办法。无功补偿装置就是利用一种电气设备，专门为电动机之类的负载就地提供无功功率，而尽量减少从电网索取。实际中可使用的无功补偿装置有：同步调相机、并联电容器、静止无功补偿器、静止无功发生器。,67,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,1）同步调相机 是空载运行的同步电机，它能在欠励磁或过励磁的情况下向系统吸收或提供无功功率。但它的有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢，已逐步退出电网运行。2）并联电容器 目前广泛使用，投资费用节省。它由许多电容器组成，可根据实际需要分批投入或切除，只能补偿固定的无功功率，补偿容量有级差，不能连续调节。 并联电容器无功补偿的原理:,68,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3）静止无功补偿器（SVC） （广泛应用）SVC主要设备：固定电容器（FC）、晶闸管投切电容器（TSC）和晶闸管控制电抗器（TCR）等三类装置。固定电容器：机械开关投切，不变动的无功功率补偿设备。,静止无功补偿器（SVC）主电路a) 固定或开关投切电容器 b) 晶闸管投切电容器（TSC）c) 晶闸管控制电抗器（TCR）,限制涌流,限制涌流,69,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,晶闸管投切电容器TSC 是主要设备，用于动态无功补偿。TSC分成若干组，只能采用整组全投入或全切除的方法，因而补偿容量有级差，补偿容量不精确。存在问题：多投入一组，过补偿；切除该组，欠补偿。晶闸管控制电抗器TCR 主要设备，用于动态无功补偿。作用是：当过补偿时，由电抗器容量抵消电容器部分容量。TCR中晶闸管的触发角可以连续调节，电抗器的电流也可以连续调节，无功容量也可以连续调节。特点：可以做到精确补偿。,70,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,无功补偿电容器和电抗器,静止无功补偿器（SVC）,71,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,4）静止无功发生器（SVG） 是一种比静止无功补偿器（SVC）更先进的无功补偿装置。构成：由逆变器、电抗器（或变压器）、电容、控制器。,一款静止无功发生器的实物外形,72,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,静止无功发生器（SVG）基本原理：逆变器将直流电容上的电压逆变成与电网电压ES同相位的交流电压UI。 ES与UI加在变压器(电抗器)的两侧。当ESUI时，则SVG相当于电感，消耗无功功率；当ESUI时，则SVG相当于电容，提供无功功率。,73,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,KMT-SVG 系列静止无功发生器产品说明:,74,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,静止无功发生器和静止无功补偿器的比较：两者的结构、工作原理不同。静止无功发生器所需的储能元件的容量仅为静止无功补偿器的1/10。静止无功发生器的响应速度快，可实现瞬时无功补偿。静止无功补偿器发出的无功功率受电网电压的影响，而无功发生器在各种电压下都可以发出额定无功功率。静止无功发生器的主电路结构、控制电路及控制方法比静止无功补偿器要复杂，其成本也高。静止无功发生器的应用开始普及，许多高科技企业生产。,75,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3.5 逆变焊机的节能电焊机（焊接设备）是一种应用量很大、应用面很广的现代工业重要工艺装备，号称“工业缝纫机”。应用于造船、化工、冶金、建筑、机械、汽车、轻工、电力等，也是航天、电子、原子能等尖端工业的加工设备。据统计，世界钢产量的一半以上都是用焊接工艺将其制成钢制品。焊接设备的市场需求量与钢产量基本成比例。例如，2002年我国钢产量1.85亿吨，焊接设备产量为21万台；到2009年我国钢产量5.68亿吨，焊接设备产量达302万台。,76,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,电弧焊机是一种焊接电源，它的负载是焊接电弧。电焊机从电网获得电能，经过变换、处理后，以焊接电弧的形式，向电弧输出能量。 焊接电弧是一个“用电器”，特点是电流大、电压低，这与常规的用电器不同。由于电流大，一般电弧的功率都很大。因此，发展电焊机的节能技术，对节能减排有着十分重要的意义电焊机的种类很多。逆变焊机，80年代出现，具有性能好、速度快、效率高、节能、节约材料等优点，发展迅速。2000年，我国将IGBT逆变焊接电源列入高科技产品目录，成为焊接设备行业唯一被列入的产品。,77,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,1、常规焊机的基本原理：常规弧焊电源，都使用变压器和电抗器。弧焊电源的体积和重量的80%都来自于变压器和电抗器。常规的弧焊电源，变压器都工作在工频50Hz。如图所示。,78,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,2、逆变焊机的基本原理：主电路结构：电源（工频交流）整流滤波（直流）逆变（中频交流）中频变压器（降压）整流滤波（直流）电弧；逆变器主要器件：晶闸管、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（MOSFET）或绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。逆变器控制方式：脉冲宽度调制（PWM）。,79,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,优势：逆变弧焊电源中，变压器工作频率，一般为230kHz。比50Hz的工频弧焊电源提高了40600倍。频率提高的好处？ 变压器的设计公式为： U = 4.44SBmNf 10-4 式中，U-电压；S-铁心截面积；Bm-磁感应强度最大值；N-绕组匝数；f -工作频率（Hz）当磁性材料确定后，Bm也确定；电压U也一定时，上式为 ： SN=U /4.44Bm f 10-4 = K / f （K为常数）即：铁心面积和绕组匝数的乘积与工作频率成反比。,80,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,当工作频率 f 提高600倍时，则铁心面积和绕组匝数的乘积就降低到原来的1/600。所以说，逆变式弧焊电源中，中（高）频变压器和滤波电抗器的重量和体积比一般的弧焊电源要小得多，其主变压器的重量仅为传统弧焊电源主变压器的几十分之一。因此，体积小、重量轻、节省 贵金属材料、小巧灵活是逆变 焊机的最大优点之一。,逆变焊机示例（山大奥太）,81,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3. 逆变焊机节能的原因： 1）变压器损耗小。变压器体积与重量减小，铁损、铜损随之减小，发热减少。非焊接状态时，逆变器停止运行，使变压器空载损耗减小。 2）功率因数高。传统焊机，变压器直接与电网相连，功率因数较低，一般只有0.60.8，浪费电能严重。逆变焊机，变压器不直接与电网相连，功率因数达0.9以上。有源功率因数校正技术，功率因数到0.99，对电网无谐波污染，是电网的绿色负载。正逐步推广。,82,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3）功率器件损耗小。早期的焊机，通过调节电抗器的铁芯间隙（即阻抗）来调节输出电流，大量的电能消耗在电抗器上。有些弧焊机其功率器件是工作在模拟状态，导通时器件管压降较大，因此损耗也很大。逆变焊机，器件工作在开关状态，通过脉冲宽度（PWM）调节输出电流，自身功率损耗小得多，因此整机效率明显提高，可达80%90%。近年来，有些采用软开关技术，整机效率可提高到92%以上，并且可靠性高，具有很强的过载能力。逆变焊机，比一般的弧焊电源可节能20%40%。,83,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,84,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,调查统计：2007年，经对全国40家主要焊接设备生产企业的调查统计，共生产直流电弧焊机52.3万台，其中逆变焊机约占80%，即41.9万台。按40家企业每年新增的41.9万台逆变焊机计算：替代旋转直流弧焊机，每年可节电31亿度；替代第三代的晶闸管弧焊整流器，每年可节电6亿度。一般城镇家庭每年用电2000度左右，6亿度可供30万个家庭用一年。,85,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3.6 开关电源的节能 1、开关电源的发展及应用场合 开关电源是一种应用较早、也最普遍的电力电子设备。问世：20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为火箭开发功率晶体管（GTR）开关电源。70年代，电力MOSFET 应用，开关电源的频率进一步提高，使电源体积更小，重量更轻，功率密度进一步提高。80 年代，IGBT出现，开关电源在中、大功率直流电源领域也得以发挥。开关电源中陆续应用了软开关技术、功率因数校正技术。,86,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,开关电源的应用场合 极其广泛，应用于各种电子设备、仪器仪表、家用电器及电化学的直流电源。几瓦：手机、数码相机等移动电子设备的充电器；几十瓦几百瓦：计算机、电视机、DVD播放机、音响、家用空调器、电冰箱的控制电路、电动自行车充电器；几千瓦几百千瓦：通信交换机、巨型计算机、数控机床、自动化流水线、CT机、 X光机、微波发射机、雷达、电镀、电解、电动汽车。 大多数电子设备的开关电源功率不大，但数量极其庞大，所消耗的电能约占全国总发电量的10%左右，并且随着国家现代化进程的发展，用电比例会进一步增加。,87,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,开关电源的实物外形：,88,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,2. 线性电源的原理及功率损耗线性电源是开关电源出现之前，电子设备的直流电源。线性电源结构：主要包括工频变压器、整流滤波器、调整管、控制电路、保护电路等。优点：技术成熟，稳定度高，波纹小，没有干扰与噪音。缺点：功耗太大，转换效率低，一般在30%60%。,89,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,门禁专用12V/42W线性电源,90,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,线性电源的稳压原理：当交流电源电压降低或负载电流增大时，引起输出电压U降低，输出电压经采样电路送至误差放大器与基准电压比较，然后将误差信号放大去控制调整管两端的压降，使其减小，减小的数值正好等于输出电压降低的数值，则输出电压重新回升到原先的数值从而保持稳定。 输出电压U 误差信号 调整管压降 输出电压U 反之，当交流电源电压升高或负载电流减小时，则使调整管两端压降增大以维持输出电压的稳定。,91,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,线性电源功率损耗大的原因：1）串联调整管功率损耗大 调整管工作在线性状态，有较大的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，还要安装很大的散热片。 2）线性稳压电源中使用了工频降压变压器。 工频变压器体积大、重量大，功率损耗大，效率低（自身效率为8090），从而降低了整个电源的效率。工频变压器直接与电网相连，输入端功率因数降低。 线性电源的整机效率一般在30%60%。,92,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,3. 开关电源的原理及功率损耗开关电源结构：包括输入整流滤波器、高频变换器、高频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。优点：体积小、重量轻、效率高、可达7595。,93,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,开关电源基本原理：交流电源输入经整流滤波成直流，再将直流电压逆变成高频交流电压，由高频变压器进行降压（或升压），再经过高频整流滤波得到希望输出的直流电压。输出电压通过采样电路反馈给控制电路，并将其与基准电压比较放大，去控制高频变换器功率管的脉冲宽度，以达到稳定输出电压的目的。开关电源克服了线性电源的不足。(工频变压器、放大状态)开关电源整机效率一般在75%95%。,94,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,4. 开关电源与线性电源的性能比较,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,节能效果估算：大多数电子设备的开关电源功率不大，但数量极其庞大，所消耗的电能约占全国总发电量的10%左右。以我国2012年我国全年发电量4.94万亿千瓦小时计算，电子设备2012年消耗的电能约为0.5万亿千瓦小时。按照开关电源替代线性电源，提高效率20%计算，节约电能1000亿千瓦小时（度）。大约相当于15座黄台电厂的年发电量，节约原煤5000万吨。可供济南市用5年。,95,96,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,5. 电源工作效率高，意味着什么？工作效率是指电源输出功率与输入功率的比值，即：Pout = Pin。右图对效率为60%和90%的900W电源作了比较。可以看到，如果电源的效率从60%提高到90 % ，一个仅900W的电源，自身功率损耗减少500W。如果按每天工作16小时，每年工作250天计算，仅一年就节省了2000度电。 （ 普通家庭用一年）,97,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,提高了电源的效率，意味着节省了能量，减少了生产成本，减少了碳排放，减少了环境污染。提高了电源的效率，意味着电源内部热损耗减少，电源内的工作温升减少，散热器就可以较小，电源体积也会减小。提高了电源的效率，意味着延长了电源的寿命，即电源的可靠性大大提高。因为热损耗增加，温度上升，电子产品长期在高温下工作，会加快老化，平均无故障时间减少，可靠性下降，电源的损坏也大大加快。比如，电源中的关键器件电解电容，它的寿命直接与温度有关，温度每上升10度，电解电容的寿命就减少一半。,98,第3章 电力电子技术在节能领域的应用,习题： 论述电力电子技术在节能领域的作用。,99,