电力电子技术节能

电子信息产业推 出的新技术和新产品 例如电源管理芯片 新型半导体照明技术等有助于节能 应该大力推广这些产品和技术实现节能 电子信息产业的节能不光是为了降低 成本和少用能源 更重要的是为了以此来促进提高设备利用效率 提高产品的 成品率 用更少的投入取得同样的甚至更多的效益就要求电子信息产业提高效 率 促进工艺和技术升级 加快整个产业的技术进步 目前我国的能源利用率 与发达国家和地区相比差距很多 单位产出下我国消耗的能源是美国的 2 5 倍 欧盟的4 9 倍 日本的8 倍以上 能耗高必然带来高污染 经 验表明 污染减少的70 是靠降低能耗实现的 也就是说少用少排放 因此 节能对于降低污染意义重大 目前 国际上贸易壁垒林立 电子信息产业的节 能则有助于打破贸易壁垒 例如 电视机出口欧美时有待机功耗限制 要求待 机功耗低于1W 目前很多国内电视机的待机功耗高达15W 平均为8W 出 口到国 际市场时面临着巨大的贸易技术壁垒 为了打破壁垒 注重节能 进行技术升 级就成为必然的选择 让厂家执行节能措施 很现实的问题就是厂家的成本要 增加 综合竞争力要降低 这就需要一个切入点 既要照顾到厂家的成本优势 又必须兼顾国家节能及欧盟和美国等地的环保节能要求 在推进节能工作方面 国家应起到绝对的主导作用 全国人大代表 皇明太阳能集团有限公司董事长 黄鸣建议国家应该出台强制措施确保国家节能降耗目标的实现 他认为应该从 五个方面着手加强节能工作 进一步健全相关法规和标准体系 加强执法监督 完善相关政策 包括价格政策 税收政策 投融资机制以及引入市场机制大力 发展节能产业 健全社会监督机制 适当调整能源资源价格 深入开展节能降耗宣传教育 国 外半导体巨头对于中国如何更好地开展节能工作给出了建议 飞兆半导体公司 亚 太区总裁兼董事总经理郭裕亮建议中国可以设立一系列鼓励政策来鼓励消费者 和制造商 让他们能够更好地利用能源 提升能源的利用效率 他认为政府对 节能工作的指导非常重要 英飞凌科技 中国 汽车 工业及多元市场高级技术 总监Loe Lorenz 认为中国政府最好出台一些政策 鼓励企业实施节能方案 也就是说给企业一些节能补贴 在这方面 国外的经验值得借鉴 例如 美国 环保署从1991 年开始实施绿色照明计划 每年投资10 亿多美元用于推广高效 照明产品 美国 能源政策法 规定 2004 年起国家每年拨款3 4 亿美元 给州政 府 用于鼓励购买节能新产品 从2000 年起 德国实行 税收返还 政策 给太阳能产品提供商每千瓦时电力输出50 欧元补助 以此降低销售价格帮助 产品普及 可喜的是 信息产业 十一五 规划明确表示将鼓励新型元器件和 半导体照明产品等节能产品的发展 随着全行业节能意识的提高以及节能技术 水平的提升 电子信息产业将为建设节约型社会做出更大的贡献 提高能源 效率还是减少二氧化碳排放量 减缓全球变暖速度的重要途径 在最为行业关 注的效益问题方面 根据国际能源机构的减排战略 在提高能源效率方面每投 入1 美元就能省下超过4 美元 而且回报期通常不超过4 年 能源问题和资源问题 环境问题 人口问题 粮食问题并称当今世界共同关注的五大问 题 因此节约能源 实现经济可持续发展 对于一个国家来说尤为重要 本文从能源有效利用的角度出发 阐述电力电子技术在提高能源利用率方面所起的关 键作用 重点介绍了使用电力电子技术进行节能的一些相关的关键技术 并分析了现在所 成形的节能产品 同时 文章的最后也对现阶段电力电子技术在能源方面的应用情况做了 介绍 并作出合理的展望 关键词 电力电子 节能 变频 第一章 引言 1 1电力电子技术 电力电子技术是一项综合了控制 电力 电子等技术于一体的技术 它利用大功率电子器 件对能量进行高效变换 控制其输出 从而为各种用电设备提供所需要的电 它的核心是 电能形式的转换 它的主要特征是控制和变换的高效率 1 源 1 2 能源与节能 能源与水 土地一样都是人类赖于生存和发展的基础 它关系到经济社会的可持续发展 如今 能源危机已经成为未来全球发展一个必须面对和必须解决的大问题 在我国 人均 占有的能源远远低于世界平均水平 在未来 中国经济的快速增长对能源的需求将有越来 越高的要求 在能源相对紧缺的情况下 节能和开发利用可再生能源是保障经济发展的必 由之路 1 3 电力电子与能源 目前在所有的能源中电力方面的能源约占40 因此 降低电能消耗对于解决能源问题 具有相当重要的意义 而提高电源效率是降低电源消耗的根本途径 而如何提高电源效率 这就要运用电力电子技术 电能经过电力电子技术处理之后 不仅可以提高效率 优化性 能 还节约原材料 因此在节约能源方面 电力电子技术有很大的发挥余地 2 第二章 电力电子节能的关键技术 2 1开关变频技术 开关变频技术是针对固定的工频而采取的高效节能措施 工频可谓发电的最佳频率 但它并不是所有用电设备的最佳频率 因而导致许多设备长期处于低效率 低功率因数运 行的现状 据统计 占全国总耗电量近2 3的交流电动机目前大多数处于全压 额频 恒速 下运行 运行效率只有60 左右 功率因数仅为0 7左 3 右 电力行业中的变频技术改造 可在很大程度上提高用电效率 降低用电率 降低线 损 减少污染物的排放量 提供持续 可靠 优质的电能 有研究表明 三台300kW的水泵用1台400kVA的变压 变频装置进行变频调速 调节流 量的大小 一年运行8000h 可节约电600kW 这个数字足以说明变频技术在提高能源利用 率方面有非常明显的效果 同时这个技术也在不段发展 将来的开关变频技术对于电能的利 用将越来越有良好的效果 据统计 早期开关电源刚设计出的时候其效率有65 70 而现 在其效率可以达到更高 小功率开关电源的效率可达到80 85 在通信电源中甚至可达 到93 而在开关电源之前的线性电源的工作效率只有30 40 开关技术使电源效率翻了 两番 4 h 5 开关电源由于效率高 性能好 体积小等优点 已成为电力电子装置的一个典范 应 用十分广泛 发展相当快 同时 开关变频技术也被业界称为 节能之冠 2 2软开关技 6 术 前面我们提到了通过开关电源来节约电能 但是开关在开通到关断和从关断到开通的 过程中引起的开关损耗随带也引起了能耗 如何再把这些能耗降低 那就要采用软开关技 术 软开关技术可以降低开关损耗和开关噪声 进一步提高开关频率 软开关 技术是相对于硬开关技这种方法导致电压 电流变化很快 波形出现明显的过冲 导致 了开关噪声 而软开关技术是在原电路中增加了小电感 电容等谐振元件 在开关过程前后引入谐 振 消除电压 电流的重叠 如下图 这样做使得器件在零电压或零电流条件下进行状态转换 从而把器件的开关损耗降到 最低 即可以降低开关损耗和开关噪声 通过降低开关损耗 可以更有效的通过开关技术提 高电源利用效率 从而达到节能的目的 2 3高频技术 之前我们说过 变频可以提高电源的利用率 基于变频 如果把频率再提高 那么对 于能源和材料的的利用将更加的充分 理论分析和实践经验表明 电气产品的变压器 电感和电容的体积重量与供电频率的 平方根成反比 所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz 提高400倍的话 用电设备的 体积重量大体下降至工频设计的5 10 根据这一原理 对传统行业的电镀 电解 电加 工 充电等各种电源进行改造 不仅其主要材料可以节约90 或更高 还可节电30 或更 因此采用高频技术 还可更进一步的提高电能的利用率 而相对于变频之前 其效果将更为 明显 7 多 2 4 有源功率因数校正技术 功率因数 是指任意二端网络两端电压U与其中电流I之间的位相差的余弦 功率因数 的高低 对于电气设备的利用率和分析 研究电能消耗等问题都有十分重要的意义 我们 知道有功功率的计算公式为 P U I cos 可见 电路中消耗的功率P 不仅取决于电压U与电流I的大小 还与功率因数有关 我们知道 任何用电设备都是工作在一定的额定电压和额定电流下的 超过了额定值 其 工作状态是不安全的 所以如果提高了功率因数 那么输出的有功功率就越大 同时无功 功率 将越小 说明电能被充分利用了 使用电力电子技术提高功率因数 将有效的提高电能的利用率 2 5 其他提高能源利用率的技术 使用电力电子实现节能的手段有很多种 除了以上这些外 还可以开发新型磁性元件 开 发新型变压器 开发智能电源 比如可以使设备进行自动待机省电的电源 等等 这些方 法都可以有效的实现能源的高校利用 达到节能的目的 第三章 电力电子技术在节能方面的典型应用 4 1变频器 全世界的用电量中有60 左右是通过电动机来消耗 因此变频器在提高电动机电能利 用率上有很大的作用 它主要用于交流电动机的变频调速 它的电源主电路采用AC DC AC 方案 它利用电力电子技术 通过改变频率 提高能源利用效率 消除有害的高次谐波和电 压波动 达到节能目的 输出高质量的电能 其在电气传动系统中占据的地位非常重要 同 时它所带来的节能效果也是非常明显的 7 的 4 2高频逆变焊 7 机 高频逆变式整流焊机电源是一种新型的焊机电源 它相比于原来的焊机电源来说 性 能优良 高效 逆变焊机电源大都采用AC一DC一AC一DC变换的方式 由于焊机经常在野外 工作 条件恶劣 能源储备有限 如何节约能源是它必须考虑的问题 采用高频变换的焊机 电源不仅节约材料 而且可以有效改善焊接耗电量大的弱点 提高能源利用率 是当今焊 机电源的发展方向 有着广阔的应用前景 4 3计算机绿色电源 我们知道 现在的计算机都是采用开关电源 计算机相对于其他用电 设备来说 率先完成节能电源换代 在本文第二章我们提到了智能电源的开发 现在的智 能电源已经有部分用在了计算机上 使电脑成为 绿色产品 根据美国环境保护署l992年6 月17日 能源之星 计划规定 桌上型个人电脑或相关的外围设备 在睡眠状态下的耗电量若 小于30瓦 就符合绿色电脑的要求 在电脑这样使用非常广泛的产品上上采用智能型电脑 对于能源的节约来说是相当有好处的 4 4 其他产品 其他采用电力电子节能的产品目前已经开发出的还有很多 但是现在的很多现实生活种使 用的家电 洗衣机 电动机等 其电源设计都没有考虑到如何有效的节能 因此电力电子 要开发的产品还有很多 第四章 现阶段利用电力电子节能情况 目前所有的能源中电力方面的能源约占40 而电力能源中有40 是经过电力电子的设 备转换才得到的 其中55 以上是用在马达和马达控制方面 20 是用在照明方面 目前能源情 2 况 如果用很好的电力电子技术去转换 人类至少可节省约l 3的能源 1 3的能源到底有 多少呢 目前的统计数字表明 1 3的能源相当于840个发电厂发出的电 由此可以看出电 力电子对节能所起到的巨大作用 2 能 电力电子技术的诞生和发展 改变了人类利用电能的传统观念 增强了人们对于抵抗能源 危机的信心 在世界范围内 用电总量中经过电力电子装置变换和调节的比例已经成为衡 量用电水平的重要指标 目前 全球范围内该指标的平均数为40 而到2010年将达到 80 这对电力电子技术来说 既是一个很好的机遇 又是一个严峻的考验 8 第五章前景 通过以上的分析我们可以知道 电力电子技术可以达到高效节能的目的 具有非常高 的实用性 应用范围非常的广 每个用电产品几乎都可以牵涉到电力电子技术 现在的用 电设备的供电很多都没有考虑到节能 主要是成本以及人们观念的原因 如果这些用电设 备都使用电力电子技术来实现高效节能的目的 那么可想而知 电力电子的发展空间有多 大 因此在一个相当长的时期内 我国国民经济的发展和巨大的用户市场对电力电子与电 力传动应用技术具有巨大的 持久的需求 这就意味着我国电力电子产业面临着良好的发 展机遇和前景 同时 由于电力电子理论的不断更新完善 新型电力半导体器件的不断发现 以及更 具有高效节能性质的电路拓扑的不断出现 电力电子技术未来还有非常大的发展空间 这 个行业也必将进一步得到发展 必将节省更多的能源 为国民经济服务 成为国民经济中 的一个重要产业 第六章本文通过资料的查阅 了解了电力电子技术在提高能源利用率方面的技术和 应用 介绍了相关技术 并通过应用和前景分析 指出了电力电子技术在这方面的巨大应 用舞台 并提出通过电力电子技术来改善电力方面的能源危机 本文的不足之处在于作者对部分技术没有作深入的研究 只是较表面的介绍了这些技 术以及它们对节能所做的贡献 参考文献 1 应建平 林渭勋 黄敏超 电力电子技术基础 机械工业出版社 2003年2月 2