山东大学第3章电力电子技术在节能领域的应用

1、1电力电子与现代生活电力电子与现代生活第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用3 电力电子与现代生活电力电子与现代生活第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用3.1 3.1 能源危机与对策能源危机与对策3.2 3.2 变频器节能变频器节能3.3 3.3 绿色照明节能绿色照明节能 3.4 3.4 无功功率补偿节能无功功率补偿节能 3.5 3.5 逆变焊机的节能逆变焊机的节能3.6 3.6 开关电源的节能开关电源的节能4第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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危机与对策能源和水、土地一样都

2、是人类赖于生存和发展的基础。近二百年来，能源的利用能源的利用，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。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。过去过去100100多年世界能源消费变化多年世界能源消费变化5第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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，

3、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。 6人类利用能源的演化历史：人类利用能源的演化历史：第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用7化石能源剩余探明储量居世界前五位的国家化石能源剩余探明储量居世界前五位的国家排排序序煤炭煤炭石油石油天然气天然气国家国家储量储量（亿吨）（亿吨）国家国家储量储量（亿桶）（亿桶）国家国家储量储量（万亿米（万亿

4、米3）1美国美国2373沙特阿拉伯沙特阿拉伯2645俄罗斯俄罗斯44.82俄罗斯俄罗斯1570委内瑞拉委内瑞拉2112伊朗伊朗29.63中国中国1145伊朗伊朗1370卡塔尔卡塔尔25.34澳大利亚澳大利亚764伊拉克伊拉克1150土库曼斯坦土库曼斯坦8.05印度印度606科威特科威特1015沙特阿拉伯沙特阿拉伯8.0第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用8 世界及我国人均化石能源剩余探明可采储量世界及我国人均化石能源剩余探明可采储量 品种品种中国中国世界世界中国中国/世界世界煤炭（吨）煤炭（吨）85.9122.770.0%石油（吨）石油（吨）1.527.05.6

5、%天然气（米天然气（米3）1840278436.6%第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用9我国与世界及部分国家剩余化石能源我国与世界及部分国家剩余化石能源储产比储产比 单位：年单位：年 国家国家/地区地区煤炭储产比煤炭储产比石油储产比石油储产比天然气储产比天然气储产比世界平均世界平均11846.258.6美国美国24111.312.6俄罗斯俄罗斯49520.676.0印度印度10630.028.5巴西巴西50018.328.9中国中国359.929.0第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用10第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用

6、电力电子技术在节能领域的应用中国的能源储量与消费状况：中国的能源储量与消费状况：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。 11第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用中国与世界一次中国与世界一次能源消费结构能源消费结构比较（比较（20042004年）年）（美国数据为（美国数据为20012001年）年）中国与世界一次中国与世界一次能源消费结构能源消费结构比较比较: (%)12第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用中国能源中国能源产消产消现状

7、现状13第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用中国能源消费增长情况：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。14中国的资源和能源储备u人口约占世界总人口的 21，u国土面积占世界面积的 7.1，u耕地面积占世界面积的 7.1，u草地面积占世界面积的 9.3，u水资源占世界水资源的 7，u森林面积占世界面积的 3.3，u石油占世界 2.3，u天然气占世界 1.2，u煤炭占世界煤炭总量的 12。第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用15资源与供需矛盾突出资源与供需

8、矛盾突出资源贫乏，但能源消费持续增长资源贫乏，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。具体：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。第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用16能源效率偏低，能源效率偏低，新能源新能源技术滞后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

9、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。第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用1720092009年全球新能源投资方向年全球新能源投资方向（1010亿美元）亿美元）第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用18第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用世界能源发展趋势：世界能源发展趋势：19第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用能源危机的应对策略能源危机的应对策略：在能源紧缺的情况下，“开源”和“节流

10、”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。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。 20第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用光伏发电光伏发电21风力发电风力发电第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用22水力发电水力发电第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用2

11、3第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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1520%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。24第第3章章 电力电子

12、技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用3.2 变频器节能变频器节能据统计，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：u一是设计驱动裕量过大，形成“大马拉小车”现象。u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25第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用采用变频调速后，变

13、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） 图图 变频器、水泵、风机的实物外形图变频器、水泵、风机的实物外形图26第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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：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

14、 P n3n2n27第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用图图 风机运行曲线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：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28第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用图图 风机运行曲线风机运行曲线图图 风机运行曲线风机运行曲线1.调节风挡，管网风阻特性:23,风机特性不变,转速n1,工作点AB2.调节转速，管网风阻曲线不变2,风机特性:14,转速n2,工作点ACP=Q2H

15、1P=Q2H3节省的功率：P = (H1-H3)Q2 现在要减少风量到Q2，两种方案：P 29第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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)u风量下降到80%，轴功率P下降到额定功率的51.2%；u风量下降到60%，轴功率P下降到额定功率的21.6%。实例：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，由于电机软启

16、动软启动与泵的转速下降、管道压力下降，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。 30第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用3.3 绿色照明节能绿色照明节能 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k

17、w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。 31第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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。 大部分的能量都转化成了 热，所以效率低下-15%。32第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能

18、领域的应用日光灯：日光灯：（带铁心镇流器）工作原理：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）。33第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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：u一是：大多电压降落在镇流器上，镇流器发热严重。u二是：镇流器串联在电路中，电感量

19、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，电子镇流器电子镇流器的出现，较好地解决了这个问题。34第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用电子镇流器：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2060kHz，灯管光效比工频提高约10%；自身功耗低，发热少。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

20、准的25W以上的，其功率因数高于0.95 。整流逆变ACACDC35第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用电子节能灯电子节能灯：（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，但功率小。36第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用电子节能灯电路：电子节能灯电路： 与前述的电子整流器类似。整流逆变ACACDC37第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用电

21、子节能灯的优点：光效高、节能光效高、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%。寿命长寿命长 白炽灯额定寿命1000小时，节能灯为5000小时。 显色好显色好 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，体积小巧，造型美观，使用简便。 38第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用LED光源：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

22、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、灯具、LED灯带及灯带及LED景观灯景观灯39第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用LED灯特点灯特点：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

23、时。发光效率高发光效率高：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。 40第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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整流整流逆变逆变ACACDC整流整流DC41第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用3.4 无功功率补偿节能无功功率补偿节能 1. 什么是有功功率、无功功率、功率因数？什么是有功功率、无功功率、功率因数？有功功率有功功

24、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。u电容负载时，建立电容内部电场，就需要无功功率。u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。42第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用在正弦电路中，

25、无功功率的物理意义：无功功率的物理意义：无功功率表示有能量交换，但是不消耗功率。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；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，在电网与储能负载之间不断地进行能量交换，这部分功率就是无功功率。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。43第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用某某电电阻电感负载阻电感负载工作波形及工作波形及瞬时瞬时功

26、率流向功率流向表：表：电压电压u电流电流i瞬时功率瞬时功率p电能流向电能流向t1 t2正正正正正正电网电网负载负载 （多）（多）t2 t3负负正正负负负载负载电网电网（少）（少）t3 t4负负负负正正电网电网负载负载（多）（多）t4 t5正正负负负负负载负载电网电网（少）（少）u0tt1t2t3t4t5i负载的工作电压和电流波形负载的工作电压和电流波形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？44第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用u0tt1t2t3t4t5i负载的工作电压和电流波形负载的工作电压和电流波

27、形相位差+iRLt1 t2+iRLt3 t4+iRLt2 t3+iRLt4 t545第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用u0tt1t2t3t4t5i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UIIPIQ46第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用u0tt1t2t3t4t5iu0tt1t2t4iu0tt2t4i负载电流无功电流有功电流47第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用功率因数的数学概念功率因数的数学概念：几种功率的定义：u视在功率： S =

28、 UIu有功功率： P = UIP=UIcosu无功功率： Q = UIQ= UI sinu功率因数： = P/ S = cos交流电路中，把有功功率有功功率和视在功率视在功率的比值比值定义为功率因数，即=P/ S。在数值上，功率因数恰好等于恰好等于负载电压与电流之间的相位差()的余弦，=P/ S = cos； UIIPIQ48第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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

29、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。 M无功补偿装置发电机电动机49第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用3. 提高功率因数的优点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。 M无功补偿装置功率因数低功率因数高有功电流无功电流50第第3章章 电力电子技术在节能领

30、域的应用电力电子技术在节能领域的应用提高功率因数意味着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。51第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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

31、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）52第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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。53第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应

32、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）54第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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装置无功补偿就是利用一种装置，专门为电动机之类的负载就地提

33、供无功功率，而尽量减少从电网索取。无功补偿是提高电网功率因数的主要办法。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。 M无功补偿装置55第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用1）同步调相机同步调相机 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:u

34、0iLiC纯电感纯电感负载与负载与纯电容纯电容负载的电流波形负载的电流波形tt1t2t3OAiLiC56第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用3）静止无功补偿器（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（静止无功补偿器（SVCSVC）主电路）主电路a) 固定或开关投切电容器固定或开关投切电容器 b) 晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）c) 晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TC

35、R）FCFCa)a)TSCTSCb)b)TCRTCRc)限制涌流限制涌流57第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器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。 58第第3章章

36、电力电子技术在节能领域的应用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无功补偿电容器和电抗器静止无功补偿器（SVC）59第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用4）静止无功发生器（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。构成构成：由逆变器、电抗器（或变压器）、电容、控制器。逆变器逆变器控制器控制器 + -系统系统负载负载变压器变压器或电抗或电抗器器 UC 静止无功发生器的原理图静止无功发生器的原理图 UI ES 一款静止无功发生器的实物外形一款静止无功发生器的实物外形60第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电

37、子技术在节能领域的应用静止无功发生器（静止无功发生器（SVG）基本原理）基本原理：u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。u当ESUI时，则SVGSVG相当于电感，消耗无功功率；u当ESUI时，则SVGSVG相当于电容，提供无功功率。+CES UI 静止无功发生器的基本电路结构静止无功发生器的基本电路结构61第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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系列静止无功发生器产品说明:62第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用静止无功发生器和静止

38、无功补偿器的比较：u两者的结构、工作原理不同。u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。u静止无功发生器的响应速度快，可实现瞬时无功补偿。u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。u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。u静止无功发生器的应用开始普及，许多高科技企业生产。63第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用3.5 逆变焊机的节能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

39、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。64第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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

40、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。65第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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。66第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用2

41、、逆变焊机的基本原理、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）。电子控制回路给定电路+-50Hz整流器整流器逆变器滤波滤波中(高)频变压器驱动电路N 逆变式弧焊电源基本原理框图67第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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

42、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。68第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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

43、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）逆变焊机示例（山大奥太）69第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用3. 逆变焊机节能的原因：逆变焊机节能的原因： 1）变压器损耗小）变压器损耗小。u变压器体积与重量减小，铁损、铜损随之减小，发热减少。u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）功率因数高。u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。u逆变焊机，变压器不直接与电网相连，功率因数达0.9以上。u有源功率因数校正

44、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。70第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用 3）功率器件损耗小）功率器件损耗小。u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。u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。u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。u逆变焊机，比一般的弧焊电源可

45、节能20%40%。 71第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用72第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用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：u替代旋转直流弧焊机，每年可节电31亿度；u替代第三代的晶闸管弧焊整流器，每年可节电6亿度。73第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用3.6 开关电源的节能开关电源的节能 1、开关电源的发展及应用场合、开关电源的发展及

46、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。 74第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用开关电源的应用场合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。几瓦几瓦：手机、数码相机等移动电子设备

47、的充电器；几十瓦几百瓦几十瓦几百瓦：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。 75第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用开关电源的实物外形：开关电源的实物外形：76第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用 2. 线性

48、电源的原理及功率损耗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%。 串联线性稳压电源的方框图串联线性稳压电源的方框图电压电压 UoUiUTUi = UT + Uo77第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用串联线性稳压电源的方框图串联线性稳压电源的方框图电压电压 UoUiUTUi = UT + Uo串联线性稳压电源简化等值电路串联线性稳压电源简化等值电路UTUi输出输出电压电压 Uo78第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用线性电源的线性电源的稳压原理：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。 79第第3章章 电力电子技术在节能领域的应用电力电子技术在节能领域的应用线