1、1電力電子與現(xiàn)代生活電力電子與現(xiàn)代生活第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3 電力電子與現(xiàn)代生活電力電子與現(xiàn)代生活第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3.1 3.1 能源危機與對策能源危機與對策3.2 3.2 變頻器節(jié)能變頻器節(jié)能3.3 3.3 綠色照明節(jié)能綠色照明節(jié)能 3.4 3.4 無功功率補償節(jié)能無功功率補償節(jié)能 3.5 3.5 逆變焊機的節(jié)能逆變焊機的節(jié)能3.6 3.6 開關電源的節(jié)能開關電源的節(jié)能4第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3.1 能源危機與對策能源危機與對策能源和水、土地一樣都

2、是人類賴于生存和發(fā)展的基礎。近二百年來，能源的利用能源的利用，推動科技迅猛發(fā)展，人類社會急劇變革，幾千年來的手工作坊，躍變到今天的工業(yè)化、電氣化社會。但是，由于人類對化石能源的過度依賴，致使化石類能源面臨日益枯竭的危險。過去過去100100多年世界能源消費變化多年世界能源消費變化5第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用據國際能源機構的預測，目前已探明的剩余可采石油儲量1700多億噸，按年產原油38億噸計算，假如今后不再發(fā)現(xiàn)新的石油資源，理論上還可以開采40年。世界煤炭研究所（WCI）研究報告分析指出，目前已知的煤炭資源分布在全球近100個國家。按照目前的開采速度，

3、已勘測到可供開采的煤炭儲量可夠開采160年?；惸茉矗豢稍偕?，用一點少一點，終有用完的一天。在人類社會的歷史長河中，幾百年只是一瞬間，化石能源只能為人類向現(xiàn)代化社會發(fā)展的轉折過程中，提供一個跳板。百年以后的社會，需要新能源。 現(xiàn)在，我們要做的是：開發(fā)新能源，節(jié)能低碳。 6人類利用能源的演化歷史：人類利用能源的演化歷史：第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用7化石能源剩余探明儲量居世界前五位的國家化石能源剩余探明儲量居世界前五位的國家排排序序煤炭煤炭石油石油天然氣天然氣國家國家儲量儲量（億噸）（億噸）國家國家儲量儲量（億桶）（億桶）國家國家儲量儲量（萬億米（萬億

4、米3）1美國美國2373沙特阿拉伯沙特阿拉伯2645俄羅斯俄羅斯44.82俄羅斯俄羅斯1570委內瑞拉委內瑞拉2112伊朗伊朗29.63中國中國1145伊朗伊朗1370卡塔爾卡塔爾25.34澳大利亞澳大利亞764伊拉克伊拉克1150土庫曼斯坦土庫曼斯坦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 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用8 世界及我國人均化石能源剩余探明可采儲量世界及我國人均化石能源剩余探明可采儲量 品種品種中國中國世界世界中國中國/世界世界煤炭（噸）煤炭（噸）85.9122.770.0%石油（噸）石油（噸）1.527.05.6

5、%天然氣（米天然氣（米3）1840278436.6%第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用9我國與世界及部分國家剩余化石能源我國與世界及部分國家剩余化石能源儲產比儲產比 單位：年單位：年 國家國家/地區(qū)地區(qū)煤炭儲產比煤炭儲產比石油儲產比石油儲產比天然氣儲產比天然氣儲產比世界平均世界平均11846.258.6美國美國24111.312.6俄羅斯俄羅斯49520.676.0印度印度10630.028.5巴西巴西50018.328.9中國中國359.929.0第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用10第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用

6、電力電子技術在節(jié)能領域的應用中國的能源儲量與消費狀況：中國的能源儲量與消費狀況：我國是一個人口大國，各種資源的人均占有率遠遠低于世界平均水平。中國的人均能源資源占有量為全世界人均水平的1/2，僅為美國人均水平的1/10。 11第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用中國與世界一次中國與世界一次能源消費結構能源消費結構比較（比較（20042004年）年）（美國數(shù)據為（美國數(shù)據為20012001年）年）中國與世界一次中國與世界一次能源消費結構能源消費結構比較比較: (%)12第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用中國能源中國能源產消產消現(xiàn)狀

7、現(xiàn)狀13第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用中國能源消費增長情況：中國能源消費增長情況：可見，中國的能源儲量少，而能源消耗卻同步增加，所以節(jié)約現(xiàn)有資源，開發(fā)新能源，更是迫在眉睫的事。14中國的資源和能源儲備u人口約占世界總人口的 21，u國土面積占世界面積的 7.1，u耕地面積占世界面積的 7.1，u草地面積占世界面積的 9.3，u水資源占世界水資源的 7，u森林面積占世界面積的 3.3，u石油占世界 2.3，u天然氣占世界 1.2，u煤炭占世界煤炭總量的 12。第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用15資源與供需矛盾突出資源與供需

8、矛盾突出資源貧乏，但能源消費持續(xù)增長資源貧乏，但能源消費持續(xù)增長。2010年，中國是世界能源生產和消費第二大國，煤炭的生產和消費是第一大國，石油和電力的生產和消費是第二大國。具體：能源消耗總量32.5億噸標準煤，其中煤炭消耗30億噸，原油消費量3.8億噸（原油凈進口1.99億噸），天然氣消費量887億立方米。我國2010年全年發(fā)電量3.65萬億千瓦時，84%是燃煤發(fā)電，燃煤為主的能源結構，造成嚴重污染。第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用16能源效率偏低，能源效率偏低，新能源新能源技術滯后技術滯后目前我們的能源利用效率33.4%，比發(fā)達國家平均水平低了10個百分

9、點以上。日本能源利用效率達60%-70%，我國能源利用水平比日本落后30年。可再生能源、清潔能源技術開發(fā)滯后，正在急起直追。第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用1720092009年全球新能源投資方向年全球新能源投資方向（1010億美元）億美元）第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用18第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用世界能源發(fā)展趨勢：世界能源發(fā)展趨勢：19第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用能源危機的應對策略能源危機的應對策略：在能源緊缺的情況下，“開源”和“節(jié)流

10、”是解決能源短缺和保障經濟發(fā)展的必由之路。發(fā)展低碳經濟，開發(fā)利用風能、太陽能等新能源，以替代煤、石油、天然氣等不可再生的能源，屬于“開源”的范疇；而提高供電、用電系統(tǒng)的效率，降低能耗，則屬于“節(jié)流”的范疇。電力電子技術不僅在風能、太陽能發(fā)電等新能源領域有著不可替代的作用，在節(jié)能領域也有非凡的表現(xiàn)，也是實現(xiàn)新能源可靠利用的重要保障。 20第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用光伏發(fā)電光伏發(fā)電21風力發(fā)電風力發(fā)電第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用22水力發(fā)電水力發(fā)電第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用2

11、3第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子節(jié)能效果粗略估算：電力是人類最理想的能源使用方式，目前在所有的能源中電力能源約占50%。據粗略計算，采用電力電子技術對設備進行改造，平均可節(jié)電1520%左右。據統(tǒng)計，2006年我國電能有35%左右通過電力電子使用，如果這個比例提高到60%，以2010年用電量為4萬億千瓦時計算，可節(jié)電約3600億千瓦時，折合標準煤12000萬噸，相當于減排CO2約為3.24億噸。(相當于4個三峽，70個黃臺電廠)在產品細分中，節(jié)能效果比較明顯的電力電子產品包括變頻器、節(jié)能燈、無功補償裝置、開關電源、逆變焊機等。24第第3章章 電力電子

12、技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3.2 變頻器節(jié)能變頻器節(jié)能據統(tǒng)計，我國電動機用電量占總發(fā)電量60%以上。 若全國電機都用變頻調速，可節(jié)電10%40%，僅此一項，就可節(jié)約全國總發(fā)電量的10%至15%。所有電機負荷中，風機、泵類約占50%，占全國用電量的31。正是這類負荷其節(jié)能潛力最大，主要原因：u一是設計驅動裕量過大，形成“大馬拉小車”現(xiàn)象。u二是系統(tǒng)需要風量或流量減小時，控制風門或節(jié)流閥的轉角，減小風道或水管的橫斷面積，而電機轉速不變，因而消耗功率變化很小?？照{、冰箱、風扇洗衣機、吸塵器25第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用采用變頻調速后，變

13、頻器可以根據負載要求調節(jié)輸出交流電的頻率，從而調節(jié)電動機轉速，實現(xiàn)對風量或水流量的控制。（不用遮擋管道面積） 圖圖 變頻器、水泵、風機的實物外形圖變頻器、水泵、風機的實物外形圖26第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用變頻調速節(jié)能的基本原理：變頻調速節(jié)能的基本原理： 由流體力學理論可知，風機或泵的軸功率P等于流量Q與壓力H的乘積。流量Q與轉速n的一次方成正比，壓力H與轉速n的平方成正比，則功率P與轉速n的三次方成正比。 P = Q H如果水泵的效率一定，當要求調節(jié)流量Q下降時，轉速n可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成三次方關系下降，因此節(jié)能效果相當明顯。 Q n

14、 P n3n2n27第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用圖圖 風機運行曲線風機運行曲線風機的風壓-風量特性（n1）風機的風壓-風量特性（n2）管網風阻特性（風門全開） 管網風阻特性（風門遮擋） 風機運行曲線：風機運行曲線：滿負荷運行，風量Q1，轉速n1，工作點A面積P1=Q1H2流量壓力28第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用圖圖 風機運行曲線風機運行曲線圖圖 風機運行曲線風機運行曲線1.調節(jié)風擋，管網風阻特性:23,風機特性不變,轉速n1,工作點AB2.調節(jié)轉速，管網風阻曲線不變2,風機特性:14,轉速n2,工作點ACP=Q2H

15、1P=Q2H3節(jié)省的功率：P = (H1-H3)Q2 現(xiàn)在要減少風量到Q2，兩種方案：P 29第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用采用變頻器進行調速： (不考慮摩擦阻力)u風量下降到80%，軸功率P下降到額定功率的51.2%；u風量下降到60%，軸功率P下降到額定功率的21.6%。實例：實例：茂名石化公司煉油廠，1990年先后在20條生產線上使用161臺變頻調速裝置，總功率達8091kW。1990年10月到92年2月，對其中30臺泵進行測試，采用節(jié)流閥耗電999.9kW；而采用變頻調速耗電396.7kW，節(jié)電603.2kw ，節(jié)電率60.3%。此外，由于電機軟啟

16、動軟啟動與泵的轉速下降、管道壓力下降，軸承等機械摩損降低，泵端密封系統(tǒng)不易損壞，機泵故障率降低，維修工作量大大減少。 30第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3.3 綠色照明節(jié)能綠色照明節(jié)能 1991年1月美國環(huán)保局首先提出實施 “綠色照明工程（Green Lights Program）” 概念。 1993年11月中國經貿委啟動綠色照明工程，并于1996年正式列入國家計劃。照明是用電大戶。美國照明占總發(fā)電量的24，我國占15左右，且以低效照明為主，是終端節(jié)電主要對象之一。2004年我國總發(fā)電量21870億度，照明耗電3280.5億度，相當于三峽工程26臺70萬k

17、w年發(fā)電量(840億度)的四倍左右。 發(fā)改委統(tǒng)計，1996-2005年，中國綠色照明工程累計節(jié)電590億度。 31第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用我國主要照明燈具是白熾燈(家用)和日光燈(辦公、商場) 。 白熾燈白熾燈：鎢絲，電阻。發(fā)光效率低、熱損耗大。 工作原理：電首先被轉化成了熱，將燈絲加熱至極高的溫度-2000以上（鎢絲熔點3000多），燈絲處于白熾狀態(tài)，就象燒紅了的鐵能發(fā)光一樣而發(fā)出光來。燈絲的溫度越高，發(fā)出的光就越亮。 故稱之為白熾燈。 大部分的能量都轉化成了 熱，所以效率低下-15%。32第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能

18、領域的應用日光燈：日光燈：（帶鐵心鎮(zhèn)流器）工作原理：工作原理：接通電源后，啟輝器輝光放電，雙金屬片受熱彎曲，觸點接通，將燈絲預熱；隨后輝光停止，雙金屬片冷卻，觸點又斷開，鎮(zhèn)流器感應出高電壓，燈管擊穿放電，開始正常工作。啟輝器啟輝器相當一只自動開關，能自動接通電路（加熱燈絲）和開斷電路（使鎮(zhèn)流器產生高壓，將燈管擊穿放電）。33第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用正常工作時，燈管兩端的電壓較低（40W的約110V， 20W的約60V），該電壓啟輝器不會產生輝光放電。日光燈耗電多的原因：u一是：大多電壓降落在鎮(zhèn)流器上，鎮(zhèn)流器發(fā)熱嚴重。u二是：鎮(zhèn)流器串聯(lián)在電路中，電感量

19、較大，因而整個電路的功率因數(shù)很低。（約0.5左右）為提高功率因數(shù)，可在日光燈的進線端并聯(lián)電容器。 （40W并聯(lián)4.75F/450V ， 20W并聯(lián)2.5F/450V ）近年來，電子鎮(zhèn)流器電子鎮(zhèn)流器的出現(xiàn)，較好地解決了這個問題。34第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用電子鎮(zhèn)流器：電子鎮(zhèn)流器：問世于80年代初，由荷蘭飛利浦公司首先研制成功. 是一個由電力電子器件構成的AC/DC/AC變換器。1）節(jié)能。工作頻率2060kHz，燈管光效比工頻提高約10%；自身功耗低，發(fā)熱少。2）消除頻閃，發(fā)光穩(wěn)定，有利于保護視力。3）功率因數(shù)高。普通的功率因數(shù)約0.70.8。符合國家標

20、準的25W以上的，其功率因數(shù)高于0.95 。整流逆變ACACDC35第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用電子節(jié)能燈電子節(jié)能燈：（正大力推廣）又叫緊湊型熒光燈，1978年國外廠家發(fā)明，我國1982年，首先在復旦大學電光源研究所研制成功我國已經把它作為國家重點發(fā)展的節(jié)能產品（綠色照明產品）推廣和使用。工作原理 與前面電子鎮(zhèn)流器基本相似，但功率小。36第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用電子節(jié)能燈電路：電子節(jié)能燈電路： 與前述的電子整流器類似。整流逆變ACACDC37第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用電

21、子節(jié)能燈的優(yōu)點：光效高、節(jié)能光效高、節(jié)能發(fā)光效率是白熾燈的56倍，如11W節(jié)能燈的光通量相當于60W普通白熾燈，可以節(jié)電約70%。壽命長壽命長 白熾燈額定壽命1000小時，節(jié)能燈為5000小時。 顯色好顯色好 指在光源照射下物體的顏色能夠得到真實的反映。采用稀土三基色熒光粉，比普通日光燈顯色性顯著提高。 若采用廉價的鹵粉作原料，將達不到此效果。體積小巧，體積小巧，造型美觀，使用簡便。 38第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用LED光源：光源： （第四代照明光源、綠色光源、正大力推廣 ）美國從2000年起實施“國家半導體照明計劃”，歐盟也在2000年7月宣布啟動類

22、似的“彩虹計劃”。我國科技部在“863”計劃的支持下，2003年6月份首次提出發(fā)展半導體照明計劃。預計未來，LED將引起照明領域的巨大變革，對綠色照明實施產生重大影響。 LED燈具、燈具、LED燈帶及燈帶及LED景觀燈景觀燈39第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用LED燈特點燈特點：節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等，可用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等。高效節(jié)能高效節(jié)能：相同照度下，電能消耗僅為白熾燈的1/10，電子節(jié)能燈的1/4。冷光源，自身幾乎不發(fā)熱。 超長壽命超長壽命：半導體芯片發(fā)光，無燈絲，無玻璃泡，不怕震動，不易破碎，使用壽命可達五萬小

23、時。發(fā)光效率高發(fā)光效率高：90%的電能轉化為可見光，普通白熾燈僅有15%電能轉化為光能。健康、綠色環(huán)保、保護視力健康、綠色環(huán)保、保護視力：光線中不含紫外線和紅外線，不產生輻射；不含汞等有害元素 ；不會頻閃。 40第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用一款實用的LED燈恒流驅動電路：濾波整流功率因數(shù)校正功率變換電流檢測及反饋整流整流逆變逆變ACACDC整流整流DC41第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3.4 無功功率補償節(jié)能無功功率補償節(jié)能 1. 什么是有功功率、無功功率、功率因數(shù)？什么是有功功率、無功功率、功率因數(shù)？有功功率有功功

24、率 是指保持設備正常運行所需電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量（機械能、光能、熱能）的電功率。無功功率無功功率 比較抽象，它是用來在電氣設備中建立和維持電場或磁場的電功率。u電容負載時，建立電容內部電場，就需要無功功率。u有電磁線圈電氣設備，要建立磁場，也需要無功功率。無功功率決不是無用功率無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要無功功率建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動。變壓器也同樣需要無功功率，才能產生磁場，在付邊感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機不會轉動，變壓器不能變壓，交流接觸器不會吸合。42第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用在正弦電路中，

25、無功功率的物理意義：無功功率的物理意義：無功功率表示有能量交換，但是不消耗功率。交流電在通過純電阻（耗能型負載）時，電能都轉成了熱能，這就是消耗了有功功率；純電感和純電容是儲能型負載，自身并不耗能，只是在某一段時間將來自電網的能量儲存起來，而在另一段時間將儲存的能量返還給電網，在電網與儲能負載之間不斷地進行能量交換，這部分功率就是無功功率。當然實際負載，不可能為純容性負載或者純感性負載，一般都是混合性負載，這樣電流在通過它們的時候，就有部分電能不做功，就是無功功率。43第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用某某電電阻電感負載阻電感負載工作波形及工作波形及瞬時瞬時功

26、率流向功率流向表：表：電壓電壓u電流電流i瞬時功率瞬時功率p電能流向電能流向t1 t2正正正正正正電網電網負載負載 （多）（多）t2 t3負負正正負負負載負載電網電網（少）（少）t3 t4負負負負正正電網電網負載負載（多）（多）t4 t5正正負負負負負載負載電網電網（少）（少）u0tt1t2t3t4t5i負載的工作電壓和電流波形負載的工作電壓和電流波形p=ui 相位差A. 可見：負載與電源之間有能量交換。B. 怎樣描述負載的有功功率占總功率的比率呢？44第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用u0tt1t2t3t4t5i負載的工作電壓和電流波形負載的工作電壓和電流波

27、形相位差+iRLt1 t2+iRLt3 t4+iRLt2 t3+iRLt4 t545第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用u0tt1t2t3t4t5i從另一角度分析：可以把負載電流分解成有功電流（綠色曲線）和無功電流（棕色曲線）負載電流無功電流有功電流UIIPIQ46第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用u0tt1t2t3t4t5iu0tt1t2t4iu0tt2t4i負載電流無功電流有功電流47第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用功率因數(shù)的數(shù)學概念功率因數(shù)的數(shù)學概念：幾種功率的定義：u視在功率： S =

28、 UIu有功功率： P = UIP=UIcosu無功功率： Q = UIQ= UI sinu功率因數(shù)： = P/ S = cos交流電路中，把有功功率有功功率和視在功率視在功率的比值比值定義為功率因數(shù)，即=P/ S。在數(shù)值上，功率因數(shù)恰好等于恰好等于負載電壓與電流之間的相位差()的余弦，=P/ S = cos； UIIPIQ48第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用2. 提高功率因數(shù)與無功補償提高功率因數(shù)與無功補償由以上分析可知，像電動機之類的負載，在運行時是必須從電網索取無功功率的，而無功電流占用了發(fā)電機、變壓器、輸電線的容量，造成輸出有功功率減少，也就是說，電

29、網提供了無功又會造成功率因數(shù)降低，帶來諸多不利影響，那該怎么解決呢？最好的辦法就是有一種裝置，專門為電動機之類的負載就地產生和提供無功功率，盡量減少從電網索取，從而提高電網的功率因數(shù)，這就是無功補償。 M無功補償裝置發(fā)電機電動機49第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3. 提高功率因數(shù)的優(yōu)點提高功率因數(shù)的優(yōu)點實際用電過程中，提高負載的功率因數(shù)，降低電源輸出的無功功率，是提高電力資源利用率、節(jié)約電能的有效方式。供電部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的標準要求，一般不允許低于0.9。 M無功補償裝置功率因數(shù)低功率因數(shù)高有功電流無功電流50第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領

30、域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用提高功率因數(shù)意味著提高功率因數(shù)意味著： 1) 企業(yè)可節(jié)約電能，降低生產成本，減少電費開支。例如：某設備視在功率為100個單位，也就是說，正常運行時有100個單位的功率輸送到設備中。然而，該設備存在固有的無功損耗，功率因數(shù)是0.7，只能使用70個單位的有功功率。雖然僅僅使用70個單位，卻要付100個單位的費用。51第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用2) 能提高企業(yè)供電設備的利用率，充分發(fā)揮企業(yè)的設備潛力。例如，一臺1000KVA變壓器，當輸出端的功率因數(shù)為0.8時，它可以輸出800KW（即10000.8）的有功功率；若通過無功

31、補償，將功率因數(shù)提高到0.98時，就可以輸出980KW（即10000.98）的有功功率；可見，同一臺1000KVA的變壓 器，功率因數(shù)改變后，它就可以 多承擔180KW的負載，變壓器的 利用率提高22%。（減少了無功電流， 就可以增加有功電流）52第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3) 可提高發(fā)電機的發(fā)電量、電網的輸電量。因發(fā)電機的發(fā)電容量、電網的輸電量都有最高容量限定，故提高cos，也就減少了系統(tǒng)的無功電流和無功功率，使發(fā)電機能多發(fā)出有功電流和有功功率。其道理和上述的變壓器多承擔負載一樣。53第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應

32、用4) 可減少線路的功率損失，提高電網輸電效率。例如，一條220V的輸電線路，線路電阻為1歐姆，給某負載傳送1000W的有功功率。當功率因數(shù)為0.7時，線路上的功率損耗為42W（包含無功電流流過線路電阻時產生的功率損耗）；將功率因數(shù)提高到0.98時，線路上的功率損耗僅為21.5W，減少損耗近50%，同時也減少了線路上的電壓損失。同線路一樣，發(fā)電機、變壓器繞組也有電阻，也產生功率損耗，并且導致設備發(fā)熱。（實際上，發(fā)熱是決定設備容量的主要因素）54第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用4. 無功補償裝置無功補償裝置無功補償就是利用一種裝置，專門為電動機之類的負載就地提

33、供無功功率，而盡量減少從電網索取。無功補償是提高電網功率因數(shù)的主要辦法。實際中可使用的無功補償裝置有：同步調相機、并聯(lián)電容器、靜止無功補償器、靜止無功發(fā)生器。 M無功補償裝置55第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用1）同步調相機同步調相機 是空載運行的同步電機，它能在欠勵磁或過勵磁的情況下向系統(tǒng)吸收或提供無功功率。但它的有功損耗大、運行維護復雜、響應速度慢，已逐步退出電網運行。2）并聯(lián)電容器并聯(lián)電容器 目前廣泛使用，投資費用節(jié)省。它由許多電容器組成，可根據實際需要分批投入或切除，只能補償固定的無功功率，補償容量有級差，不能連續(xù)調節(jié)。 并聯(lián)電容器無功補償?shù)脑?u

34、0iLiC純電感純電感負載與負載與純電容純電容負載的電流波形負載的電流波形tt1t2t3OAiLiC56第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3）靜止無功補償器（靜止無功補償器（SVC） （廣泛應用）SVC主要設備：固定電容器（FC）、晶閘管投切電容器（TSC）和晶閘管控制電抗器（TCR）等三類裝置。固定電容器固定電容器：機械開關投切，不變動的無功功率補償設備。 靜止無功補償器（靜止無功補償器（SVCSVC）主電路）主電路a) 固定或開關投切電容器固定或開關投切電容器 b) 晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC）c) 晶閘管控制電抗器（晶閘管控制電抗器（TC

35、R）FCFCa)a)TSCTSCb)b)TCRTCRc)限制涌流限制涌流57第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器TSC 是主要設備，用于動態(tài)無功補償。TSC分成若干組，只能采用整組全投入或全切除的方法，因而補償容量有級差，補償容量不精確。存在問題：多投入一組，過補償；切除該組，欠補償。晶閘管控制電抗器晶閘管控制電抗器TCR 主要設備，用于動態(tài)無功補償。作用是：當過補償時，由電抗器容量抵消電容器部分容量。TCR中晶閘管的觸發(fā)角可以連續(xù)調節(jié)，電抗器的電流也可以連續(xù)調節(jié)，無功容量也可以連續(xù)調節(jié)。特點：可以做到精確補償。 58第第3章章

36、電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用 無功補償電容器和電抗器無功補償電容器和電抗器靜止無功補償器（SVC）59第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用4）靜止無功發(fā)生器（靜止無功發(fā)生器（SVG） 是一種比靜止無功補償器（SVC）更先進的無功補償裝置。構成構成：由逆變器、電抗器（或變壓器）、電容、控制器。逆變器逆變器控制器控制器 + -系統(tǒng)系統(tǒng)負載負載變壓器變壓器或電抗或電抗器器 UC 靜止無功發(fā)生器的原理圖靜止無功發(fā)生器的原理圖 UI ES 一款靜止無功發(fā)生器的實物外形一款靜止無功發(fā)生器的實物外形60第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電

37、子技術在節(jié)能領域的應用靜止無功發(fā)生器（靜止無功發(fā)生器（SVG）基本原理）基本原理：u逆變器將直流電容上的電壓逆變成與電網電壓ES同相位的交流電壓UI。 ES與UI加在變壓器(電抗器)的兩側。u當ESUI時，則SVGSVG相當于電感，消耗無功功率；u當ESUI時，則SVGSVG相當于電容，提供無功功率。+CES UI 靜止無功發(fā)生器的基本電路結構靜止無功發(fā)生器的基本電路結構61第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用KMT-SVG 系列靜止無功發(fā)生器系列靜止無功發(fā)生器產品說明:62第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用靜止無功發(fā)生器和靜止

38、無功補償器的比較：u兩者的結構、工作原理不同。u靜止無功發(fā)生器所需的儲能元件的容量僅為靜止無功補償器的1/10。u靜止無功發(fā)生器的響應速度快，可實現(xiàn)瞬時無功補償。u靜止無功補償器發(fā)出的無功功率受電網電壓的影響，而無功發(fā)生器在各種電壓下都可以發(fā)出額定無功功率。u靜止無功發(fā)生器的主電路結構、控制電路及控制方法比靜止無功補償器要復雜，其成本也高。u靜止無功發(fā)生器的應用開始普及，許多高科技企業(yè)生產。63第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3.5 逆變焊機的節(jié)能逆變焊機的節(jié)能電焊機（焊接設備）是一種應用量很大、應用面很廣的現(xiàn)代工業(yè)重要工藝裝備，號稱“工業(yè)縫紉機”。應用于造

39、船、化工、冶金、建筑、機械、汽車、輕工、電力等，也是航天、電子、原子能等尖端工業(yè)的加工設備。據統(tǒng)計，世界鋼產量鋼產量的一半以上都是用焊接工藝將其制成鋼制品。焊接設備的市場需求量與鋼產量基本成比例。例如，2002年我國鋼產量1.85億噸，焊接設備產量為21萬臺；到2009年我國鋼產量5.68億噸，焊接設備產量達302萬臺。64第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用電弧焊機是一種焊接電源，它的負載是焊接電弧。電焊機從電網獲得電能，經過變換、處理后，以焊接電弧的形式，向電弧輸出能量。 焊接電弧是一個“用電器”，特點是電流大、電壓低，這與常規(guī)的用電器不同。由于電流大，一般

40、電弧的功率都很大。因此，發(fā)展電焊機的節(jié)能技術，對節(jié)能減排有著十分重要的意義電焊機的種類很多。逆變焊機，80年代出現(xiàn)，具有性能好、速度快、效率高、節(jié)能、節(jié)約材料等優(yōu)點，發(fā)展迅速。2000年，我國將IGBT逆變焊接電源列入高科技產品目錄，成為焊接設備行業(yè)唯一被列入的產品。65第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用1、常規(guī)焊機的基本原理、常規(guī)焊機的基本原理：常規(guī)弧焊電源，都使用變壓器和電抗器?；『鸽娫吹捏w積和重量的80%都來自于變壓器和電抗器。常規(guī)的弧焊電源，變壓器都工作在工頻50Hz。如圖所示。66第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用2

41、、逆變焊機的基本原理、逆變焊機的基本原理：主電路結構：電源（工頻交流）整流濾波（直流）逆變（中頻交流）中頻變壓器（降壓）整流濾波（直流）電??；逆變器主要器件：晶閘管、電力晶體管（GTR）、電力場效應晶體管（MOSFET）或絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。逆變器控制方式：脈沖寬度調制（PWM）。電子控制回路給定電路+-50Hz整流器整流器逆變器濾波濾波中(高)頻變壓器驅動電路N 逆變式弧焊電源基本原理框圖67第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用優(yōu)勢：逆變弧焊電源中，變壓器工作頻率，一般為230kHz。比50Hz的工頻弧焊電源提高了40600倍。頻率提高的好處？ 變

42、壓器的設計公式為： U = 4.44SBmNf 10-4 式中，U-電壓；S-鐵心截面積；Bm-磁感應強度最大值；N-繞組匝數(shù)；f -工作頻率（Hz）當磁性材料確定后，Bm也確定；電壓U也一定時，上式為 ： SN=U /4.44Bm f 10-4 = K / f （K為常數(shù)）即：鐵心面積和繞組匝數(shù)的乘積與工作頻率成反比。68第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用當工作頻率 f 提高600倍時，則鐵心面積和繞組匝數(shù)的乘積就降低到原來的1/600。所以說，逆變式弧焊電源中，中（高）頻變壓器和濾波電抗器的重量和體積比一般的弧焊電源要小得多，其主變壓器的重量僅為傳統(tǒng)弧焊電

43、源主變壓器的幾十分之一。因此，體積小、重量輕、節(jié)省 貴金屬材料、小巧靈活是逆變 焊機的最大優(yōu)點之一。 逆變焊機示例（山大奧太）逆變焊機示例（山大奧太）69第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3. 逆變焊機節(jié)能的原因：逆變焊機節(jié)能的原因： 1）變壓器損耗?。┳儔浩鲹p耗小。u變壓器體積與重量減小，鐵損、銅損隨之減小，發(fā)熱減少。u非焊接狀態(tài)時，逆變器停止運行，使變壓器空載損耗減小。 2）功率因數(shù)高）功率因數(shù)高。u傳統(tǒng)焊機，變壓器直接與電網相連，功率因數(shù)較低，一般只有0.60.8，浪費電能嚴重。u逆變焊機，變壓器不直接與電網相連，功率因數(shù)達0.9以上。u有源功率因數(shù)校正

44、技術，功率因數(shù)到0.99，對電網無諧波污染，是電網的綠色負載。正逐步推廣。70第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用 3）功率器件損耗小）功率器件損耗小。u早期的焊機，通過調節(jié)電抗器的鐵芯間隙（即阻抗）來調節(jié)輸出電流，大量的電能消耗在電抗器上。u有些弧焊機其功率器件是工作在模擬狀態(tài)，導通時器件管壓降較大，因此損耗也很大。u逆變焊機，器件工作在開關狀態(tài)，通過脈沖寬度（PWM）調節(jié)輸出電流，自身功率損耗小得多，因此整機效率明顯提高，可達80%90%。近年來，有些采用軟開關技術，整機效率可提高到92%以上，并且可靠性高，具有很強的過載能力。u逆變焊機，比一般的弧焊電源可

45、節(jié)能20%40%。 71第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用72第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用調查統(tǒng)計：2007年，經對全國40家主要焊接設備生產企業(yè)的調查統(tǒng)計，共生產直流電弧焊機52.3萬臺，其中逆變焊機約占80%，即41.9萬臺。按40家企業(yè)每年新增的41.9萬臺逆變焊機計算：u替代旋轉直流弧焊機，每年可節(jié)電31億度；u替代第三代的晶閘管弧焊整流器，每年可節(jié)電6億度。73第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用3.6 開關電源的節(jié)能開關電源的節(jié)能 1、開關電源的發(fā)展及應用場合、開關電源的發(fā)展及

46、應用場合 開關電源是一種應用較早、也最普遍的電力電子設備。問世：20世紀50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標，為火箭開發(fā)功率晶體管（GTR）開關電源。70年代，電力MOSFET 應用，開關電源的頻率進一步提高，使電源體積更小，重量更輕，功率密度進一步提高。80 年代，IGBT出現(xiàn)，開關電源在中、大功率直流電源領域也得以發(fā)揮。開關電源中陸續(xù)應用了軟開關技術、功率因數(shù)校正技術。 74第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用開關電源的應用場合開關電源的應用場合 極其廣泛，應用于各種電子設備、儀器儀表、家用電器及電化學的直流電源。幾瓦幾瓦：手機、數(shù)碼相機等移動電子設備

47、的充電器；幾十瓦幾百瓦幾十瓦幾百瓦：計算機、電視機、DVD播放機、音響、家用空調器、電冰箱的控制電路、電動自行車充電器；幾千瓦幾百千瓦幾千瓦幾百千瓦：通信交換機、巨型計算機、數(shù)控機床、自動化流水線、CT機、 X光機、微波發(fā)射機、雷達、電鍍、電解、電動汽車。 大多數(shù)電子設備的開關電源功率不大，但數(shù)量極其龐大，所消耗的電能約占全國總發(fā)電量的10%左右，并且隨著國家現(xiàn)代化進程的發(fā)展，用電比例會進一步增加。 75第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用開關電源的實物外形：開關電源的實物外形：76第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用 2. 線性

48、電源的原理及功率損耗線性電源的原理及功率損耗線性電源是開關電源出現(xiàn)之前，電子設備的直流電源。線性電源結構：主要包括工頻變壓器、整流濾波器、調整管、控制電路、保護電路等。優(yōu)點：技術成熟，穩(wěn)定度高，波紋小，沒有干擾與噪音。缺點：功耗太大，轉換效率低，一般在30%60%。 串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源的方框圖串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源的方框圖電壓電壓 UoUiUTUi = UT + Uo77第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源的方框圖串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源的方框圖電壓電壓 UoUiUTUi = UT + Uo串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源簡化等值電路串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源簡化等值電路UTUi輸出輸出電壓電壓 Uo78第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用線性電源的線性電源的穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓原理：當交流電源電壓降低或負載電流增大時，引起輸出電壓U降低，輸出電壓經采樣電路送至誤差放大器與基準電壓比較，然后將誤差信號放大去控制調整管兩端的壓降，使其減小，減小的數(shù)值正好等于輸出電壓降低的數(shù)值，則輸出電壓重新回升到原先的數(shù)值從而保持穩(wěn)定。 輸出電壓U 誤差信號 調整管壓降 輸出電壓U 反之，當交流電源電壓升高或負載電流減小時，則使調整管兩端壓降增大以維持輸出電壓的穩(wěn)定。 79第第3章章 電力電子技術在節(jié)能領域的應用電力電子技術在節(jié)能領域的應用線