【電氣工程及其自動化】電力電子技術(shù)在節(jié)約能源領(lǐng)域的應(yīng)用

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1、 ○ A 基礎(chǔ)理論 ● B 應(yīng)用研究 ○ C 調(diào)查報告 ○ D 其他 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 電力電子技術(shù)在節(jié)約能源領(lǐng)域的應(yīng)用 二級學院 ： 信息科學與技術(shù)學院 專 業(yè) ： 電氣工程及其自動化 完成日期 ： 2015年5月24日 目錄 1 緒論 1 1.1 研究背景和意義 1 1.2 電力電子技術(shù)簡介 1 1.3 主要研究內(nèi)容 1 2

2、 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用 2 2.1 在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 2 2.1.1 發(fā)電廠風機水泵的變頻調(diào)速 2 2.1.2 太陽能光伏發(fā)電控制系統(tǒng) 2 2.1.3 水力和風力發(fā)電機的變速恒頻勵磁 3 2.1.4 對發(fā)電機的靜止勵磁進行控制 3 2.2 在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 3 2.2.1 高壓直流輸電(HVDC) 3 2.2.2 柔性交流輸電(FACTS) 4 2.2.3 靜止無功補償器(SVG) 5 2.2.4 有源電力濾波器 6 2.3 在配電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 7 2.4 小結(jié) 8 3 電力電子技術(shù)在家用電器的應(yīng)用 8 3.1 變頻技術(shù)的節(jié)能應(yīng)用 8 3.1.1 變頻家電的

3、節(jié)能原理 8 3.1.2 交流變頻調(diào)速 8 3.1.3 直流調(diào)壓調(diào)速 9 3.2 開關(guān)電源的節(jié)能應(yīng)用 9 3.2.1 開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理 9 3.2.2 開關(guān)電源的節(jié)能優(yōu)勢 10 3.2.3 開關(guān)電源的應(yīng)用 10 3.3 電力電子技術(shù)在照明中的節(jié)能應(yīng)用 10 3.3.1 照明節(jié)能綜述 10 3.3.2 推廣使用節(jié)能燈進行節(jié)能 11 3.3.3 利用電力電子及傳感技術(shù)進行采光節(jié)能 11 3.3.4 加大LED等節(jié)能新光源的研發(fā) 11 3.4 電力電子技術(shù)在推廣綠色照明工程的作用 11 3.5 小結(jié) 12 4 電力電子技術(shù)在節(jié)能環(huán)保的應(yīng)用 12 4.1 電力電子節(jié)

4、能的關(guān)鍵技術(shù) 12 4.1.1 開關(guān)變頻技術(shù) 12 4.1.2 利用軟開關(guān)提高電力電子裝置的效率 13 4.1.3 高頻技術(shù) 13 4.1.4 有源功率因數(shù)校正技術(shù) 13 4.1.5 其他提高能源利用率的技術(shù) 14 4.2 電力電子技術(shù)在節(jié)能中的應(yīng)用 14 4.3 電力電子技術(shù)在環(huán)保中的應(yīng)用 15 4.3.1 風力發(fā)電的環(huán)保效果 15 4.3.2 太陽能發(fā)電的環(huán)保效果 15 4.3.3 在其他新能源領(lǐng)域中的環(huán)保 15 4.4 電力電子技術(shù)的節(jié)能的數(shù)據(jù)比較 16 4.5 小結(jié) 16 5 采用變頻器實現(xiàn)調(diào)速節(jié)能 17 5.1 變頻器的調(diào)速及節(jié)能原理 17 5.1.1

5、變頻器的調(diào)速原理 17 5.1.2 變頻器的節(jié)能原理 17 5.2 變頻器調(diào)速節(jié)能估算 19 5.2.1 風機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負載的變頻調(diào)速節(jié)能 19 5.2.2 恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速節(jié)能 19 5.2.3 液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能 20 5.2.4 變頻調(diào)速節(jié)能效益[11] 20 5.3 小結(jié) 21 6 電力電子在風電場中的應(yīng)用 22 6.1 SVG/SVC裝置在風電場的應(yīng)用 22 6.2 高壓直流輸電在風電場的應(yīng)用 22 6.3 電力電子在風電場并網(wǎng)、恒頻恒速發(fā)電、變速恒頻發(fā)電的應(yīng)用 22 6.3.1 在風電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用 22 6.3.2 在恒頻恒速發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用 23

6、 6.3.3 在變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用 23 6.4 不間斷電源(UPS)在風電場的應(yīng)用 24 6.5 小結(jié) 24 7 總結(jié) 25 參考文獻 26 附 錄 27 附錄A：某風電場一次電氣主接線圖 27 致謝 電力電子技術(shù)在節(jié)約能源領(lǐng)域的應(yīng)用 摘 要: 本文從節(jié)約能源的角度出發(fā)，介紹了電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用，闡述變頻器和軟開關(guān)的節(jié)能增效作用。通過數(shù)據(jù)比較，探討電力電子技術(shù)在節(jié)能環(huán)保方面的應(yīng)用以及在推廣綠色照明工程等方面所起的作用。 關(guān)鍵詞：節(jié)能；綠色照明；電力電子技術(shù)；軟開關(guān)；變頻器 The Application of Power Elect

7、ronics Technology in the Area of Energy Conversation Abstract: This paper is anticipated to present the application of power electronics technology in power systems and household appliances. And to interpret the energy saving synergistic effect of inverter and soft switch. As compared with the data

8、, this paper approaches the effect of the power electronics technology in application of energy conversation and environmental protection as well as the promotion of green lighting engineering. Key Words: energy conversation; green lighting; power electronics technology; soft switch; inverter

9、 1 緒論 1.1 研究背景和意義 如今，能源緊缺已得到越來越多的關(guān)注，我國已經(jīng)出臺多項開發(fā)利用新能源的政策。在現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展前提下，新能源電力取得了很大的業(yè)績，但是如何使其得到更大范圍的應(yīng)用，還有很多關(guān)鍵技術(shù)問題急需解決這就需要電子電力技術(shù)的各企業(yè)建立起達到世界先進水平的、創(chuàng)新能力強大的電力電子產(chǎn)業(yè)，為我國新能源事業(yè)的發(fā)展保駕護航，為社會經(jīng)濟的發(fā)展作出貢獻，讓科技發(fā)揮出服務(wù)人類的作用。 當前，現(xiàn)代工業(yè)能源與電力相結(jié)合的越來越密切，電力正以清潔、穩(wěn)定、利用率高以及適用范圍廣的眾多優(yōu)點，已在現(xiàn)代工業(yè)的各個方面得到廣泛利用，電能已是現(xiàn)代工業(yè)的動力之源與能量之泉。據(jù)相關(guān)

10、數(shù)據(jù)，近幾年來，我國的工業(yè)用電總量正以每年15.9%的速度猛增，然而在很多發(fā)展中國家，工業(yè)用電還不夠合理，特別是在用電效率低、浪費嚴重。在世界化石能源日益枯竭的今天，降低電能消耗對于解決能源問題意義重大，而提高電源效率、降低電源消耗的根本途徑就是運用現(xiàn)代化電力電子技術(shù)來提高效率，優(yōu)化性能，還節(jié)約原材料。電力電子技術(shù)對世界的能源安全有著至關(guān)重要的作用[1]。 1.2 電力電子技術(shù)簡介 電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，它是一項綜合了控制、電力、電子等于一體的技術(shù)，它利用大功率電子器件對能量進行高效變換，控制其輸出，從而為各種用電設(shè)備提供所需要的電源。它的核心是電能形式

11、的轉(zhuǎn)換，它使電網(wǎng)的工頻電能最終轉(zhuǎn)換成不同性質(zhì)、不同用途的電能，以適應(yīng)千變?nèi)f化的用電裝置的不同需要。電能經(jīng)過電力電子技術(shù)處理之后，不僅可以提高效率，優(yōu)化性能，還節(jié)約原材料，因此在節(jié)約能源方面，電力電子技術(shù)有很大的發(fā)揮余地。 1.3 主要研究內(nèi)容 本文主要研究電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用。通過數(shù)據(jù)比較，探討電力電子技術(shù)如何在節(jié)能環(huán)保方面的應(yīng)用。研究電力電子技術(shù)在采用軟開關(guān)技術(shù)提高電力電子裝置效率；采用變頻器實現(xiàn)調(diào)速節(jié)能；電力電子技術(shù)在推廣綠色照明工程等方面所起的作用以及電力電子在風電場中的應(yīng)用。 2 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用 2.1 在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 2.1.1 發(fā)電

12、廠風機水泵的變頻調(diào)速 發(fā)電廠風機水泵的耗電量占整個發(fā)電設(shè)備耗電量的一半以上，且其運行的效率非常低。對發(fā)電廠風機水泵進行變頻調(diào)速可以降低其耗電量，從而實現(xiàn)節(jié)能。 風機水泵類負載多是根據(jù)滿負荷工作需用量來選型，實際應(yīng)用中大部分時間并非工作于滿負荷狀態(tài)。采用變頻器直接控制風機、泵類負載是一種最科學的控制方法，利用變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)軟件，直接調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速保持恒定的水壓、風壓，從而滿足系統(tǒng)要求的壓力。當電機在額定轉(zhuǎn)速的80%運行時，理論上其消耗的功率為51.2%，去除機械損耗、電機銅、鐵損等影響。節(jié)能效率也接近40%，同時也可以實現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，節(jié)能效率將進一步提高。由于變頻器可實現(xiàn)大的電動機

13、的軟停、軟起，避免了啟動時的電壓沖擊，減少電動機故障率，延長使用壽命，同時也降低了對電網(wǎng)的容量要求和無功耗損[2]。 2.1.2 太陽能光伏發(fā)電控制系統(tǒng) 圖2-1 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 太陽能作為一種新能源，它是未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向和重要戰(zhàn)略方式。大功率太陽能發(fā)電，不管是并網(wǎng)還是獨立系統(tǒng)，一般都要進行直流電向交流電的轉(zhuǎn)換。因此，太陽能控制系統(tǒng)的核心是電力電子技術(shù)中的逆變器。 由于太陽能電池僅僅在白天光照條件下才能輸出能量，根據(jù)負載的需求，系統(tǒng)一般選用鉛酸蓄電池作為儲能條件來提供夜間所需要的電力，所以獨立供電的太陽能光伏系統(tǒng)由太陽能電池、蓄電池、負載和控制器組成。系統(tǒng)控制部分通常

14、由充電電路、放電電路和狀態(tài)控制電路3部分組成。 并網(wǎng)系統(tǒng)通常都沒有儲能環(huán)節(jié)，而是直接由并網(wǎng)逆變器接太陽能電池和電網(wǎng)，如圖2-1，并網(wǎng)逆變器的基本功能都是一樣的，那就是，在太陽能電池輸出范圍內(nèi)變化時，能夠始終以最高的效率將太陽能電池輸出的低壓直流電轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)匹配的交流電送入電網(wǎng)。 2.1.3 水力和風力發(fā)電機的變速恒頻勵磁 水頭的流量和壓力決定了水力發(fā)電機的有效功率，機組的轉(zhuǎn)速隨著水頭的變化幅度發(fā)生變化。風力發(fā)電的有效功率與風速之間是三次方正比的關(guān)系。對機組進行變速運行，可使風力發(fā)電獲得最大有效功率。此外，對轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率進行調(diào)整，可確保輸出頻率恒定。水力和風力發(fā)電機的變速恒頻勵磁技

15、術(shù)的核心在于變頻電源。 在風力發(fā)電中，大量使用的是永磁直驅(qū)發(fā)電機和雙饋異步發(fā)電機。在永磁直驅(qū)發(fā)電機中，通過大功率的變頻器將發(fā)電機發(fā)出來的電轉(zhuǎn)換成恒頻恒壓的高壓交流電進行并網(wǎng)；在雙饋異步發(fā)電機中，定子和轉(zhuǎn)子均進行勵磁發(fā)電，定子發(fā)出來的電直接通過35kV變壓器并網(wǎng)，轉(zhuǎn)子連接變頻器再連接電網(wǎng)。 由轉(zhuǎn)速可知，通過轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速與三相交流電流在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速(兩者方向可以相同或相反)之和等于電網(wǎng)頻率為50Hz的發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速，即±=，此時在發(fā)電機定子繞組中感應(yīng)出頻率為50Hz的交流電，從而實現(xiàn)變速恒頻勵磁發(fā)電。 2.1.4 對發(fā)電機的靜止勵磁進行控制 靜止勵磁具有造價低、結(jié)構(gòu)簡單

16、和可靠性強等特點，采用的工具與解決方案是晶閘管整流自并勵的方式，靜止勵磁在世界各大電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。電力電子技術(shù)對大型發(fā)電機的改善，省去了勵磁機，從而達到了快速調(diào)節(jié)的目的，為大型發(fā)電機的靜止勵磁控制創(chuàng)造了有利的條件，并獲得了良好的效果[1]。 2.2 在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 2.2.1 高壓直流輸電(HVDC) (1) 原理和典型結(jié)構(gòu) 原理：發(fā)電廠輸出交流電，由變壓器(換流變壓器)將電壓升高后送到晶閘管整流器，由晶閘管整流器將高壓交流變?yōu)楦邏褐绷鳎?jīng)直流輸電線路輸送到電能的接受端。在受端電能又經(jīng)過晶閘管逆變器由直流變回交流，再經(jīng)變壓器降壓后配送到用戶。 (2) HVDC優(yōu)點：①高壓直流

17、輸電具有傳輸功率大、線路造價低、控制性能好等優(yōu)點，是目前解決高電壓大容量、長距離輸電和異步聯(lián)網(wǎng)的重要手段。②直流輸電架空線路的造價低、損耗小，不存在交流輸電的穩(wěn)定性問題，可以實現(xiàn)額定頻率不同的電網(wǎng)的互聯(lián)，易于實現(xiàn)地下或海底電纜輸電，易于進行潮流控制，便于分級分期建設(shè)和增容擴建。③更有利于系統(tǒng)控制。 (3) HVDC節(jié)能原理：直流輸電線導體沒有集膚效應(yīng)，不受輸電線路的感性和容性參數(shù)的限制。 直流輸電工程按照直流聯(lián)絡(luò)線可分為單級聯(lián)絡(luò)線、雙極聯(lián)絡(luò)線、同極聯(lián)絡(luò)線和背靠背直流輸電系統(tǒng)。雙極HVDC系統(tǒng)圖如圖2-2所示。 圖2-2 雙極HVDC 系統(tǒng) 2.2.2 柔性交流輸電(FACTS)

18、柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS )是綜合利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)對電力系統(tǒng)的潮流和參數(shù)進行靈活快速調(diào)節(jié)控制，增加系統(tǒng)可控度與提高輸電容量的交流輸電系統(tǒng)。用于配電系統(tǒng)柔性交流輸電技術(shù)為用戶電力技術(shù)CPT。柔性交流輸電技術(shù)是一種用于遠距離輸電的靜態(tài)電力電子裝置，核心是FACTS控制器?；贔ACTS產(chǎn)品包括靜止無功補償器、靜止調(diào)相機、統(tǒng)一潮流控制器、晶閘管可控串聯(lián)補償器、靜止快速勵磁器等。高壓直流輸電技術(shù)等用IGBT等可關(guān)斷電力電子器件組成換流器，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)進行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負荷送電的問題。電力電子技術(shù)是FACTS和CPT共同的技術(shù)基礎(chǔ)

19、[2]。 表2-1 FACTS設(shè)備的種類及功能 設(shè)備名稱 接入方式 換流方式 主要功能 晶閘管控制移相器(TCPR) 串聯(lián) 自然 功控制、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定 晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC) 串聯(lián) 自然 電流控制、暫態(tài)穩(wěn)定、 電壓穩(wěn)定、抑制故障電流 晶閘管控制串聯(lián)電抗器(TCSR) 串聯(lián) 自然 電流控制、暫態(tài)穩(wěn)定、 電壓穩(wěn)定、抑制故障電流 晶閘管控制制動電阻器(TCBR) 并聯(lián) 自然 諧波抑制、暫態(tài)穩(wěn)定 晶閘管控制電壓限制器(TCVL) 并聯(lián) 自然 無功控制、電壓控制、 暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定 統(tǒng)一潮流控制器(UPFC) 串聯(lián)、并聯(lián) 強

20、迫 有功控制、無功控制、電壓控制、 無功補償、諧波抑制、暫態(tài)穩(wěn)定、 電壓穩(wěn)定、抑制故障電流 2.2.3 靜止無功補償器(SVG) (1) 靜止無功補償器(SVG)的工作原理 SVG是利用可關(guān)斷大功率電力電子器件(如IGBT)組成自換相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹? (a) 采用電壓型橋式電路 (b) 采用電流型橋式電路 圖2-3 SVG的電路基本結(jié)構(gòu)圖 SVG分為采用電壓型橋式電路和電流

21、型橋式電路兩種類型。 ①采用電壓型橋式電路的SVG如圖2-3-a，直流側(cè)采用的是電容，還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng)。②采用電流型橋式電路的SVG如圖2-3-b，直流側(cè)采用的是電感，還需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過電壓的電容器才能并入電網(wǎng)。 (2) 靜止無功補償器(SVG)的作用：①提高線路輸電穩(wěn)定性；②維持受電端電壓，加強系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；③補償系統(tǒng)無功功率，提高功率因數(shù)，降低線損，節(jié)能降耗；④抑制電壓波動和閃變；⑤抑制三相不平衡 (3) 靜止無功補償器(SVG)節(jié)能優(yōu)勢：減少線路損耗50%以上。就全國講，線路損耗約占據(jù)12%，其中主要是無功分量引起的損耗，若無功線損降低50%~6

22、0%，一年便可節(jié)電500億度左右。 相當于半個三峽工程的發(fā)電量。這種不消耗一次能源，便可增大發(fā)電量的工程是絕好的綠色工程。且投資極小，見效快。 2.2.4 有源電力濾波器 圖2-4 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成原理圖 有源電力濾波器的基本思想是從補償對象中檢測出諧波電流等分量，由補償裝置產(chǎn)生一個與該分量大小相等而極性相反的補償電流分量，抵消諧波電流分量從而是流入電網(wǎng)的電流只含基波分量，其理論基礎(chǔ)是瞬時無功功率理論。具有動態(tài)響應(yīng)速度快、補償功能多樣化、補償特性不受電網(wǎng)阻抗影響等特點，是抑制諧波的一個重要發(fā)展方向[3]。圖2-4為其構(gòu)成原理。 有源電力濾波器包含指令電流運算電路和補償

23、電流發(fā)生電路兩個部分，前者用來檢測出補償對象中的諧波和無功電流等分量，后者根據(jù)檢測電路所得出的補償電流指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流。 其電路形式主要采用PWM變流器，圖2-5為三相電壓型PWM變流器。 圖2-5 三相電壓型PWM 變流器 2.3 在配電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 在電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)中，使用了電力電子技術(shù)去進行質(zhì)量控制，以用戶電力技術(shù)和FACTS技術(shù)為實現(xiàn)形式，控制配電頻率、電壓以及諧波等，使配電網(wǎng)能配送出高質(zhì)量的電能。FACTS技術(shù)是通過在配電線路中增設(shè)電力電子裝置，加強對與電壓，電流和功率的可控性，調(diào)控電力傳輸能力的技術(shù)。 用戶電力技術(shù)解決的是配電系統(tǒng)中即時發(fā)生的需要馬上解決的

24、重要問題，主要負責配電系統(tǒng)在配電過程中的安全性和穩(wěn)定性，用于保證配電輸電過程中電力能源的質(zhì)量。而FACTS技術(shù)則更為傾向于配電系統(tǒng)中對于電能的輸送能力和有效控制力。FACTS技術(shù)和用戶電力技術(shù)都是針對配電系統(tǒng)開發(fā)出的新型電力電子技術(shù)，兩者的構(gòu)造和工作原理大致上相同。近些年，F(xiàn)ACTS技術(shù)和用戶電力技術(shù)在一定程度上己經(jīng)逐步同步并合用，其中比較具有代表性的就是定制電力(DFACTS)技術(shù)[4]。 表2-2 DFACTS設(shè)備的種類及功能 設(shè)備名稱 接入方式 換流方式 主要功能 靜止無功補償器(DSVC) 并聯(lián) 自然 抑制負荷所產(chǎn)生的無功 靜止同步補償器(DSTATCOM) 并聯(lián)

25、 強迫 抑制負荷所產(chǎn)生的高次諧波、不對稱、無功和閃邊等對系統(tǒng)的影響 動態(tài)電壓恢復器(DVR) 串聯(lián) 強迫 抑制系統(tǒng)的電壓波動、不平衡、高次諧波等對負荷的影響 統(tǒng)一電能質(zhì)量補償器(UPQC) 串聯(lián)、并聯(lián) 強迫 同時具備DSTATCOM和DVR的功能 動態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SSTS) 并聯(lián) 自然 實現(xiàn)快速無弧投切，避免操作過電 固態(tài)斷路器(SSCB) 串聯(lián) 自然 實現(xiàn)快速無弧投切，避免操作過電 2.4 小結(jié) 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展對于電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展起到了里程碑的作用。隨著計算機技術(shù)和電力技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)也在不斷的吸收新的技術(shù)不斷的發(fā)展

26、。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電中均有明顯的經(jīng)濟效應(yīng)和技術(shù)效應(yīng)。對于提高電力的生產(chǎn)質(zhì)量，減少生產(chǎn)成本和配送損耗，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，有著重要的作用。 3 電力電子技術(shù)在家用電器的應(yīng)用 3.1 變頻技術(shù)的節(jié)能應(yīng)用 3.1.1 變頻家電的節(jié)能原理 家用電器如微波爐、空調(diào)器等，都有一些共同特點，就是它的工作狀況要根據(jù)條件、環(huán)境等的不同不斷地調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)家電采用的是起停調(diào)節(jié)的方式，即當系統(tǒng)達到目標(一般指溫度)時，電動機便停止工作，隨著條件的變化，脫離了目標所允許的范圍，電動機又會重新投入工作。這種調(diào)節(jié)方式雖然簡便易行、成本低廉，但頻繁起動耗費大量電能。而變頻家電采用的是一種連續(xù)調(diào)節(jié)

27、的方式，即通過調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速達到上述目的。實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法，目前國內(nèi)變頻家電中使用的是交流變頻調(diào)速和直流調(diào)壓調(diào)速兩種。 所謂變頻調(diào)速，就是通過改變供電電源的頻率來改變電動機的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)節(jié)能和提高效率。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系。 3.1.2 交流變頻調(diào)速 三相異步電動機的轉(zhuǎn)速與交流電的頻率有關(guān)，這種電動機是靠定子繞組中三相交流電的相位差形成旋轉(zhuǎn)磁場，并通過電磁感應(yīng)來帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的。而旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速(又稱同步轉(zhuǎn)速)n=60×f/p，式中，f為交流電的頻率，p為旋轉(zhuǎn)磁極的極對數(shù)。每種異步電機磁極對數(shù)都是固定不變的。因此，只有改變供電頻率，才

28、能改變電動機的轉(zhuǎn)速。 變頻調(diào)速的條件是驅(qū)動電機必須是三相異步電動機，而家用電源均為單相交流電，不是三相電源，需將單相交流電通過整流濾波變成直流電，然后經(jīng)逆變器將直流電逆變成可調(diào)頻的三相交流電源，再來變頻調(diào)速驅(qū)動三相異步電動機。工作過程雖繁瑣了點，但由于三相異步電動機特別是鼠籠式三相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固、制造容易、運行環(huán)境不受限制、免維修等優(yōu)點，加之大功率，可控電子器件以及包括GTO、GTR、IGBT、MOSFET等新型電子器件的開發(fā)、改進和完善，還有新一代智能功率模塊0的誕生，徹底改變了過去交流電機調(diào)速難、調(diào)速性能差的狀況。目前，許多廠家所生產(chǎn)的變頻空調(diào)器大都屬于這一類[5]。 3

29、.1.3 直流調(diào)壓調(diào)速 傳統(tǒng)的直流電動機由于電刷與換向器表面的換向片滑動接觸，產(chǎn)生機械磨損和電火花，因此，使用一段時間后，換向器表面氧化，光潔度下降，使換向器與電刷之間的接觸電阻增大、溫升增大、容易損壞，需要經(jīng)常拆卸保養(yǎng)，很不適合家用電器免維修的準則，尤其不適用于電冰箱、空調(diào)器制冷系統(tǒng)。 直流永磁無刷電動機是80年代后的新產(chǎn)品，由于用電子換向裝置取代了電刷換向器裝置，消除了電刷換向器的缺點，因此大大提高了電動機的使用壽命，成為家用直流調(diào)速電機的最佳選擇。 通過以上分析，不難看出，直流調(diào)速只經(jīng)過一次電壓轉(zhuǎn)換，所以能源損耗比變頻調(diào)速小。最近一些技術(shù)實力雄厚的制造商正在推出這種家用電器[5]。

30、 3.2 開關(guān)電源的節(jié)能應(yīng)用 3.2.1 開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理 開關(guān)電源的工作過程相當容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的(在導通時，電壓低，電流大；關(guān)斷時，電壓高，電流小)功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗。 與線性電源相比，PWM開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。 脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器

31、來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。 圖3-1 開關(guān)電源伯特圖 3.2.2 開關(guān)電源的節(jié)能優(yōu)勢 (1) 體積小、重量輕：由于沒有工頻變壓器，所以體積和重量只有線性電源的20～30%。 (2) 功耗小、效率高：功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以晶體管上的功耗小，轉(zhuǎn) 化效率高，一般為60～70%，而線性電電源只有30～40%。 3.2.3 開關(guān)電源的應(yīng)用 開關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺式計算機和筆記本計算機的電源，電視機、DVD播放機的電源，以及家用空調(diào)器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，

32、這些電源功率通常僅有幾十W~幾百W；手機等移動電子設(shè)備的充電器也是開關(guān)電源，但功率僅有幾W；通信交換機、巨型計算機等大型設(shè)備的電源也是開關(guān)電源，但功率較大，可達數(shù)kW~數(shù)百kW；工業(yè)上也大量應(yīng)用開關(guān)電源，如數(shù)控機床、自動化流水線中，采用各種規(guī)格的開關(guān)電源為其控制電路供電。 開關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學過程等，功率可達幾十一幾百kW；在X光機、微波發(fā)射機、雷達等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關(guān)電源。 3.3 電力電子技術(shù)在照明中的節(jié)能應(yīng)用 3.3.1 照明節(jié)能綜述 電力電子技術(shù)有著非常優(yōu)秀的節(jié)能作用，在節(jié)約能源、保護全球環(huán)境的共識下，世界各國正抓

33、緊實施的“綠色照明工程(Green Lights Program)”給了電力電子技術(shù)提供了一個更好的發(fā)展機遇和更寬廣的發(fā)展平臺。 在世界電力的使用結(jié)構(gòu)中，照明用電占據(jù)了較大的比例。據(jù)統(tǒng)計，美國、日本和歐洲等發(fā)達國家的照明用電約占總用電量的20%。而中國照明用電在整個用電中的比例約為12%左右，預計2015年照明用電需要7000億度以上。 而照明節(jié)能有著非常大的潛力可挖，電力電子技術(shù)在這方面正是英雄有用武之地。象我國，按“綠色照明工程”的規(guī)劃，如果在照明設(shè)備方面廣泛采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，可節(jié)約電能20%以上，約可節(jié)電1400億度，其效果相當于建一座“照明節(jié)電的三峽電力工程”。 3.3.2

34、推廣使用節(jié)能燈進行節(jié)能 目前隨著國家綠色照明工程的推進，節(jié)能燈的市場份額一天天大起來。節(jié)能燈的節(jié)能主要是依靠采用了電力電子元件IGBT的電子式鎮(zhèn)流器，首先通過整流器將工頻交流電變成直流電，再依靠逆變器將直流電變?yōu)?0到50 KHz的交流電。與傳統(tǒng)電感式熒光燈相比，電子鎮(zhèn)流器式熒光燈系統(tǒng)的效率提高了18%到25%。目前，集成化的電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動電路己走向市場，我國微電子行業(yè)首家上市公司上海貝嶺生產(chǎn)的BL8301就是一款可驅(qū)動由IGBT組成的半橋的專用集成塊[6]。 3.3.3 利用電力電子及傳感技術(shù)進行采光節(jié)能 可能有很多場所上班時即將所有的燈都打開，直到下班無人時才關(guān)掉，即便是在陽光明媚的

35、大白天也是這樣，其實這里面利用采光節(jié)能大有文章可做。采用變頻技術(shù)和整流技術(shù)我們己能方便地實現(xiàn)對氣體放電光源和熱輻射光源的調(diào)光，在白天陽光充足的時候依靠傳感技術(shù)確定所需人工照明的照度，利用電力電子設(shè)備將光源調(diào)到所需的功率。你要知道浦東機場候機大廳的光源功率便高達684KW，所以說這里面的節(jié)能潛力是不可小視的[6]。 3.3.4 加大LED等節(jié)能新光源的研發(fā) 無極熒光燈，微波硫燈，LED(發(fā)光二極管光源)燈，太陽能燈等很有發(fā)展前途的新光源其核心都是采用了現(xiàn)代的電力電子技術(shù)。節(jié)能效果好，未來有望有照明舞臺上大顯身手。其中LED燈可與太陽能電池一起構(gòu)成一個小照明系統(tǒng)。所以有人估計4到6年后，白光L

36、ED燈有可能完全取代白熾燈和熒光燈[6]。 3.4 電力電子技術(shù)在推廣綠色照明工程的作用 進入21世紀以來，我國照明用電的年增長率都保持在20%以上，但是我國照明用電的結(jié)構(gòu)中普通白熾燈仍占有極大的比例。與美國相比，雖然我國燈的數(shù)量是日本的3.2倍，但消耗的電力卻是日本的6.8倍，而燈的平均光效率則只有日本的1/4。因此，推廣綠色照明在我國是非常必要的。利用電力電子技術(shù)發(fā)展綠色照明是一個非常有效的重要手段。在我國，按“綠色照明工程”的規(guī)劃，如果在照明設(shè)備方面廣泛采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，可節(jié)約電能20%以上，約可節(jié)電1000億度，其效果相當于建一座“照明節(jié)電的三峽電力工程”。電力電子技術(shù)在綠色照

37、明中的作用分別有： (1) 電力電子技術(shù)為綠色照明工程提供了節(jié)能光源； (2) 電力電子技術(shù)為綠色照明工程提供了節(jié)能燈具； (3) 電力電子技術(shù)為綠色照明工程提供了節(jié)能照明電器； (4) 電力電子技術(shù)為綠色照明工程提供了節(jié)能照明設(shè)計； 實施綠色照明不僅能夠節(jié)省電力，更重要的是減少環(huán)境污染和能源消耗，提高能源的利用效率。實現(xiàn)綠色照明的方法：一是改造光源，二是改進電路。這兩個方法通過電力電子技術(shù)均得到了解決。 3.5 小結(jié) 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)應(yīng)用在家用電器中的可行性越來越大，應(yīng)用也越來越廣，將會興起一股節(jié)能家用電器的研發(fā)潮以及使用潮。綠色照明的發(fā)展，完全得益于電力電

38、子技術(shù)的應(yīng)用，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子元器件成本的降低，照明電路的功能會更加完善，綠色照明不久將成為現(xiàn)實。 4 電力電子技術(shù)在節(jié)能環(huán)保的應(yīng)用 4.1 電力電子節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù) 4.1.1 開關(guān)變頻技術(shù) 開關(guān)變頻技術(shù)是針對固定的工頻而采取的高效節(jié)能措施。工頻可謂發(fā)電的最佳頻率，但它并不是所有用電設(shè)備的最佳頻率，因而導致許多設(shè)備長期處于低效率、低功率因數(shù)運行的現(xiàn)狀。交流電動機在傳統(tǒng)的模式運行時，運行效率只有60%左右，功率因數(shù)僅為0.7左右。電力行業(yè)中的變頻技術(shù)改造，可在很大程度上提高用電效率，降低用電率，降低線損，減少污染物的排放量，提供持續(xù)、可靠、優(yōu)質(zhì)的電能。 據(jù)統(tǒng)計，早期

39、開關(guān)電源剛設(shè)計出的時候其效率有65%~70%，而現(xiàn)在其效率可以達到更高，小功率開關(guān)電源的效率可達到80%~85%，在通信電源中甚至可達到93%，而在開關(guān)電源之前的線性電源的工作效率只有30%~40%。開關(guān)技術(shù)使電源效率翻了兩番。 4.1.2 利用軟開關(guān)提高電力電子裝置的效率 通過開關(guān)電源可以節(jié)約電能，但是開關(guān)在開通到關(guān)斷和從關(guān)斷到開通的過程中引起的開關(guān)損耗隨帶也引起了能耗，如何再把這些能耗降低，那就要采用軟開關(guān)技術(shù)。 軟開關(guān)技術(shù)是使功率變換器得以高頻化的重要技術(shù)之一，它應(yīng)用諧振的原理，使開關(guān)器件中的電流(或電壓)按正弦或準正弦規(guī)律變化。當電流自然過零時， 使器件關(guān)斷(或電壓為零時，使器件

40、開通)，從而減少開關(guān)損耗。它不僅可以解決硬開關(guān)變換器中的硬開關(guān)損耗問題、容性開通問題、感性關(guān)斷問題及二極管反向恢復問題，而且還能解決由硬開關(guān)引起的EMI 等問題。通過降低開關(guān)損耗，可以更有效的通過開關(guān)技術(shù)提高電源利用效率，從而達到節(jié)能的目的。 軟開關(guān)技術(shù)因其優(yōu)越性，成為降低開關(guān)損耗、提高系統(tǒng)效率、改善電磁干擾、提高系統(tǒng)可靠性的一個重要手段，是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點，受到越來越多的關(guān)注。 當開關(guān)管電流過零時，使開關(guān)管關(guān)斷；開關(guān)管電壓過零時，使開關(guān)管導通。從而使開關(guān)管關(guān)斷和導通時損耗為零，實現(xiàn)了開關(guān)電源高頻化的設(shè)計，提高了電源效率[9]。電力電子裝置中采用軟開關(guān)技術(shù)后，開關(guān)頻率不受開關(guān)損耗

41、的限制，提高了開關(guān)器件的工作頻率，減少了開關(guān)器件的散熱體積，提高了開關(guān)器件工作的可靠性和效率。與硬開關(guān)相比，軟開關(guān)充電模塊的開關(guān)損耗降低了40%，整機效率提高到94% ~96%，功率開關(guān)器件承受的電應(yīng)力較小，功率開關(guān)器件的可靠性得到了提高。由于電壓變化率(dv/dt)及電流變化率(di/dt)的減小，使充電模塊的電磁干擾明顯降低，提高了電磁兼容性能[10]。 4.1.3 高頻技術(shù) 變頻可以提高電源的利用率，基于變頻，如果把頻率再提高，那么對于能源和材料的的利用將更加的充分。理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比，所以當我們把頻率從工頻50Hz

42、提高到20kHz時，用電設(shè)備的體積重量大約下降至工頻設(shè)計的5%~10%。根據(jù)這一原理，對傳統(tǒng)行業(yè)的電鍍、電解、電加工、充電等各種電源進行改造，不僅其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。因此采用高頻技術(shù)，還可更進一步的提高電能的利用率，而相對于變頻之前，其效果將更為明顯。 4.1.4 有源功率因數(shù)校正技術(shù) 功率因數(shù)，是指任意二端網(wǎng)絡(luò)兩端電壓U與其中電流I之間的位相差的余弦。有功功率的計算公式為： P=Scosφ 圖4-1 功率三角形 可見，電路中的有功功率P，不僅取決于視在功率S的大小，還與功率因數(shù)有關(guān)。所以如果提高了功率因數(shù)，那么輸出的有功功率就越大，同時無功功率

43、將越小，說明電能被充分利用了。使用電力電子技術(shù)提高功率因數(shù)，將有效的提高電能的利用率。 4.1.5 其他提高能源利用率的技術(shù) 使用電力電子實現(xiàn)節(jié)能的手段有很多種，除了以上這些外，還可以開發(fā)新型磁性元件，開發(fā)新型變壓器，開發(fā)智能電源(比如可以使設(shè)備進行自動待機省電的電源)等等，這些方法都可以有效的實現(xiàn)能源的高效利用，達到節(jié)能的目的。 4.2 電力電子技術(shù)在節(jié)能中的應(yīng)用 (1) 電動機節(jié)能運行 ①變頻調(diào)速節(jié)電：根據(jù)負載特性改變電機轉(zhuǎn)速，達到節(jié)電效果。通過調(diào)速達到節(jié)能的負載主要有：風機、水泵、油泵等。 ②改善功率因數(shù)節(jié)電：交流異步電動機的無功就地補償就是將補償電容器組直接與電動機并聯(lián)運行

44、。 ③輕載調(diào)壓節(jié)電：當電動機處于輕載運行時，若適當調(diào)節(jié)電動機定子的端電壓，就會降低電動機的勵磁電流，從而降低鐵耗和從電網(wǎng)吸收的無功功率。 (2) 無功功率的補償 動態(tài)無功功率補償?shù)墓?jié)能來自兩個方面：①諧波電流流人電網(wǎng)，在變壓器漏抗和線路電阻上產(chǎn)生壓降，造成網(wǎng)壓畸變?；兊木W(wǎng)壓將產(chǎn)生高次諧波電流，使負載產(chǎn)生額外的損耗，這種現(xiàn)象被稱為諧波的負載損耗。②無功電流在供配電系統(tǒng)中流動，產(chǎn)生與視在電流平方成正比的供配電損耗。 (3) 高效節(jié)能照明 高效節(jié)能燈是指發(fā)光效率較高的電光源。近幾年我國推廣的節(jié)能燈有：稀土熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、雙絞絲型的白熾燈等。稀土熒光燈是國內(nèi)居民家庭、商店、

45、賓館、飯店等場所重點推廣的光源[7]。 4.3 電力電子技術(shù)在環(huán)保中的應(yīng)用 社會的發(fā)展離不開能源，經(jīng)濟的進步也與能源的使用息息相關(guān)。能源支撐著社會經(jīng)濟的發(fā)展。我國能源生產(chǎn)總量和消費總量均排在全球前三位。新能源因其具有清潔、少污染或無污染、蘊藏量大的特點越來越受到人們的重視。由于我國現(xiàn)階段以煤炭為主要使用資源，煤炭資源占到所有能源的67%，石油約占22%，而美國能源消耗中，煤炭只占約12%，我國煤炭的能源消耗率大大超出了美國及歐洲發(fā)達國家，所以我國廢氣污染的排放也一直排在全球首位。當前，我國啟動了發(fā)展新能源的戰(zhàn)略規(guī)劃與部署[14]。太陽能、水能、風能、生物質(zhì)能、熱泵、綠色建筑等成為了節(jié)能環(huán)保

46、的關(guān)鍵領(lǐng)域。特別是風力發(fā)電以及太陽能發(fā)電，成為促進環(huán)保減排的領(lǐng)頭羊。 4.3.1 風力發(fā)電的環(huán)保效果 近幾年來，全球風電機組容量每年的增長率都在35%左右。截止2014年底，我國風電并網(wǎng)容量已達到9637萬千瓦。2014年風電上網(wǎng)電量1534億千瓦時，相當于減少火力發(fā)電廠每年4909萬噸煤的消耗，相當于減少排放13058萬噸二氧化碳、49萬噸二氧化硫、43萬噸氮氧化物以及大量粉塵和廢渣。極大的減少對大氣的排放和污染以及水資源的消耗。 4.3.2 太陽能發(fā)電的環(huán)保效果 國家能源局日前公布的數(shù)據(jù)顯示，2014年我國光伏發(fā)電累計并網(wǎng)裝機容量2805萬千瓦，同比增長60%，其中，光伏電站233

47、8萬千瓦，分布式467萬千瓦。2014年光伏年發(fā)電量約250億千瓦時，相當于減少火力發(fā)電廠每年800萬噸煤的消耗，相當于減少排放2128萬噸二氧化碳、8萬噸二氧化硫、7萬噸氮氧化物以及大量粉塵和廢渣，極大的減少對大氣的排放和污染以及水資源的消耗。 4.3.3 在其他新能源領(lǐng)域中的環(huán)保 電力電子技術(shù)的環(huán)保作用除了在風力發(fā)電和太陽能發(fā)電以外，在其他新能源領(lǐng)域均有應(yīng)用。如新能源汽車、地熱發(fā)電、生物能發(fā)電、抽水蓄能發(fā)電、超導儲能、超級電容儲能、低谷電儲能等。新能源汽車指的是純電動汽車、燃料電池汽車、太陽能汽車等高效儲能汽車。這些新能源的發(fā)展和普及將會極大地改善大氣環(huán)境污染狀況，是未來節(jié)能環(huán)保的發(fā)展

48、趨勢。 4.4 電力電子技術(shù)的節(jié)能的數(shù)據(jù)比較 通過表4-1的分析我們可以知道，電力電子技術(shù)可以達到高效節(jié)能的目的，具有非常高的實用性，應(yīng)用范圍非常的廣，每個用電產(chǎn)品幾乎都可以牽涉到電力電子技術(shù)。這表示在一個相當長的時期內(nèi)，我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和巨大的用戶市場對電力電子技術(shù)具有巨大的、持久的需求，這就意味著我國電力電子產(chǎn)業(yè)面臨著良好的發(fā)展機遇和前景[8]。 表4-1 常見電力電子技術(shù)節(jié)能項目節(jié)能數(shù)據(jù)比較 常見項目 傳統(tǒng)技術(shù) 利用電力電子技術(shù) 節(jié)能效果 發(fā)電機 傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備 經(jīng)電力電子技術(shù)改造發(fā)電設(shè)備 平均單臺節(jié)電率20%；節(jié)電量達500億千瓦時，相當于全國總發(fā)電量1/10；

49、 風機和水泵 傳統(tǒng)擋板或閥門節(jié)流方式 采用GTR等功率集成器件的交流高效調(diào)速裝置 耗電量比傳統(tǒng)的節(jié)流方式要少30%左右。我國風機和水泵總耗電量占全國發(fā)電量的30%以上，其中70%靠調(diào)節(jié)擋板或閥門變流量運行。如有1/3改造為調(diào)速運行，即可節(jié)電150億千瓦時。 電驅(qū)動型車輛調(diào)速 運行傳統(tǒng)的電阻器 直流高效調(diào)速方式的載波調(diào)波裝置 節(jié)電20%；如將GTO載波技術(shù)推廣到全國，則可節(jié)電1030億千瓦時。 照明 工頻電感鎮(zhèn)流器 高頻鎮(zhèn)流器 節(jié)電20%；我國照明 用電占全國總發(fā)電量的8。0%以上，如能改造2/3，則可節(jié)電130億千瓦時。 電焊機 電工頻交流和直流電焊機 逆變器電焊

50、機 若使工頻電爐高頻化。則效率將由50%提高到70%以上；此，整機效率只有50%左右。高頻振蕩器若用靜電感應(yīng)晶體管(SIT)代替電子管，微觀節(jié)電30%~40% ，宏觀節(jié)電量達10億千瓦時左右 電網(wǎng)輸配電 無配備無功補償裝置 配備無功補償裝置 全國配電變壓器若有70%配裝無功補償自控裝置則可節(jié)電l00億千瓦時 4.5 小結(jié) 本章從電力電子技術(shù)在節(jié)能方面的技術(shù)以及節(jié)能效果去闡述電力電子技術(shù)在節(jié)能環(huán)保的可行性和有效性。隨著電力電子理論的不斷更新完善，新型電力半導體器件的不斷發(fā)現(xiàn)，以及更具有高效節(jié)能性質(zhì)的電路拓撲的不斷出現(xiàn)，電力電子技術(shù)未來還有非常大的發(fā)展空間，這個行業(yè)也必將進一步得到發(fā)

51、展，必將節(jié)省更多的能源，為國民經(jīng)濟服務(wù)，成為國民經(jīng)濟中的一個重要產(chǎn)業(yè)。 電力電子技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進一步創(chuàng)新發(fā)展，必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗和提高生產(chǎn)效率提供重要手段，為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠影響。 5 采用變頻器實現(xiàn)調(diào)速節(jié)能 5.1 變頻器的調(diào)速及節(jié)能原理 5.1.1 變頻器的調(diào)速原理 異步電動機的同步調(diào)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為，而異步電動機的軸轉(zhuǎn)速為式中，n為同步轉(zhuǎn)速； f為定子頻率；p為磁極對數(shù)；S為異步電動機的轉(zhuǎn)差率。可見，異步電動機的調(diào)速方法有3種；①通過改變電動機的極對數(shù)p來改變轉(zhuǎn)速，這種調(diào)速方法是有級差的，不能達到無級凋速，不適用于火電廠風機和水泵等輔機運行轉(zhuǎn)速的

52、調(diào)節(jié)。②改變轉(zhuǎn)差率s，這種調(diào)速方法雖然能達到無級調(diào)速，但主要應(yīng)用在小容量電動機調(diào)速上，并存在故障率高，整體效率低的缺點，不適用于火電廠大容量電動機調(diào)速。③改變定子頻率，可以改變異步電動機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)公式，當p和s確定后，電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變轉(zhuǎn)速n，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。變頻器所運用的調(diào)速方法就是改變定子頻率進行調(diào)速。 5.1.2 變頻器的節(jié)能原理 變頻器的節(jié)能原理可分為：變頻調(diào)速節(jié)能、提高功率因數(shù)節(jié)能、軟啟動節(jié)能。 (1) 變頻節(jié)能 變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風機、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。當電機不能

53、在滿負荷下運行時，除達到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調(diào)速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。 電動機使用變頻器的作用就是為了調(diào)速，并降低啟動電流。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電整流為直流電。再通過逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。 變頻不是到處可以省電，有不少場合用變頻并不一定能省電。 作為電子電路，變頻器本身也要耗電(約額定功率的3

54、~5%)。一臺1.5匹的空調(diào)自身耗電算下來也有20~30W，相當于一盞長明燈。變頻器在工頻下運行，具有節(jié)電功能，是事實。但是他的前提條件是： 第一、大功率并且為風機/泵類負載； 第二、裝置本身具有節(jié)電功能(軟件支持)； 這是體現(xiàn)節(jié)電效果的前提條件。除此之外，無所謂節(jié)不節(jié)電，沒有什么意義。如果不加前提條件的說變頻器工頻運行節(jié)能，就是夸大或是商業(yè)炒作，一定要注意使用場合和使用條件才好正確應(yīng)用。 (2) 提高功率因數(shù)節(jié)能 無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設(shè)備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器

55、內(nèi)部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。 (3) 軟啟動節(jié)能 電機硬啟動對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護費用。 變頻器可實現(xiàn)電機軟啟動、補償功率因素、通過改變設(shè)備輸入電壓頻率達到節(jié)能調(diào)速的目的，而且能給設(shè)備提供過流、過壓、過載等保護功能。 5.2 變頻器調(diào)速節(jié)能估算 5.2.1 風機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負

56、載的變頻調(diào)速節(jié)能 采用電動機變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)流量，比用擋板、閥門之類來調(diào)節(jié)，可節(jié)電20%~50%。生產(chǎn)中，對風機、水泵常用閥門、擋板進行節(jié)流調(diào)節(jié)，增加了管路的阻尼，電機仍舊以額定速度運行，這時能量消耗較大。如果用變頻器對風機，泵類設(shè)備進行調(diào)速控制，不需要再用閥門、擋板進行節(jié)流調(diào)節(jié)，管路阻尼最小，能耗也大為減少。節(jié)能量可用GB12497《三相異步電動機經(jīng)濟運行》強制性國家標準實施監(jiān)督指南中的計算公式，即： 對風機、泵類，采用擋板調(diào)節(jié)流量對應(yīng)電機輸入功率與流量Q之間的關(guān)系為： …………………………………………………(5-1) 式中：額定流量時電機輸入功率KW；額定流量。 若流量的調(diào)節(jié)范圍在

57、(0.5~1) ，則節(jié)電率為： ……………………………………(5-2) 從式(1)分析，節(jié)流調(diào)節(jié)，則的比值是小于1，其的比值比更小，與0.55的乘積仍小于0.55，即流量調(diào)節(jié)后，電機的負載變小了，消耗的功率也比額定功率小了。當擋板或閥門全關(guān)時，電機消耗的功率最少，最小等于0.45；(2)式則表明采用變頻調(diào)速后，電機消耗的功率與實際流量和額定力量比值的三次方成正比，即再與采用擋板調(diào)節(jié)流量對應(yīng)電機輸入功率相減后再除以，得電機在節(jié)流調(diào)節(jié)消耗功率的基礎(chǔ)上計算的節(jié)能率。用相似性原理P∝n3計算節(jié)能時，也應(yīng)先計算原系統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)時消耗的電能，再與變頻調(diào)速消耗的電能減，這正是(5-2)式的表示式。因此，

58、要準確的計算節(jié)能，還需使用(5-1)式計算節(jié)流時消耗的電能[11]。 5.2.2 恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速節(jié)能 對恒轉(zhuǎn)負載有 ……………………………………………………(5-3) 電機的輸入功率與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，采用變頻調(diào)速后節(jié)省的功率可由下式計算： ………………………………………………(5-4) 節(jié)電率： ……………………………………………(5-5) 可見，節(jié)省的功率與系統(tǒng)調(diào)速前后的速差成正比，速差越大，節(jié)能越顯著。 恒轉(zhuǎn)矩負載變頻調(diào)速一般都用于滿足工藝需要的調(diào)速，不用變頻調(diào)速就得采用其他方式調(diào)速，如調(diào)壓調(diào)速、電磁調(diào)速、繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等。由于這些調(diào)速是耗能的低效

59、調(diào)速方式，使用高效調(diào)速方式的變頻調(diào)速后，可節(jié)省因調(diào)速消耗的轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能率也是很可觀的[11]。 5.2.3 液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能 液力禍合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量。液力禍合器有調(diào)速型和限矩型之分，前者用于電氣傳動的調(diào)速，后者用于電機的起動，系統(tǒng)中的液力禍合器在電機起動時起緩沖作用。由于液力禍合器的結(jié)構(gòu)與電磁轉(zhuǎn)差離合器類似，仿照電磁調(diào)速器效率的計算方法，可得： ………………………………………………………………(5-6) 其效率也是正比于輸出轉(zhuǎn)速，輸出最大轉(zhuǎn)速時效率理論值為95%。當轉(zhuǎn)速下降時，輸出功率成比例下降，而輸入功率保持不變，此時損耗功率與轉(zhuǎn)

60、差損耗成正比增加，即 ……………………………………………………(5-7) 同樣，用(7)式可計算將液力禍合器調(diào)速改造為變頻調(diào)速后的節(jié)能量[11]。 5.2.4 變頻調(diào)速節(jié)能效益[11] 一般電動機節(jié)能途徑：一是提高電動機本身效率達到長期高效運行，主要用于恒速機械；二是提高電動機轉(zhuǎn)速的控制精度，使其在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行。 變頻調(diào)速是風機、水泵節(jié)能的最佳方案。根據(jù)流體理論，離心式風機、水泵的軸功率是轉(zhuǎn)速的三次方函數(shù)關(guān)系。當轉(zhuǎn)速降低后，其消耗功率會大幅下降，例如50%轉(zhuǎn)速時，軸機械功率僅為12.5%。變頻調(diào)速器效率因數(shù)高，，而且近似不變。所以在諸多調(diào)速方案中變頻調(diào)速節(jié)能效益最佳，應(yīng)作為首選

61、方案[12]。 (1) 風機、水泵采用變頻器調(diào)速控制。采用變頻器調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，電動機消耗的功率會呈三次方下降，節(jié)能效果非常明顯。節(jié)電率由原來的系統(tǒng)裕量多少和系統(tǒng)運行狀況所決定，一般節(jié)電率可達30%以上。具有無需水塔、高位水箱，無二次污染，投資小，高效節(jié)能等特點。 (2) 工業(yè)鍋爐風機采用變頻器調(diào)速控制。采用變頻器調(diào)速控制后，將風門擋板調(diào)節(jié)至最大，使引風機和送風機聯(lián)鎖控制，提高系統(tǒng)自動化程度，且可以大幅度降低功率消耗，一般節(jié)電率在40%以上。 (3) 中央空調(diào)系統(tǒng)采用變頻器調(diào)速節(jié)能。采用變頻器同時控制多臺水泵，能對多點溫濕度進行檢測及集中監(jiān)控，實現(xiàn)最佳舒適度控制。系統(tǒng)運行高效節(jié)

62、能，一般節(jié)電率可達到30%~60%。 (4) 空壓機采用變頻器調(diào)速控制。采用變頻器能同時控制多臺空壓機，可避免電動機空載運行，無需專人值守，實現(xiàn)自動恒壓供氣，一般節(jié)電率可達30%以上[13]。 (5) 注塑機采用變頻調(diào)速控制。采用通用變頻器對油泵進行控制，可對應(yīng)每個步驟輸出相應(yīng)的功率，從而顯著降低電能消耗，一般節(jié)電率為30%~60%。 (6) 行車電動機變頻器調(diào)速控制。采用通用變頻器控制，具有電動機起動電流小、無大電流沖擊、轉(zhuǎn)矩大、起動平穩(wěn)、無級調(diào)速、可靠性高、節(jié)電顯著等特點。 (7) 輸送帶采用變頻器調(diào)速控制。輸送帶一般運行在速度較低的低頻段(5~15Hz)，連續(xù)運行時間較長時易發(fā)生

63、電動機發(fā)熱、電磁噪聲大等現(xiàn)象，宜采用齒輪變速箱變速的變頻器調(diào)速控制。 5.3 小結(jié) 交流變頻調(diào)速技術(shù)是目前世界上技術(shù)先進、性能可靠的交流調(diào)速方式，它以優(yōu)異的性能、明顯的節(jié)能效果、顯著的經(jīng)濟效益迅猛地發(fā)展著，成為工業(yè)驅(qū)動的中堅力量。目前變頻器雖然在技術(shù)和價格上還存在一定難題，但是隨著電力電子技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)及變頻裝置都會有很大的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)在發(fā)電廠的應(yīng)用也將更為廣泛，這一技術(shù)的推廣應(yīng)用將為火力發(fā)電廠在節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟效益、提高上網(wǎng)電價的競爭力方面發(fā)揮巨大的作用。 6 電力電子在風電場中的應(yīng)用 6.1 SVG/SVC裝置在風電場的應(yīng)用 在風電場中，應(yīng)電網(wǎng)

64、公司要求，需要將功率因數(shù)調(diào)節(jié)到某一參數(shù)方可并網(wǎng)，此時就需要運用到靜止無功補償裝置，也就是SVC或SVG。 與傳統(tǒng)SVC相比較，SVG裝置具有更優(yōu)越的性能特點。分別有：SVG的運行范圍比傳統(tǒng)SVC大；SVG的調(diào)節(jié)速度更快，而且可大大減少補償電流中諧波的含量；SVG裝置的體積和成本比SVC的大大縮?。籗VG可在必要時短時間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定量的有功功率；SVG價格目前仍比SVC高得多。 因此，考慮到成本問題，風電場大部分使用SVC裝置進行無功補償。在電網(wǎng)要求較高時，方會使用SVG裝置。 6.2 高壓直流輸電在風電場的應(yīng)用 目前，高壓直流輸電(HVDC)在風電場中的應(yīng)用主要在海上風電場輸電上。

65、由于海風風電場相比較陸上風電場而言，條件更為惡劣和復雜，而且輸電距離較長，考慮成本以及經(jīng)濟上等因素，HVDC技術(shù)主要使用在海上風電上，對于容量較大、離岸距離較長的海上風電場則采用HVDC輸電方式比較經(jīng)濟。采用HVDC進行海上風電場并網(wǎng)可以不受傳輸距離的限制，可隔離線路兩端的網(wǎng)絡(luò)，減小故障之間的相互影響，控制傳輸線路的潮流，提高電纜的輸送效率，風電場的發(fā)電頻率可以大范圍變化。目前，對于采用HVDC進行海上風電場并網(wǎng)的研究不多，更缺乏工程實踐。 6.3 電力電子在風電場并網(wǎng)、恒頻恒速發(fā)電、變速恒頻發(fā)電的應(yīng)用 風力發(fā)電是除水力發(fā)電之外可再生能源發(fā)電技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電技

66、術(shù)。風能是不能儲存能源，將風能轉(zhuǎn)換成電能并輸送到電網(wǎng)主要依靠電力電子裝置。目前，電力電子在風電場的應(yīng)用主要有風電并網(wǎng)技術(shù)、恒速恒頻發(fā)電和變速恒頻發(fā)電。 6.3.1 在風電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用 在風電場中，并網(wǎng)的方式主要有兩種，分別是直接并網(wǎng)和通過電力電子變頻器并網(wǎng)。直接并網(wǎng)風機一般采用異步發(fā)電機，在并網(wǎng)瞬間會產(chǎn)生較大的沖擊電流。因此，一般在直接并網(wǎng)系統(tǒng)中采用軟并網(wǎng)裝置，即在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間每相串入一只雙向晶閘管，并網(wǎng)后由一個接觸器的動合觸頭將其短接。通過電力電子變頻器并網(wǎng)系統(tǒng)利用電力電子變頻器將發(fā)電機發(fā)出的電能進行處理，產(chǎn)生出恒壓恒頻的電能進行升壓壓并網(wǎng)。 6.3.2 在恒頻恒速發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用 圖6-1 恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般采用的是普通異步發(fā)電機，采用直接并網(wǎng)的方式，這種風電機組的發(fā)電機正常運行在超同步狀態(tài)時轉(zhuǎn)差率為負值，電機工作在發(fā)電機狀態(tài)時轉(zhuǎn)差率的可變范圍很小，風速變化時發(fā)電機轉(zhuǎn)速基本不變，所以稱之為恒速恒頻風電機組，其基本結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般很少采用電力電子變換器裝置，正常運行時無法對電壓進行控制，發(fā)出的電能也隨風