电力电子技术在节能领域的应用课件

单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,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,电力电子与现代生活第3章,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,2 电力电子与现代生活第3章 电力电子,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,。,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,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。,4第3章 电力电子技术在节能领域的应用能源的重要性：,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,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,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,。,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,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,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,8,化石能源剩余探明储量居世界前五位的国家,（,2011,）,排序,煤炭,石油,天然气,国家,储量,（亿吨）,国家,储量,（亿桶）,国家,储量,（万亿米,3,）,1,美国,2373,沙特阿拉伯,2645,俄罗斯,44.8,2,俄罗斯,1570,委内瑞拉,2112,伊朗,29.6,3,中国,1145,伊朗,1370,卡塔尔,25.3,4,澳大利亚,764,伊拉克,1150,土库曼斯坦,8.0,5,印度,606,科威特,1015,沙特阿拉伯,8.0,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%,。,8化石能源剩余探明储量居世界前五位的国家（2011）排序煤炭,9,世界及我国,人均,化石能源剩余探明可采储量,（,2011,）,品种,中国,世界,中国,/,世界,煤炭（吨）,85.9,122.7,70.0%,石油（吨）,1.5,27.0,5.6%,天然气（米,3,）,1840,27843,6.6%,第,3,章 电力电子技术在节能领域的应用,9 世界及我国人均化石能源剩余探明可采储量（2011）品种中,10,我国与世界及部分国家剩余化石能源,储产比,（,2011,）,单位：年,国家,/,地区,煤炭储产比,石油储产比,天然气储产比,世界平均,118,46.2,58.6,美国,241,11.3,12.6,俄罗斯,495,20.6,76.0,印度,106,30.0,28.5,巴西,500,18.3,28.9,中国,35,9.9,29.0,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）国家/,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）,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：（,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,年份,能源消费总量,（亿吨标准煤）,占比（,%,）,煤炭,石油,天然气,水电,.,核电,.,风电,1980,6.0,72.2,20.7,3.1,4.0,1990,9.9,76.2,16.6,2.1,5.1,2000,14.6,69.2,22.2,2.2,6.4,2005,23.6,70.8,19.8,2.6,6.8,2007,28.1,71.1,18.8,3.3,6.8,2009,30.7,70.4,17.9,3.9,7.8,2010,32.5,68.0,19.0,4.4,8.6,1,）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,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,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,: (%),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,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,国家,1980,年,1990,年,2000,年,2008,年,2009,年,2010,年,美国,11.3,10.9,11.5,10.7,10.0,10.3,俄罗斯,-,8.5,6.0,6.9,6.5,-,法国,5.0,5.5,5.9,5.9,5.7,5.8,德国,6.5,6.3,5.9,5.8,5.6,5.8,日本,4.2,5.1,5.8,5.5,5.3,5.6,韩国,1.5,3.1,5.6,6.7,6.7,7.2,印度,0.4,0.5,0.6,0.8,0.8,-,巴西,1.3,1.4,1.6,1.8,1.8,-,中国,0.6,0.8,1.2,2.2,2.3,2.4,世界,2.3,2.4,2.4,2.6,2.6,-,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,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。,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,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,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,17中国的资源和能源储备第3章 电力电子技术在节能领域的应,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,18资源与供需矛盾突出资源贫乏，但能源消费持续增长。2010,19,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,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.,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,202009年全球新能源投资方向（单位：10亿美元）第3章,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：,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。,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,23,第,3,章 电力电子技术在节能领域的应用,光伏发电,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,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,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,CO,2,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。,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,27,二氧化碳（,CO,2,）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,27二氧化碳（CO2）包含1个碳原子和2个氧原子。一吨纯净碳,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,28节约1千克标准煤第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。,29第3章 电力电子技术在节能领域的应用3.2 变频器节,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。,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,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。,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,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,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,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,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,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,n,3,n,2,n,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,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（,n,1,）,风机的风压,-,风量特性（,n,2,）,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,35第3章 电力电子技术在节能领域的应用图 风机运行曲,36,第,3,章 电力电子技术在节能领域的应用,图 风机运行曲线,图 风机运行曲线,1.,调节风挡，管网风阻特性,:2,3,风机特性不变,转速,n1,工作点,A,B,2.,调节转速，管网风阻曲线不变,2,风机特性,:1,4,转速,n2,工作点,AC,P=Q2H1,P=Q2H3,节省的功率：,P = (H1-H3)Q2,现在要减少风量到,Q2,，两种方案,：,P,36第3章 电力电子技术在节能领域的应用图 风机运行曲,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。,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,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。,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,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。,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,40,全球白炽灯禁止时间,40全球白炽灯禁止时间,41,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）。,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,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。,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,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,。,整流,逆变,AC,AC,DC,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8,45,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。,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,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。,整流,逆变,AC,AC,DC,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：,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。,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：,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,48第3章 电力电子技术在节能领域的应用LED光源： （第四,49,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。,49第3章 电力电子技术在节能领域的应用LED光源就是发光二,50,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。,50第3章 电力电子技术在节能领域的应用LED灯特点：节能、,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,整流,逆变,AC,AC,DC,整流,DC,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,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。,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,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。,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：,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,：,u,0,t,t,2,t,4,i,电阻负载的工作电压和电流波形,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：,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,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：,电压,u,电流,i,瞬时功率,p,电能流向,t,1,t,2,正,正,正,电网负载,（多）,t,2,t,3,负,正,负,负载电网,（少）,t,3,t,4,负,负,正,电网负载,（多）,t,4,t,5,正,负,负,负载电网,（少）,u,0,t,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,i,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？,电感特点：阻碍电流的变化。,电流比电压变化的慢一点。,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,56,第,3,章 电力电子技术在节能领域的应用,u,0,t,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,i,负载的工作电压和电流波形,相位差,+,i,R,L,t,1,t,2,+,i,R,L,t,3,t,4,+,i,R,L,t,2,t,3,+,i,R,L,t,4,t,5,消耗的功率,交换的功率,56第3章 电力电子技术在节能领域的应用u0tt1t2t3t,57,第,3,章 电力电子技术在节能领域的应用,u,0,t,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,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,U,I,I,P,I,Q,57第3章 电力电子技术在节能领域的应用u0tt1t2t3t,58,第,3,章 电力电子技术在节能领域的应用,u,0,t,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,i,u,0,t,t,1,t,2,t,4,i,u,0,t,t,2,t,4,i,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u0tt1t2t3t,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 = UI,P,=UI,cos,无功功率：,Q =,UI,Q,=,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,；,U,I,I,P,I,Q,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：,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,。,M,无功补偿,装置,发电机,电动机,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,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,。,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,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,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。,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：,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）,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,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。,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,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,）,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,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,。,M,无功补偿,装置,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,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,:,u,0,i,L,i,C,纯电感负载与纯电容负载的电流波形,t,t,1,t,2,t,3,O,A,i,L,i,C,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,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,）,FC,a),TSC,b),TCR,c),限制涌流,限制涌流,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（,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。,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TS,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,）,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,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。,逆变器,控制器,+,-,系统,负载,变压器,或电抗,器,U,C,静止无功发生器的原理图,U,I,E,S,一款静止无功发生器的实物外形,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（,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,E,S,同相位的交流电压,U,I,。,E,S,与,U,I,加在变压器,(,电抗器,),的两侧。,当,E,S,U,I,时，则,SVG,相当于电感，消耗无功功率；,当,E,S,U,I,时，则,SVG,相当于电容，提供无功功率。,+,C,E,S,U,I,静止无功发生器的基本电路结构,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（SV,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,:,73第3章 电力电子技术在节能领域的应用KMT-SVG 系列,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。,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,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。,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,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。,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,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。,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,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,）。,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,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,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,= 4.44,SB,m,Nf,10,-4,式中，,U,-,电压；,S,-,铁心截面积；,B,m,-,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，,B,m,也确定；电压,U,也一定时，上式为 ：,SN,=,U,/4.44,B,m,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。,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,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）,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,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。,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,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%,。,82第3章 电力电子技术在节能领域的应用 3,83,第,3,章 电力电子技术在节能领域的应用,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。,84第3章 电力电子技术在节能领域的应用调查统计：,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,。,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,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。,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,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：,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