第3章电力电子技术在节能领域的应用

1电力电子与现代生活PowerElectronicsTechnologyandModernLife电力电子与现代生活电力电子技术在节能领域的应用3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4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。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。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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，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：第3章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44.82俄罗斯1570委内瑞拉2112伊朗29.63中国1145伊朗1370卡塔尔25.34澳大利亚764伊拉克1150土库曼斯坦8.05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8世界及我国人均化石能源剩余探明可采储量品种中国世界中国/世界煤炭（吨）85.9122.770.0%石油（吨）1.527.05.6%天然气（米3）1840278436.6%第3章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储产比单位：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11846.258.6美国24111.312.6俄罗斯49520.676.0印度10630.028.5巴西50018.328.9中国359.929.0第3章电力电子技术在节能领域的应用10第3章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：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:(%)12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13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。14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15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。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3章电力电子技术在节能领域的应用16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172009年全球新能源投资方向（10亿美元）第3章电力电子技术在节能领域的应用18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：19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。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3章电力电子技术在节能领域的应用光伏发电21风力发电第3章电力电子技术在节能领域的应用22水力发电第3章电力电子技术在节能领域的应用23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3章电力电子技术在节能领域的应用3.2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：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25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26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=QH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↓↓↓∝n3∝n2∝n27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（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：满负荷运行，风量Q1，转速n1，工作点A面积P1=Q1×H2流量压力28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→B2.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A→CP=Q2×H1P=Q2×H3节省的功率：△P=(H1-H3)×Q2现在要减少风量到Q2，两种方案：△P29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，由于电机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（GreenLightsProgram）”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。31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。大部分的能量都转化成了热，所以效率低下--15%。32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）。33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4.75μF/450V，20W并联2.5μF/450V）近年来，电子镇流器的出现，较好地解决了这个问题。34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20~60kHz，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0.7~0.8。符合国家标准的25W以上的，其功率因数高于0.95。整流逆变ACACDC35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，但功率小。36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ACACDC37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5~6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