电力电子技术与工业节能

摘 要：首先对电力电子技术与电力电子器件的发展进行了概述,后对电力电子技术在工业节能中的应用包括变频调速等先进技术进行详细论述,并介绍了我国电力电子技术在工业节能上应用的情况,最后得出电力电子技术将会促进工业节能上更大发展的结论.

关 键 词：电力电子技术　工业　节能　变频

中图分类号：TM92　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)010-042-02

1.引言

　电力电子技术是一个新兴的领域,它将电子技术应用到电力领域,将强电和弱电结合控制.从电力电子技术问世至今,在各行各业都有广泛的应用,尤其在工业上发挥着重要的作用.在工业方面,电力电子技术主要应用在电力牵引、电机驱动和先进装备制造业等.在电力电子技术的基础上实现的大功率变流器及其控制系统,大功率高精度可程控交、直流电源系统,高精度数控机床的驱动和控制系统,这些技术不但提高了工业制造精度和效率.更重要的是有效地降低了能耗,实现绿色工业.

2.电力电子技术的发展历史

　从1958年美国通用公司研制出世界第一个工业用普通晶闸管开始,电能的变换和控制就开始了从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代.虽然早在20世纪初就已经出现在了可以控制电流的真空管和水银整流器,但电力电子技术真正得到飞速发展并被广泛应用,还是在硅整流器件诞生之后.硅整流器件包括从半控型晶闸管(SCR)到全控型的门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管(BJT)和电力场效应晶体管(Power-MOS．FET)随着硅整流器件的发展,电力电子器件的控制能力和开关速度得到了提高,而电力电子技术的发展也相应先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代.

3.电力电子节能技术的典型应用

3.1变频调速系统　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置,能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流／过压／过载保护等功能.变频器的功能很多,比如其优化电机运行,全世界中用电量有60％左右是通过电动机来消耗的,因此变频器在提高电动机的电能利用率上有很大的作用.根据全球著名变频器生产企业ABB的测算,单单该集团全球范围内已经生产并安装的变频器每年就能够节省1150亿千瓦时电力,相应减少9700万吨二氧化碳排放,这已经超过芬兰一年的二氧化碳排放量.　在一般的工业领域,通常场合下的电机调速均采用电力电子技术与电力传动技术,目前该技术已经比较成熟.在异步电动机运行时,需要同步进行调压和调频使电机在获得良好的运行性能,同时保持控制的灵活性.目前主要通过交-直-交变频调速系统来实现这一目标.包括可控整流调压、方波(六脉波)逆变调频和不控整流器整流、脉宽调制逆变器同时调压调频两种主要结构形式.但一些高压大功率应用(电力牵引,中高压高性能电机驱动等)场合,依然是这一领域的技术制高点,仍在进行不断的研究.　据最新资料统计.在美国大约有8％的发电量消耗与照明负载有关,约50％－60％的发电量用于电动机的驱动.近年来,由于美国应用高度发展的电力电子变频技术对白炽灯和各种电机进行改造,使电能节约15％－25％左右,在日本,由于广泛使用变频技术,使得目前单位国民总值平均能耗居世界最低的情况下,又再把全国发电量的10％节约下来.

3.2高频开关电源技术　电气产品的体积、重量与供电频率的平方根成反比,所以当我们把频率从50Hz提升到200Hz时,用电设备的体积重量大体下降至原来的5％-10％,基于这个原理,对传统行业的电镀、电加工、充电等各种电源进行改造,不仅其主要材料可以节约90％或者更高,还可节电30％或者更多.　目前,高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流,传统的相控式稳压电源已逐步被高频开关电源所取代,高频开关电源通过MOET或IGBT在高频下工作,其开关频率一般在50Hz-100Hz之间,以实现高效率的小型化.

3.3新型静止无功发生器(ASVG)　变压器和交流异步电动机等都属于感性负载,这些设备在运行时不仅消耗有功功率,而且还消耗无功功率.因此无功电源与有功电源一样,是保证电能不可缺少的部分.随着电力电子技术的进一步发展,逐步出现在了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器.它是通过将自换相桥梁式电路直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网上.ASVG根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件,可以分为电压型和电流型两种,图1所示的原理图为电压型补偿器,如果将直流侧的电容器用电抗器代替,交流侧的串联电感用并联电容代替,则为电流型的ASVG.交流侧所接的电感L和电容C的作用分别为阻止高次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压.当逆变器脉冲宽度恒定时,调节逆变器输出电压及系统电压之间的夹角,就可以调节无功功率及逆变器直流侧电容电压Uc,同时调节夹角和逆变器脉宽,既可以保持Uc恒定的情况下,发出或吸改所需的无功功率.

4.我国电力电子技术应用于工业节能情况

　我国电力电子行业起步较早,1957年美国发明了晶闸管,1962年我国就研制出自己的晶闸管,电力电子节能技术遍布工业制造、交通运输、电力系统、电子装置等各个领域,包括一大批轧机、无轨电车、电焊机、电镀和电解电源以及风机和水泵等机电设备,由于采用现代电力电子技术进行改造,其效率大大提高.电力电子技术已经渗透到日常生活的各个角落：上班乘坐的交流调速地铁；上下楼用的交流调速电梯；室内用的变频调速空调；照明用的高频振荡荧光灯；计算机用的开关电源和UPS．家用电炊具中的电磁炉等.这些新型设备大大提高了效率,降低了能耗.

5.结论

　通过以上分析,可以看出电力电子技术能够实现工业上高效节能的目的,具有非常高的实用性,应用范围也相当广泛,在工业中很多领域已经开始发挥出重要的节能作用.随着电力电子技术的发展,其必将为绿色工业提供更好的指导和更强的动力,为节能减排创造更广阔的发展空间,从而造福全人类.

注释：

①唐政．浅谈电力电子技术发展与应用[J]中国科技博览,2010,30：　635．

②李泽元．21世纪的电力电子技术[J]电信技术．1999,11：1．3．

③林辉．异步电动机的软起动技术[J]I电机技术．2010,3：32-34．

④刘冬岩,韩直．电力电子技术与节能[J]．中国能源,1997,10：　43-44．

⑤姜齐荣,王强,韩英铎,等．新型静止无功发生器(ASVG)装置

的建模及控制[J]．清华大学学报,1997,37(7)：21．25．