0.4 现代电力电子技术的应用领域
在传统产业应用电力电子技术,可以实现节能并大幅度提高生产效率的目的。因为电力电子器件的特点之一就是开关控制,通态压降接近于零,本身损耗很小。与微机控制组成系统后,在对电能进行控制变换和调节的过程中使设备工作于高效率状态,具有明显的节能效果。据不完全统计,2000年全球电力电子产品销售总额已达600亿美元,2010年全球电力电子产品销售总额达1300亿美元。
此外,现代电力电子技术不但本身是一项高新技术,而且还是多项高新技术的发展基础。在20世纪美国总统科技顾问委员会提交的咨询报告中,列举了6项关系到国民经济发展和国家长久安全的国家关键技术,即,材料,制造业,信息和通信,生物技术,航空和运输,能源和环境。从中我们可以看到,除生物技术一项外,其他5项都与电力电子技术有关。事实上,在电力,轧钢,造纸,水泥,煤炭,铁路,船舶,汽车,机床等传统工业的改造中和计算机,自动化生产线,航天,航空等高新技术的发展中无不看到现代电力电子技术的踪影。因此,研究现代电力电子及其应用技术,对于我国传统工业实现从粗放型到集约型的转变,并在高新技术领域的国际技竞争中占有一席之地具有重要意义。
0.4.1 在电力传动系统中的应用
以电力电子器件为基础的电气传动技术的进步,为电机变频调速系统的开发和研制提供了先进的物质基础,给工业、民用产业带来了无限的生机和活力,给国家节约了大量的能源,且减少了环境污染。在传统工业技术改造等场合,交流电机调速技术也得到迅速推广应用,并逐步取代直流调速技术,占主导地位。在轧钢,铁路,造纸,水泥,煤炭,船舶等工业和民用领域中广泛使用大中容量交流电机调速系统。此时,交流调速系统的应用不但达到节能的目的,还可实现整个系统的性能最佳,改善工艺条件,并大大提高生产效率和产品质量。由于国内大中容量交流调速系统的研制工作起步较晚,仅有通用型产品投入运行,目前很多高性能的场合均为国外产品所占领。而国外产品一般价格较高,很难为一般用户所接受,相应限制了此类系统在我国的推广应用,因此市场急需国产化的高性能、大容量交流调速系统。
(1)风机、水泵调速系统
在电机用电中,交流电机拖动占80%左右,且大多是不变速运行的,存在大马拉小车的问题。20世纪70年代初,一场石油危机席卷全球,工业化国家投入大量人力物力研究节能措施,发现工业用电的一半是由不变速的风机、水泵消耗的。过去风机和水泵调节风量和流量靠挡板和阀门,电机全速运行除浪费大量电能外,还造成环境污染及管道压力损坏等问题。因此纷纷改用交流电机变频调速装置来调节风量和流量,在压力不变的情况下可节电20%~30%。
① 风机调速:一台10t/h燃煤工业锅炉的引风机,配用22kW的交流电机,采用变频器调节电动机转速和风机工况后节电效果明显,全年节电约为32497度(kW· h)。两年内所节约的电费可回收变频调速装置的初投资。
② 恒压供水:国家科委和建设部已将居住区供水节能问题列为“2000年小康型住宅”重大科研项目,而目前采用变频调速微机恒压供水是最常用的一种节能型供水方式。某高压开关厂的工业及生活用水系统投资11万元全部改造,采用变频调速恒压供水智能系统后,现在运行效果为:年节水38万吨,折合人民币17.1万元,年节电10.23万度(kW·h),折合人民币4.6万元,年节约人工费2.5万元,合计年支出节约费用24.2万元。
(2)高性能交流传动系统
在轧钢,机床,造纸等领域,高性能交流变频调速装置的有着广阔的发展前景。交流变频调速装置具有节能降耗,提高生产效率等特点。例如,大功率轧钢机主传动要求电气传动系统具有很高动态响应和相当高的过载能力,这一领域长期以来一直被直流机传动所垄断,但是由于直流电机存在着换向问题和换向器、电刷等部件维护工作量大等缺点,已不能满足轧钢机向大型化、高速化方向发展。随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的迅速发展,在大功率轧钢机主传动领域,高性能交流传动正以其单机容量不受限,动态性能好,维护简单,节约能源等诸多优点,逐步取代直流传动。目前中、小容量(200kVA以下)的装置发展较快,其市场增长超过20%,且大部分为进口。
(3)电气化交通系统
目前城市大气污染总量的半数以上来自燃油汽车尾气。解决环境污然的举措之一是大力发展电动汽车和城市轨道交通。电动汽车在其运行过程中所造成的大气污染几乎等于零,作为一种无污染、低噪声的绿色车辆是有十分诱人的发展前景。电动汽车的最关键技术是提供牵引力的动力推动系统,推进系统中又以提供动力源的电池部分最为关键。以电力电子为基础的电气传动技术的进步,为电动汽车的开发提供了先进的物质基础,尽管现在电动汽车尚处于试验、研究阶段,但可以预期,电动汽车、地铁列车和高速动车作为一种无污染或少污染的洁净型交通工具将在21世纪的城市中发挥越来越重要的作用。
(4)空调、冰箱等家电系统
空调用电一般占城市用电量的30%左右,其中大型商场、旅馆、写字间、超市,以及食品保鲜中占很大比例。这些空调系统一般工作在部分负荷下,因为压缩机的最佳效率只有在满负荷下才能达到,所以能源浪费很大。采用变频调速技术控制压缩机,使它能够根据热负荷对房间自动的调节制冷、或制热量。这是一种非常舒适、高效、节能的制冷/制热系统,比传统不变速空调可节能15%~20%。
0.4.2 在工业和民用电源系统中的应用
采用电力电子器件构成各种整流、中频、高频电源取代原来的传统的笨重的工业电源,具有节能、节省原材料的明显优点。
(1)中频感应加热电源
随着机械工业的发展,热加工中热处理和锻造所占的比重越来越来大,工业先进国家不仅广泛采用感应加热方式进行各种热处理,而且在锻造过程中革除了原来的燃料炉,用感应加热来完成快锻和精锻。这方面我国如全部改造,全国年节电可达10亿度。
(2)大功率电解电源
在电化学工业中,耗电最多的是电解铝和烧碱工业,素有“电老虎之称”。采用电力电子整流电源,单机电流容量猛冲到100万安以上。据全国年统计,每年耗电260亿度,如能合理利用,节电5%就是13亿度。
(3)电焊机电源
传统的电焊机体积庞大,效率较低。采用高频电力电子器件构成交流逆变焊机,不但可节电十多亿度,还可使焊机体积和重量大大减少,成为手提式焊机。
(4)电镀电源
20世纪70年代以来,把电力电子技术应用于电化学领域,产生了脉冲电镀新工艺,可大幅度提高产品质量,并节约大量电源。如全部改造,每年全国可节电20多亿度。
(5)高效节能灯
我国照明用电约占总发电量的10%~13%左右。现有白炽灯的电感镇流器体积大,功率因数低(大约0.3~0.4),自身消耗的功率大(达到灯功率的15%或更高)。用电力电子高频镇流器取代电感镇流器可节电20%左右,减少视在功率50%。全国改造十分之一,每年可节电50亿度。
0.4.3 在电力系统中的应用
电网的电压、频率、波形是衡量电能质量的标志。但是由于电网中存在着大量的感性负载及开关元件,无功需求及谐波很大,严重影响电网的电压和波形质量。电力电子器件及相关技术以其快速性、灵活性等优点,对电网的补偿性能远远优于传统的补偿方式。
(1)无功补偿
在电力系统中,电压和频率是两个重要的指标。而他们分别主要受到有功与无功的平衡情况的影响。电力系统中存在着大量的感性与容性负载,他们需求大量的无功。当这些负载发生大的变化时,系统需要对其进行补偿以求无功的平衡,从而保持电压的稳定。
(2)直流输电
交流电压易于通过变压器来变压,因此易于通过变压器将电力系统与用户耦合在一起。在电能的传输中,普遍采用的三相交流输电系统,在技术上和经济上都是最好的。但是,对于远距离陆上及水下电力传输,高压直流输电中比交流输电更有优势。这是因为,直流输电只要两根线,且输电走廊窄,占地少。而且,由于高压电缆分布电容及充电电流的限制,长距离海底电缆交流输电几乎是不可能的。另外,对于连接两个不同频率的电力系统的情况下,高压直流输电显得更为优越。
(3)调峰
在电网的实际运行过程中,我们总是希望网上的高效发电机始终工作在其额定容量下,但是,电网中的负荷量却是总在变化。传统的做法是在用电高峰期,投入燃油、燃气、调峰水电。而在负荷低峰期,停止、少发电量。这种做法费用昂贵且造成极大的浪费。改进的方法之一是利用燃料电池、蓄电池组、超导储能电感及电力电子装置组成能量储存系统,在负载低峰期吸收多余地能量,在高峰期释放能量,从而达到调峰地作用。
(4)储能
通过电力电子变流装置,超导线圈吸收和供给电能非常快,所以在核聚变实验装置中,如果要把温度提高1亿度,那就需要在1~10秒之内提供几千千瓦的电力,一般电网是不可能胜任的,而储能超导线圈是可以做作到的。
(5)变速恒频交流励磁发电
在风力发电中,有效功率是依照风速的三次方变化的。在小型水力发电中,有效功率取决于水头压力和流量。为了获得最大量的有效功率,最好让这两种电源的涡(风)轮机转速在一个较宽的范围内变化,而输出的频率必须保持恒定。为了满足以上的要求,可以调整转子励磁电流的频率,使其与转子转速叠加后保持定子频率恒定。
0.4.4 在高新技术领域的应用
(1)现代电力电子开关器件的创新
集成电路制造技术的进步可实现大量元胞的并联,各种电力电子半导体器件将高度的模块化,电压、电流、频率也将进一步提高,而体积可望随着新材料,如碳化硅(SiC)的出现而减小,从而提高器件的容量。采用新型器件的电力电子设备应用到各个领域,可以取代原来电力电子设备中大批分立式电力半导体器件。此外,结合了高速微处理芯片的专用控制集成电路得到大量的应用,以及智能功率集成电路的不断开发和完善,也代表着现代和未来电力电子技术发展的新方向。
(2)航天、航空、程控交换机的开关电源
目前,航天、航空技术正进入大规模开发和利用近地空间的新阶段,直接为国民经济和国防建设服务,其设备也正向着高性能,多用途,长寿命的方向发展,其有效载荷日益增加,工作寿命不断延长,因此对电源系统的功率、寿命、可靠度、性价比等指标,也提出了越来越高的要求。在电力电子技术的应用及各种电源系统中,开关电源技术均处于核心地位。采用高频开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。现代电力电子的谐振软开关技术正可以解决高频化引起的器件开关损耗问题,软开关技术是指令开关器件在电流过零时关断(ZCS:Zero Current Switch),或者在电压为零时开通(ZVS:Zero Voltage Switch),实现开关的通断损耗为零,从而可将开关频率提高到兆赫的水平。因此,实现ZCS、ZVS的软开关技术已逐步成为现代高频开关电源的主流技术。
(3)高精度运动控制系统
如机器人,数控机床,需要满足很高的低转速精度。现代控制理论和计算机的出现,使得人们可以控制更复杂的现代工业生产过程,如大量的数据和信号处理、火箭发射的最优控制、整个车间和工厂的全盘自动化、柔性制造车间(FMS),计算机集成制造系统(CIMS)、导航系统、雷达天线等等。电力电子技术具有独特的放大功能,正是实现弱电控制强电的关键所在,成为高新技术与传统产业之间必不可少的接口。进入20世纪70年代以来,随着矢量控制技术的提出和迅速发展,使得过去颇为困难的交流电机调速问题变得和直流机一样可行了,甚至可以得到比直流机调速更高的性能。由于控制电路小型化、简单化,电机控制器可以和电机做成一体,即把电机供电和控制部分也装在机壳内,从外表看就是一个可用上位机的逻辑信号控制的可调速的机电一体化装置。目前,国外这方面的研究正迅速地发展着。