电力电子原理应用 电力的应用介绍

电力的应用介绍

电力应用

照明

作为电力应用之一的照明大致可分为三类∶第一类是由电能转化为热能，然后再转化成光能的光源，如白炽灯等;第二类是利用放电而转化成光能的光源，如荧光灯、高压汞灯、霓虹灯等;第三类是近年来出现的半导体发光灯——LED。

一、白炽灯

白炽灯的主要种类有;一般照明灯（钨丝灯泡）、反射型灯、卤钨灯。白炽灯在使用中，高温灯丝会蒸发钨，钨分子附着在灯内壁，会引起黑化现象。卤钨灯利用卤钨循环改善了这个问题。白炽灯把大部分能量转化为热能耗散掉，发光效率很低，一般只有 12流明每瓦，所以白炽灯在不远的将来会逐渐退出市场，取而代之的是省电、环保的节能灯和 LED灯。

二、荧光灯与节能灯

荧光灯是1938年由美国GE公司研究开发的，其原理是将低压水银蒸气中放电发出的紫外线照射到荧光物质上而发光的光源。高压汞灯是将高压水银蒸气中放电发出的光作为光源。霓虹灯是将惰性气体中高压放电发出的光作为光源。

荧光灯通过电极在低压（约1Pa）水银蒸气中放电产生波长为253.7nm 的紫外线辐射，经过涂敷在灯管内壁的荧光物质变换为可见光线。

电子节能灯的工作原理与荧光灯相同，只是把电子镇流器与荧光灯做成一体，所以也称为"紧凑型荧光灯"。由于它不存在电流热效应，发光效率可达60流明每瓦。

三、高压汞灯

高压汞灯有两种，一种是仅利用发光管发出的水银光谱的高压汞灯.另一种是用涂在外壳内表面的荧光物质将发光管发出的 365nm 的紫外线辐射变换为橙色可见光的荧光汞灯。高压汞灯主要用作路灯和广场照明。

四、LED灯

LED灯（LED lamp），也称发光二极管照明灯，是利用发光二极管作为光源的技术，分为半导体发光二极管和有机发光半导体两类，目前用在照明上的主要是半导体发光二极管。LED灯的能源效率非常高，而且不容易破碎。

目前，单颗发光二极管的光度还比较低，所以一个LED灯通常由多颗发光二极管组成。由于发光二极管是使用低压直流电驱动，所以LED灯内含有电力电子电路，将工频交流电整流、降压为低压直流电。此外，高温会损坏LED灯，故LED灯一般会配以散热片等散热配件。目前，LED灯主要用作路灯和公共场合的照明。随着技术的提高，高功率，高光度、长寿命的发光一极管陆续问世.使LED火T有全面取代其他传统光源之势。图 3-25所示是两种LED灯。

电加热

电加热是以电能为能源加热物料，并通过电炉、电焊机等来实现加热的一种方法。电加执时 由能转变成执能，并将已获得的执能用干物料的加技.或进一步完成物料特定的加T 工艺过程，如熔炼、热处理、焊接等。

电加热大体上可分成两大类。一类是电能在电炉、电热器具上转变成热能后加热物料，如电阻炉通过电热元件，电弧炉通过电弧放电将电能转变成热能，加热物料。或者电能在电炉，电热器具上通过被加热物料自身转变成热能.加热物料，如在电子束电热设备中.电千从高压电场获得动能，而在电子撞击被加热物料时，该动能又转变成热能;又如在直接电阻加热设备上，被加热物料直接通电;在感应炉上，使被加热物料产生感应电流，因物料的电阻使电能转变成热能加热物料，等等。另一类是利用电能驱动执泵，把执能从温度较高的物体输送给温度较低的物体。

电加热的方式主要有;电阻加热、电弧加热、感应加热、高频电场加热、红外线加热、等离子加热、电子束加热、激光加热和热泵加热等。

电力拖动

电力拖动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种拖动方式，又名电气传动或电力传动。利用电力拖动，可以实现电能与机械能之间的转换，并能按照生产工艺要求方便地控制电动机输出轴的转矩、角加速度、转速、角位移（对于直线电动机则相应为力.加速度，速度，距离）以及被拖动机械或机械组合的多种多样的起动、运行、变速、制动等。

电力拖动的应用在节约能源、改善劳动和环境条件、提高产品的质量和产量、节约原材料等方面带来了明显效益。因此，电力拖动已广泛地应用于工业、农业、商业、军事等部门中的加工.、运输、设备制造以及改善环境条件等诸多方面。

电力拖动主系统是由电动机、机械传递机构、工作机械组成的机电系统。电动机的输入端经过功率开关和控制元件由电网供电，其输出端通过传递机构的一定的传递比与工作机械相连接。按电动机供电电流的制式不同，可分为直流电力拖动和交流电力拖动。

电力拖动的应用领域极其宽广，从一般的家用电器到工业机床设备、电动交通工具等。在国防、国民经济和人民生活的方方面面都有应用，是电能最主要的应用方式之一。电力牵引（Electric Traction）就是其中一个较大的应用领域。

电力牵引是以电能为牵引动力，驱动机车车辆运行，是现代铁路三种牵引动力形式（蒸汽、内燃、电力牵引）之一。电力牵引是用电力机车（或动车）从布置在电气化铁路沿线的接触网上获取电能，通过牵引电动机，将电能转换为机械能，以驱动机车运行。属于电力牵号范畴的有电气化铁路、地下铁道及其他电牵引城市轨道交通，矿山电力机车城市公共电车等。

电力牵引中电力机车的用电取自电力牵引供电系统，即外部电源。蒸汽机车、内燃机车受其自带能源设备的限制，功率不能过大，而电力机车自身不带一次能源设备.不受锅炉、柴油机的限制，轴功率可达1000 kW以上，所以电力牵引能多拉、快跑，提高了运输能力。

电力牵引的能源利用效率高，由于电能由发电厂（或电站）集中生产，能源利用率比蒸汽、内燃机牵引高得多。一般由高温、高压、大容量机组的火力发电厂供应电能的电力牵引的效率达 35%左右;若由水力发电厂供给电能，其效率更高。而蒸汽、内燃牵引效率分别只有7%及25%左右。

电力牵引因不受自带能源设备的限制，过载能力强。电力牵引的起动加速时间短，约为内燃机车的 1/2.而且能提高运行速度、提高运输能力。电力牵引在运行中无灰、烟等有害气体，对自然环境无污染。这对城市及大型编组站.以及多临遂道，长防脑道地段分有利。

电化学

电化学是研究化学能与电能之间相互直接转换的科学。电化学应用的主要有∶一次电池（原电池）、二次电池（蓄电池）、燃料电池、太阳能电池、电解、电镀、电铸、电解研磨、电热化学（如制造石墨），等等。

节约电能

电力工业既是能源转换工业，又是消耗能源的大户。在国民经济总能耗中，电能的比重还在继续增大。如何提高各种一次能源转换为电能的效率，同时减少电业自身的能耗，是电业节能的两大主题。节能成效的大小，举足轻重。

电力企业的节能措施有∶

①根据国家的资源条件，优化发电能源结构，尽可能多开发水电，限制燃油发电;

②煤电，采用高参数大机组，建设大电厂;

③采用超高电压输电。优化网络结构减少输电配电损耗；

④建设大电网 实行电网经济调度;

⑤逐步对老设备进行技术改造，淘汰中低压机组;

⑥发展热电联产;

⑦对发电厂主辅设备进行改造，消除相关设备大小不配套现象，改善保温，消除渗漏，推广节能新技术;

⑧加强燃料管理，消除储运损失，防止亏吨亏卡，造成煤耗虚升等。

变频器的工作原理及分类

变频器在我国各行业均已得到应用，解决了很多工业上的难题。应用变频器，只要根据所配套设备的特性，在变频器中设置好相关参数，用户便可以很方便地使用键盘就地控制或变频器预留端子远地控制设备的运行，通过显示屏监视变频器的运行状况，查看变频器的故障情况，还可以通过工业总线和通信接口相连实现远程监视和控制，以及通过工业总线组建DCS集散控制系统。

对变频器的分类有不同的标准，如按变频器是否通用来划分，变频器可以分为通用型变频器和专用型变频器；按变频器的工作原理划分，可以分为交—交变频器和交—直—交变频器；在交—直—交变频器中，按主回路工作方式分，可分为电流型和电压型变频器。

按电压等级划分，可以分为低压变频器，中压变频器和高压变频器；另外，从变频器技术的发展来分，可分为VVVF变频器，矢量变频器，直接转矩控制变频器等。

一般情况下，通用变频器通常采用交—直—交的工作方式，而在通用变频器中，相对来讲，低压变频器应用得最为广泛，技术成熟，成本低，易维护是其得到大量应用的主要原因。

变频器的工作原理，总体来说，变频器就是将工频交流电源转换成频率可调的电源设备，根据交流电动机同步转速 N=60f/p（式中，N为电机同步转速，f为电源频率，P为电机极对数）这一公式，只要改变频率，就可以改变交流电动机的转速，变频器就是根据这一原理研制开发出来的电源变换装置。

高压、中压、低压变频器的工作原理相同，只是主回路应用的电力电子元件的耐压等级不同，或者是高电压采用串联低压元件的方式，低压大电流采用并联小电流元件的方式组装。通用变频器和专用变频器的工作原理也相同，只是专用变频器是根据专业设备的特性，研制出来更具有针对性的变频器，如在通用变频器的基础上，增加更符合专业应用的功能，或是增强某一特殊应用功能等。如冶金和起重应用，要求变频器和电机经常处于过载运行，因此要求变频器容量要求足够大，过载能力强，纺织和冶金机械要求变频器的精度高等性能。

交—交变频器的主要缺点是所用电力元器件比交—直—交变频器多，并且只能运行在电网频率（工频）以下，但是其频率只能运行在工频以下，现在各国正在研究开发中的矩阵式交—交型变频器可以克服这一缺点。

电流型变频器和电压型变频器的工作原不大相同，电流型变频器主回路如图1，图中，整流和逆变单元的电力电子元件为可关断晶闸管。电流型变频器的主要特点是输入输出可逆，可以四象限运行，即电动机可以运行在电动、制动、发电状态。

电流型变频器主回路

电压型变频器的主回路

电压型变频器的主回路如图2，图中，整流元件为二极管组成，逆变元件采用绝缘栅晶体管组成。该类变频器结构简单，技术成熟，在低压通用型变频器中被广泛采用，其缺点是不能四象限运行。

（本文选编自《电气技术》，原文标题为“浅谈低压通用变频器的应用和选型”，作者为罗庆祝。）

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