浅谈我国电力电子变流设备的节能问题

本文分析了我国电力电子变流设备节能的基本问题，探讨了变流设备节能的瓶颈所在，进而提出了有关电力电子变流设备节能技术发展的建议和战略。

一、引言

我国电力电子技术形成独立学科的历史可以追溯到20世纪60年代，随着国产的第一只整流二极管的研制成功(1958年)标志着电力电子行业的诞生，到今已有近60年的发展历程，应当看到伴随着近60年电力电子技术的发展，大量电力电子变流设备的应用，使我国电工电气行业的节能技术取得了长足的进步，但应当看到，我国是京都议定书缔约国，世界控制温室气体排放组织分配的指标，我国节能减排问题，仍然形势严峻且任重道远，本文结合作者多年的工作体会，浅析电力电子行业节能的基本问题，探讨电力电子行业节能的发展趋势及战略。

二、电力电子技术进步对电气节能的较大历史贡献

我国电力电子技术行业从无到有，从弱到强，如今已在国民经济中占有不可忽视的地位，国家相继在“八五”、“九五”及“十五”和“十一五”国民经济发展计划中都把电力电子技术列为重点发展领域。伴随着电力电子技术中基础学科——电力电子器件的不断进步，我国电力电子行业为电气设备节能做了以下较为重要的贡献。

1.以静止变流器取代了水银整流器和旋转变流机组，将原获得直流系统的效率提高了近30%

在以电力半导体器件作为主功率器件获得直流的技术获得突破之前，人类为了获得直流不得不应用水银整流器或旋转变流机组，这种系统前者占地面积巨大，效率低下，存在污染，后者由交流电动机、直流发电机、励磁放大机等多个电机组成多电机系统，效率仅60～70%，使用了以电力半导体器件构成的静止整流器后，系统的效率提高了近30%，节约电能的效果明显，更难能可贵的是降低了运行噪音，减少了占地面积。

2.晶闸管直流调速的普及与推广，将旋转变流的直流调速系统，改为静止变流器供电，节能效果显著

在晶闸管可控整流技术获得突破之前，大量使用直流调速的场合，采用以交流电动机拖动直流发电机，直流发电机向被调速直流电动机供电，通过使用交磁放大机调节直流发电机的励磁电压来改变发电机的电压，进行直流电动机的电枢调压调速，系统效率一般最高不超过80%，且调节缓慢，调速精度差，20世纪70年代至80年代初，伴随着晶闸管应用技术的成熟，直流调速系统改变为晶闸管---电动机系统，以晶闸管可控整流代替了原用的直流发电机系统，将五个电机系统改为一个晶闸管整流器与一个电动机系统，使效率提高了近30%，促进轧钢厂、冶金厂等行业使用的电动机供电模式焕然一新。记得1983年大学毕业前在上海第十钢铁厂实习，该厂五连轧机共有22个主电机，在改为晶闸管可控整流供电之前，采用旋转变流系统应用电动机累计近100台，运行噪音高达近160dB，全部改为晶闸管供电和调节后，系统的旋转电机仅剩余了22个，运行噪音降至80dB以内。

3.交流调速技术的大范围应用更加推进了我国电气节能技术的进步

20世纪80年代末至今，随着交流调速技术的不断深化和进步，我国各行业的直流电动机调速系统被交流调速系统所取代，电流型、电压型变频调速，多电平变频技术百家争鸣，不但促进了我国这些行业的技术进步，而且使大量能源获得节约，提高了设备运行的可靠性、方便性，挤占并取代了直流电动机的应用空间，使直流调速的应用范围逐日减少。

4.感应加热中频技术推动了冶金熔炼设备的节能与进步

在晶闸管感应加热中频电源研制成功之前，国内加热炉等行业多用电阻炉或中频机组，1975年我国首台晶闸管感应加热中频电源在西安电力整流器厂研制成功，近40年来，随着技术的不断进步，我国感应加热中频电源，应用主功率器件已从最初的单一晶闸管器件扩容为晶闸管、IGBT、MOSFET等，其单台最大功率也从几十千瓦达到6000kW，输出频率覆盖了100Hz～50kHz的极宽范围，满足了不同行业及不同领域的使用需要，节能效果明显!

5.直流电源高频开关化节能效果巨大

全控型电力电子器件的发明与完善及不断升级，奠定了开关电源的器件基础，逐步取代了在国民经济各部门使用量大面广的各种线性电源，更促使了电力电子变流装置自身控制电源的升级换代，使变频器等场合使用线性电源带来的断电保护难题应刃而解，由于开关电源不存在线性电源因调整管上压降大的严重热损耗，不但将运行效率提高了近30%，而且体积与重量输出容量的不同较原线性电源缩小了近30～80%，重量也减轻了近30～90%，既实现了电能的节约，又减小了原材料的消耗。

三、我国电力电子变流设备实施进一步节能的瓶颈问题

尽管我国电力电子技术的进步对电气节能已做出了巨大贡献，几十年来在节能方面也取得了众多国家级成果，但仍有巨大的潜力可控，概括这些年从事电力电子产品开发，生产与销售的体会，我认为限制我国电力电子变流设备产品进一步节能的瓶颈有以下几个方面：

1.纯粹的价格竞争导致新投运的电力电子变流设备能耗指标不但未降，总体反而有升

我国国民经济体制改革早已从单一的计划经济向多元化体制进步，但还远未达到100%的市场化，现在几乎所有电力电子变流设备装置的使用单位，对单套设备价格高于10万(有的单位为5万)都实施招标采购，政绩、资金条件、成本及评标人员专业知识面的限制，导致众多单位往往以最低价作为中标条件，电力电子变流设备生产厂家恶意价格竞争，想方设法降低原材料使用量，特别是铜材的使用量，而加强冷却，使许多原成标准的东西反而向高耗方向变化，如原电解整流的电力电子变流设备，输出铜母线单位截面电流密度不高于1.2A/mm2，现有的都使用到1.5～2A/mm2，原使用自冷的现多用油冷，强油水冷或纯粹水冷，耗电惊人。