電力電子技術向高頻領域發展應重新認識的概念

2021-01-15 電子產品世界

今天,電力電子技術的發展方向之一是工作頻率越來越高,從以前的工頻(50HZ、60HZ)、中頻(數百HZ到一千多HZ),到現在的高頻(數千HZ以上)。出現了開關電源、逆變焊機、變頻器等許多新品,他們的出現,充分展示了電力電子新技術的體積小、重量輕、節能、省材等優點。但是,使用中發現他們不是那麼理想,故障較多,易燒壞元器件等。
我認為,當頻率較高時,一些基本概念已發生了變化,需要重新認識。在頻率較低時,我們對一些基本概念,如電阻、電容、電感、導線等都看成理想狀態,即所謂參數元件。在集中參數電路中,凡是電阻作用都集中在電阻元建立,除此之外,不再考慮電阻;凡是電磁感應現象都集中地用電感元件來表達,此外不再考慮其他影響;電荷一律只在電容器上積蓄。而分布參數的概念則不同,電阻、電容、電感、導線不是純粹的電阻、電容、電感、導線,而是電阻、電容、電感的複合體。
電阻,一般功率電阻為一陶瓷管上繞有電阻絲,且繞成螺旋管狀。不難看出,它也具有電感、只是電乾量很小,一般可以忽略。每匝電阻絲之間還有分布電容,其等效電路如圖1。


一般來說,目前電力電子技術使用的頻率在幾十kHz一下,其分布電容可以忽略,實際等效電路如圖2。其總阻抗Z為電阻ZR與感抗ZL的矢量和:
Z=ER+EL


其數字為:Z=√R2+(2πfL)2
為說明問題,試舉一例。設R=10Ω,L=10-4H,f=5*104HZ,可求得:Z=33Ω。由於感抗比電阻大得多,其相位也會發生很大的變化
電容,一般用中間夾有絕緣層的兩層金屬膜,捲成一卷,再分別。從兩層金屬膜相距最遠的兩端引出兩根引線,其等效電路如圖3所示(這主忽略了電容的漏電電阻)。其總電容
C=C1+C2+···+Cn


其L、L'為兩金屬膜各自的電感,且
L=L1+L2+···+Ln
L'=L'1+L'2+···+L'n
並有L=L'
當f足夠低時,2πfL1=2πfL2+···+2πfLn可視為零,也可視為短路,於是圖3的電路等效成幾個小電容並聯,總電容
C=C1+C2+···+Cn

這是我們一般使用的情況
當f足夠高時,2πfC1=2πfC2+···+2πfCn極小,也可視為短路,此時圖3的電路變成圖4,總阻抗相當於一個電感,其值為L的一半。


電感的等效電路如圖5所示。


其中L=L1+L2+···+Ln
C1、C2、···Cn為匝間分布電容,由於目前電力電子技術所達頻率還不夠高,一般可將分布電容忽略,但對於電壓很高,電流較小,頻率高的場合,則應考慮分布電容。
導線,一般只認為它是一種起聯結作用的元件,最多認識到它是個小電阻、當頻率較高時由於趨膚效應,再認識到其電阻在頻率高時比其直流電阻大一些。但僅此認識還是不夠的,它的等效電路如圖6,即它是由R與L串聯而成的。


當f足夠大時,ZL>>ZR,則導線表現為電感特性。由於電力電子技術領域所用電流較大,且常常有di/dt很大,其感應電動勢ε=-Ldi/dt往往很大,是一個不可忽視的因素。所以在高頻工作時,連接子線儘可能短、粗、不得隨意拐彎,以便減少電感。在這裡要說明一下為什麼要"粗",這是因為一根粗導線可以視為數根細線並聯,其電感量為各路電感並聯而成。導線越粗,意味著並聯越多,電感越小。
長線與短線,我們一般認為一根導線,其上各點的電流、電壓是相同的,它們只是時間的函數,即u=u(t),i=i(t)。但是我們知道電信號以光波速度傳播,為30萬公裡/秒;其波長λ=3*108/f米,假如一根導線的長度等于波長λ,結果如圖7所示,


導線上各點的電壓、電流顯然不相等,它們不僅是時間的函數,而且也是空間的函數。即u=u(x,t),i=i(x,t)。當導線長1=1/2時,它是一根很好的發射天線。實際上,當l能與λ相比較時,我們把它叫做長線,當l與λ比較可以忽略時,我們把它叫做短線。
有趣的是,用50Hz的工頻輸電時,當輸電線很長時,(我們也不能把它視為短線。工頻波長λ=3*105/50=6000(km),當輸電線長度為一、二百km時,就應把它當做長線來考慮。要想降低損耗,必須降低頻率,這就解釋了在長距離輸電時,為什麼要採用直流輸電。
電力電子技術向高頻化發展是一個重要方向,它帶來了很多好處,如整機體積小,節能、省材等,但是新技術的成熟與。究善,還需要我們不但的探索,包括理論上有新的認識。


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