电力电子技术向高频领域发展应重新认识的概念

2011-05-20 00:12:02来源: 互联网
今天,电力电子技术的发展方向之一是工作频率越来越高,从以前的工频(50HZ、60HZ)、中频(数百HZ到一千多HZ),到现在的高频(数千HZ以上)。出现了开关电源、逆变焊机、变频器等许多新品,他们的出现,充分展示了电力电子新技术的体积小、重量轻、节能、省材等优点。但是,使用中发现他们不是那么理想,故障较多,易烧坏元器件等。
我认为,当频率较高时,一些基本概念已发生了变化,需要重新认识。在频率较低时,我们对一些基本概念,如电阻、电容、电感、导线等都看成理想状态,即所谓参数元件。在集中参数电路中,凡是电阻作用都集中在电阻元建立,除此之外,不再考虑电阻;凡是电磁感应现象都集中地用电感元件来表达,此外不再考虑其他影响;电荷一律只在电容器上积蓄。而分布参数的概念则不同,电阻、电容、电感、导线不是纯粹的电阻、电容、电感、导线,而是电阻、电容、电感的复合体。
电阻,一般功率电阻为一陶瓷管上绕有电阻丝,且绕成螺旋管状。不难看出,它也具有电感、只是电干量很小,一般可以忽略。每匝电阻丝之间还有分布电容,其等效电路如图1。


一般来说,目前电力电子技术使用的频率在几十kHz一下,其分布电容可以忽略,实际等效电路如图2。其总阻抗Z为电阻ZR与感抗ZL的矢量和:
Z=ER+EL


其数字为:Z=√R2+(2πfL)2
为说明问题,试举一例。设R=10Ω,L=10-4H,f=5*104HZ,可求得:Z=33Ω。由于感抗比电阻大得多,其相位也会发生很大的变化
电容,一般用中间夹有绝缘层的两层金属膜,卷成一卷,再分别。从两层金属膜相距最远的两端引出两根引线,其等效电路如图3所示(这主忽略了电容的漏电电阻)。其总电容
C=C1+C2+···+Cn


其L、L'为两金属膜各自的电感,且
L=L1+L2+···+Ln
L'=L'1+L'2+···+L'n
并有L=L'
当f足够低时,2πfL1=2πfL2+···+2πfLn可视为零,也可视为短路,于是图3的电路等效成几个小电容并联,总电容
C=C1+C2+···+Cn

这是我们一般使用的情况
当f足够高时,2πfC1=2πfC2+···+2πfCn极小,也可视为短路,此时图3的电路变成图4,总阻抗相当于一个电感,其值为L的一半。


电感的等效电路如图5所示。


其中L=L1+L2+···+Ln
C1、C2、···Cn为匝间分布电容,由于目前电力电子技术所达频率还不够高,一般可将分布电容忽略,但对于电压很高,电流较小,频率高的场合,则应考虑分布电容。
导线,一般只认为它是一种起联结作用的元件,最多认识到它是个小电阻、当频率较高时由于趋肤效应,再认识到其电阻在频率高时比其直流电阻大一些。但仅此认识还是不够的,它的等效电路如图6,即它是由R与L串联而成的。


当f足够大时,ZL>>ZR,则导线表现为电感特性。由于电力电子技术领域所用电流较大,且常常有di/dt很大,其感应电动势ε=-Ldi/dt往往很大,是一个不可忽视的因素。所以在高频工作时,连接子线尽可能短、粗、不得随意拐弯,以便减少电感。在这里要说明一下为什么要"粗",这是因为一根粗导线可以视为数根细线并联,其电感量为各路电感并联而成。导线越粗,意味着并联越多,电感越小。
长线与短线,我们一般认为一根导线,其上各点的电流、电压是相同的,它们只是时间的函数,即u=u(t),i=i(t)。但是我们知道电信号以光波速度传播,为30万公里/秒;其波长λ=3*108/f米,假如一根导线的长度等于波长λ,结果如图7所示,


导线上各点的电压、电流显然不相等,它们不仅是时间的函数,而且也是空间的函数。即u=u(x,t),i=i(x,t)。当导线长1=1/2时,它是一根很好的发射天线。实际上,当l能与λ相比较时,我们把它叫做长线,当l与λ比较可以忽略时,我们把它叫做短线。
有趣的是,用50Hz的工频输电时,当输电线很长时,(我们也不能把它视为短线。工频波长λ=3*105/50=6000(km),当输电线长度为一、二百km时,就应把它当做长线来考虑。要想降低损耗,必须降低频率,这就解释了在长距离输电时,为什么要采用直流输电。
电力电子技术向高频化发展是一个重要方向,它带来了很多好处,如整机体积小,节能、省材等,但是新技术的成熟与。究善,还需要我们不但的探索,包括理论上有新的认识。

关键字:领域  发展  重新  认识

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0520/article_8784.html
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