電力電子技術向高頻領域發(fā)展的幾點見解

電力電子技術向高頻領域發(fā)展的幾點見解

今天，電力電子技術的發(fā)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(shù)百HZ到一千多HZ)，到現(xiàn)在的高頻(數(shù)千HZ以上)。出現(xiàn)了開關電源、逆變焊機、變頻器等許多新品，他們的出現(xiàn)，充分展示了電力電子新技術的體積小、重量輕、節(jié)能、省材等優(yōu)點。但是，使用中發(fā)現(xiàn)他們不是那么理想，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(fā)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(tài)，即所謂參數(shù)元件。在集中參數(shù)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(xiàn)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(shù)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、電感的復合體。
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、只是電干量很小，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(shù)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。由于感抗比電阻大得多，其相位也會發(fā)生很大的變化
電容，一般用中間夾有絕緣層的兩層金屬膜，卷成一卷，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
并有L=L'
當f足夠低時，2πfL1=2πfL2+···+2πfLn可視為零，也可視為短路，于是圖3的電路等效成幾個小電容并聯(lián)，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，總阻抗相當于一個電感，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，由于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，但對于電壓很高，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(lián)結作用的元件，最多認識到它是個小電阻、當頻率較高時由于趨膚效應，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(lián)而成的。

當f足夠大時，ZL＞＞ZR，則導線表現(xiàn)為電感特性。由于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，連接子線盡可能短、粗、不得隨意拐彎，以便減少電感。在這里要說明一下為什么要"粗"，這是因為一根粗導線可以視為數(shù)根細線并聯(lián)，其電感量為各路電感并聯(lián)而成。導線越粗，意味著并聯(lián)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(shù)，即u=u(t)，i=i(t)。但是我們知道電信號以光波速度傳播，為30萬公里/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(shù)，而且也是空間的函數(shù)。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(fā)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，為什么要采用直流輸電。
電力電子技術向高頻化發(fā)展是一個重要方向，它帶來了很多好處，如整機體積小，節(jié)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。