电力电子技术向高频领域发展应重新认识的几个概念

电力电子技术向高频领域发展应重新认识的几个概念

首钢控制设备公司 刘齐凡

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。