高頻電力電子電路器件性能的變化
發(fā)布者:正涵電氣 發(fā)布時間:2024-03-21 16:42:01 點擊次數(shù):
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電力電子技術(shù)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(guān)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(shù)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(dāng)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)線不是純粹的電阻、電容、電感、導(dǎo)線,而是電阻、電容、電感的復(fù)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
一般來說,目前電力電子技術(shù)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。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(shè)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(dāng)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(dāng)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(dāng)于一個電感,其值為L的一半。
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(shù)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(yīng)考慮分布電容。
導(dǎo)線,一般只認為它是一種起聯(lián)結(jié)作用的元件,最多認識到它是個小電阻、當(dāng)頻率較高時由于趨膚效應(yīng),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,即它是由R與L串聯(lián)而成的。
當(dāng)f足夠大時,ZL>>ZR,則導(dǎo)線表現(xiàn)為電感特性。由于電力電子技術(shù)領(lǐng)域所用電流較大,且常常有di/dt很大,其感應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線的長度等于波長λ,
導(dǎo)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(dāng)導(dǎo)線長1=1/2時,它是一根很好的發(fā)射天線。實際上,當(dāng)l能與λ相比較時,我們把它叫做長線,當(dāng)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(dāng)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(dāng)輸電線長度為一、二百km時,就應(yīng)把它當(dāng)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(shù)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(shù)的成熟與究善,還需要我們不但的探索。