电力之旅

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作者: Intersil公司 Tamara Schmitz 和 Dave Ritter

 

[午后的雷阵雨过后,云开始渐渐散去。Tamara Schmitz博士带着她的狗外出散步,经过街区尽头的一座小型变电站时,看到Dave Ritter正在一辆某公司的服务卡车旁似乎忙碌着什么事情……]

 

T:你好,Dave,我在哪里好像都会碰到你!
 
D:噢,你好,T博士,在暴雨过后出来散步吗?
 
T:刚才暴雨中发生了好几次闪电,然后我看到了停在街道上的卡车,所以我想在周围转转看看发生了什么事情。你在这里做什么?
 
D:我很久以前给这些人(指向卡车,和在卡车后面操作设备的人)做过实习生。现在如果他们在我附近工作,他们还是会给我打电话。我的乐趣就是排除电力故障。那边那个人是Ralph,他在运行一个时域反射仪(TDR),试图找出埋在地下的高压线路中的短路。
 
T:一台时域反射仪,对于解决电力问题来说是相当先进了。它可以提供传输线阻抗和长度关系的分析。那么它是怎样帮助你的呢?
 
D:除了在线路断开的地方,大部分电缆看起来像一条巨大的同轴电缆。这个故障会导致短路,并且使短路点的阻抗下降。如果Ralph的计算正确,他们会挖一个洞并找到损坏的电缆。如果不正确,那么就只是挖了一个洞。
 
T:非常有趣。你在运行的是什么玩意儿?
 
D:这是一个红外线扫描仪。它是一个可以看到热量的电视摄像头。我在通过扫描设备来寻找故障点。[Dave用摄像头瞄准三条架空线路。]看见那些电线了吗?它们是非常高电压的线路,用于为那边的变压器供电的。
 
T:在红外线下,这些电线会发光。这是由于电缆中电阻损耗所产生的热量。它们看起来大致相同,所以我猜负载是均匀分布的。
 
D:很正确。重要的是要注意到,如果一个出现了暗色,这表明出现了所谓的“单相运行”,这是电力系统中一个很大的问题。不过,我离题了,来看看这个镜头。
 
T:哇,这看起来几乎像是着火了,好像有三个巨大的刀形开关架在我们上方。在你的红外摄像头中,中间的一个像灯泡一样发光,但是用眼睛看,它看起来还好,并没有那么亮。
   
    在正常光下观看        在红外光下观看(注意左边中间接头的顶部)
 
 
 
1:高压分站开关
 
D:给你,试试用望远镜来看。
 
T:它们看上去仍然差不多……等等……中间的一个,靠近接头右边,看起来褪色了。这一点比其他两个点暗。我打赌它被氧化了,导致电阻增加,使之变热。
 
D:非常好,教授!我没想到学术界也有人在关注电力。它实际上是一个失控(run-away的效应:发热会导致氧化,从而增加电阻,进而导致更多的发热和更多的氧化,越来越严重。最好是在它完全失效之前尽早解决。
 
T:我们现在讨论的这些开关的功率是多少?
 
D:我认为这些开关的额定功率为几百安培,线路大约是30kV。
 
T:因此,在我们头上有兆瓦特的功率。
 
D:是的,当然有。但是开关只有电流限制,因为开关是与负载串联的。
 
T:有道理。那么那边那台庞大的变压器的功率是多少?这些开关供电的那台?
 
 
 
2:5000 KVA分站变压器
 
D:老实说,我不知道,但是小一点型号的额定功率为KVA(千伏安),一个类似功率的单位。我敢打赌,这个大家伙的额定功率肯定在几千KVA。
 
T:KVA意味着伏特乘以安培,即功率。为什么不直接说瓦特呢?
 
D:简单说,是由于功率因数。
 
T:这是因为有相位问题,对不对?
 
D:对。大量的负载最终都是感性的:如其他变压器、照明镇流器、电子电源、电机等。当然,负载总有一部分是电阻,这是真正消耗功率的部分。但也有相当一部分电流,它以60 Hz的频率在电源和负载之间来回切换。它是由于负载的感性部分造成的,并且需要设备提供更多的容量。所以设备必须能负荷总负载,而不仅仅是有功功率。工业界已经达成协议,用简单的KVA作为总功率的单位。
 
T:不过,如果在合适的地方放上合适的电容,我们就可以消除感性部件,对吗?
 
D:可以,而且一直在这样做。但是电容价格昂贵,所以我们要在消除电感和接受电感之间进行权衡。
 
T:所有这些关于功率的讨论让我想起了一个客户的问题。他用我们的开关稳压器为其FPGA供电。这些FPGA的额定值是用功率标定的,但我们的稳压器的额定值是用电流标定的。有点像这个电站中变压器和开关额定值之间的差异。为什么我们不能以同一个方式规定两者的额定值呢?
 
D:很好的问题。在正常运行条件下,架空开关只有流过它的电流,因此它是用安培规定额定值的。降压(buck)稳压器类似,它的开关总是与负载串联。因而为了防止过载期间的过热,这些开关都是被限制电流,使整个稳压器都是由输出电流限制。
 
T:举一个例子,我们有一个降压稳压器ISL8011,它的输出电压可以从0.8V变化至输入电压水平——从2.7V至5.5V的任何值。最大输出电流可以保持不变吗?
 
D:是的。如果降压稳压器额定值为1A,不论输出电压如何,都可以保证提供这个电流。如在0.8V条件下,只提供800mW,而在3.3V条件下可以提供3.3W。
 
T:有道理。然后你就可以设计你的系统,使其满足最大功率限制。
 
D:而且你可以将任何其他的典型工作条件优化到最佳。
  
T:这使得每个电源的功率计算非常容易。FPGA可能有很多电源,为内核逻辑、I/O组、辅助逻辑等等供电。我想我应该用叠加原理来计算这些功率的总和。
 
D:现在你明白了……
 
T:这是否适用于所有的开关稳压器?
 
D:不幸的是,并不是。降压稳压器具有与负载电流串联的开关。升压(boost)稳压器具有与输入电流串联的开关。因此,一个升压稳压器的电流限制是在输入边,并限制了给定输入电压下的总可用功率,最终的结果是限制了输出功率。因此,升压稳压器的输出功率有限,而降压稳压器是输出电流有限。
 
T:降压-升压(buck-boost)是怎样的?是否只是在有限的输出功率和有限的输出电流之间切换,还是受到了其他限制?
 
D:啊,著名的降压升压。我曾在几年前做过一个。我们需要用稳定的3.0VDC为一个便携式电路供电,而电池电压的变化范围从3.2至2.5V。有趣的是,我们实际上使用了内部开关来引导电感电流。因此,在任何情况下,我们都是在限制电感电流,而电感电流和开关电流相同。用户能够看到的结果取决于操作模式。因此,你说的是对的,降压-升压是在两者之间切换,但它可以通过限制电感电流自然地做到这一点。在升压时,电感电流与输入电流相同。在降压时,它与输出电流相同。
 
T:而且,由于输出电压是恒定的,我们就必须不断跟踪输入电压,看看有多大功率和电流可以提供给负载。这有点复杂,但我想我能应付自如。
 
D:我相信你能。……当心那个水坑![T博士的脚迈进一个充满雨水的坑时,溅起了巨大的水花声]哎呀,红外摄像机显示现在你的脚真的很冷。
 
T:你需要一台红外摄像头告诉你这个吗?!