電力之旅

　　
　　[午后的雷陣雨過后，云開始漸漸散去。Tamara Schmitz博士帶著她的狗外出散步，經(jīng)過街區(qū)盡頭的一座小型變電站時(shí)，看到Dave Ritter正在一輛某公司的服務(wù)卡車旁似乎忙碌著什么事情……]

        T：你好，Dave，我在哪里好像都會(huì)碰到你!

　　D：噢，你好，T博士，在暴雨過后出來(lái)散步嗎?

　　T：剛才暴雨中發(fā)生了好幾次閃電，然后我看到了停在街道上的卡車，所以我想在周圍轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)看看發(fā)生了什么事情。你在這里做什么?

　　D：我很久以前給這些人(指向卡車，和在卡車后面操作設(shè)備的人)做過實(shí)習(xí)生。現(xiàn)在如果他們?cè)谖腋浇ぷ?，他們還是會(huì)給我打電話。我的樂趣就是排除電力故障。那邊那個(gè)人是Ralph，他在運(yùn)行一個(gè)時(shí)域反射儀(TDR)，試圖找出埋在地下的高壓線路中的短路。

　　T：一臺(tái)時(shí)域反射儀，對(duì)于解決電力問題來(lái)說(shuō)是相當(dāng)先進(jìn)了。它可以提供傳輸線阻抗和長(zhǎng)度關(guān)系的分析。那么它是怎樣幫助你的呢?

　　D：除了在線路斷開的地方，大部分電纜看起來(lái)像一條巨大的同軸電纜。這個(gè)故障會(huì)導(dǎo)致短路，并且使短路點(diǎn)的阻抗下降。如果Ralph的計(jì)算正確，他們會(huì)挖一個(gè)洞并找到損壞的電纜。如果不正確，那么就只是挖了一個(gè)洞。

　　T：非常有趣。你在運(yùn)行的是什么玩意兒?

　　D：這是一個(gè)紅外線掃描儀。它是一個(gè)可以看到熱量的電視攝像頭。我在通過掃描設(shè)備來(lái)尋找故障點(diǎn)。[Dave用攝像頭瞄準(zhǔn)三條架空線路。]看見那些電線了嗎?它們是非常高電壓的線路，用于為那邊的變壓器供電的。

　　T：在紅外線下，這些電線會(huì)發(fā)光。這是由于電纜中電阻損耗所產(chǎn)生的熱量。它們看起來(lái)大致相同，所以我猜負(fù)載是均勻分布的。

　　D：很正確。重要的是要注意到，如果一個(gè)出現(xiàn)了暗色，這表明出現(xiàn)了所謂的“單相運(yùn)行”，這是電力系統(tǒng)中一個(gè)很大的問題。不過，我離題了，來(lái)看看這個(gè)鏡頭。

　　T：哇，這看起來(lái)幾乎像是著火了，好像有三個(gè)巨大的刀形開關(guān)架在我們上方。在你的紅外攝像頭中，中間的一個(gè)像燈泡一樣發(fā)光，但是用眼睛看，它看起來(lái)還好，并沒有那么亮。

　　在正常光下觀看

　　在紅外光下觀看(注意左邊中間接頭的頂部)

　　圖1：高壓分站開關(guān)

　　D：給你，試試用望遠(yuǎn)鏡來(lái)看。

　　T：它們看上去仍然差不多……等等……中間的一個(gè)，靠近接頭右邊，看起來(lái)褪色了。這一點(diǎn)比其他兩個(gè)點(diǎn)暗。我打賭它被氧化了，導(dǎo)致電阻增加，使之變熱。

　　D：非常好，教授!我沒想到學(xué)術(shù)界也有人在關(guān)注電力。它實(shí)際上是一個(gè)失控(run-away)的效應(yīng)：發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致氧化，從而增加電阻，進(jìn)而導(dǎo)致更多的發(fā)熱和更多的氧化，越來(lái)越嚴(yán)重。最好是在它完全失效之前盡早解決。

　　T：我們現(xiàn)在討論的這些開關(guān)的功率是多少?

　　D：我認(rèn)為這些開關(guān)的額定功率為幾百安培，線路大約是30kV。

　　T：因此，在我們頭上有兆瓦特的功率。

　　D：是的，當(dāng)然有。但是開關(guān)只有電流限制，因?yàn)殚_關(guān)是與負(fù)載串聯(lián)的。

　　T：有道理。那么那邊那臺(tái)龐大的變壓器的功率是多少?這些開關(guān)供電的那臺(tái)?

　　圖2：5000 KVA分站變壓器

　　D：老實(shí)說(shuō)，我不知道，但是小一點(diǎn)型號(hào)的額定功率為KVA(千伏安)，一個(gè)類似功率的單位。我敢打賭，這個(gè)大家伙的額定功率肯定在幾千KVA。

　　T：KVA意味著伏特乘以安培，即功率。為什么不直接說(shuō)瓦特呢?

　　D：簡(jiǎn)單說(shuō)，是由于功率因數(shù)。

　　T：這是因?yàn)橛邢辔粏栴}，對(duì)不對(duì)?

　　D：對(duì)。大量的負(fù)載最終都是感性的：如其他變壓器、照明鎮(zhèn)流器、電子電源、電機(jī)等。當(dāng)然，負(fù)載總有一部分是電阻，這是真正消耗功率的部分。但也有相當(dāng)一部分電流，它以60 Hz的頻率在電源和負(fù)載之間來(lái)回切換。它是由于負(fù)載的感性部分造成的，并且需要設(shè)備提供更多的容量。所以設(shè)備必須能負(fù)荷總負(fù)載，而不僅僅是有功功率。工業(yè)界已經(jīng)達(dá)成協(xié)議，用簡(jiǎn)單的KVA作為總功率的單位。

　　T：不過，如果在合適的地方放上合適的電容，我們就可以消除感性部件，對(duì)嗎?

　　D：可以，而且一直在這樣做。但是電容價(jià)格昂貴，所以我們要在消除電感和接受電感之間進(jìn)行權(quán)衡。

　　T：所有這些關(guān)于功率的討論讓我想起了一個(gè)客戶的問題。他用我們的開關(guān)穩(wěn)壓器為其FPGA供電。這些FPGA的額定值是用功率標(biāo)定的，但我們的穩(wěn)壓器的額定值是用電流標(biāo)定的。有點(diǎn)像這個(gè)電站中變壓器和開關(guān)額定值之間的差異。為什么我們不能以同一個(gè)方式規(guī)定兩者的額定值呢?

　　D：很好的問題。在正常運(yùn)行條件下，架空開關(guān)只有流過它的電流，因此它是用安培規(guī)定額定值的。降壓(buck)穩(wěn)壓器類似，它的開關(guān)總是與負(fù)載串聯(lián)。因而為了防止過載期間的過熱，這些開關(guān)都是被限制電流，使整個(gè)穩(wěn)壓器都是由輸出電流限制。

　　T：舉一個(gè)例子，我們有一個(gè)降壓穩(wěn)壓器ISL8011，它的輸出電壓可以從0.8V變化至輸入電壓水平——從2.7V至5.5V的任何值。最大輸出電流可以保持不變嗎?

　　D：是的。如果降壓穩(wěn)壓器額定值為1A，不論輸出電壓如何，都可以保證提供這個(gè)電流。如在0.8V條件下，只提供800mW，而在3.3V條件下可以提供3.3W。

　　T：有道理。然后你就可以設(shè)計(jì)你的系統(tǒng)，使其滿足最大功率限制。

　　D：而且你可以將任何其他的典型工作條件優(yōu)化到最佳。

　　T：這使得每個(gè)電源的功率計(jì)算非常容易。FPGA可能有很多電源，為內(nèi)核邏輯、I/O組、輔助邏輯等等供電。我想我應(yīng)該用疊加原理來(lái)計(jì)算這些功率的總和。

　　D：現(xiàn)在你明白了……

　　T：這是否適用于所有的開關(guān)穩(wěn)壓器?

　　D：不幸的是，并不是。降壓穩(wěn)壓器具有與負(fù)載電流串聯(lián)的開關(guān)。升壓(boost)穩(wěn)壓器具有與輸入電流串聯(lián)的開關(guān)。因此，一個(gè)升壓穩(wěn)壓器的電流限制是在輸入邊，并限制了給定輸入電壓下的總可用功率，最終的結(jié)果是限制了輸出功率。因此，升壓穩(wěn)壓器的輸出功率有限，而降壓穩(wěn)壓器是輸出電流有限。

　　T：降壓-升壓(buck-boost)是怎樣的?是否只是在有限的輸出功率和有限的輸出電流之間切換，還是受到了其他限制?

　　D：啊，著名的降壓升壓。我曾在幾年前做過一個(gè)。我們需要用穩(wěn)定的3.0VDC為一個(gè)便攜式電路供電，而電池電壓的變化范圍從3.2至2.5V。有趣的是，我們實(shí)際上使用了內(nèi)部開關(guān)來(lái)引導(dǎo)電感電流。因此，在任何情況下，我們都是在限制電感電流，而電感電流和開關(guān)電流相同。用戶能夠看到的結(jié)果取決于操作模式。因此，你說(shuō)的是對(duì)的，降壓-升壓是在兩者之間切換，但它可以通過限制電感電流自然地做到這一點(diǎn)。在升壓時(shí)，電感電流與輸入電流相同。在降壓時(shí)，它與輸出電流相同。

　　T：而且，由于輸出電壓是恒定的，我們就必須不斷跟蹤輸入電壓，看看有多大功率和電流可以提供給負(fù)載。這有點(diǎn)復(fù)雜，但我想我能應(yīng)付自如。

　　D：我相信你能。……當(dāng)心那個(gè)水坑![當(dāng)T博士的腳邁進(jìn)一個(gè)充滿雨水的坑時(shí)，濺起了巨大的水花聲。]哎呀，紅外攝像機(jī)顯示現(xiàn)在你的腳真的很冷。

　　T：你需要一臺(tái)紅外攝像頭告訴你這個(gè)嗎?!