电力之旅

　　
　　[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)

　　图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?

　　图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![当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?!