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用於能源技術的低電感定製式電力電阻

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用於能源技術的低電感定製式電力電阻

發布日期:2018-06-08 作者:用於能源技術的低電感定製式電力電阻 點擊:

用於能源技術的低電感定製式電力電阻

集中發電技術正在經曆一場革新。傳統發電廠(如燃煤、燃氣及核能發電廠)逐漸被可再生、分散化的解決方案(如風力、太陽能或生物質發電廠)取代。後一類電廠通常遵循相同的原理,亦即使用可再生能源(太陽能、風力和生物質)並通過一個或更多的轉變過程產生直流或交流電壓或電流。由於能源生產者是分散的,所以越來越多的電能不再饋入高壓電力係統,而是饋入中壓和低壓電力係統。因此,未來將越來越需要采用儲能器件的智能電力係統管理,以多變的方式滿足峰值負載需求。這些發電廠的核心組件是能夠以同步方式和合適的質量將產生的電能提供給電力係統或消費者的電力轉換器。這些發電廠不僅會向各個組件提出極端要求,而且它們還必須在艱苦環境條件下達到約20年之久的使用壽命。
 
  近年來,電力轉換器的發展重點已轉向更高功率密度和半導體的更高開關頻率。第一個發展使得改進性價比成為可能,因為能夠在保持係統成本幾乎不變的同時增加輸出功率。第二個發展增加了係統效率,因為由於開關頻率的增加,係統損耗隨之降低。

 

電力轉換器的概念電路圖
電力轉換器的概念電路圖
 
 電力轉換器從電路圖中的輸入側(左)移動到消費側(右),有一個用於限製充電電流的電阻(RI),用於保護電容抗幹擾。通電後,該電阻必須接納大量脈衝能量。這一能量流或能量的應用出現在電容式充電的很短時間內,且通常隻需一次(出現於起動期間且不具有周期性)。這向所使用的電阻技術提出了特殊要求。絕熱邊界條件因為脈衝的短持續時間而存在。因此,該能量隻應用於電阻的有效材料(acTIve material),而不會通過熱傳導在整個電阻中傳播。
 
  與厚膜或薄膜技術相比,繞線電阻有效質量大並因此可適應高脈衝能量和連續功率。但低功率轉換器采用了所有的電阻技術。其中包括SMD-MELF薄膜電阻、LTO厚膜電阻和上文提到的繞線電阻。如果功率較高,串聯或並聯的繞線電阻可組合為印刷電路板(PCB)元件(G200、AC、RS、CW、FS和Z300)。在功率超過50 W時,有許多特殊繞線電阻(如GWK、GWS、CSxx、FST、FSE、EDGx、RSO和GBS係列)或厚膜電阻(如散熱器上的LPS或RPS,由於極其多樣的連接選項,它們的安裝位置可遠離PCB)可供使用。
 
  在交流電壓變換到合適的電壓平後,使用B6橋對交流電壓進行調整,然後使用電感來抑製幹擾。一方麵,DC link電阻(RDC)和DC link電容的串聯用於限製DC link電容的充電電流。該電流產生相對較高但不常發生的脈衝負載。另一方麵,該串聯用於抑製DC link電路中的諧波,該諧波等於一個連續負載(因為持續重複的脈衝序列)。因此,必須對所使用的電阻進行限定,以承受連續功率和脈衝功率。
 
  最新電力轉換器具有向電力係統或電力消費者提供電容式或電感式無功功率的選擇。這是通過增加或減小DC link電路電壓而實現的。這一增加是使用內部升壓轉換器或直接在電力轉換器的輸入位置實現的。斬波電阻(RBR)用於通過將多餘電能轉換為熱能來減小DC link電路電壓。功率MOSFET、IGBT模塊或晶閘管提供電阻開關功能。
 
  功率MOSFET和IGBT模塊能夠進行高頻開關操作,但晶閘管隻支持低頻工作。當DC link電路電壓有超過規定最大值的危險時,這些電源開關會連接斬波電阻。在DC link電路電壓因為該操作而下降後,就會再次斷開斬波電阻。這些斬波電阻安裝簡單,具有眾多連接選項,其功率耗散為100 W - 1000 W。這種情況下常常會發現斬波電阻與撬棒電阻(crowbar resistor)的組合使用。在下遊元件發生故障時,這種組合使得有可能將DC link的能量完全發散到電阻(RBR)中,從而防止電力轉換器損壞。這裏可選擇主要成分為鋼的鋼格柵或鋼板電阻。對於這些電阻類型,極其多樣化的合金鋼板具有回紋波結構,通過對它們進行級聯,可按照需要來設置阻值、連續功率、脈衝功率和最大表麵溫度。鋼板間的絕緣可使用陶瓷或雲母材料。此外,這些鋼板電阻還具有非常低的電感,因此在開關期間不會產生額外的電壓尖峰。
 
  鋼格柵電阻(如Vishay GREx)由於其大表麵提供的自然對流冷卻或者使用風扇而適用於高連續功率。最大可實現散熱量在此情況下僅受可用安裝空間及風扇輸出的限製。但如果需要更大功率而絕緣空間更小,則可使用水冷電阻,如Vishay WCR係列。
 
  除了瞬態輸入浪湧電流、濾波和所描述的DC link電路匹配的限製之外,還通過所示H橋電路將直流電壓變換為具有可變頻率及脈衝寬度的交流電壓。濾波電阻(RHF)和串聯的輸出電容用於抑製輸出級上的諧波。另外RHF還具有限製濾波電容的充電電流的作用。有端帽(capped)的繞線電阻(如GWK和FVT係列)因為安裝方便及其高脈衝功率和連續功率而適用於濾波應用。該係列產品的不同之處在於其穩固的玻璃絕緣具有耐濕和抗化學清潔材料性能。GWK和FVT係列還能輕鬆實現低電感電阻。在此方麵,有兩根電阻絲以雙股方式環繞在電阻體上。按照疊加原理,對旋式電流導致其產生的磁場相互抵消。
 
  接下來是撬棒電阻(RCR)——如果它們還沒有被放入DC link。如前所述,這種電阻的作用是防止周圍元件在發生故障時過載。
 
  RDC濾波電阻、RBR斬波電阻和RHF濾波電阻這三個電阻對優化型係統的效率優化具有很大的幫助作用。在高速開關元件(如IGBT或功率MOSFET)情況下,有必要對這些電阻進行精心設計,以實現低電感。電阻選擇不正確可能導致因為寄生電感和電容而產生諧振電路。這些電路會產生峰值電壓,使半導體元件過載或損壞。此外,寄生電感還會“圓化”信號波形,這會使產生具有陡峭上升沿的矩形脈衝不可能實現。另外這還對整個電路的功率和效率具有負麵影響。


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