能源工程领域里的电阻

简介
化石能源趋于枯竭，加上核电厂的关闭、环保意识的增强和可替代能源的联合集成，电力供应的结构正在变化。现有的集中式能源系统从使用少量的几个中心发电机(大型发电厂)，转向使用大量分布式发电机的系统。在发电机和用户之间要进行连续的协调配合，从而保证电源和配电电网中电压和频率能够一直保持稳定。在使用大型发电厂、输电线和中央变电站的集中式结构的电网里，这个问题相对比较简单，容易实现。
过去，我们的电力主要是由大家熟知的50Hz三相交流电的交流电发电机产生的，在未来能源的概念里，重要的一点是不但能够整合光伏直流电和电池储存的直流电，还要能把低压电直接输送到现有的电网里。当然，这些不同的能源形式必须针对现有的和未来的电网基础设施进行调整。扩大电网规模、提高效率、延伸电网通信范围，以及使用功率转换器和电子测量设备，对于保证发电机和用户之间的分布式电源系统始终保持必要的电网质量和稳定，发挥着越来越重要的作用。
除了在功率电子领域的突出创新，尤其是近年来在计算机和功率半导体方面的创新，我们还要重视用于发电、输电和配电，以及电能管理的电阻等无源元件的重要性和作用。
分布式发电
分布式发电正在越来越依赖于风能、光伏系统和生物质能等新能源。未来，为了迅速响应峰值负载的需求，储存在固定电池里的电能将变得更加重要。在分布式电源、大多数小尺寸和中尺寸的发电和储能装置里，功率转换器是核心模块，使得适用于特大区域电网的馈电的形式和层次多种多样。
功率转换器（框图1）设备通常可以在上面提到的新能源里找到，这些新能源不能同时输入到电网里，也不具备必要的电网质量。不管输入转换器的是交流电或直流电，转换器都会转换成规定频率和幅度的交流电流（和电压）输出，这个输出然后就被送进输电和配电线里（或用户那里）。


框图1：功率转换器的电路原理图

功率转换器要实现最优的控制和管理，就需要知道功率转换器内部每个地方电压和电流的确切信息。在转换器的输入端，首先要对反馈电压和反馈电流进行滤波、输入和测量。其他工作包括确定和优化转换器的工作点，保护输入免受过载的影响，有效抑制EMV噪声信号。使用欧姆电位计电阻来测量电压。需要的电阻数量取决于电压、输入端上产生的电压和电流脉冲，以及首选的电阻设计。
电压测量的精度要求（公差）、转换器内部的温度、电阻寿命的允许漂移或转换器的使用寿命（稳定性ΔR/R），都可以通过引线金属釉层电阻（如VR 37）、引线金属层电阻（如MBB/SMA 0207）或SMD-MELF金属层电阻（如MMA 0204/SMM0204）得到解决。首选的SMD-MELF金属层电阻（图1）应当用在使用要求更高的转换器里，因为这些电阻不仅具有优异的电特性，把表面贴装分压器里的电阻数量减到最少，从而降低生产成本，减少组装失误。


图1：SMD MELF电阻


        
有几种测量电流的处理方法。与电阻有关的过程首先是用旁路电阻测量电流，第二步是用电流互感器或电流传感器测量电流。旁路电阻的阻值非常低，只有0.1mΩ。通过测量电阻的电压降，就可以测出电流。Power Metal Strip电阻给出了此类旁路电阻的基本情况，如图2里的WSBS系列。


图2：WSBS Power Metal Strip电阻

很多针对特定应用的旁路电阻使用或不使用Kelvin触点、螺丝、焊接、焊锡连接触点，连接触点有不同弯曲形状的涂层/无涂层设计。这些电阻能够精确地测量最高600A(WSBM 8518)到1000A(SPR4001)的电流，可用于能源工程领域的很多应用。
注意，对于下面的从旁路电阻到A/D转换器的模拟信号处理链路，要尽可能地使用采用金属或薄膜技术的长期稳定电阻。除了上面提到的SMD MELF电阻，根据使用要求和工作温度，也可以用很多分立式SMD扁平片式元件，如P-、P-NS-、TNPW-、MC-和MC AT系列。ACAS AT系列（图3）里的SMD薄膜片式阵列具有温度系数同步工作和高精度的特点，可解决精密和长期稳定信号处理的问题。


图3：ACAS AT片式电阻阵列

电流变压器和电流传感器利用了电流产生的磁场。简单的电流互感器是一种特殊形式的变压器，必须用阻值不能超过47的低阻值电阻（负载电阻）端接到次级侧。这些电阻的温度系数要低(TK：+/50 …+/-15ppm/K)，避免由于温度波动或自加热而产生测量误差。根据电流互感器和次级电流的大小，可以用RH系列(图4)的引线电阻或SMD电阻(图1里的MMU 0102或图5里的MCW 0406 AT系列)。


图4：RH系列

简单的电流互感器的缺点是只能测量交流电流，因此有必要使用霍尔传感器来测量穿过磁场的直流电流。这些器件总是需要附加的电源电压，保证能对传感器的模拟信号进行处理。要保证能处理传感器的模拟信号，这些器件总是需要额外加一个电压。当需要高精度时，就使用闭环霍尔效应电流互感器，在穿过铁芯的磁通变为零，并且自行中断的情况下，互感器的补偿绕组被激励。流过补偿铁芯的电流与初级电流成正比，但时间短很多，因此可以用低阻值的精密电阻测量补偿电流，例如MCW 0406 AT（图5）。


图5：MCW 0406 AT


        
让我们从功率转换器的输入端移向直流中间电路。这里有一个测量中间电路电压的分压器。正如上面提到的，选择电阻的目标是满足功率转换器的要求。近几年，由于通过功率转换器向电网输送电能的风电机组和光伏系统的数量迅速增长，功率转换器必须有助于交流电网的稳定性。
现在的功率转换器可以向电网输送所需的容性和感性的无功功率。在这个过程中，直流中间电路电压的高低有着重要影响。在一定的中间电路电压下，注入到特定区域里的电流的相位可以是容性的或感性的。可以在输入端直接提高中间电路的电压，或是根据情况使用内置的升压转换器。
降低中间电路电压的办法是减小输入电压和接一个斩波电阻。增大转换器的功率，此类斩波电阻的尺寸也要加大。AC-、Z300-或CP-系列里的绕线电阻可以用于小容量的转换器。SMD的解决方案是使用D2PAK管壳的厚膜电阻（图6中的D2TO20），或是把使用SMD碳膜MELF电阻(CMB 0207)的串联/并联电路组合起来。


图6：D2TO20

50W以上的斩波电阻连在电路板外边。要注意，由于存在脉冲式操作，应当使用电感量尽可能低的斩波电阻，避免出现电压尖峰。这是因为电压尖峰可能达到半导体和电容器所允许的最高电压的几倍。LPS系列有这样的外接电阻，相应的功率损耗为300W~1100W，而且易于组装和接线。LPS1100(图7)的绝缘耐受电压为12kV，可安装在温度+25℃，57mm×60mm 1100W的小尺寸散热片上，电阻的欧姆值为1Ω～1.3kΩ，安装高度只有25mm。


图7：LPS 1100

工程师应当依靠使用扁平电线绕组(GBS-、RB-或EDG-系列)的电阻，来应对高电流脉冲。用梳状钢盘(钢盘/网格电阻)生产的斩波电阻可用于制造输出功率5kW～1MW的转换器。VSGR(图8)和ULDCR系列(图9)里电阻可吸收来自中间电路的最高20kW的功率或3.46 MJ(消弧电阻)的能量，并将之转换成热量。Vishay最近收购了一家法国公司MCB Industrie，这家公司生产的钢盘电阻在强制通风的情况下功率损耗可高达2MW。


图8：VSGR系列


图9：ULDCR电阻


        
在送进传输和配电网的各相电流是正弦电流的情况下，采用B6桥式布局的功率半导体(高压MOSFET或IGBT)可以开关来自中间电路的直流电。在转换器的输出端，通过分压器测量每相的电压，通过分流电阻，或电流互感器和传感器测量电流。
功率半导体要通过串联电阻进行激活，因此串联电阻会影响转换器的质量和性能，这一点经常被忽视。电阻对开关动作有决定性的影响，进而影响转换器的效率，必须对电阻的精度、长期稳定性和随温度的变化给予特别重视。功率开关常常以并联的方式工作，而同步对并联方式是非常重要的，由温度或其他环境因素引起的串联电阻的漂移会对整个系统里的可靠性和负载分配产生决定性的影响。
上面提到的半导体元件在每个栅极上都有内部电容，在开启的过程中必须首先充电，才能把开关“切换到”导通状态，或是必须放电，才能把开关切回到关断状态。在以10～20kHz的开关频率连续工作时，在串联电阻上耗散的功率会有几瓦，具体数量取决于半导体开关的尺寸。除了考虑耗散功率，还要根据电流负载的容量来选择串联电阻，因此需要准确掌握电阻设计和所用材料的相关知识。如果是用于光伏发电，功率输出最高8kW的功率转换器，在每个开关操作周期内，流过串联电阻的开关电流最高可以达到25A。
工程师应当尽可能使用耐用和可靠的、具有高脉冲装载能力的电阻，这样即便设备连续工作几年以后，依然能够正确地进行开关操作。SMD MELF电阻是SMD器件的变化形式，尤其适合这类应用，这些电阻的表面积几乎是其他扁平片式电阻表面积的三倍。SMD MELF电阻的低电感型号(如MMA 0204 HF)可以作为对开关动作和控制信号质量有特殊要求的应用场景的标准产品，如高开关频率或开关段波形很陡的情况。
GWK系列的线绕电阻有连接帽，在功率半导体批量生产过程中的安装非常简单，功率半导体可用于输出功率超过100kW的转换器。DWK系列提供无电感版本，有两个相邻的线圈，因此GWK电阻的动作象“大兄弟”SMD MELF电阻。GWK系列表面涂釉，可适应风电机柜和集中式转换器里严酷的工作条件。


        
输电和配电
根据功率输出的不同，分布式发电机会把电能输送进230V/400V的低压电网里。在更高的功率输出下，馈电被送进最高电压30kV的中压网络里。更大的风电电场有很多风电机柜，通过变电站把电直接送进110kV～380kV的高压和超高压电网，不需要通过低压和中压电网。
岸上的风电电场通过高压架空线连入电网。与此相反，海里的离岸风电电场只能通过高压电缆连到电网。当电源连接电缆时，电缆的输出侧会输出交流电，交流电技术有一个明显的缺点：电缆的电容比架空线的电容高许多倍。在设备运转期间，电容的变化一直与交流电相反。在交流电工程里，对电容充电和放电所需的电功率被称为“无功功率”。在输电线上的无功功率的分量越高，输送有功功率分量的能力就越低。
由于电能计费是针对有功功率的消耗，要让交流供电实现盈利，高压电缆的长度就要限制在几十公里以内。要避免电缆的这个缺点，有人提出把离岸风电电场的交流电，用集中式高压转换器转成直流电。直流高压电可以输入单极电缆里，水、海里或陆地的土壤构成回路导线。岸上建设一个高压转换器，把直流电转成高压交流电，再把交流电送进现有的交流电网里。这种输电形式叫做HVDC(高压直流)输电。高压直流发电厂的直流电压在300kV到500kV之间。
用晶闸管或IGBT开关这样的高压需要把每一相上电隔离的很多半导体开关串联起来，大多数开关都采用光触发。在高压直流工程里使用电阻，会碰到控制和管理设备面积受限的问题。高压直流输电厂的无源关键元件是膜电容器，电容器或是以并联晶闸管的方式用做缓冲电容器，或是在多电平、中间电路电压高压直流部分用作分段式电容分压器，通过IGBT模块，相应地在ON和OFF状态之间开关晶闸管。


        
能源管理
随着分散式供电的不断进步，能源管理将会是每个消费者碰到的首个问题。原始形式的电能不能按需产生，储存的话也会碰到巨大的困难。例如，有效储存太阳能的可能方式只有电化学转换(电池)或转换成机械能(用水泵转换成势能)，或高成本、有转换损耗的类似过程。为了稳定电网，电力需求要一直匹配供电能力。在这个相互影响的过程中，最重要的是电能表。
直到现在，我们使用的机电式电能表只用来测量一段时间周期的用电量，对能源成本进行计费。很多现代的电表利用电子技术来测量耗电量，也被称为电子式电表。这些设备可以测量和显示在任何时间点上的动态瞬时耗电量，最重要的是可以借助集成的智能装置进行评估和通信。对于测量特定负载和能源顾问团体，便携式移动电表也非常受欢迎。


框图2：带有外置式电流互感器的电子式电能表的电路框图

电子式电表里的IC只能测量低电压，如框图2所示。由于低压电网里的标准电表必须测量交流电压和电流，测量电路里的电阻就显得尤其重要。电阻的任务是使用分压器来降低电压，并使用旁路电阻或电流互感器，把电流转换成电压信号。电流表是经过校准的测量仪器，显示所要测量的电流值，误差在几年内都必须保持在校准过的测量公差以内。在选择电阻时，要保证电阻具有相应的温度系数、公差和低漂移。其他要求是旁路电阻有承受短路的能力，分压电阻具有承受高压脉冲的能力。
Power Metal Strip系列(图10)的WSMS旁路电阻是为满足电表的这些要求而专门开发的。电阻的欧姆值为0.00002～0.0001，最低温度系数小于20ppm/K。


图10：WSMS旁路电阻


        
针对电压测量，MMB 0207/SMM0207或MMA 0204/SMM0204系列里的SMD MELF电阻提供了非常高的抵御高能脉冲应力的能力，例如在电网里由闪电冲击电压和电网开关操作引发的高能脉冲。毫无疑问，当然也可以用扁平片式电阻测量电压，但近似组装尺寸的片式电阻的数量将会大大增加。大量使用扁平片式电阻对元件需要占用的电路板面积，以及物流和组装成本有负面影响。在工业环境里使用的电子式电表被连到外置的电流互感器上，配有最大5A的标准化电流检测输入。
通过配有最大温度系数±15ppm/K的低阻精密电阻的小型内置电流互感器，这些电流检测输入轮流进行中断。要注意电阻的长期稳定性，还要注意分压器里的电阻。只要正确选用测量电阻，就可以保证电子式电表具有非常长的校准周期，这样也可以减少校准的开支。
至于每个电子器件，电子式电流表也必须在宽电压范围供给电能。为避免高价值的IC被高能电压尖峰损伤或破坏，在电源电路里要加一个分级保护电路。把电阻和变阻器组合起来，可以保护设备免受高压尖峰的影响。电阻放在供电电路的线路里，变阻器接在电源线和保护地之间的电阻的后面。变阻器把电压尖峰限制到一个阈值以下，其余部分的电压就落在电阻上，这样尖峰能量的很大一部分在电阻里以热量的形式散发掉。SC系列和Z300-C系列(图11)等线绕电阻被用来进行这种粗略的保护。
要满足额外的安全要求，如在故障过程中后面的一个原件有缺陷，就必须加一个在过载这段时间内具有可复现的故障动作，以及必须的承受尖峰能力的线绕电阻。AC03-CS系列电阻是针对电子式电表中类似的额外要求而专门开发的产品。在过载情况下，这些电阻动作时的噪声较小，不会出现任何明显的外观机械损伤。这样就防止出现进一步的电气间接故障，或更大范围的致命错误，异或引发周围空气的电离，而电离会导致危险和不可控的电弧放电。


图11：Z300-C线绕电阻

加上一个通信接口，就可以把电子式电表变成一个智能电表，使用这种电表，用户和供电企业可以监视和控制用电量。通过这种扩展，就可以使用电和发电保持平衡，电网的运营企业也可以得到让电网稳定和安全供电所必需的信息。在电网里，没有比由于电压波动或频率漂移引起的电网全网故障更让人担心的事了。
结论
不应低估本文讨论的电阻等无源元件在电子工程和电子产品里的重要性。无源元件的特性和产品质量对新式转换器的效率和质量有着长期影响。要保证无源元件能尽可能好、不出故障地长期工作(365天，每天24小时)，掌握无源元件和其质量的相关知识是至关重要的。只有正确选择了无源元件，晶闸管、IGBT和IC等半导体器件才能被安全和可靠地开关和触发。Vishay是全球领先的分立器件和无源元件制造商，可提供最全的电阻产品组合，从功率损耗只有几个毫瓦的最小的SMD电阻，到2MW功率的功率电阻，皆能提供。