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作者：Vishay公司 Bertram Schott 全世界使用風能發電的系統數量正在增加。在2009年，全歐洲的風電裝機容量是75GW，比2008年增加了10GW；在美國，風電裝機容量是 35GW，中國則是25GW，分別比2008年增長了10GW和14GW。在全世界范圍內，風電裝機容量在2009年增加了38GW。全世界總計安裝了 100 000臺風輪機，能滿足全球能量需求的2%。到2010年底，風電裝機容量將達到29GW，對應增加了12 000臺風輪機。 隨著對風能的需求持續增長，對符合風輪機要求的元件的需求也在相應增加。風輪機中的現代功率電子技術不僅限制了元器件數量，并要求電路能在極端溫度和振動的艱苦環境下保持20年的使用壽命。 在這篇文章中，我們將介紹用在風輪機和電網中的“大”電阻和電容的功能，以及在這些應用對器件的要求。電容的應用包括了直流鏈、IGBT緩沖器和交流濾波器件。電阻應用包括了在電容加壓時的限流、直流斬波、短路器觸發和電流測量。用在風輪機控制電路中的小電容和電阻，不在本文討論范圍內。 電阻 風輪機中的電阻包括了預充、斬波、短路器和交流濾波電阻。預充電阻能限制浪涌電流在開關開啟時進入直流鏈路電容。為了做到如此，該器件需要高單脈沖能量和高額定電壓。電阻的導抗也有助于限制浪涌電流。因此，繞線電阻是個最好的選擇。用于預充電阻的單脈沖能量通常為5J。 
圖1 風輪機中的電阻 當斬波開關打開時，斬波電阻限制了電流。斬波器通常以非常高的頻率來控制直流電壓。因此，電阻必須能耐高壓和具有高額定可重復性脈沖能量（相當于高額定持續功率）。斬波電阻中必須有低寄生電感，因為要工作在千赫級別的高開關頻率下，這可以由薄膜技術來獲得。在小體積中獲得高額定功率的需求，由可安裝在散熱器件中的電阻來滿足。這個電阻能和斬波開關一樣被安裝在散熱系統中。 短路器電阻限制了電流和電壓，以防止低、高電壓通過。風輪機應用對該器件的要求包括了高達4MJ的能量脈沖容量，10～100mΩ的電阻，1～20mW的額定功率，最大額定電流為10～20kA，典型失效周期為200ms。 在RC濾波器中，交流濾波電阻和交流濾波電容一起使用；而交流濾波電阻同輸出變壓器中的感抗一起使用，可以組成RL濾波器。對于交流濾波器電容來說，一個高的持續額定功率是必須的。波紋帶結構增加了冷卻效果，繞線電阻器的感抗則對濾波效應有所貢獻。 分流電阻器主要用于測量。其要求包括：800～900A的額定電流，0.1～0.6mΩ的阻抗，額定功率為500W，溫度系數為100×10-6/K。 電容 在風輪機中的電容包括了直流鏈路、緩沖器和交流濾波電容。直流鏈路電容用于穩定直流鏈路電壓。無論是金屬薄膜或是鋁電極，在風輪機中的電感容量應該為3300～4700μF，額定電壓為690～1000V。風輪機中的薄膜電容有兩個優勢：在介質被電擊穿后的自恢復功能；不會因液體電極的損耗而影響壽命。
圖2 在風輪機中的電容 鋁電解電容可以使用在直流鏈路電容器中。其優點是具有比薄膜電容器更高的電容體積率和性價比。但是鋁電容的額定電壓是450V，因此該器件必須被當作分壓器使用，這會降低C/V效率，并增加成本。其缺點是缺少防備介質故障的自恢復機制，且電解液損耗會導致壽命有限。然而，鋁電解電容是在kW 級別的小風電系統的最好選擇。 緩沖器電容減少了在功率半導體開關應用中的電流和電壓尖峰，可以保護半導體和減少總損耗和EMI。風輪機需要電容小于1μF的器件，額定電壓的范圍是1000～1200V。 交流濾波電容減少了行頻率中的諧波。其應用要求為760V～24kV的電壓和50～800kVAr的功率。 當從直流鏈路、緩沖器或交流濾波電容，以及預充電、斬波器或短路器電阻中為這些風輪機選擇核心元件的時候，設計者不應該僅僅尋找擁有所需特性的器件，還應從牢靠的設計出發，以保證系統能在20年時間內可靠地工作。 |
