可再生能源使電流表分流電阻器恢復(fù)活力

 可再生能源的興起使電流表電阻重新引起人們的注意。本文探討了電流表電阻器的操作以及如何為特定應(yīng)用的需求選擇合適的電阻器。

已經(jīng)轉(zhuǎn)向可再生能源，以試圖擺脫碳源的枯竭。太陽能，風(fēng)能，波浪能和潮汐能源的數(shù)量增加，促使人們需要一種高度精確的電流測量方法。之所以需要該解決方案，有幾個(gè)原因：要確保準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)，要有更精細(xì)的控制級別，而且也許重要的是要確保分布式電源系統(tǒng)的效率。

有幾種測量電流的方法。然而，適合可再生應(yīng)用的是傳統(tǒng)的電流表，它使用分流電阻器來處理大電流。

可再生能源的需求

可再生能源不是近出現(xiàn)的現(xiàn)象。水力發(fā)電廠已經(jīng)在某些地區(qū)流行了數(shù)十年。但是對于那些試圖擺脫基于碳的經(jīng)濟(jì)的國家來說，大規(guī)模使用太陽能和風(fēng)能一直是新一代可再生能源的主要關(guān)注點(diǎn)。

這些可再生能源的發(fā)電不同于常規(guī)能源，例如煤炭，天然氣和核電站。這是因?yàn)榭稍偕茉匆粗苯赢a(chǎn)生直流電，要么它們產(chǎn)生的電力需要在交流和直流之間進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換。碳基發(fā)電本身會(huì)產(chǎn)生交流電，可以使用變電站變壓器輕松將其饋入電網(wǎng)。

可再生能源通過更復(fù)雜的途徑到達(dá)電網(wǎng)。光伏面板產(chǎn)生純直流能量，必須使用逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電才能饋入電網(wǎng)。一些風(fēng)力渦輪機(jī)還產(chǎn)生直流電，尤其是在家庭，農(nóng)場和工業(yè)單位附近看到的較小的裝置。

在大型風(fēng)電場中，渦輪機(jī)可能會(huì)產(chǎn)生交流電。但是，將電源連接到電網(wǎng)需要電壓和頻率與電網(wǎng)兼容。但是，在許多情況下并非如此。輸出功率的電壓和頻率與風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速相關(guān)，后者取決于風(fēng)速。

一種解決方案是使用齒輪箱使渦輪速度與市電頻率同步。缺點(diǎn)是，這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，并給整體設(shè)計(jì)帶來額外的成本和重量。在大多數(shù)情況下，優(yōu)秀將渦輪機(jī)輸出轉(zhuǎn)換為直流電，然后使用逆變器以適合電網(wǎng)的正確頻率和電壓將其轉(zhuǎn)換回交流電。

由于幾乎每個(gè)可再生電源在配電系統(tǒng)中的某個(gè)位置都同時(shí)使用交流電和直流電，因此需要精確測量這兩種類型的電源。對于交流測量，電流互感器很受歡迎，因?yàn)樗鼈兲峁┝伺c被測電路電流隔離的額外好處。但是變壓器不能用于直流電源。

有一些基于霍爾效應(yīng)電流傳感器的測量工具，可以測量交流電流和直流電流，并且它們也可以提供電流隔離。這種類型的測量的主要問題是精度-使用霍爾效應(yīng)電流傳感器通常不可能達(dá)到要求的0.1％（或更高）的精度。

第三種選擇是使用帶有精密并聯(lián)電阻（精密電阻）的電流表。這種類型的測量不提供電流隔離，因此必須在其他地方包括在內(nèi)。

電流表分流電阻器的工作原理

電流表分流電阻器的操作已得到很好的理解。過去在電流測量中被廣泛使用，該技術(shù)的基本原理幾乎在每個(gè)電氣工程課程中都有講授。電阻器用于“分流”測量儀器周圍的大部分電流。與使用普通電流表相比，該技術(shù)可以測量更大的電流。低值電阻與負(fù)載串聯(lián)，在電阻兩端產(chǎn)生一個(gè)小的壓降，可以使用電壓表進(jìn)行測量。然后使用歐姆定律計(jì)算電流（零歐姆電阻）。

這是電表操作的基本原理。當(dāng)然，現(xiàn)代電流表分流器要復(fù)雜一些。分流電阻器的值與電壓表一起工作，以在分流器的*大額定電流下提供*大偏轉(zhuǎn)。在該電流下，設(shè)計(jì)的壓降通常為50、75或100 mV。在一個(gè)典型示例中，可以測量較高100 A電流且壓降為100 mV的電阻器的阻值為1mΩ。對于較高的電流，將需要較低的電阻值以及較低的壓降。

由于具有如此低的電阻，必須預(yù)先精確定義，并且必須消除系統(tǒng)中可能引起錯(cuò)誤的任何其他元素。減少潛在錯(cuò)誤測量的一種方法是使用四端子電阻器，以使負(fù)載連接與測量端子分開。

用于制造電阻器的許多材料容易受溫度變化的影響。嘗試以0.1％的精度進(jìn)行測量時(shí)，電阻器材料必須具有較低的電阻溫度系數(shù)（TCR）。例如，錳合金可用于并聯(lián)電流表電阻器（排電阻），因?yàn)樗腡CR在−40至+60ºC的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定。

典型的大電流分流電阻器的堅(jiān)固的四端子結(jié)構(gòu)可確保精確的測量和有效的功耗。

并聯(lián)電流表電阻器通常被要求消耗大量功率，因?yàn)??它們被設(shè)計(jì)為承載電路的全部電流。分流電流表的設(shè)計(jì)必須考慮到散熱，使用傳導(dǎo)和對流技術(shù)來散熱。如果在連續(xù)電流下使用該設(shè)備，則可能需要降低其額定功率，以符合針對直流儀表分流器的IEEE標(biāo)準(zhǔn)。

*佳選擇是什么？

在為給定應(yīng)用選擇分流電阻時(shí)，無論是現(xiàn)成購買還是定制的，都必須考慮許多因素。如前所述，電阻必須在系統(tǒng)將經(jīng)歷的整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。電阻的較高工作溫度通常為80°C，正常工作溫度為40至60°C。

較高工作溫度保持在80°C以下，因?yàn)楦哂谠摐囟葧?huì)導(dǎo)致電阻漂移并干擾測量精度。如果電阻元件的溫度升高到140°C以上，它將觸發(fā)退火過程，從而長期改變電阻。為了較大程度地減少這種情況的發(fā)生，正確設(shè)置分流器的位置和方向至關(guān)重要。如果元件垂直安裝，它將獲得*大量的自由空氣以進(jìn)行對流。甚至這還不夠，電路可能需要強(qiáng)制風(fēng)冷或水冷（圖3）。

錳合金提供較低的電阻溫度系數(shù)。

如果在電流測量期間電壓過高，則導(dǎo)線和儀器中都會(huì)自然存在電壓，因此必須小心。如果可行，應(yīng)將分流器放置在接地腳上。如果電壓高于750 V，則必須將其放置在該位置。

通常，分流器以其*大額定電流的66％左右運(yùn)行。例外情況是，分流器旨在測量間歇性或浪涌電流。在這些情況下，可以承受更高的電流，而不必?fù)?dān)心電阻器元件會(huì)超過較高額定溫度。因此，選擇分流電阻時(shí)，占空比變得很重要。冷卻的需求和類型可以根據(jù)環(huán)境的周圍溫度，占空比和較高容許溫度的組合來計(jì)算。

當(dāng)然，與所有其他類型的測量設(shè)備一樣，電流表分流電阻器將需要定期重新校準(zhǔn)和重新認(rèn)證，以確保測量足以滿足應(yīng)用程序?qū)芍貜?fù)性和準(zhǔn)確性的需求。許多公司每年執(zhí)行此任務(wù)。

為了說明可用的各種分流電阻器，Riedon具有額定電流范圍為5至1200 A的直流電流表分流器，具有50和100 mV輸出。該公司的RS系列標(biāo)準(zhǔn)公差為±0.25％，TCR為±15 ppm /?C。對于要求更高的應(yīng)用，Riedon可以提供低至±0.1％的電壓容差，或者可以提供不同輸出電壓的其他設(shè)備。

總結(jié)

長期以來，電流表電阻一直是測量電流的流行工具。在某些應(yīng)用中，其他測量技術(shù)已取代了電流表電阻器，但可再生能源使該技術(shù)重新成為關(guān)注焦點(diǎn)。在購買或指定用于傳統(tǒng)或新興角色的電流表電阻器時(shí)，應(yīng)注意分流電阻器完*滿足應(yīng)用需求。與經(jīng)驗(yàn)豐富的成熟制造商合作可以簡化此過程，該制造商可以指導(dǎo)您解決所有陷阱。