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高温环境下大功率直流电源设备是怎么工作的?

许多职业都需求能够在极点高温等恶劣环境下牢靠作业的大功率直流电源设备。按照传统做法,在规划需求在常温规模之外作业的大功率直流电源设备时,工程师必须选用自动或被迫冷却技能,但某些使用可能无法进行冷却,或是大功率直流电源设备在高温下作业时更为有利,可提高体系牢靠性或降低本钱。
最陈旧以及现在最大的高温大功率直流电源设备(>150°C)使用领域是地下石油和天然气职业(图1)。在该使用中,作业温度和地下井深成函数联系。全球地热梯度一般为25°C/km深度,某些区域更大。

图1.地下钻探作业
曩昔,钻探作业最高在150°C至175°C的温度规模内进行,然而,由于地下易钻探自然资源储备的削减和技能进步,职业的钻探深度开端加深,一起也开端在地热梯度较高的区域进行钻探。这些恶劣的地下井温度超越200°C,压力超越25 kpsi。自动冷却技能在这种恶劣环境下不太实际,被迫冷却技能在发热不限于大功率直流电源设备时也不太有效。

地下钻探职业中高温大功率直流电源设备的使用十分杂乱——

榜首、在钻探作业进程中,大功率直流电源设备和传感器会引导钻探设备并监控其状态是否正常。跟着定向钻探技能的呈现,高温地质导向仪器必须将钻孔方位准确引导至地质目标。

第二、钻孔时或钻孔刚结束时,精细的井下仪器会收集周围的地质结构数据。这种做法称为测井能够丈量电阻率、放射性、声响传达时刻、磁共振和其他特点,以便断定地质结构特性,如岩性、孔隙度、浸透率,以及水/烃饱和度。经过这些数据,地质学家能够从结构上对岩石类型进行判别,还能够判别存在的流体类型及其方位,以及含流体区域能否提取出满意数量的碳氢化合物。

第三、在完成和出产阶段,大功率直流电源体系会监控压力、温度、振动和多相位活动,并自动操控阀门。要满意这些需求,需求有一个完整的高性能元件信号链(图2)。体系牢靠性是最重要的要素,由于设备毛病会形成极高的停机本钱。在地下数英里作业的钻柱如果呈现大功率直流电源组件毛病,需求一天以上的时刻来检修及替换,操作杂乱深水海上钻井渠道每天大约需求花费100万美元!
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图2.简化测井仪器信号链
除了石油和天然气职业外,航空大功率直流电源等其他使用对高温大功率直流电源器材的需求也日渐增多。现在,航空业正日益向"多大功率直流电源飞机"(MEA)的趋势发展。这一计划一方面是为了用分布式操控体系替代传统集中式发起机操控器。
 
集中式操控需求选用由数百个导体和多个连接器接口组成的巨大重型线束。分布式操控计划则将发起机操控体系放置在离发起机较近的当地(图3),将互连的杂乱性降低了10倍,使飞机的分量减轻了数百磅,一起添加了体系牢靠性(估计值在某种程度上与连接器引脚数成函数联系(依据MIL-HDBK-217F计算)。

图3.安装在飞机发起机上的操控体系
可是,价值是发起机邻近的环境温度会上升(–55°C至+200°C)。尽管该使用中大功率直流电源设备能够进行冷却,但仍然会发生晦气影响,原因有二——
1)冷却会添加飞机的本钱和分量;
2)冷却体系毛病会导致操控要害体系的大功率直流电源设备呈现毛病(也是最重要的一点)。
 
MEA计划另一方面是要用电力大功率直流电源和大功率直流电源操控替代液压体系,以提高牢靠性,削减保护本钱。抱负状态下,操控大功率直流电源设备必须离执行器很近,这也会发生较高的环境温度。
 
轿车业供给了选用高温大功率直流电源设备的另一种新式使用。和航空大功率直流电源一样,轿车业也在从纯机械和液压体系向机电一体化体系改变。这就需求有离热源更近的定位传感器、信号调理,以及操控大功率直流电源设备。
 
最高温度和露出时刻依车辆类型和车辆中大功率直流电源器材的方位而定(图4)。例如,高集成的电气和机械体系(如变速箱配置和变速箱操控器),能够简化轿车子体系的出产、测验和保护进程。电气车辆和混合电动车需求高能量密度的大功率直流电源设备,用作转换器,电机操控,充电电路这些和高温相关的部分。

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