高壓變頻器用薄膜電容器替代鋁電解電容器的分析與實(shí)踐
中心議題：應(yīng)電容器廠商唯電科技要求，對(duì)多相整流的“濾波電容器”的作用 薄膜電容器替代鋁電解電容器方案 解決方案： 多相整流輸出濾波電容器電容量能滿足電源旁路的要求即可 關(guān)鍵是“濾波”電容器的電流承受能力是否滿足要求
摘要：本文詳盡的分析了多相整流的“濾波電容器”的作用，得出在這種條件下“濾波電容器”的作用不再是平滑整流輸出電壓，而是作為直流母線的電源旁路或DC-Link電容器，用以吸收整流器輸出和負(fù)載產(chǎn)生的紋波電流。提出采用電容器比較小的薄膜電容器替代鋁電解電容器不僅在技術(shù)上是可行的，最主要的是變頻器的可靠性得到明顯的提高。
1 前言
鋁電解電容器是制約變頻器使用壽命的最關(guān)鍵的元件，其主要原因是鋁電解電容器的壽命問題，特別在變頻器這樣的高諧波電流、高溫的應(yīng)用場(chǎng)合。相對(duì)其它元件而言，鋁電容電容器的壽命是最短的。
2 “直流支撐”與“DC-Link”電容器的作用
在直流電作為逆變器的供電電源時(shí)，由于這個(gè)直流電源需要通過直流母線與逆變器鏈連，這種供電方式也被稱為“DC-Link”。由于逆變器需要向“DC-Link”索取有效值和幅值很高的脈動(dòng)電流，會(huì)在“DC-Link”上產(chǎn)生很高的脈動(dòng)電壓使得逆變器難以承受。為此，需要對(duì)“DC-Link”進(jìn)行“支撐”，以確保“DC-Link”的供電質(zhì)量。
在大多數(shù)情況下，支撐“DC-Link”的元件是電容器。“DC-Link”電容器的作用主要是吸收來自于逆變器向“DC-Link”索取的高幅值脈動(dòng)電流，阻止其在“DC-Link”的阻抗上產(chǎn)生高幅值脈動(dòng)電壓，使逆變器端的電源電壓波動(dòng)保持在允許范圍。
“DC-Link”電容器的第二個(gè)作用就是防止來自于“DC-Link”的電壓過沖和瞬時(shí)過電壓對(duì)逆變器的影響。
3 工頻多相整流的直流母線電容器的作用
三相橋式整流電路或12相整流電路用于負(fù)載電流沒有突變的應(yīng)用中，沒有必要在整流輸出端跨接直流母線電容器，由于沒有電流突變，整流器及交流電源的寄生電感生產(chǎn)的感生電勢(shì)不會(huì)很高而影響輸出電壓。
然而，當(dāng)負(fù)載為開關(guān)功率變換器時(shí)，開關(guān)功率變換器將向直流母線索取開關(guān)頻率下的紋波電源，如果這個(gè)電流流入直流母線及交流側(cè)的寄生電感，將會(huì)產(chǎn)生不能容忍的開關(guān)頻率下的紋波電壓。從這一點(diǎn)看，直流電源不再是僅僅提供直流電流，而是需要提供帶有豐富交流成分的脈沖電流，這時(shí)的直流電源不僅需要低的直流內(nèi)阻，還需要在很寬的頻帶寬度內(nèi)均具有良好的低阻抗。而這個(gè)寬頻段的低阻抗作為整流器的直流電源是不會(huì)提供的，要想獲得良好的寬頻段的低阻抗必須應(yīng)用性能良好的電容器。利用電容器電壓不能躍變和電容器容抗隨頻率的升高而降低的特性，用電容器降低直流母線的交流阻抗。
從這個(gè)角度考慮，三相橋式整流或12相整流輸出直流母線并接的電容器不再是平滑電壓的濾波電容器，而是電源旁路電容器，或稱為“直流支撐”、“DC-Link”電容器。
“直流支撐”、“DC-Link”電容器可以選擇鋁電解電容器，也可以選擇薄膜電容器。由于鋁電解電容器自身可承受的紋波電流值比較低，在“直流支撐”、“DC-Link”應(yīng)用中需要滿足承受高幅值紋波電流，這就要求在選擇鋁電解電容器時(shí)要按紋波電流的大小選擇鋁電解電容器，如果負(fù)載產(chǎn)生20A的紋波電流，要選擇1000μF的電容量。
從上述敘述可以得出結(jié)論，直流支撐電容器的作用就是在負(fù)載電流波動(dòng)時(shí)為負(fù)載提供“無感”的直流“電源”，消除開關(guān)與供電電源之間無法估計(jì)的并且量值很大的寄生電感所產(chǎn)生的不希望出現(xiàn)的感生電視的電壓尖峰。
盡管這種解決方案可能是最優(yōu)的，但是價(jià)格可能是非常高，一般應(yīng)用將接受不了。那么，是否有更好的解決方案？結(jié)論是可以有幾種低價(jià)格并且性能很好的解決方案。
4 價(jià)格問題
用薄膜電容器替代鋁電解電容器的關(guān)鍵是價(jià)格問題。如果額定電壓為700V的薄膜電容器能夠做到每一元人民幣1μF～2μF的電容量就可以替代鋁電解電容器。
有的電容器制造商認(rèn)為每一元人民幣2μF的價(jià)格是絕對(duì)制造不出來的，也有的電容器制造商經(jīng)過精打細(xì)算后認(rèn)為是可以實(shí)現(xiàn)的。如果有足夠的電容量并且在價(jià)格上接近或低于鋁電解電容器，這樣的解決方案將是更好的。需要采用薄膜電容器替代鋁電解電容器時(shí)，應(yīng)按小容量替換比例進(jìn)行替換。
5 VDTCAP薄膜電容器替代鋁電解電容器方案
薄膜電容器替代鋁電解電容器最大的障礙是薄膜電容器的價(jià)格問題。如果電容器一比一替代在價(jià)格上肯定是不現(xiàn)實(shí)的。從上述分析可以知道，多相整流輸出濾波電容器不再是平滑作用，而是直流母線的電源旁路，因此，只要電容量能滿足電源旁路的要求即可。事實(shí)上，作為直流母線的電源旁路對(duì)電容量的要求并沒有鋁電解電容器時(shí)那么大，致使鋁電解電容器的電流承受能力差，而且ESR比較高的原因。
由于三相橋式整流器的電容器濾波實(shí)際上是直流支撐、DC-Link或直流母線旁路電容器。這樣問題關(guān)鍵就是“濾波”電容器的電流承受能力是否滿足要求。薄膜電容器制造商已經(jīng)制造出相應(yīng)的金屬化聚丙烯薄膜電容器。VDTCAP的SHD系列DC-Link單面金屬化聚丙烯薄膜電容器的數(shù)據(jù)如表1所示。 表1 VDTCAP的SHD、SHE系列DC-Link單面金屬化聚丙烯薄膜電容器部分?jǐn)?shù)據(jù) VDTCAP的SHD、SHE系列DC-Link單面金屬化聚丙烯薄膜電容器的外形與螺栓式鋁電解電容器相似，用這種薄膜電容器替代鋁電解電容器僅需要很小的改動(dòng)。
從表1可以看到，VDTCAP的SHD系列DC-Link單面金屬化聚丙烯薄膜電容器可以承受很高的紋波電流，而且基本不受工作溫度限制。；例如：300μF/700V的SHD-700-300聚丙烯薄膜電容器的電流承受能力為50A，兩只并聯(lián)時(shí)達(dá)100A。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3900μF/400V鋁電解電容器所能承受的約15A紋波電流值，高于15kW變頻器“濾波”電容器需要“濾波”大約60A左右的整流濾波和逆變器產(chǎn)生的開關(guān)紋波電流。從這個(gè)數(shù)據(jù)看，鋁電解電容器發(fā)熱是必然的，而且壽命是短的。
5 試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果
以下是三個(gè)薄膜電容器替代鋁電解電容器的替換實(shí)驗(yàn)。
（1）試驗(yàn)1
一個(gè)15kW變頻器正常采用應(yīng)用3900μF/400V鋁電解電容器2個(gè)串聯(lián)，等效電容量為1950μF。采用VDTCAP的SHD系列DC-Link單面金屬化聚丙烯薄膜電容器替代鋁電解電容器，可以是300μF/700V 2個(gè)并聯(lián)的電容量替換比率30.7%，或者采用250μF/700V 2個(gè)并聯(lián)，替換比率25.6%。滿功率條件下運(yùn)行的測(cè)試結(jié)果列于表2。
表2 EACO薄膜電容器替代鋁電解電容器測(cè)試結(jié)果 從表2的結(jié)果可以看到，采用低電容量替換比例后滿載時(shí)的峰-峰值電壓明顯增加甚至高于空載電壓的13.3%（76V）的理想狀態(tài)的無濾波電容器時(shí)整流輸出電壓的峰-峰值。在設(shè)計(jì)變頻器控制策略時(shí)需要考慮這個(gè)電壓變化對(duì)輸出的影響。
在表2中還可以看到，隨著濾波電容器電容量的降低，輸出電壓平均值有所上升，這與常規(guī)濾波電容器的電容量越大輸出電壓平均值越高的概念不同。其原因可能是由于隨著濾波電容器電容量的降低，整流器的導(dǎo)通角增加，使電流脈沖在電網(wǎng)內(nèi)阻的電壓降減少的結(jié)果；而輸出電壓峰-峰值高于電阻性負(fù)載的理想輸出電壓峰-峰值的原因可能是由于交流電網(wǎng)寄生電感所致。
（2）試驗(yàn)2
更進(jìn)一步的替換實(shí)例為30kW變頻器一般采用3300μF/400V 鋁電解電容器2串2并。采用250μF/700V的VDTCAP的SHD系列單面金屬聚丙烯薄膜電容器2個(gè)并聯(lián)替換原鋁電解電容器組，電容量的替換比率為27%。長(zhǎng)期運(yùn)行溫升僅僅2℃，電機(jī)運(yùn)行正常，無異常現(xiàn)象。
（3）試驗(yàn)3
第三個(gè)替換試驗(yàn)是用薄膜電容器替代660V交流輸入電壓變頻器中的鋁電解電容器。由于手頭沒有660V感應(yīng)電機(jī)，負(fù)載只能采用電阻箱替代感應(yīng)電機(jī)。其測(cè)試結(jié)果列于表3。
表3 VDTCAP薄膜電容器替代鋁電解電容器測(cè)試結(jié)果 7 結(jié)論 采用大比率電容量替換率的DC-Link聚丙烯薄膜電容器替換鋁電解電容器在性能上可以滿足變頻器“濾波”電容器的要求。如果這時(shí)的聚丙烯薄膜電容器的價(jià)格不高于鋁電解電容器組，則這種替代方案在經(jīng)濟(jì)效益相同的條件下，性能上完成可以滿足要求。
采用聚丙烯薄膜電容器替代鋁電解電容器后，由于聚丙烯薄膜電容器基本上不存在壽命限制問題，避免了高可靠應(yīng)用時(shí)變頻器定期替換鋁電解電容器的麻煩和成本的提高。
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