變頻器用電解電容器的性能分析

摘要：電解電容器作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器，一般認為：電解電容器的最主要的參數(shù)是額定電壓、電容量，通常采用電解電容器作為整流濾波電容器，這種思想是受常規(guī)電子技術(shù)的單相整流電路的影響。在三相整流電路中，每個電源周期共有6個波頭，如采用電容器濾波，則每個波頭僅1/3的時間是整流器導通向輸出供電，剩下的2/3的時間，輸出功率就只能靠電容器提供，這個時間約為電源周期的1/9，即2.22mS。以輸出功率為30kW的變頻器，濾波電容器通常采用3300μF/400V電解電容器兩串兩并。

　　變頻器中整流濾波電解電容器的作用
　　電解電容器作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器，一般認為：電解電容器的最主要的參數(shù)是額定電壓、電容量，通常采用電解電容器作為整流濾波電容器，這種思想是受常規(guī)電子技術(shù)的單相整流電路的影響。在三相整流電路中，每個電源周期共有6個波頭，如采用電容器濾波，則每個波頭僅1/3的時間是整流器導通向輸出供電，剩下的2/3的時間，輸出功率就只能靠電容器提供，這個時間約為電源周期的1/9，即2.22mS。以輸出功率為30kW的變頻器，濾波電容器通常采用3300μF/400V電解電容器兩串兩并。在這種負載條件下的整流輸出的平均值電流約為50A。在整流器不工作的2.2mS的時間內(nèi)，濾波電容器由于放電造成的電壓下降為33~35V，是600V整流輸出平均電壓的0.055，如考慮電解電容器的等效串聯(lián)電阻約為68mΩ，50A紋波電流下的ESR電壓降將達到3.5V，這時的紋波電壓幅值將超過6%，約為沒有電容器濾波時的一半，表明整流輸出濾波電容器實際上不是用來濾波的，而是用來吸收來自整流器和逆變器的紋波電流。
　　變頻器主流母線中的紋波電流的產(chǎn)生主要有兩個方面：工頻整流濾波的紋
波電流，舉例來說對于3相380V直接整流來說，每千瓦輸出大約需要濾波電容器流過6A以上的紋波電流，對于一個30千瓦的變頻器，濾波電容器需要濾掉90A甚至更高的紋波電流，當然這個紋波電流可與通過在整流器與濾波電容器之間接一個電抗器來大大減小。但是產(chǎn)生紋波電流的另一個源（逆變器產(chǎn)生的紋波電流）卻絕對不能采用串入電抗器解決；產(chǎn)生紋波電流的另一個原因就是逆變器工作時產(chǎn)生的輸出頻率下的紋波電流和開關(guān)頻率下的紋波電流，逆變器輸出頻率的紋波電流以逆變器驅(qū)動感應電動機為例，要產(chǎn)生很高幅值的開關(guān)頻率下的紋波電流，第二種紋波電流是所有變頻器/逆變器無法自身消除掉的，只能利用濾波電容器來吸收，如變頻器驅(qū)動30kW的感應電機時，變頻器的直流母線上至少要產(chǎn)生60A的紋波電流！這個濾波電流將在濾波電容器的ESR中產(chǎn)生明顯的功率損耗。由于成本的限制，直到現(xiàn)在，沒有一個變頻器生產(chǎn)廠家將濾波用鋁電解電容器的紋波電流限制在電解電容器的額定紋波電流以下，因此對于需要較長的應用壽命應用領(lǐng)域下的變頻器/逆變器采用電解電容器作為濾波電容器將不得不定期更換濾波電容器，而在不能定期更換濾波電容器的場合下，只能是定期的報廢變頻器/逆變器，這樣既不利于確保可靠性也不利于低成本使用。
　　那么變頻器的直流母線上是否可以沒有濾波電容器？結(jié)論是絕對不可以的。在逆變器的開關(guān)管開關(guān)過程中，可以產(chǎn)生400A/μs甚至更高的電流變化，在1μH的電感上將產(chǎn)生400V的感生電勢，因此，需要用濾波電容器進一步減小主流母線的寄生電感。為了降低逆變器直流母線的寄生電感所引起的阻抗，需要降低逆變器直流母線的阻抗，最簡單的辦法就是在直流母線上并接低ESR同時也是低ESL的電容器，即通常電子市場上經(jīng)常說的突波吸收電容器。
　　從上面分析可以看到：整流濾波電容器的作用實際上更傾向于吸收逆變器產(chǎn)生的紋波電流，抑制逆變器中的開關(guān)管的開關(guān)過程而產(chǎn)生的過沖電壓。降低直流母線阻抗。
　　電解電容器的紋波電流與壽命的關(guān)系
　　變頻器/逆變器濾波與平滑一般是采用電解電容器，對于三相380V輸入的整流電路，通常采用兩只額定電壓400V或450V的電解電容器串聯(lián)應用。
　　例如一個輸出功率為30kW的變頻器，整流濾波電容器可以采用四只3300μF/400V電解電容器兩串兩并實現(xiàn)。以通常認為性能很好的日立變頻器用HCGF5A的電解電容器為例：40℃時的額定紋波電流為22.2A，而在85℃按日立公司的折算方法，對應額定紋波電流將降低到8.2A，兩只并聯(lián)也不過是16.4A。不僅如此，壽命也僅能在85℃溫度下保證2000小時。而整流器的紋波電流就是接近60A！，加上逆變器的60A紋波電流，電解電容器間處于什么狀態(tài)？這兩個紋波電流即使按均方根值計算也將達到85A以上，是40℃下的額定電流的近4倍！這時的濾波電容器的壽命將會怎樣呢？

　　圖1 變頻器用濾波電解電容器的壽命與環(huán)境溫度、紋波電流的關(guān)系 （日立電解電容器的數(shù)據(jù)表中沒有給出這樣的曲線）。

　　從圖中可以看到，大型電解電容器即使在環(huán)境溫度為40℃是的極限電流有效值也不會超過額定電流值的3倍，并且壽命僅僅達到了最高工作溫度的壽命值。如果真得在這種條件下工作，變頻器能保證的壽命僅僅是3個月。如果電解電容器的環(huán)境溫度進一步升高，壽命還將進一步縮短。
　　影響變頻器性能的電解電容器特性
　　a.電解電容器的ESR
　　在變頻器中，所有的紋波電流流過電解電容器，這個紋波電流在電解電容器的ESR產(chǎn)生功耗并編成焦耳熱。以30kW變頻器為例，并聯(lián)在直流母線的電解電容器總的ESR約為60~90mΩ，紋波電流越位80~90A，在兩并兩串的電解電容器上將產(chǎn)生40~70W的功耗，每個電解電容器所產(chǎn)生的損耗約為10~20W。對于散熱性能很差的電解電容器，這將產(chǎn)生比較高的溫升，進一步縮短了電解電容器的壽命。
　　b.電解電容器的阻抗頻率特性
　　電解電容器的阻抗頻率特性的高頻段主要表現(xiàn)電解電容器的感抗。關(guān)于電解電容器的寄生電感，很多電解電容器生產(chǎn)廠商沒有給出這個參數(shù)。但是，在實際應用中電解電容器的寄生電感將直接影響逆變器的性能。如兩只串聯(lián)的電解電容器的寄生電感為200nH，在電流變化率為500A/μs時，將在直流母線上產(chǎn)生100V的感生電勢，將增加逆變器的開關(guān)損耗和電磁干擾。
　　c.對電解電容器性能的修補
　　為了解決電解電容器的ESR、ESL對逆變器性能的影響。通常要在直流母線上并接變頻器專用緩沖電容器來降低直流母線的阻抗。
　　d.電解電容器的主要參數(shù)
　　電解電容器的主要參數(shù)如表1。