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变频器中整流滤波电解电容器的作用

电解电容器作为变频器/逆变器的整流滤波电容器,一般认为:电解电容器的最主要的参数是额定电压、电容量,通常采用电解电容器作为整流滤波电容器,这种思想是受常规电子技术的单相整流电路的影响。在三相整流电路中,每个电源周期共有6个波头,如采用电容器滤波,则每个波头仅1/3的时间是整流器导通向输出供电,剩下的2/3的时间,输出功率就只能靠电容器提供,这个时间约为电源周期的1/9,即2.22mS。以输出功率为30kW的变频器,滤波电容器通常采用3300μF/400V电解电容器两串两并。在这种负载条件下的整流输出的平均值电流约为50A。在整流器不工作的2.2mS的时间内,滤波电容器由于放电造成的电压下降为33~35V,是600V整流输出平均电压的0.055,如考虑电解电容器的等效串联电阻约为68mΩ,50A纹波电流下的ESR电压降将达到3.5V,这时的纹波电压幅值将超过6%,约为没有电容器滤波时的一半,表明整流输出滤波电容器实际上不是用来滤波的,而是用来吸收来自整流器和逆变器的纹波电流。

变频器主流母线中的纹波电流的产生主要有两个方面:工频整流滤波的纹 波电流,举例来说对于3相380V直接整流来说,每千瓦输出大约需要滤波电容器流过6A以上的纹波电流,对于一个30千瓦的变频器,滤波电容器需要滤掉90A甚至更高的纹波电流,当然这个纹波电流可与通过在整流器与滤波电容器之间接一个电抗器来大大减小。但是产生纹波电流的另一个源(逆变器产生的纹波电流)却绝对不能采用串入电抗器解决;产生纹波电流的另一个原因就是逆变器工作时产生的输出频率下的纹波电流和开关频率下的纹波电流,逆变器输出频率的纹波电流以逆变器驱动感应电动机为例,要产生很高幅值的开关频率下的纹波电流,第二种纹波电流是所有变频器/逆变器无法自身消除掉的,只能利用滤波电容器来吸收,如变频器驱动30kW的感应电机时,变频器的直流母线上至少要产生60A的纹波电流!这个滤波电流将在滤波电容器的ESR中产生明显的功率损耗。由于成本的限制,直到现在,没有一个变频器生产厂家将滤波用铝电解电容器的纹波电流限制在电解电容器的额定纹波电流以下,因此对于需要较长的应用寿命应用领域下的变频器/逆变器采用电解电容器作为滤波电容器将不得不定期更换滤波电容器,而在不能定期更换滤波电容器的场合下,只能是定期的报废变频器/逆变器,这样既不利于确保可靠性也不利于低成本使用。

那么变频器的直流母线上是否可以没有滤波电容器?结论是绝对不可以的。在逆变器的开关管开关过程中,可以产生400A/μs甚至更高的电流变化,在1μH的电感上将产生400V的感生电势,因此,需要用滤波电容器进一步减小主流母线的寄生电感。为了降低逆变器直流母线的寄生电感所引起的阻抗,需要降低逆变器直流母线的阻抗,最简单的办法就是在直流母线上并接低ESR同时也是低ESL的电容器,即通常电子市场上经常说的突波吸收电容器。

电解电容器的纹波电流与寿命的关系

变频器/逆变器滤波与平滑一般是采用电解电容器,对于三相380V输入的整流电路,通常采用两只额定电压400V或450V的电解电容器串联应用。

例如一个输出功率为30kW的变频器,整流滤波电容器可以采用四只3300μF/400V电解电容器两串两并实现。以通常认为性能很好的日立变频器用HCGF5A的电解电容器为例:40℃时的额定纹波电流为22.2A,而在85℃按日立公司的折算方法,对应额定纹波电流将降低到8.2A,两只并联也不过是16.4A。不仅如此,寿命也仅能在85℃温度下保证2000小时。而整流器的纹波电流就是接近60A!,加上逆变器的60A纹波电流,电解电容器间处于什么状态?这两个纹波电流即使按均方根值计算也将达到85A以上,是40℃下的额定电流的近4倍!这时的滤波电容器的寿命将会怎样呢?

变频器用滤波电解电容器的寿命与环境温度、纹波电流的关系

图1 变频器用滤波电解电容器的寿命与环境温度、纹波电流的关系 (日立电解电容器的数据表中没有给出这样的曲线)。

从图中可以看到,大型电解电容器即使在环境温度为40℃是的极限电流有效值也不会超过额定电流值的3倍,并且寿命仅仅达到了最高工作温度的寿命值。如果真得在这种条件下工作,变频器能保证的寿命仅仅是3个月。如果电解电容器的环境温度进一步升高,寿命还将进一步缩短。

影响变频器性能的电解电容器特性

a.电解电容器的ESR

在变频器中,所有的纹波电流流过电解电容器,这个纹波电流在电解电容器的ESR产生功耗并编成焦耳热。以30kW变频器为例,并联在直流母线的电解电容器总的ESR约为60~90mΩ,纹波电流越位80~90A,在两并两串的电解电容器上将产生40~70W的功耗,每个电解电容器所产生的损耗约为10~20W。对于散热性能很差的电解电容器,这将产生比较高的温升,进一步缩短了电解电容器的寿命。

b.电解电容器的阻抗频率特性

电解电容器的阻抗频率特性的高频段主要表现电解电容器的感抗。关于电解电容器的寄生电感,很多电解电容器生产厂商没有给出这个参数。但是,在实际应用中电解电容器的寄生电感将直接影响逆变器的性能。如两只串联的电解电容器的寄生电感为200nH,在电流变化率为500A/μs时,将在直流母线上产生100V的感生电势,将增加逆变器的开关损耗和电磁干扰。

c.对电解电容器性能的修补

为了解决电解电容器的ESR、ESL对逆变器性能的影响。通常要在直流母线上并接变频器专用缓冲电容器来降低直流母线的阻抗。

d.电解电容器的主要参数

电解电容器的主要参数如表1。

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