高壓變頻器用薄膜電容器替代鋁電解電容器的分析與實踐

中心議題：應電容器廠商唯電科技要求，對多相整流的“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、高溫的應用場合。相對其它元件而言，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，由于這個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電流，會在“DC-Link”上產(chǎn)生很高的脈動電壓使得逆變器難以承受。為此，需要對“DC-Link”進行“支撐”，以確保“DC-Link”的供電質量。

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”索取的高幅值脈動電流，阻止其在“DC-Link”的阻抗上產(chǎn)生高幅值脈動電壓，使逆變器端的電源電壓波動保持在允許范圍。
“DC-Link”電容器的第二個作用就是防止來自于“DC-Link”的電壓過沖和瞬時過電壓對逆變器的影響。

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相整流電路用于負載電流沒有突變的應用中，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)的感生電勢不會很高而影響輸出電壓。

然而，當負載為開關功率變換器時，開關功率變換器將向直流母線索取開關頻率下的紋波電源，如果這個電流流入直流母線及交流側的寄生電感，將會產(chǎn)生不能容忍的開關頻率下的紋波電壓。從這一點看，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，這時的直流電源不僅需要低的直流內阻，還需要在很寬的頻帶寬度內均具有良好的低阻抗。而這個寬頻段的低阻抗作為整流器的直流電源是不會提供的，要想獲得良好的寬頻段的低阻抗必須應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要按紋波電流的大小選擇鋁電解電容器，如果負載產(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論，直流支撐電容器的作用就是在負載電流波動時為負載提供“無感”的直流“電源”，消除開關與供電電源之間無法估計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，但是價格可能是非常高，一般應用將接受不了。那么，是否有更好的解決方案？結論是可以有幾種低價格并且性能很好的解決方案。

4 價格問題
用薄膜電容器替代鋁電解電容器的關鍵是價格問題。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為每一元人民幣2μF的價格是絕對制造不出來的，也有的電容器制造商經(jīng)過精打細算后認為是可以實現(xiàn)的。如果有足夠的電容量并且在價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，應按小容量替換比例進行替換。

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格問題。如果電容器一比一替代在價格上肯定是不現(xiàn)實的。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。事實上，作為直流母線的電源旁路對電容量的要求并沒有鋁電解電容器時那么大，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際上是直流支撐、DC-Link或直流母線旁路電容器。這樣問題關鍵就是“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數(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。

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)時達100A。遠遠高于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)生的開關紋波電流。從這個數(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 試驗與試驗結果
以下是三個薄膜電容器替代鋁電解電容器的替換實驗。

（1）試驗1
一個15kW變頻器正常采用應用3900μF/400V鋁電解電容器2個串聯(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個并聯(lián)的電容量替換比率30.7%，或者采用250μF/700V 2個并聯(lián)，替換比率25.6%。滿功率條件下運行的測試結果列于表2。
表2 EACO薄膜電容器替代鋁電解電容器測試結果 從表2的結果可以看到，采用低電容量替換比例后滿載時的峰-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)的無濾波電容器時整流輸出電壓的峰-峰值。在設計變頻器控制策略時需要考慮這個電壓變化對輸出的影響。
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，整流器的導通角增加，使電流脈沖在電網(wǎng)內阻的電壓降減少的結果；而輸出電壓峰-峰值高于電阻性負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2
更進一步的替換實例為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個并聯(lián)替換原鋁電解電容器組，電容量的替換比率為27%。長期運行溫升僅僅2℃，電機運行正常，無異常現(xiàn)象。

（3）試驗3
第三個替換試驗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感應電機，負載只能采用電阻箱替代感應電機。其測試結果列于表3。
表3 VDTCAP薄膜電容器替代鋁電解電容器測試結果 7 結論 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。如果這時的聚丙烯薄膜電容器的價格不高于鋁電解電容器組，則這種替代方案在經(jīng)濟效益相同的條件下，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，避免了高可靠應用時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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