高压变频器用薄膜电容器替代铝电解电容器的分析与实践

时间:2019-4-25 分享到:

高压变频器用薄膜电容器替代铝电解电容器的分析与实践

中心议题:应电容器厂商唯电科技要求,对多相整流的“滤波电容器”的作用 薄膜电容器替代铝电解电容器方案 解决方案: 多相整流输出滤波电容器电容量能满足电源旁路的要求即可 关键是“滤波”电容器的电流承受能力是否满足要求
摘要:本文详尽的分析了多相整流的“滤波电容器”的作用,得出在这种条件下“滤波电容器”的作用不再是平滑整流输出电压,而是作为直流母线的电源旁路或DC-Link电容器,用以吸收整流器输出和负载产生的纹波电流。提出采用电容器比较小的薄膜电容器替代铝电解电容器不仅在技术上是可行的,最主要的是变频器的可靠性得到明显的提高。

1 前言
铝电解电容器是制约变频器使用寿命的最关键的元件,其主要原因是铝电解电容器的寿命问题,特别在变频器这样的高谐波电流、高温的应用场合。相对其它元件而言,铝电容电容器的寿命是最短的。

2 “直流支撑”与“DC-Link”电容器的作用
在直流电作为逆变器的供电电源时,由于这个直流电源需要通过直流母线与逆变器链连,这种供电方式也被称为“DC-Link”。由于逆变器需要向“DC-Link”索取有效值和幅值很高的脉动电流,会在“DC-Link”上产生很高的脉动电压使得逆变器难以承受。为此,需要对“DC-Link”进行“支撑”,以确保“DC-Link”的供电质量。

在大多数情况下,支撑“DC-Link”的元件是电容器。“DC-Link”电容器的作用主要是吸收来自于逆变器向“DC-Link”索取的高幅值脉动电流,阻止其在“DC-Link”的阻抗上产生高幅值脉动电压,使逆变器端的电源电压波动保持在允许范围。
“DC-Link”电容器的第二个作用就是防止来自于“DC-Link”的电压过冲和瞬时过电压对逆变器的影响。

3 工频多相整流的直流母线电容器的作用
三相桥式整流电路或12相整流电路用于负载电流没有突变的应用中,没有必要在整流输出端跨接直流母线电容器,由于没有电流突变,整流器及交流电源的寄生电感生产的感生电势不会很高而影响输出电压。

然而,当负载为开关功率变换器时,开关功率变换器将向直流母线索取开关频率下的纹波电源,如果这个电流流入直流母线及交流侧的寄生电感,将会产生不能容忍的开关频率下的纹波电压。从这一点看,直流电源不再是仅仅提供直流电流,而是需要提供带有丰富交流成分的脉冲电流,这时的直流电源不仅需要低的直流内阻,还需要在很宽的频带宽度内均具有良好的低阻抗。而这个宽频段的低阻抗作为整流器的直流电源是不会提供的,要想获得良好的宽频段的低阻抗必须应用性能良好的电容器。利用电容器电压不能跃变和电容器容抗随频率的升高而降低的特性,用电容器降低直流母线的交流阻抗。

从这个角度考虑,三相桥式整流或12相整流输出直流母线并接的电容器不再是平滑电压的滤波电容器,而是电源旁路电容器,或称为“直流支撑”、“DC-Link”电容器。

“直流支撑”、“DC-Link”电容器可以选择铝电解电容器,也可以选择薄膜电容器。由于铝电解电容器自身可承受的纹波电流值比较低,在“直流支撑”、“DC-Link”应用中需要满足承受高幅值纹波电流,这就要求在选择铝电解电容器时要按纹波电流的大小选择铝电解电容器,如果负载产生20A的纹波电流,要选择1000µF的电容量。

从上述叙述可以得出结论,直流支撑电容器的作用就是在负载电流波动时为负载提供“无感”的直流“电源”,消除开关与供电电源之间无法估计的并且量值很大的寄生电感所产生的不希望出现的感生电视的电压尖峰。

尽管这种解决方案可能是最优的,但是价格可能是非常高,一般应用将接受不了。那么,是否有更好的解决方案?结论是可以有几种低价格并且性能很好的解决方案。

4 价格问题
用薄膜电容器替代铝电解电容器的关键是价格问题。如果额定电压为700V的薄膜电容器能够做到每一元人民币1µF~2µF的电容量就可以替代铝电解电容器。

有的电容器制造商认为每一元人民币2µF的价格是绝对制造不出来的,也有的电容器制造商经过精打细算后认为是可以实现的。如果有足够的电容量并且在价格上接近或低于铝电解电容器,这样的解决方案将是更好的。需要采用薄膜电容器替代铝电解电容器时,应按小容量替换比例进行替换。

5 VDTCAP薄膜电容器替代铝电解电容器方案
薄膜电容器替代铝电解电容器最大的障碍是薄膜电容器的价格问题。如果电容器一比一替代在价格上肯定是不现实的。从上述分析可以知道,多相整流输出滤波电容器不再是平滑作用,而是直流母线的电源旁路,因此,只要电容量能满足电源旁路的要求即可。事实上,作为直流母线的电源旁路对电容量的要求并没有铝电解电容器时那么大,致使铝电解电容器的电流承受能力差,而且ESR比较高的原因。

由于三相桥式整流器的电容器滤波实际上是直流支撑、DC-Link或直流母线旁路电容器。这样问题关键就是“滤波”电容器的电流承受能力是否满足要求。薄膜电容器制造商已经制造出相应的金属化聚丙烯薄膜电容器。VDTCAP的SHD系列DC-Link单面金属化聚丙烯薄膜电容器的数据如表1所示。 表1 VDTCAP的SHD、SHE系列DC-Link单面金属化聚丙烯薄膜电容器部分数据 VDTCAP的SHD、SHE系列DC-Link单面金属化聚丙烯薄膜电容器的外形与螺栓式铝电解电容器相似,用这种薄膜电容器替代铝电解电容器仅需要很小的改动。

从表1可以看到,VDTCAP的SHD系列DC-Link单面金属化聚丙烯薄膜电容器可以承受很高的纹波电流,而且基本不受工作温度限制。;例如:300µF/700V的SHD-700-300聚丙烯薄膜电容器的电流承受能力为50A,两只并联时达100A。远远高于3900µF/400V铝电解电容器所能承受的约15A纹波电流值,高于15kW变频器“滤波”电容器需要“滤波”大约60A左右的整流滤波和逆变器产生的开关纹波电流。从这个数据看,铝电解电容器发热是必然的,而且寿命是短的。

5 试验与试验结果
以下是三个薄膜电容器替代铝电解电容器的替换实验。

(1)试验1
一个15kW变频器正常采用应用3900µF/400V铝电解电容器2个串联,等效电容量为1950µF。采用VDTCAP的SHD系列DC-Link单面金属化聚丙烯薄膜电容器替代铝电解电容器,可以是300µF/700V 2个并联的电容量替换比率30.7%,或者采用250µF/700V 2个并联,替换比率25.6%。满功率条件下运行的测试结果列于表2。
表2 EACO薄膜电容器替代铝电解电容器测试结果 从表2的结果可以看到,采用低电容量替换比例后满载时的峰-峰值电压明显增加甚至高于空载电压的13.3%(76V)的理想状态的无滤波电容器时整流输出电压的峰-峰值。在设计变频器控制策略时需要考虑这个电压变化对输出的影响。
在表2中还可以看到,随着滤波电容器电容量的降低,输出电压平均值有所上升,这与常规滤波电容器的电容量越大输出电压平均值越高的概念不同。其原因可能是由于随着滤波电容器电容量的降低,整流器的导通角增加,使电流脉冲在电网内阻的电压降减少的结果;而输出电压峰-峰值高于电阻性负载的理想输出电压峰-峰值的原因可能是由于交流电网寄生电感所致。

(2)试验2
更进一步的替换实例为30kW变频器一般采用3300µF/400V 铝电解电容器2串2并。采用250µF/700V的VDTCAP的SHD系列单面金属聚丙烯薄膜电容器2个并联替换原铝电解电容器组,电容量的替换比率为27%。长期运行温升仅仅2℃,电机运行正常,无异常现象。

(3)试验3
第三个替换试验是用薄膜电容器替代660V交流输入电压变频器中的铝电解电容器。由于手头没有660V感应电机,负载只能采用电阻箱替代感应电机。其测试结果列于表3。
表3 VDTCAP薄膜电容器替代铝电解电容器测试结果 7 结论 采用大比率电容量替换率的DC-Link聚丙烯薄膜电容器替换铝电解电容器在性能上可以满足变频器“滤波”电容器的要求。如果这时的聚丙烯薄膜电容器的价格不高于铝电解电容器组,则这种替代方案在经济效益相同的条件下,性能上完成可以满足要求。
采用聚丙烯薄膜电容器替代铝电解电容器后,由于聚丙烯薄膜电容器基本上不存在寿命限制问题,避免了高可靠应用时变频器定期替换铝电解电容器的麻烦和成本的提高。

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