變頻器中的電解電容器工作狀態(tài)分析與選型
信息來源于：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于：2022-10-24
一、變頻器的特點(diǎn)
變頻器的最大特點(diǎn)就是三相電直接整流。這樣的變頻器的結(jié)構(gòu)最簡單。
三相380V交流電經(jīng)過整流、電容器濾波后，通過SPWM逆變可以還原380V有效值交流電壓。
同樣三相660V變頻器通過三相660V的橋式整流、電容濾波、SPWM逆變也可以實(shí)現(xiàn)三相正弦波輸出的660V的有效值電壓。
這樣做的最大優(yōu)點(diǎn)就是所實(shí)現(xiàn)的變頻器價(jià)格最低廉。不需要整流變壓器、不需要濾波電感。
電解電容器在變頻器中的位置
二、電解電容器在變頻器中的作用
吸收來自整流器的紋波電流
吸收來自逆變器的紋波電流
三、整流器紋波電流的產(chǎn)生
三相橋式整流的輸出電壓比較平滑，即使不用濾波器電壓波動的峰—峰值也僅為輸出電壓平均值的14%，可以滿足一般應(yīng)用要求。
如果三相橋式整流輸出直接接負(fù)載，這個(gè)三相橋式整流電路是不會產(chǎn)生交流電流分量的。
但是為什么還要在三相橋式整流電路的輸出接一個(gè)“濾波”電容器？其根本原因就是：
直流電源不能提供或吸收來自負(fù)載的交流電流分量，特別是瞬變電流分量。
四、直流母線為什么不能提供或吸收交流電流分量？
原因很簡單，這就是直流電源中允許存在寄生電感，但是這個(gè)寄生電感可能很大，這對于直流電流來說，線路的寄生電感是不會產(chǎn)生電壓降的。
然而直流電源中的寄生電感在瞬態(tài)電流變化的負(fù)載條件下會產(chǎn)生極高的感生電勢：
e=L·di/dt
如果L為10μH，即使瞬變電流的電流變換濾僅僅100A/μs，也會產(chǎn)生1000V的感生電勢！
對于交流電網(wǎng)1mH的寄生電感也不會引起太大問題，但是在10kHz條件下就會產(chǎn)生62.8V的有效值電壓。
上述問題都是電力電子電路所不能容忍的。
五、必須采取措施將直流母線上的交流電流分量吸收
最簡單的方法就是在直流母線兩端并聯(lián)一個(gè)器件，這個(gè)器件不流過直流電流。
很顯然這個(gè)器件就是電容器，直流母線電容器。電容器的最大特點(diǎn)就是電壓不能躍變，或者說反抗電壓的變化。同時(shí)，頻率越高電容器的容抗越小，越容易流過交流電流。
這時(shí)，在直流母線上所產(chǎn)生的交流電壓就是直流母線電容器與直流電源的寄生電感分流交流電流后在直流母線上產(chǎn)生的交流電壓。
由于直流母線電容器的容抗可以遠(yuǎn)低于直流母線寄生電感的感抗，因此直流母線電容器分得的交流電流比例幾乎100%。
直流電源的寄生電感的交流電流所產(chǎn)生的感生電勢可以低到可以接受的程度，如果沒達(dá)到，可以通過加大直流母線電容器電容來的方法達(dá)到。
六、直流母線電容器與整流器的沖突
接入直流母線電容器后，由于電容器的電壓保持作用，會出現(xiàn)直流母線電容器的電壓高于交流電源電壓瞬時(shí)值，這時(shí)整流器中的二極管將不能導(dǎo)通，由于整流器中二極管的不能導(dǎo)通，整流“濾波”電路的輸出電能將由直流母線電容器提供。
在整流器的二極管導(dǎo)通期間，整流器不僅要為負(fù)載提供電能，還要為直流母線電容器充電，這樣就形成了整流器的輸出紋波電流。
由于負(fù)載不接受整流器輸出的紋波電流，只能由直流母線電容器吸收。這就是整流器產(chǎn)生的紋波電流的由來。
七、變頻器中的電解電容器工作狀態(tài)分析
以下的推算和測試的每千瓦電流均為三相380V交流電網(wǎng)的結(jié)果，其它電壓等級可以通過本文的結(jié)果折算。
測試整流器輸出電流電路
實(shí)際的變頻器中的濾波電容器電流是整流器輸出電流的交流成分和逆變器部分向直流母線索取電流的交流成分混在一起。
為了單獨(dú)測試整流器輸出電流及流入濾波電容器的電流，需要采用整流器+濾波電容器接電阻負(fù)載的方法獲得。
為了獲得與變頻器相同的測試效果，電阻消耗的功率為3.7kW
三相整流器驅(qū)動電阻性負(fù)載
三相整流器流入濾波電容器的電流
整流器輸出電流有效值為9.06A，平均每千瓦輸出功率對應(yīng)2.45A/kW，而負(fù)載僅吸收6.7A平均值電流。
整流器輸出電流的交流成分（紋波電流）只能由濾波電容器吸收?？鄢渲绷鞒煞郑Ｏ碌臑榻涣鞒煞郑?br />
流入濾波電容器的電流為1.65A/kW
三相正弦波逆變器流入濾波電容器的電流
三相正弦波逆變器流入濾波電容器的電流為3.09A，約為0.85A/kW
變頻器濾波電容器的實(shí)際電流：
流入濾波電容器的實(shí)際電流為整流器產(chǎn)生的紋波電流（約每千瓦1.65A/kW ）
三相正弦波逆變器產(chǎn)生的紋波電流（約每千瓦0.85A/kW ）
實(shí)際的濾波電容器流過的電流為兩者的平方和的開根號，即：
約每千瓦1.85A/kW ，接近每千瓦2A電流。
不同電壓等級交流電網(wǎng)電壓對應(yīng)的濾波電容器的電流
三相380V電網(wǎng)的濾波電容器狀態(tài)：
濾波電容器流過的電流有效值：1.85A/kW
濾波電容器流過的電流有效值與輸出電流有效值的比值為0.83
三相690V電網(wǎng)的濾波電容器狀態(tài)：
濾波電容器流過的電流有效值：1.02A/kW
濾波電容器流過的電流有效值與輸出電流有效值的比值為0.46
八、變頻器中的電解電容器選型
1、電容器類型的選擇
傳統(tǒng)方案選擇的是高壓電解電容器，隨著薄膜電容器的制造技術(shù)的提升和薄膜電容器成本的降低。薄膜電容器開始進(jìn)入變頻器濾波電容器領(lǐng)域。
相對于鋁電解電容器，同額定電壓、同電容量，薄膜電容器的體積和成本約為鋁電解電容器的3~4倍，如果選擇薄膜電容器則必須降低電容量才能在成本上與電解電容器接近。
測試結(jié)果分析
即使電容量下降到1/6以下，變頻器還可以正常工作，表明降低電容量應(yīng)用是可行的。
但是需要吸收電動機(jī)制動能量的或不允許在電網(wǎng)瞬間掉電、缺相或塌波情況下變頻器能正常工作時(shí)。不能應(yīng)用降低到容量的方案。
從輸入電流波形看，電容量低于1/3，輸入電流會產(chǎn)生毛刺，這表明EMC傳導(dǎo)干擾測試通過不了。
因此一般情況下不宜選擇1/3以下的電容量。
2、電解電容器的選擇
額定電壓的選擇
三相380V直接整流的直流母線電壓為550V，考慮制動回饋電壓可能達(dá)到700V或750V；
高壓電解電容器的額定電壓大多數(shù)為400V或450V，需要兩只400V或450V串聯(lián)應(yīng)用。
660V整流輸出的直流母線電壓約為960V，最高可達(dá)1100V，需要3只400V或450V電解電容器串聯(lián)或兩只600V電解電容器串聯(lián)。
如果有耐壓達(dá)到750V的電解電容器，則三相380V輸入可以單只應(yīng)用即可。
電容量的選擇還是額定電流的選擇？
變頻器中電解電容器是按額定電流選擇還是按電容量的選擇？
常規(guī)的理解常認(rèn)為是按電容量的選擇，這是一般電子線路中電容器的選擇。這是一般電子線路對電容器所能夠承受的紋波電流沒有過高的要求。
但是在變頻器和其它的電力電子電路中，由逆變器產(chǎn)生的紋波電流很高，需要電容器能夠承受高幅值或高有效值電流。
從變頻器的實(shí)際應(yīng)用角度看，對于三相380V變頻器僅需要每千瓦35~40μF。
而實(shí)際上電解電容器的選擇遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值！
實(shí)際應(yīng)用中往往大于每千瓦100μF以上?。ㄒ话氵x取每千瓦120μF以上）
三相380V變頻器的電解電容器選擇
三相380V變頻器的電解電容器選擇基本上選擇了85℃環(huán)境溫度下額定電流的1.5倍。
三相660V變頻器的電容器選擇也是選用了85℃環(huán)境溫度下額定電流的1.5倍。
這樣選擇是否好用？是否合理？
既然是行業(yè)默契，肯定有其原因和道理。
電解電容器能夠承受的電流不夠
電解電容器的額定電流并不是隨電容量一比一的線性增長。兩只3300μF電解電容器能夠承受的紋波電流（2×14.9A=29.8A）高出6800μF電解電容器的額定電流21.4A約39%；
按每千瓦30μF選擇電解電容器，對應(yīng)的10kW變頻器僅需要300μF的電容量，用兩只680μF電解電容器串聯(lián)即可，但是680μF電解電容器僅能承受4.9A。而10kW變頻器流入濾波電容器的電流則高達(dá)18.5A！必須通過加大電容量的方法滿足電流參數(shù)的要求。
實(shí)際10kW變頻器的選擇
實(shí)際的10kW變頻器選擇兩只2200μF電解電容器串聯(lián)。
一般的2200μF電解電容器可以承受10~12A紋波電流，但是這還低于18.5A的要求。這是為什么？
原因
在50℃環(huán)境下，即使是1.5倍的紋波電流也可以具有大約5倍的壽命時(shí)間。例如4000小時(shí)的5倍壽命就是20000小時(shí)，連續(xù)應(yīng)用時(shí)間為28個(gè)月。
45℃環(huán)境下，即使是1.5倍的紋波電流也可以具有大約8倍的壽命時(shí)間。例如4000小時(shí)的8倍壽命就是32000小時(shí)，連續(xù)應(yīng)用時(shí)間為3.65年。
如果是降額使用，實(shí)際使用壽命還會延長。
間斷使用會延長壽命。
通過這些因素，可以使得2200μF電解電容器應(yīng)用于10kW變頻器中。
通過上述分析，在變頻器中，電解電容器根據(jù)變頻器的功率選擇電解電容器的電容量，以滿足電解電容器所承擔(dān)的電流在允許范圍內(nèi)。
RIFA電解電容器的50℃條件下所能承受的紋波電流19.6A稍稍高于18A，因此這種選擇也是符合RIFA的技術(shù)條件，同時(shí)也會看到，即使是RIFA的電解電容器，其紋波電流承受能力與國產(chǎn)的相差不多。
壽命與最高工作溫度的選擇
從經(jīng)濟(jì)角度考慮，電解電容器額定溫度選擇85℃，壽命選擇滿足產(chǎn)品壽命期要求即可，如追求低成本時(shí)考慮選用2000小時(shí)，這是目前國內(nèi)電解電容器的最基本的性能要求。
如果需要壽命長一些，可以選擇3000小時(shí)、4000小時(shí)。
國內(nèi)還有6000小時(shí)的產(chǎn)品，甚至還有85℃20000/105℃5000小時(shí)的超常壽命電解電容器。
可以選擇105℃電解電容器來延長使用壽命。
九、高壓變頻器功率單元的電容器工作狀態(tài)
高壓變頻器采用功率單元串聯(lián)
由于IGBT耐壓的限制，高壓變頻器多采用多只單相正弦波逆變器串聯(lián)構(gòu)成單相逆變器臂。
每一個(gè)功率單元選用三相660V交流電供電，三相橋式整流、電容器濾波為單相正弦波逆變器供電。
這時(shí)的濾波電容器不僅要吸收三相整流器產(chǎn)生的紋波電流、逆變器產(chǎn)生的開關(guān)頻率電流。
還有單相正弦波逆變器的輸出頻率的紋波電流，并且將這個(gè)紋波電流所產(chǎn)生的紋波電壓限制在允許范圍。
高壓變頻器功率單元的電容器選型
特殊性：單相逆變器，這時(shí)的DC-Link電容器要承受來自于變頻器單元輸出的紋波電流。有基波分量電流和開關(guān)頻率分量的電流，其中基波電流分量將大于開關(guān)頻率電流分量
因此，DC-Link的電容量將由輸出基波電流反射到DC-Link電容器的“紋波”電流所產(chǎn)生的電壓脈動決定。
按直流母線電壓波動±10%選擇電容量
對于660Vac三相橋式整流的直流母線電壓越1100V。
輸出按功率因數(shù)0.85計(jì)算，每輸出1A有效值電流對應(yīng)的輸出功率為561W，近似于每千瓦2A有效值電流。
允許波動電壓峰-峰值電壓為220V，每千瓦需要22微法電容量，也就是三只68微法電容量的串聯(lián)。
如果按這參數(shù)選擇電容器，電解電容器與薄膜電容器的競爭實(shí)力差不多。
電解電容器可能要考慮可以承受的紋波電流問題。
按直流母線電壓波動±5%選擇電容量
對于660Vac三相橋式整流的直流母線電壓越1100V。
輸出按功率因數(shù)0.85計(jì)算，每輸出1A有效值電流對應(yīng)的輸出功率為561W，近似于每千瓦2A有效值電流。
允許波動電壓峰-峰值電壓為110V，每千瓦需要44微法電容量，也就是三只132微法電容量的串聯(lián)。
在這樣的要求下，電解電容器具有優(yōu)勢。
由于電容量的需求，電解電容器可以承受的紋波電流將不再是問題。
按直流母線電壓波動±2%選擇電容量
對于660Vac三相橋式整流的直流母線電壓越1100V。
輸出按功率因數(shù)0.85計(jì)算，每輸出1A有效值電流對應(yīng)的輸出功率為561W，近似于每千瓦2A有效值電流。
允許波動電壓峰-峰值電壓為44V，每千瓦需要110微法電容量，也就是三只330微法電容量的串聯(lián)。
在這種情況下，電解電容器具有無可替代的優(yōu)勢。
由于連接足夠的電解電容器，這些電解電容器承受的紋波電流以明顯高于功率單元和整流其產(chǎn)生的紋波電流有效值。因此無需考慮電解電容器能夠承受電流的問題。
輸出電流有效值與電容器紋波電流的關(guān)系
通過計(jì)算可以得知，輸出電流反射到電容器上的“紋波”電流為輸出電流有效值的44%，相當(dāng)于1100Vdc直流母線條件下，每千瓦輸出功率約0.88A流入電容器。
還要有至少每千瓦0.5A的開關(guān)頻率的紋波電流。
兩者綜合作用的結(jié)果是每千瓦流入電容器電流為1.1A，如果留有一定的裕量可以選擇每千瓦輸出功率1.5A電容器額定電流。
其他電壓等級以此類推
如果按±1%電壓波動選擇電容器，則非電解電容器莫屬，即是按±1%電壓波動選擇電容器，電解電容器的優(yōu)勢還是明顯的。
變頻器與風(fēng)能并網(wǎng)逆變、光伏并網(wǎng)逆變的關(guān)系
電解電容器不適用于大功率風(fēng)電逆變器。
為什么？
大功率風(fēng)電逆變器的直流母線電壓往往要達(dá)到4500V，紋波電流也要達(dá)到數(shù)百安培，這不僅需要十只以上的電解電容器串聯(lián)還要數(shù)十只電解電容器的并聯(lián)。
電解電容器的并聯(lián)很容易實(shí)現(xiàn)，但是十余只電解電容器串聯(lián)時(shí)相對薄膜電容器的優(yōu)勢會蕩然無存。
如果是直流母線在1000V左右，選用電解電容器還是可以的，也具有一定的優(yōu)勢，選擇方法與變頻器電解電容器的選擇基本相同。
1、 直流母線支撐電容器選擇依據(jù)
直流母線支撐電容器的選擇依據(jù)可以利用變頻器的直流母線支撐電容器的選擇依據(jù)來得到。
以30kW、三相380V輸入電壓的變頻器為例：其輸出線電流為60A。如果用電解電容器則需要選擇3300μF電容量的電解電容器兩并兩串。其等效電容量為3300μF。如果采用薄膜電容器替代電解電容器可以降低容量降低到電解電容器電容量的1/3左右，即1100μF或1000μF~1200μF之間。
對應(yīng)的電容器的儲能為：
其中，550為三相380V交流電壓整流并采用電容器濾波后的直流母線電壓：550V。
在這個(gè)條件下對應(yīng)的直流母線支撐電容器流過的交流分量電流有效值為：
整理后得到如下結(jié)論：
?、琶枯敵?kW功率需要5.5458焦耳的電容器儲能；
?、泼枯敵?A有效值電流，直流母線支撐電容器需要承受0.44A有效值電流。
上述兩個(gè)結(jié)論對不同功率、不同電壓等級的變頻器（沒有制動技術(shù)要求條件下）、風(fēng)能發(fā)電逆變器、太陽能逆變器均適用。
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