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380Vac输入电压的变频器用薄膜电容器选型简析

2022/8/8 11:33:15      点击:3954

一、目前通用变频器的拓扑方式


通用变频器装置主要由主电路和控制电路两部分组成,其主电路主要分为两种,一种是交-交结构形式(直接变频),另一种是交-直-交结构形式(间接变频)。交-交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压可控制的交流,而交-直-交变频器是先把工频交流电通过整流器变成直流电,然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电,目前一般通用变频器主要采用交-直-交结构形式。这种结构主要包括整流环节、中间环节和逆变环节。其中间直流环节是储能元件,用于负载和直流电源之间的无功功率交换,根据此储能元件是电容还是电感,将变频器分为电压型和电流型两大类。


两种拓扑方式的特点

1.1、电流型变频器:

当交-直-交变烦器的中间环节用大电感作为储能和滤波时,直流电流波形比较平直,电源内阻较大,对负载来说相当于是恒流源,其拓扑结构如图所示。其显著的优点是容易实现回馈制动,便于四象限运行,不需附加任何设备。适合于需要频繁快速加减速和可逆运行的电动机负载,但由于电流源型变频器属于恒流源,对系统负载电流的变化反应慢,不适合带多台电动机同步运行,只能带单台电机运行。



电流型变频器结构示意图

1.2、电压型变频器

电压源型变频器主电路的中间环节主要采用大电容进行储能、滤波。其直流电压波形比较平直,理想状态下电源内阻为零,对负载而言是恒压源,其拓扑结构如图2.2所示,其电压无法迅速反向。由于大电容的平波作用,主电路的直流电压比较平稳。因此,电压源型变频器无法实现回馈制动。而对于负载而言,电压型变频器相当于一个电压源,电压控制相应慢,可以同时带多台电机运行。


电压型变频器结构示意图


                                                                  主电路框图

目前投入运行的通用变频器中,大概95%为电压型结构,实际使用时,变频器还是主要以三相式为主,故以下将主要研究三相式电压型通用变频器DC_LINK电容额选取与应用。

二、通用变频器设备直流侧电容应用技术

DC_Link电容是电压源型通用变频器中非常重要的滤波储能器件,因为功率单元直流环节参数的设计直接影响到整台通用变频器的性能,从一个侧面可以看出,电容器的选型将对变频器的寿命起到决定性作用。

2.1 、直流侧电容参数计算

理论上,滤波电容的电容量越大越好,但考虑到体积成本因素,不可能选取太大,中间直流滤波电容主要是从限制电压波动的角度来选择。其具体容量(uF)的计算可采用下面经验公式:

     (2-1)


式中:ω为变频器输入电压角频率,I0为输出电流的有效值,Ud为直流母线电压,K为允许直流电压波动系数,取值为0.01~0.1。

2.2、直流电容额定电压的选取


整流侧直流输出电压Ud(不控整流时,直流侧平均电压最大可达到输入侧交流电压U的峰值): Ud = 1. 414*U=1.414*380=537V (2-2) ,因此输入三相线电压为380V时,整流输出的最大电压是537Vdc(母线电压平均值约为513Vdc),考虑到输入电压±10%的波动,则最大输出电压可达591Vdc,电机在减速和制动时,能量反馈会抬升直流侧电压到700Vdc左右,直流侧滤波电容耐压选择应在此电压之上,并有一定的安全裕度,因此要选取耐压值≥700Vdc的薄膜电容。


2.3案例解析:

 2.3.1、案例1


某客户A,通用变频器,额定电压380VAC,功率37kW,变频器用于注朔机设备配套,功率器件主回路采用通用两电平结构,设备的输出电流有效值I为70A,基波频率f为50Hz,输出侧功率因数为cosΦ=0.80;输入电压波动为±10%,考虑在负波动时,输入电压最低会到380*0.9=342Vac,直流侧电压483Vdc(电压平均值为462Vdc)。

计算过程:

根据公式(2-1)计算电容容量得:

考虑元器件寄生参数的影响和控制的延时,k取值0.05~0.06,得到DC_LINK的容值1500~2600uf。

根据公式(2-2)计算电容的耐压:

考虑最恶劣情况下(制动时,母线电压达到700Vdc左右),故电容的耐压要求≥700Vdc。

客户实际选取ADSO薄膜电容方案:

母线电容:DLG-800-800-0860(800VDC-800uF,尺寸D86H174)的电容3个并联使用。

IGBT吸收:SNB-1200-0.47-T2501200VDC-0.47uF,孔距22~28)的电容3个使用。

2.3.2、案例2

某客户B,通用变频器,额定电压380VAC,功率11kW,功率器件主回路采用通用两电平结构,设备的输出电流有效值I为21A,基波频率f为50Hz,输出侧功率因数为cosΦ=0.80;输入电压波动为±10%,考虑在负波动时,输入电压最低会到380*0.9=342Vac,直流侧电压483Vdc(电压平均值为462Vdc)。 

计算过程:

根据公式(2-1)计算电容容量得:

考虑元器件寄生参数的影响和控制的延时,k取值0.05~0.06,得到DC_LINK的容值450~800uf。

根据公式(2-2)计算电容的耐压:

考虑最恶劣情况下(制动时,母线电压达到700Vdc左右),故电容的耐压要求≥700Vdc。

客户实际选取ADSO薄膜电容方案:

            母线电容: DLH-800-175-70(800VDC-160uF,尺寸D57H70)的电容4个并联使用。


IGBT吸收:SNA-1200-0.22-32F1200VDC-0.22uF)的电容3个使用。

2.3.3案例3

某客户C,通用变频器,变频器用于液压传动设备配套,额定电压380VAC,功率45kW,功率器件主回路采用通用两电平结构,设备的输出电流有效值I为85A,基波频率f为50Hz,输出侧功率因数为cosΦ=0.80;输入电压波动为±10%,考虑在负波动时,输入电压最低会到380*0.9=342Vac,直流侧电压483Vdc(电压平均值为462Vdc)。 

计算过程:

根据公式(2-1)计算电容容量得:

考虑元器件寄生参数的影响和控制的延时,k取值0.05~0.06,得到DC_LINK的容值1800~3200uf。

根据公式(2-2)计算电容的耐压:

考虑最恶劣情况下(制动时,母线电压达到700Vdc左右),故电容的耐压要求≥700Vdc。

客户实际选取ADSO薄膜电容方案:

母线电容:DLG-800-800-0860(800VDC-800uF,尺寸D86H174)的电容4个并联使用。

IGBT吸收:SNB-1200-0.82-T250(1200VDC-0.82uF,孔距22~28)的电容3个使用。

2.4 DC_LINK电容种类选取

DC_LINK电容,目前主要有金属化薄膜电容和铝电解电容两种。金属化薄膜电容是采用金属化薄膜材料卷绕而成的一种新型直流电容,其中有机高分子材料为绝缘介质,高分材料上的金属镀层为电极;而铝电解电容为铝箔卷绕而成的一种直流电容,其中阳极箔的铝氧化层为绝缘介质,未氧化的阳极箔为正极,阴极箔和浸渍在电解纸上的电解液为负极。

两种类型的电容的设计工艺、材料、到电原理都有很大的差异,主要表现在:薄膜电容通电流能力强、单体耐压高、寿命长;电解电容通流能力小、单体耐压低、寿命短。

上述特性带来了两者在使用时存在很大的差异,往往电解电容容量要选取的大一些,满足高纹波通流的要求。

薄膜电容的取法:


通用经验为“1A输出电流对应15~25uF电容量”的原则。

电解电容的取法:

国内外著名变频器生产厂家基本遵守“1A输出电流对应50~80uF电容量”的原则。

说明:直流侧电容容量的选取由公式(2-1)明确给出。影响直流侧电容容量选取主要有2个方面的因数:(1)直流侧电压的设定值;(2)设计允许的直流侧电压纹波。实际设计时,根据控制算法而设定不同的直流侧电压以及电压纹波,电容容值根据需要做相应的调整。

         使用ADSO电容的优势

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