电解电容器常作为变频器/逆变器的整流滤波电容器。一般认为其最主要参数是额定电压与电容量,这种认识源于常规电子技术中单相整流电路的习惯。
三相整流电路中每个电源周期共有6个波头。采用电容滤波时,每个波头仅约1/3的时间由整流器导通向输出供电,其余约2/3时间(即约2.22 ms,约为电源周期的1/9)输出功率只能由滤波电容提供。以输出功率30 kW的变频器为例,滤波电容器通常采用3300 μF/400 V电解电容器两串两并,该负载条件下整流输出平均电流约50 A。在整流器不导通的约2.2 ms时间内,滤波电容器因放电造成的电压下降约为33~35 V,约为600 V整流输出平均电压的5.5%左右。若考虑电解电容器等效串联电阻(ESR)约为68 mΩ,50 A纹波电流下的ESR压降约3.5 V,此时纹波电压幅值超过6%、约为无电容滤波时的一半。这表明整流输出滤波电容器实质上并非用于“滤波”,而是用于吸收来自整流器和逆变器的纹波电流。
变频器直流母线纹波电流的产生主要有两个来源。其一为工频整流滤波产生的纹波电流:例如三相380 V直接整流时,每千瓦输出约需滤波电容器流过6 A以上的纹波电流,30 kW变频器需滤除90 A甚至更高的纹波电流。该纹波电流可通过在整流器与滤波电容器之间加装电抗器来大幅减小。其二为逆变器产生的纹波电流——即逆变器工作时的输出频率纹波电流与开关频率纹波电流。电机驱动感应电机的开关频率纹波电流幅值很高,这类纹波电流是所有变频器/逆变器都无法靠自身消除的,只能由滤波电容器吸收。以驱动30 kW感应电机为例,直流母线至少会产生约60 A纹波电流,该电流在滤波电容ESR上产生明显功耗。由于成本限制,至今没有厂商将滤波用铝电解电容的纹波电流限制在额定纹波电流以下,因此对寿命要求较高的应用,采用电解电容作滤波电容的变频器/逆变器须定期更换滤波电容;在不便定期更换的场合,只能定期报废整机,这既不利于可靠性也不利于降低成本。
那么变频器直流母线上是否可以不设滤波电容?结论是绝对不可以。在逆变器开关管开关过程中可产生高达400 A/μs的电流变化率,在1 μH的寄生电感上将产生约400 V的感生电势,因此需用滤波电容进一步减小直流母线的寄生电感。为降低寄生电感引起的阻抗,最简便的办法是在直流母线上并接低ESR、低ESL的电容器,即通常所说的突波吸收电容器。
影响变频器性能的电解电容器特性主要有:
a. 电解电容器的ESR。变频器中所有纹波电流流过电解电容,在ESR上产生功耗并转化为焦耳热。以30 kW变频器为例,并联于直流母线的电解电容总ESR约60~90 mΩ,纹波电流约80~90 A,两并两串的电容上约产生40~70 W功耗,每只电容损耗约10~20 W。电解电容器散热性能较差,这将导致较高温升,进一步缩短其寿命。
b. 电解电容器的阻抗-频率特性。高频段主要体现其感抗。许多厂商并未给出寄生电感参数,但该寄生电感直接影响逆变器性能。例如两只串联电容的寄生电感为200 nH时,电流变化率500 A/μs会在直流母线产生约100 V感生电势,增加逆变器开关损耗与电磁干扰。
c. 性能修补。为减小ESR、ESL对逆变器性能的影响,通常需在直流母线上并接变频器专用缓冲电容器,以降低直流母线阻抗。
d. 电解电容器的主要参数。除额定电压与电容量外,ESR、ESL、额定纹波电流及寿命等参数对变频器性能均有重要影响,选型时应一并考虑。