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变频器用整流滤波电容器的性能分析
2009年09月14日作者：陈永真来源：《中国电源博览》编辑：樊晓琳
摘要：电解电容器作为变频器/逆变器的整流滤波电容器，通常认为其最主要的参数是额定电压、电容量，通常采用电解电容器作为整流滤波电容器。实际对于三相桥式整流电路输出母线的电解电容器的能主要的作用是吸收直流母线上的整流纹波电流和由于逆变器所产生的纹波电流。因而电解电容器的ESR、ESL以及由此而产生的阻抗频率特性将显得比电容量更为重要。
关键词：电解电容器ESR纹波电流寿命
Abstract：ElectrolyticCapacitorusedasrectifyfiltercapacitoroftransducer/inverter,themostimportantparametersofitareactuallyrecognizedasratingvoltage、capacitance,electrolyticCapacitorisactuallyusedasrectifyfiltercapacitor.Inpractical,takenintherectifierripplecurrentoftheDCbusandtheripplecurrentcreatedbytheinverterarethemostimportantfunctionsofelectrolyticCapacitorusedinthreephasebridgerectifieroutputbus.So,ESR、ESLoftheelectrolyticCapacitorandtheresistancefrequencycharacteristicfollowedbyitareseemedtobemoreimportantthancapacitance.
Keywords：electrolytecapacitorESRripplecurrentusinglife
1.电解电容器的作用
电解电容器作为变频器/逆变器的整流滤波电容器，一般认为：电解电容器的最主要的参数是额定电压、电容量，通常采用电解电容器作为整流滤波电容器，这种思想是受常规电子技术的单相整流电路的影响。在三相整流电路中，每个电源周期共有6个波头，如采用电容器滤波，则每个波头仅1/3的时间是整流器导通向输出供电，剩下的2/3的时间，输出功率就只能靠电容器提供，这个时间约为电源周期的1/9，即2.22mS。以输出功率为30kW的变频器，滤波电容器通常采用3300μF/400V电解电容器两串两并。在这种负载条件下的整流输出的平均值电流约为50A。在整流器不工作的2.2mS的时间内，滤波电容器由于放电造成的电压下降为33～35V，是600V整流输出平均电压的0.055，如考虑电解电容器的等效串联电阻约为68mΩ，50A纹波电流下的ESR电压降将达到3.5V，这时的纹波电压幅值将超过6%，约为没有电容器滤波时的一半，表明整流输出滤波电容器实际上不是用来滤波的，而是用来吸收来自整流器和逆变器的纹波电流。
变频器主流母线中的纹波电流的产生主要有两个方面：工频整流滤波的纹波电流，在电容输入滤波工作状态时滤波电路中尤为明显，其纹波电流的有效值大约为整流输出电流平均值的3倍或更高，对于3相380V直接整流来说，每千瓦输出大约需要滤波电容器流过6A以上的纹波电流，对于一个30千瓦的变频器，滤波电容器需要滤掉90A甚至更高的纹波电流，当然这个纹波电流可与通过在整流器与滤波电容器之间接一个电抗器来大大减小。但是产生纹波电流的另一个源（逆变器产生的纹波电流）却绝对不能采用串入电抗器解决；产生纹波电流的另一个原因就是逆变器工作时产生的输出频率下的纹波电流和开关频率下的纹波电流，逆变器输出频率的纹波电流以逆变器驱动感应电动机为例，要产生很高幅值得开关频率下的纹波电流，第二种纹波电流是所有变频器/逆变器无法自身消除掉的，只能利用滤波电容器来吸收，如变频器驱动30kW的感应电机时，变频器的直流母线上至少要产生60A的纹波电流！这个滤波电流将在滤波电容器的ESR中产生明显的功率损耗。由于成本的限制，直到现在，没有一个变频器生产厂家将滤波用铝电解电容器的纹波电流限制在电解电容器的额定纹波电流以下，因此对于需要较长的应用寿命应用领域下的变频器/逆变器采用电解电容器作为滤波电容器将不得不定期更换滤波电容器，而在不能定期更换滤波电容器的场合下，只能是定期的报废变频器/逆变器，这样既不利于确保可靠性也不利于低成本使用。
那么变频器的直流不想上是否可以没有滤波电容器？结论是绝对不可以的。在逆变器的开关管开关过程中，可以产生400A/μs甚至更高的电流变化，在1μH的电感上将产生400V的感生电势，因此，需要用滤波电容器进一步减小主流母线的寄生电感。为