變頻器用大型鋁電解電容器??

摘要：針對用于變頻器中的大型鋁電解電容器的技術特點，重點分析了影響此類電容器耐紋波電流能力的因素。通過選用合適的原材料、設計零部件等，使得該型號產(chǎn)品的性能參數(shù)完全達到了其技術指標，并能滿足用戶的需求。

關鍵詞：變頻器；鋁電解電容器；紋波電流

1? 引言

??? 變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。隨著電力電子器件的發(fā)展，變頻技術也在不斷發(fā)展。從20世紀80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投入市場并獲得了廣泛應用。目前，變頻器已廣泛地應用在電力、能源、冶金、礦山和石化等行業(yè)的大功率風機、水泵等設備中。變頻器的變頻調速功能，不僅創(chuàng)造了明顯的直接經(jīng)濟效益，而且也能帶來更大的宏觀經(jīng)濟效益和社會效益。

??? 低壓通用變頻器，其主電路控制方式一般采用VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻和矩陣式交－交控制變頻等。除采用矩陣式交?交控制方式的變頻器外，另三種控制方式的變頻器其電路結構均為交-直-交變頻。其共同點是輸入功率因數(shù)低、諧波電流大，直流電路均需要大的儲能電容。而矩陣式交-交變頻雖省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容器。但該技術目前尚未成熟，不能推廣應用。因此在目前實用的變頻器中，均需使用大型鋁電解電容器來平滑變頻電路的輸入電壓。

2? 變頻器對大型鋁電解電容器的技術要求

??? 變頻器的簡單工作原理圖如圖1所示。

圖1?? 變頻器的簡單工作原理圖

??? 圖1中示出，有兩處需用鋁電解電容器，該種大型鋁電解電容器是用于平滑濾波的，對其主要技術要求如下：

??? 1)耐大紋波電流；

??? 2)體積小，是一般電解電容器的2/3～3/4；

??? 3)高壓、大容量、即高CV值；

??? 4)長壽命；

??? 5)高可靠性和安全性。

??? 江西信達電子公司研制成功的CDC03型螺釘結構大型鋁電解電容器就具備上述特點，該產(chǎn)品的主要性能指標詳見表1和表2所列，外形圖如圖2所示，外形尺寸如表3所列。

圖2? 外形圖及尺寸表

表1? CDC03型主要技術指標

表2? CDC03型標稱電容量CR、額定電壓UR、額定紋波電流Ir與外形尺寸對應表

表3外形尺寸mm

3? 影響大型鋁電解電容器耐紋波電流能力的因素

??? 通常情況下紋波電流Ir為

??? Ir=(1)

式中：α為散熱系數(shù)；

????? Δt為電容芯包溫度與環(huán)境溫度差（溫升）；

????? A為電容外表面積。

??? 從式（1）中可知，紋波電流Ir與和成正比。散熱系數(shù)α，它包括幅射散熱和對流散熱，它不僅與產(chǎn)品表面的溫度差、直徑大小、直立或橫臥有關，而且與芯包結構、電容器內的導熱情況、熱流方向、芯包固定方式等密切相關。

??? 由鋁電解電容器等效電路可知

??? tanδ=ωCR(2)

式中：R為等效串聯(lián)電阻，它由三部分所組成，即

??? R=R1＋R2＋R3（3）

式中：R1是氧化膜介質損耗所代表的等效串聯(lián)電阻；

????? R3是極板、導電層的歐姆電阻以及其間的接觸電阻；

????? R2是電解質所代表的等效串聯(lián)電阻，即

???? R2=φ·ρ·d/2s(4)

式中：φ為電解紙的滲透系數(shù)；

????? ρ為工作電解液的電阻率（Ω·cm)；

????? d為電解紙的厚度（cm）；

????? s為陽極箔的外觀幾何尺寸（cm2）。

??? 由以上分析可知，選用氧化膜介質損耗小的鋁箔，選擇滲透系數(shù)小、厚度薄的電解紙，降低工作電解液的電阻率和粘度，改進產(chǎn)品結構等都可明顯降低產(chǎn)品的tanδ。通過降低tanδ，增大產(chǎn)品的散熱系數(shù)，都可提高產(chǎn)品耐紋波電流的能力，從而保證產(chǎn)品達到壽命長等要求。

4? 原材料的選用

4.1? 工作電解液的研制

??? 為滿足大紋波電流、長壽命、高可靠性等要求，研制了電阻率低、閃火電壓高、形成能力強、高溫性能穩(wěn)定的新型高性能工作電解液。

4.2? 陽極箔和電解紙的選擇

??? CDC03型產(chǎn)品選用了化成電壓較高、氧化膜質量穩(wěn)定、比容恰當?shù)倪M口化成箔；選用了從NKK公司進口的高密度、薄型、耐電壓高的綜合性能優(yōu)良的電解紙。

5? 芯包結構和零部件的設計

5.1? 芯包結構的設計

??? 將陽極箔均勻分段，采用多對引線條引出和特殊芯包結構，明顯地減小了極板的等效串聯(lián)電阻，降低了產(chǎn)品的tanδ，從而提高了產(chǎn)品耐紋波電流的能力。

5.2? 零部件的設計

??? 設計了新型蓋板和鋁外殼。此新型蓋板使用了性能更優(yōu)的聚苯硫醚工程塑料作為主體材料，并采用了復合結構的引出螺母，設計了防爆性能更優(yōu)、可靠性高、一致性好的防爆閥。

6? 硬件的保障

??? 為了保證產(chǎn)品具有高的可靠性、安全性及實現(xiàn)特殊芯包結構，信達公司斥巨資引進了大型全自動鉚卷機和鋁殼封口機，設計制造了特殊的老化和老化篩選設備。

7? 關鍵工藝的研究、控制和保證

??? 在鋁箔分切時，對切割毛刺和鋁箔粉塵進行了加嚴控制。研制了新型鉚裝工藝，制作了專用鉚裝模具。研究出了特殊的老化及老化篩選工藝。

8? 產(chǎn)品試驗情況和用戶使用情況

??? 根據(jù)以上分析，選擇合適的陽極箔和電解紙，浸漬新型的工作電解液，使用新設計的零部件，采用特殊的制造工藝生產(chǎn)的CDC03型400V10000μFφ90×157產(chǎn)品，其試驗情況詳見表4。

表4? CDC03型400V10000μFφ90×157產(chǎn)品的壽命試驗情況

9? 建議

??? 1）目前我國鋁電解電容器的技術質量水平已經(jīng)發(fā)生了質的飛躍，對于變頻器用大型鋁電解電容器，無論從質量上還是價格上乃至售后服務，已經(jīng)和國外同類產(chǎn)品難分伯仲，完全可以替代進口產(chǎn)品。

??? 2）在變頻器設計時，建議適當考慮可靠性與冗余設計的問題，避免此類電解電容器出現(xiàn)早期失效。