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变频器用大型铝电解电容器
http://www.dykf.com  2007-9-16  电源开发网
          ★★★

变频器用大型铝电解电容器

余小文,邹云鹏,何维满

(江西信达电子有限公司,江西  景德镇  333000)  

1  引言

    变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。随着电力电子器件的发展,变频技术也在不断发展。从20世纪80年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。目前,变频器已广泛地应用在电力、能源、冶金、矿山和石化等行业的大功率风机、水泵等设备中。变频器的变频调速功能,不仅创造了明显的直接经济效益,而且也能带来更大的宏观经济效益和社会效益。

    低压通用变频器,其主电路控制方式一般采用VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频和矩阵式交-交控制变频等。除采用矩阵式交交控制方式的变频器外,另三种控制方式的变频器其电路结构均为交-直-交变频。其共同点是输入功率因数低、谐波电流大,直流电路均需要大的储能电容。而矩阵式交-交变频虽省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容器。但该技术目前尚未成熟,不能推广应用。因此在目前实用的变频器中,均需使用大型铝电解电容器来平滑变频电路的输入电压。

2  变频器对大型铝电解电容器的技术要求

    变频器的简单工作原理图如图1所示。

图1   变频器的简单工作原理图

    图1中示出,有两处需用铝电解电容器,该种大型铝电解电容器是用于平滑滤波的,对其主要技术要求如下:

    1)耐大纹波电流;

    2)体积小,是一般电解电容器的2/3~3/4;

    3)高压、大容量、即高CV值;

    4)长寿命;

    5)高可靠性和安全性。

    江西信达电子公司研制成功的CDC03型螺钉结构大型铝电解电容器就具备上述特点,该产品的主要性能指标详见表1和表2所列,外形图如图2所示,外形尺寸如表3所列。

图2  外形图及尺寸表

表1  CDC03型主要技术指标
使用环境温度/℃ -25~+85
额定电压范围/V 400
标称电容量范围/μF 1000~10000
标称电容量允许偏差 M(±20%)
漏电流 ≤0.01CRUR(μA)或5mA(取较小者)(5min)
损耗角正切值(tgδ)(25℃、120Hz) 0.25
耐久性 +85℃,施加带纹波电流的额定工作电压3000h,恢复16h后电容量变化率:±20%初始测量值以内漏电流:≤初始规定值损耗角正切值:≤200%初始规定值
高温贮存 +85℃、500h后,施加额定工作电压30min,恢复24~48h后电容量变化率:±10%初始测量值以内漏电流:≤初始规定值tanδ:≤200%初始规定值

表2  CDC03型标称电容量CR、额定电压UR、额定纹波电流Ir与外形尺寸对应表

UR=400V
CR/μF D×L/mm×mm Ir/A
1000 50×75 5
1500 50×100 5.6
2200 75×85 6.9
3300 75×102 9.5
4700 75×102 12
6800 80×150 16.5
8200 80×150 18.1
10000 90×157 25

表3外形尺寸mm
D±1.0 50 50 75 75 80 90
L 75 100 85 102 150 157
F±0.5 22 22 32 32 35 32

3  影响大型铝电解电容器耐纹波电流能力的因素

    通常情况下纹波电流Ir

    Ir=(1)

式中:α为散热系数;

      Δt为电容芯包温度与环境温度差(温升);

      A为电容外表面积。

    从式(1)中可知,纹波电流Ir成正比。散热系数α,它包括幅射散热和对流散热,它不仅与产品表面的温度差、直径大小、直立或横卧有关,而且与芯包结构、电容器内的导热情况、热流方向、芯包固定方式等密切相关。

    由铝电解电容器等效电路可知

    tanδ=ωCR(2)

式中:R为等效串联电阻,它由三部分所组成,即

    R=R1R2R3(3)

式中:R1是氧化膜介质损耗所代表的等效串联电阻;

      R3是极板、导电层的欧姆电阻以及其间的接触电阻;

      R2是电解质所代表的等效串联电阻,即

     R2=φ·ρ·d/2s(4)

式中:φ为电解纸的渗透系数;

      ρ为工作电解液的电阻率(Ω·cm);

      d为电解纸的厚度(cm);

      s为阳极箔的外观几何尺寸(cm2)。

    由以上分析可知,选用氧化膜介质损耗小的铝箔,选择渗透系数小、厚度薄的电解纸,降低工作电解液的电阻率和粘度,改进产品结构等都可明显降低产品的tanδ。通过降低tanδ,增大产品的散热系数,都可提高产品耐纹波电流的能力,从而保证产品达到寿命长等要求。

4  原材料的选用

4.1  工作电解液的研制

    为满足大纹波电流、长寿命、高可靠性等要求,研制了电阻率低、闪火电压高、形成能力强、高温性能稳定的新型高性能工作电解液。

4.2  阳极箔和电解纸的选择

    CDC03型产品选用了化成电压较高、氧化膜质量稳定、比容恰当的进口化成箔;选用了从NKK公司进口的高密度、薄型、耐电压高的综合性能优良的电解纸。

5  芯包结构和零部件的设计

5.1  芯包结构的设计

    将阳极箔均匀分段,采用多对引线条引出和特殊芯包结构,明显地减小了极板的等效串联电阻,降低了产品的tanδ,从而提高了产品耐纹波电流的能力。

5.2  零部件的设计

    设计了新型盖板和铝外壳。此新型盖板使用了性能更优的聚苯硫醚工程塑料作为主体材料,并采用了复合结构的引出螺母,设计了防爆性能更优、可靠性高、一致性好的防爆阀。

6  硬件的保障

    为了保证产品具有高的可靠性、安全性及实现特殊芯包结构,信达公司斥巨资引进了大型全自动铆卷机和铝壳封口机,设计制造了特殊的老化和老化筛选设备。

7  关键工艺的研究、控制和保证

    在铝箔分切时,对切割毛刺和铝箔粉尘进行了加严控制。研制了新型铆装工艺,制作了专用铆装模具。研究出了特殊的老化及老化筛选工艺。

8  产品试验情况和用户使用情况

    根据以上分析,选择合适的阳极箔和电解纸,浸渍新型的工作电解液,使用新设计的零部件,采用特殊的制造工艺生产的CDC03型400V10000μFφ90×157产品,其试验情况详见表4。

表4  CDC03型400V10000μFφ90×157产品的寿命试验情况
项目 常温 施加额定负荷3000h后
C/μF tanδ IL/mA,5min(系试验5min时测得的漏电流值) |ΔC/C|/% tanδ IL/mA,5min
试样X 9116 0.059 1.8 3.89 0.082 1.6
标准 8000~12000 0.250 5 20 0.500 5
注:该产品在50Hz下实际施加的纹波电流仍为25A,即纹波电流频率系数为1。

9  建议

    1)目前我国铝电解电容器的技术质量水平已经发生了质的飞跃,对于变频器用大型铝电解电容器,无论从质量上还是价格上乃至售后服务,已经和国外同类产品难分伯仲,完全可以替代进口产品。

    2)在变频器设计时,建议适当考虑可靠性与冗余设计的问题,避免此类电解电容器出现早期失效。

来源:电源技术应用0303  作者:余小文 邹…  点击:  录入:admin
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