功率变换器中电容器的应用

功率变换器中电容器的应用

0直流支撑电容在功率变换器中，与直流压直接线（即支撑电）相结合的电动汽车（主要用于吸收直流压垂直输入的高动态脉动电流，并避免在输出变量的抗逆性中产生高动态电压。使电源输出的直接电源电压在有效范围内波动，防止直接断开矩阵的瞬时性泄漏对电源装置和设备的影响。直流支撑电容可选用铝电解电容器或金属化薄膜电容器。作为功率变换器中的关键元器件之一,支撑电容器可靠性非常重要,而可靠性的主要考核指标之一是有效值电流的承受能力,即设计选型时能以电容器有效电流值的大小来考核电容器是否满足功率变换器系统的要求。1功率变换器电容器的可靠性现在,人们期望功率变换器在电气和气候工作条件方面性能更好,设立了具有挑战性的标准,其中功率变换器的电容器的可靠性显得越来越重要。金属化薄膜电容器载流能力高,电感低,设计灵活,有多种安装选择,热电性能稳定,可靠性高且使用寿命较长,与电解电容器相比,更具优势。1.1电容器上的平衡电压传统的铝电解电容器容量高、电压平滑效果好且成本低,但必须以串联方式才能达到高电压值。同时,由于各电容器的绝缘电阻不同,使用时必须在每个电容器上连接电阻器以平衡电压。此外,加在电容器上的正向电压若超过额定电压的1.5倍,则在电容器内部会引发化学反应。如果这种电压持续一定时间,电容器要么发生爆炸,或者随着电容器内部压力的释放,电解液会流出,易造成酸污染。1.2温度好,在一般情况下,能在半干重、不易损害、无极性、不受脉冲脉冲电压的条件下工作金属化薄膜电容器体积小,寿命长,没有酸污染,可长时间存储,无液体泄漏现象。其介质损耗小,温度特性好,能在120℃下长期工作;无极性,能长期承受反向脉冲电压;耐压高,能承受1.5倍额定电压的过电压;承受尖峰电压、有效电流和峰值电流的能力高;电感量小,充放电速度快;抗浪涌能力强。2布局能量变换中选择电池的原则2.1功率变换器的选择对有高额定电压要求的功率变换器,金属化薄膜电容器的性能参数能很好地满足系统要求。在实际应用中,对900V以上的功率变换器,金属化薄膜电容器是很好的选择。对有高容值要求的功率变换器,最好选用铝电解电容器。2.2电容器寿命的影响电容器的最大热点温度max是影响其寿命的重要因素之一,功率变换器中,电容器的max由式(1)决定:式中:A——环境温度;tg0——电介质损耗;Rth——热阻;Rs——串联电阻;Irms——电流有效值;C——电容器的容量。金属化薄膜电容器的寿命一般较长,由直流母线电压(工作电压)与电容器的环境温度决定。图1示出直流滤波电容器的寿命曲线。可以看出,在70℃环境工作温度、额定工作电压条件下,金属化薄膜电容器的设计寿命为100000h;如果留有稍许设计裕量,电容器的寿命将显著延长。铝电解电容器的寿命极易受温度影响,因为温度极大地影响铝电解电容器内部电解液的扩散速度。根据Arrhenius的物理定律,温度每升高10℃,电解液的扩散速度加倍,即铝电解电容器的寿命缩短一半。图2示出铝电解电容器的寿命曲线,可以看出,功率变换器在额定工作电压且电容器工作环境温度为85℃的情况下,铝电解电容的设计寿命只有1000h,远低于金属化薄膜电容器的。3设计各种电路的直冲直驱容量电波电压和体积3.1直流支撑电容器的设计及选用图3示出机车250kVA辅助逆变器的拓扑,其输出功率P=250kW,输出电压为380V。当中间直流电压UDC=900V时,考虑到电压波动及电容器工业设计标准,则直流支撑电容器的耐受电压值设计为1100V。电路设计选择直流支撑电容器时,重点考虑最大热点温度及纹波电流的大小。采用SVPWM调制时,调制比M及直流支撑电容器的纹波电流Iinh的计算如下:式中:UP——逆变器交流侧输出相电压峰值;IO——逆变器模块侧交流输出相电流;——相角。当UP取相电压峰值时,相角=90°或=270°,此时电容器的纹波电流。根据直流电压动态响应性能的要求,在额定容量运行情况下,当逆变器突加50%负载时,在电压环PI调节器调用时间间隔(t=175μs)内,直流电压最大波动应小于5%,则直流支撑电容值C应满足式(4)要求。由计算可知,C≥554μF。因此选用纹波电流大于166A、容值大于554μF的电容器,即可满足该辅助逆变器电路对直流支撑电容的要求。3.2umax—电网供电的电机驱动电路电网供电的电机驱动电路拓扑如图4所示,其直流电压波形如图5所示。设计时应考虑直流支撑电容器纹波电流的大小。确定直流支撑电容器的容量大小时,考虑到电网频率比逆变器频率低,故电容C及其电流有效值Irms的计算公式如下:式中:P——逆变器负载功率;Uripple——纹波电压;f——频率;Umax——直流母线电压最大值。将式(5)代入式(6),则有:图6示出UDC=1000V,Uripple=200V时逆变器负载功率和电容的对应关系。根据式(7)可计算出不同逆变器负载功率下直流支撑电容器纹波电流有效值的大小:Irms=2468A(P=1MW);Irms=1234A(P=500kW);Irms=247A(P=100kW)为了方便比较,选择电流承受能力为5mA/μF的电解电容器。当1MW功率变换器所需要的有效值电流为2468A时,按5mA/μF电流承受能力计算,得出需要的最小容值为493.6mF。如选择电流承受能力为200mA/μF的金属化薄膜电容器,则所需的最小容值为12.34mF。对于三相6脉波、频率为300Hz的整流器,对应1MW功率变换器需要使用的电容器容量约为18.5mF(低频部分放大后曲线如图7所示)。可见,使用金属化薄膜电容器,与电解电容器相比,其容量值可小很多,且具有更高的可靠性。3.3直流电电压的计算轻型牵引供电电路应用于地铁列车、轻轨列车及电车等,图8示出地铁供电电路拓扑。当受电弓接触网断开时,变换器能量主要靠直流支撑电容器提供,导致直流母线电压降低。受电弓若重新接触电网,直流母线将出现过压(图9),因此该电路设计选择直流支撑电容器时,重点考虑过电压及电容器峰值电流问题。直流母线过电压具体计算如式(8)~式(11)所示。式中:Undc——额定直流电压;ΔU——直流母线波动电压;L——线路电感;C——直流输入电容;、0、——电路常数。功率变换器的直流母线过电压大于额定电压,甚至可能会达到额定电压的1.5倍。国内地铁供电电源额定电压一般为DC1500V,如果选择电解电容器,则至少需要5只450V电容器相串联;若选用金属化薄膜电容器,则只需2只1100V电容器相串联即可满足要求。选择电容器时,还必须考虑其峰值电流大小。由于直流母线过电压U0的出现,在直流回路里将会出现瞬时过电流,随之在电容器上将会出现峰值电流i(t),具体计算如下:在几个周期后,电流变为0,那么:端间短路放电过程中也将产生这种能量,其间会产生振荡,输出非常大的峰值电流,这是电解电容器所不能承受的;而金属化薄膜电容器可以承受这种过电压带来的峰值电流,因此是轻型牵引供电电源功率变换器直流支撑电容的一种较好选择。4功率变换器的设计依据本文为电力电子功率变换器优化设计