变频器用大型铝电解电容器

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

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

表3外形尺寸mm

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为

    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与和成正比。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=R1＋R2＋R3（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

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。