長(zhǎng)期以來(lái), 鋁電解電容因其價(jià)格便宜導(dǎo)致其使用最為廣泛, 然而最近幾年這種趨勢(shì)卻發(fā)生了顯著變化, 避免使用鋁電解電容的情況正在增加, 主要原因在于鋁電解電容的壽命較短, 這一缺陷往往成為設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)[1-4]。鋁電解電容內(nèi)部的電解液會(huì)蒸發(fā)或產(chǎn)生化學(xué)變化, 導(dǎo)致靜電容量減少或等效串聯(lián)電阻 (ESR) 增大, 隨著時(shí)間的推移, 很可能出現(xiàn)電解液泄漏、爆炸、開(kāi)路、擊穿或電參數(shù)惡化等現(xiàn)象。因此, 鋁電解電容的壽命短是導(dǎo)致其逐漸被替代的重要原因。影響鋁電解電容壽命的原因很多, 其中工作條件是主要因素, 而溫度是對(duì)電解電容工作壽命影響最大的因素, 過(guò)高的熱量將加速電解液蒸發(fā), 當(dāng)電解液的存量減少到一定極限時(shí), 電解電容的壽命也就終止了。

鋁電解電容被逐漸替代的原因, 不僅在于其壽命有限, 還在于當(dāng)設(shè)備需要縮小體積、提高電路耐壓能力和增大電流時(shí), 鋁電解電容也會(huì)有一定的限制。迅速擺脫那些限制的方法就是選用其他類型的電容[5-7]。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始, 金屬化膜及膜上分割技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展, 使薄膜電容的體積和重量減小了3~4倍, 因此薄膜電容的工作電壓比鋁電解電容能更加經(jīng)濟(jì)地覆蓋到600VDC~1 200VDC這個(gè)范圍。

文獻(xiàn)[8]分析了鋁電解電容壽命老化的機(jī)理, 并通過(guò)計(jì)算剩余電解質(zhì)的體積來(lái)估算電解電容的剩余壽命。該文在計(jì)算過(guò)程中考慮了溫度對(duì)電解電容的等效串聯(lián)電阻ESR的影響。文獻(xiàn)[9]通過(guò)計(jì)算電容的ESR值實(shí)現(xiàn)損傷評(píng)估, 提出了一種基于直流電壓檢測(cè)的ESR檢測(cè)方法。該方法僅需檢測(cè)DC/DC變換器的直流側(cè)電壓, 然后通過(guò)濾波、整流等步驟提取出直流輸出電壓中紋波電壓的特征量, 并將此用于標(biāo)志電解電容ESR的大小。文獻(xiàn)[10]給出了電解電容核心溫度的理論計(jì)算方法, 對(duì)于使用阿倫尼烏斯方程的電解電容壽命評(píng)估方法也進(jìn)行了詳細(xì)分析, 并采用參數(shù)辨識(shí)的方法對(duì)電解電容的ESR進(jìn)行提取, 以之作為估算電解電容損傷程度的依據(jù)。文獻(xiàn)[11-14]提出了使用直流紋波電壓和紋波電流在線計(jì)算ESR的方法, 通過(guò)對(duì)直流紋波電壓和電流基波的比值計(jì)算ESR, 并在紋波電壓和電流中濾除其直流成分, 防止負(fù)載變化的干擾。文獻(xiàn)[15]從鋁電解電容疲勞損傷機(jī)理出發(fā), 基于已知的老化規(guī)律對(duì)線性損傷理論在鋁電解電容疲勞損傷評(píng)估過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行了探索, 提出了一種基于累積迭代的鋁電解電容器直接疲勞損傷評(píng)估方法。文獻(xiàn)[16]分別從紋波、壽命、掉電維持時(shí)間等方面給出了電解電容的選型方法。

文中在總結(jié)以上研究成果的基礎(chǔ)上, 推導(dǎo)了直流支撐電容容值及電容電流有效值的計(jì)算公式, 得到了兩者與負(fù)載功率、直流電壓、紋波電壓及頻率的關(guān)系, 并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算和分析;對(duì)薄膜電容與電解電容的壽命進(jìn)行了分析, 比較了兩種電容壽命的影響因素, 給出各自的優(yōu)缺點(diǎn);對(duì)兩種大型電力電容分別采用薄膜電容與電解電容兩種方案進(jìn)行了設(shè)計(jì), 對(duì)比分析了采用兩種方案時(shí)薄膜電容與電解電容的體積與重量。

電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常通過(guò)整流器將三相交流電變?yōu)橹绷麟? 然后通過(guò)逆變器變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī), 直流側(cè)一般需安裝直流支撐電容。

直流支撐電容的容值近似由式 (1) 確定。

式中:Urip為電壓紋波幅值;Umax為電壓最大值;Pload為負(fù)載功率;Frec為整流輸出電壓頻率。

流過(guò)電容的有效值電流近似表達(dá)式為

下面以一個(gè)具體的例子來(lái)加以說(shuō)明。

直流電壓為1 000V, 紋波電壓為200V, 根據(jù)式 (1) 可得到在不同功率等級(jí)情況下電容容值隨頻率的變化曲線 (見(jiàn)圖1) 。

根據(jù)式 (2) 可求得當(dāng)功率為1 MW、100kW、10kW、5kW、1kW時(shí), 所需直流支撐電容的電流有效值分別為2 221A、222A、22A、11A以及2.2A。在功率為1 MW的情況下使用電解電容, 考慮到電解電容的有效值電流被限制在約20mA/μF, 當(dāng)有效值電流為2 221A時(shí), 需要的最小容值約為111mF。由圖1可以看出, 對(duì)于三相整流系統(tǒng)而言, 頻率為300 Hz時(shí), 對(duì)應(yīng)1 MW的曲線需要16.67 mF的容值。顯然, 與電解電容相比, 如使用薄膜電容方案, 由于其有效值電流被限制約為1A/μF, 因此容值可以大大減小, 從而體積可以大大縮小, 且具有更高的可靠性。對(duì)于更低功率的情況下, 同樣能夠給出相同的結(jié)果。

在某些工況下, 直流支撐電容上會(huì)出現(xiàn)2倍額定電壓的過(guò)電壓, 薄膜電容可以承受這種過(guò)電壓, 而由于電解電容僅可承受最大約1.2倍的額定電壓, 如額定電壓為1 000V, 則電解電容的最低額定電壓應(yīng)約為1 670V, 需要用4個(gè)額定電壓為450V的電解電容進(jìn)行串聯(lián)。

對(duì)于要求高額定電壓的場(chǎng)合, 薄膜電容的解決方案無(wú)疑很有優(yōu)勢(shì), 但對(duì)于要求高容值的場(chǎng)合, 薄膜電容解決方案的競(jìng)爭(zhēng)力就會(huì)有所降低。

薄膜電容允許有很長(zhǎng)的壽命期望, 其壽命的長(zhǎng)短由電壓條件與熱點(diǎn)溫度決定。

薄膜電容壽命曲線如圖2所示, 在工作電壓為額定電壓、熱點(diǎn)溫度為70 ℃的情況下, 薄膜電容器設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)100kh。壽命結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)為電容容值減小15% , 然而這是壽命結(jié)束的理論值, 因?yàn)樵诘竭_(dá)該點(diǎn)后, 電容器仍然能夠使用。如果在應(yīng)用中允許容值減小20% , 壽命將得到顯著的增加。同時(shí), 為達(dá)到電容的壽命期望值, 電容使用塑料殼或鋁殼并被樹(shù)脂密封, 保護(hù)電容不受環(huán)境的影響。

電解電容最簡(jiǎn)單的壽命估算方法如式 (3) 所示[10, 15]。

式中:L1和L2分別為溫度T1和T2時(shí)電解電容的壽命。

從式 (3) 可知, 電容的溫度每上升10℃, 其壽命降為原來(lái)的1/2。但需注意的是, T1和T2不應(yīng)僅考慮電容的環(huán)境溫度, 還要考慮電容的內(nèi)部核心熱點(diǎn)溫度, 其表達(dá)式為

式中:Tac為環(huán)境溫度;ΔT為電容內(nèi)核的溫升。

根據(jù)熱力學(xué)定律, 有

式中:Ploss為電容內(nèi)部的發(fā)熱功率,

Rth1和Rth2分別為電容內(nèi)部電解質(zhì)和鋁殼之間、鋁殼和外部環(huán)境之間的熱阻。通過(guò)觀察式 (3) ~ (5) 不難發(fā)現(xiàn), 電容內(nèi)部發(fā)熱是其電解質(zhì)散失、發(fā)生老化現(xiàn)象的根本原因之一。

Ploss受下面幾種因素的影響。

1) 環(huán)境溫度Tac:當(dāng)紋波電流一定時(shí), 環(huán)境溫度越高, 鋁電解電容器使用壽命越短;相反, 若降低工作溫度則可以大大延長(zhǎng)使用壽命。故實(shí)際設(shè)計(jì)中, 要求電解電容器應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱源。

2) ESR:隨著老化的加劇, ESR逐漸增加, 從而Ploss、ΔT增加, 并最終形成正反饋過(guò)程。

3) 紋波電流Irip:紋波電流是指流過(guò)電解電容器的交流分量電流。而當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí), 在允許范圍內(nèi), 流過(guò)的紋波電流越大, 在ESR上消耗的電能轉(zhuǎn)化為熱能越多, 在電容器內(nèi)部引起的溫升就越大, 從而縮短壽命。

基于上述分析, 假設(shè)電容在溫度T0下的壽命為L(zhǎng)0, 則通過(guò)式 (3) ~ (6) 能夠最終推導(dǎo)出其壽命表達(dá)式為

其中:A為電容器表面積, cm2;H為散熱系數(shù), 通常取值為1.5~2.0×10-3 W (cm2·℃) -1。式 (9) 成立的條件是電容采用自然風(fēng)冷散熱。

單臺(tái)支撐薄膜電容容值為49 mF, 體積為400mm×175mm×860mm, 重量約為90kg, 可以承受最高1 800VDC的浪涌電壓, 極間耐壓可以達(dá)到1 650VDC。

如需用鋁電解電容替代薄膜電容器, 至少需要450VDC電壓等級(jí)的電解電容器 (市面上最常用的高壓電解電容器) 通過(guò)三串來(lái)實(shí)現(xiàn) (電解電容能夠承受的最大浪涌電壓約為1.2倍額定電壓) , 所以電解電容三串所能承受的最大浪涌電壓為450×3×1.2=1 620VDC, 與薄膜電容器相比, 在耐壓方面還略有不足。

因此, 對(duì)于49 mF的單臺(tái)支撐薄膜電容, 鋁電解電容需要采用450VDC、4 700μF的電解電容, 通過(guò)3串32并方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。電解電容型號(hào)可以選為ALS32A472NJA450, 尺寸為?77 mm×131mm, 重量為0.865kg。按照12×8排列 (12行8列) , 同時(shí)考慮到電容散熱, 每?jī)芍浑娙葜g需要隔開(kāi)最少5 mm, 所以組合電容需要的長(zhǎng)寬尺寸最少為979mm×651mm。電解電容需使用復(fù)合母排螺栓連接, 高度估算約為145mm, 所以每一組電解電容的尺寸約為979mm×651mm×145mm (如算上串聯(lián)時(shí)所需均壓電阻和固定空間體積則還需增加10% 以上) , 重量為83kg (如算上復(fù)合母排及固定安裝所需零件, 則重量最少為90kg) 。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)的對(duì)比計(jì)算可以發(fā)現(xiàn):①電解電容體積/薄膜電容體積比≈979×651×145× (1+10% ) / (400×175×860) =1.689。②電解電容重量/薄膜電容重量比≈90/90=1。

顯然, 使用電解電容方案, 其體積遠(yuǎn)大于使用薄膜電容方案, 而兩者的重量相差不大。同時(shí), 需要指出的是, 電解電容在壽命、安全性等方面遠(yuǎn)不如薄膜電容。

某大型三相三電平逆變裝置使用4臺(tái)40mF的大型電力電容作為支撐電容。單臺(tái)40 mF薄膜電容體積約為400mm×175mm×735mm, 重量約為80kg。由此可得到, 4臺(tái)40mF薄膜電容在使用時(shí)所需空間約為400 mm×700 mm×735mm, 重量約為320kg。該薄膜電容器單臺(tái)可承受最高1 800VDC的浪涌電壓, 極間耐壓可達(dá)1 650VDC。

與3.1節(jié)類似, 如需用鋁電解電容代替薄膜電容器, 則至少需要450VDC電壓等級(jí)的電解電容器通過(guò)三串來(lái)實(shí)現(xiàn), 所以電解電容三串所能承受的最大浪涌電壓為450×3×1.2=1 620VDC。

以10mF/450VDC鋁電解電容為例進(jìn)行分析。市面上10 mF/450 VDC鋁電解電容 (參照EPCOS) 的性能指標(biāo)為:尺寸?90mm×220mm, 重量1.9kg。需要電解電容采取12并3串才能滿足容量為40mF, 逆變裝置使用4臺(tái)40mF, 所以支撐電力電容的總?cè)萘繉?shí)際為160 mF, 使用10mF/450VDC鋁電解電容則需要48并3串才能滿足電容量需求。每48 只為一組, 按照8×6排列 (8行6列) , 同時(shí)考慮到電容散熱, 每?jī)芍浑娙葜g需隔開(kāi)最少5 mm, 所以每組電容需要的長(zhǎng)寬尺寸最少為755mm×565mm。電解電容需使用復(fù)合母排螺栓連接, 高度最少約為240mm, 所以每一組電解電容的尺寸最小為755 mm×565mm×240mm。

由以上分析可算出144只電解電容使用時(shí)需要的空間最少為755mm×565mm×720mm (如算上串聯(lián)時(shí)所需均壓電阻和固定空間體積, 則還需增加10% 以上) , 重量為273.6kg (如算上固定安裝所需零件, 則重量約為300kg) 。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)的對(duì)比計(jì)算可以發(fā)現(xiàn):①電解電容體積/薄膜電容體積比≈755×565×720× (1+10% ) / (400×700×735) =1.642。②電解電容重量/薄膜電容重量比≈300/320=0.937 5。

顯然, 在這種設(shè)計(jì)情況下, 使用電解電容方案, 其體積也遠(yuǎn)大于使用薄膜電容方案, 而兩者的重量相差不大。同時(shí), 需要指出的是, 電解電容在壽命、安全性等方面遠(yuǎn)不如薄膜電容。

文中通過(guò)對(duì)電解電容與薄膜電容性能的詳細(xì)論述和兩種電容優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析, 以實(shí)例驗(yàn)證表明:電解電容的壽命主要由環(huán)境溫度及流過(guò)的紋波電流大小決定, 其壽命較低是薄膜電容等固態(tài)電容在很多領(lǐng)域替代電解電容最主要的原因。兩種電容相比較而言, 薄膜電容具有壽命長(zhǎng)、耐壓高、電流承受能力強(qiáng)、能承受反壓、無(wú)酸污染并且可長(zhǎng)時(shí)間存貯等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此, 如果電容的設(shè)計(jì)要求為低電壓、低有效值電流、無(wú)反向電壓、無(wú)峰值電流及長(zhǎng)壽命, 選擇電解電容比薄膜電容會(huì)更合適。然而, 如果應(yīng)用中需要高電壓、高有效值電流、有過(guò)壓、有反向電壓、高峰值電流, 同時(shí)還要長(zhǎng)壽命, 應(yīng)優(yōu)選薄膜電容。