在過去多年的發(fā)展中,使用金屬化膜以及膜上金屬分割技術的DC濾波電容得到了長足的發(fā)展,現在薄膜生產商開發(fā)出更薄的膜,同時改進了金屬化的分割技術極大的幫助了這種薄膜電容的發(fā)展,聚丙烯薄膜電容能夠比電解電容更加經濟地覆蓋600VDC到2200VDC的電壓范圍.薄膜電容具有的許多優(yōu)勢,使
電解電容代換成為工業(yè)和電力電子功率變換市場的趨勢.
這些優(yōu)點包括了:
承受高的有效電流的能力
能承受兩倍于額定電壓的過壓
能承受反向電壓
承受高峰值電流的能力
長壽命,可長時間存儲
但是,只種替代并非“微法對微法”的替代,而是功能上的替代.
當然,盡管膜電容技術有了長足的進展,但不是所有的應用領域都能替代電解電容.
電解電容技術
典型的電解電容的最大標稱電壓為500 到600V.所以在要求更高電壓的情況下,使用者必須將多只電容串聯(lián)使用.同時,由于各電容的絕緣電阻不同,使用者必須在每個電容上連接電阻以平衡電壓.
此外,如果超過額定電壓1.5倍的反向電壓被加在電容上時,會引起電容內部化學反應的發(fā)生.如果這種電壓持續(xù)足夠長的時間,電容會發(fā)生爆炸,或者隨著電容內部壓力的釋放電解液會流出.為了避免這種危險,使用者必須給每個電容并聯(lián)一個二極管.
在特定應用中電容的抗浪涌能力也是考察電容的重要指標.實際上,對電解電容而言,允許承受的最大浪涌電壓是 VnDC的1.15或1.2倍(更好的電解電容).這種情況迫使使用者不得不考慮浪涌電壓而非標稱電壓.
直流支撐濾波:高電流設計和容值設計
a) 使用電池供電的情況
應用為電車或電叉車
在這種情況下,電容被用來退耦.膜電容特別適合這種應用.因為直流支撐電容的主要標準是有效值電流的承受能力.這意味著直流支撐電容能夠以有效值電流來設計
以電車為例, 要求的數據
工作電壓: 120VDC
允許的紋波電壓: 4VRMS
有效值電流: 80 ARMS @ 20 kHz
最小容值為
在膜電容中,很容易找到接近的容值.
與電解電容比較:
以每μF 20 mA為例,為了承受80A有效值電流,最小容值
b)電網供電的電機驅動
直流母線電壓波形:
容值的確定應從電網頻率比逆變器頻率低入手.使用下述等式確定容值:
流過電容的有效值電流為(近似表示式),該電流沒有考慮逆變器側的電流
通過上述近似式,我們能看出通過電容的有效值電流由負載功率Umax 和U ripple決定.
以下用一個具體的例子作解釋
直流電壓1000V, 紋波電壓200V
I rms :(P=1MW) = 2468Arms
(P=500kW) = 1234Arms
(P=100kW) = 247Arms
將低頻部分放大:
為了方便比較,我們選擇電流承受能力為20mA每μF的電解電容
考慮到 0.2Arms/μF,有效值電流為2468A時,需要的最小容值為123.4mF.對應圖中曲線的值,我們可以看到對頻率低于100Hz的整流器,使用膜電容,該容值同樣是需要的.
因此,對于三相,六整流管的整流器,頻率為.我們可以看到對應 1MW的曲線,需要18.5mF的容值.與電解電容相比,如使用膜電容方案,體積幾乎可以縮小4倍,同時有更高的可靠型.
在更低功率的情況下,同樣能夠給出相同的結果 , 對于10kW的功率,雖然容值變得很小,但是膜電容仍然是最好的解決方案.
甚至在100Hz整流器頻率,只需要555μF的電容,供電電壓與紋波電壓仍然與前面相同.
過壓設計
現在我們來看輕型牽引的應用,如:地鐵,輕軌,電車等.
直流支撐電壓波形 :
接觸斷開時,能量來自直流支撐電容,結果,電壓降低.因此,只要接觸重新被建立過壓將出現.
更糟的情況是?V =吊線電壓, 因為過壓會達到額定電壓的幾乎2倍.膜電容可以承受這種過壓.
電解電容可承受最大1.2倍的額定電壓.所以,電解電容可以承受的最低電壓為: 2X1000V/1.2=1670V需要四支450V的電解電容串聯(lián).
考慮部分從網上得到的數據,10mF的電解電容,體積為26升,最大有效值電流為20Arms.而相同容值的膜電容,體積為25 升,最大有效值電流可比500Arms還高.
另外,由于過壓的出現,也出現了流過電容的峰值電流.因此我們必須計算因過壓產生的能量
在幾個周期后,電流變?yōu)榱?那么:
這種能量的計算也被用于端間短路放電的過程..這樣的放電會產生非常高的峰值電流與振鈴,這是電解電容不能承受的.
電壓的額定
對于要求高額定電壓的場合,膜電容的解決方案無疑很有優(yōu)勢.
但如果要求高容值的場合,膜電容解決方案的競爭力就會減弱.的確,如果沒有過壓,有效值電流很低,同時需要大容值的場合,在900V以下的應用中,膜電容很難與電解電容競爭.
壽命計算:
膜電容允許有很長的壽命期望,其壽命的長短由負載電壓條件(工作電壓)與熱點溫度決定. 對于直流濾波電容,其壽命符合下面的曲線:
我們可以從這些曲線中看出,在工作電壓為額定電壓并且熱點溫度為70°C的情況下,膜電容的設計壽命為100,000小時.
壽命結束的標準為2%的電容容值的減少.然而,這是壽命結束的理論值,因為,在到達該點以后,電容仍然能夠使用.如果在應用中允許5%的容值減少,壽命將得到顯著的增加.
熱點溫度由下述的表達式決定:
其中,θmax hot spot :最大熱點溫度
tgδ0:電介質損耗
Rth:熱阻
Rs:串聯(lián)電阻
結論
以上我們?yōu)楣こ處熯M行設計優(yōu)化提供了技術參考,在實際應用中仍然需要完整的計算.
然而,如果設計要求為低電壓、低有效電流、無反向電壓,同時也沒有峰值電流,那膜電容技術不合適.
但如果設計要求為高電壓、高有效電流、有反向電壓和過壓,同時也有峰值電流,還有長壽命要求,那么 聚丙烯金屬化膜電容是最好的選擇.
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