变频器用大型铝电解电容器

摘要：针对用于变频器中的大型铝电解电容器的技术特点，重点分析了影响此类电容器耐纹波电流能力的因素。通过选用合适的原材料、设计零部件等，使得该型号产品的性能参数完全达到了其技术指标，并能满足用户的需求。

关键词：变频器；铝电解电容器；纹波电流

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。除采用矩阵式交步豢刂品绞降谋淦灯魍猓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。