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关闭窗口 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
| 使用环境温度/℃ | －25～＋85 |
|---|---|
| 额定电压范围/V | 400 |
| 标称电容量范围/μF | 1000～10000 |
| 标称电容量允许偏差 | M(±20％) |
| 漏电流 | ≤0.01CRUR(μA)或5mA（取较小者）(5min) |
| 损耗角正切值(tgδ)(25℃、120Hz) | 0.25 |
| 耐久性 | ＋85℃，施加带纹波电流的额定工作电压3000h，恢复16h后电容量变化率：±20％初始测量值以内漏电流：≤初始规定值损耗角正切值：≤200％初始规定值 |
| 高温贮存 | ＋85℃、500h后，施加额定工作电压30min，恢复24～48h后电容量变化率：±10％初始测量值以内漏电流：≤初始规定值tanδ：≤200％初始规定值 |
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
| UR=400V | ||
|---|---|---|
| CR/μF | D×L/mm×mm | Ir/A |
| 1000 | 50×75 | 5 |
| 1500 | 50×100 | 5.6 |
| 2200 | 75×85 | 6.9 |
| 3300 | 75×102 | 9.5 |
| 4700 | 75×102 | 12 |
| 6800 | 80×150 | 16.5 |
| 8200 | 80×150 | 18.1 |
| 10000 | 90×157 | 25 |
表3外形尺寸mm
| D±1.0 | 50 | 50 | 75 | 75 | 80 | 90 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| L | 75 | 100 | 85 | 102 | 150 | 157 |
| F±0.5 | 22 | 22 | 32 | 32 | 35 | 32 |
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
| 项目 | 常温 | 施加额定负荷3000h后 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| C/μF | tanδ | IL/mA,5min(系试验5min时测得的漏电流值) | |ΔC/C|/％ | tanδ | IL/mA,5min | |
| 试样X | 9116 | 0.059 | 1.8 | 3.89 | 0.082 | 1.6 |
| 标准 | 8000～12000 | 0.250 | 5 | 20 | 0.500 | 5 |
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。
作者简介
何维满（1966－），男，江西信达电子有限公司副总经理。1988年毕业于电子科技大学电子元件与材料专业，长期从事铝电解电容器研制、制造技术，管理等工作。
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