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新型变流装置直流滤波电容器 |
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伴随着交直交变频调速装置的市场化脚步加快，越来越多的中高压变频器涌入市场，同时传统的电子技术器件主要是开关器件得到了长足的进步，而其他器件的进步就远远落后于装置的进步步伐，其中直流支撑和滤波电容器就是一个非常大的问题。
传统的变频装置中直流支撑、滤波电容器几乎全部采用铝电解电容器，早期的选择原则主要是考虑铝电解电容器优良的容量体积比特性，及相对低廉的价格；加之早期功率器件的稳定性及系统保护的问题，及盲目追宠庞大的电容量及更小的纹波系数至使铝电解虽然有诸多缺点但仍得到广泛应用。伴随着新型金属化薄膜技术的成熟及成本的降低，基于金属化膜技术，适用于中、高压变流装置的直流支撑、滤波电容器产品（以下简称金属化电容器）已经进入民用市场。
株洲变流技术国家工程有限公司出产的GVF系列高压变频器的中间直流环节支撑电容采用的就是新型无级性金属化聚丙烯自愈式安全膜式电容，该种电容使用寿命长，整个寿命期间，完全免维护，并全面改善原有的铝电解电容器容量偏差大、电压低、电流小、损耗大及频率特性差等在应用中的缺陷，基本性能比较见下表。
性能比较:
铝电解电容器在容量偏差由于其固有的材料、结构特性的影响，在额定电容量及容量温度稳定性方面偏差较金属化电容器有较大的差距：铝电解电容器由于无法控制铝极板氧化面积致使容量无法准确控制，而金属化电容器产品可以通过直接控制极板面积精确控制产品电容量，偏差可以控制在-2％～+2％之间，对线路的精确性提供了可靠的保证。由于金属化膜电容器中绝缘介质材料为高分子聚合物（聚丙烯、聚酯等）薄膜，可以通过控制薄膜厚度（精度在0.2微米以上）来提高电容器产品的额定电压，而铝电解电容器由于绝缘介质是铝箔表面的氧化铝层，难以控制氧化层厚度及均匀性，所以难以达到高的耐压及过压倍数。铝电解电容器额定电压较低（通常≤450V DC），而金属化电容器产品应用于GVF系列高压变频器上的直流滤波电容器单台额定电压已经达到20000V DC 。该公司原来使用52段铝电解电容器串连使用，非常烦杂，采用金属化膜电容器大大节省了在铝电解电容器串连过程中烦杂的均压工作，节约了材料及人工成本，提高了效率。这种新型金属化电容器额定纹波电流可以达到同等容量铝电解电容器额定纹波电流的几倍到几十倍,而且铝电解电容器过流能力只有1.1IN ,金属化电容器过流能力可以达到1.3 IN，从而避免了在中大功率系统中，为达到系统额定电流而增大铝电解电容器并联数，牺牲容量而造成的不必要的浪费，尤其是针对急剧的电压变化（高DV/DT）需要电容器提供瞬时大电流加以电压支撑或吸收时，铝电解电容器几乎可以说没有作用，当负载电机工作在四象限工况下时，逆变桥工作在整流状态下需要电容器提供损失电能吸收时，金属化膜电容器较铝电解电容器优势非常明显。同时电容器容抗是随着频率的变化呈反比例关系出现的，而电容器的有功损耗是随着电流的增大而增大，且为电流平方成正比关系，所以电容器的损耗则成为在电容器运行过程中安全可靠的至关重要的因素。电容量温度稳定性参照图1所示，金属化电容器容量温度变化率仅为铝电解电容器的10％左右，且金属化电容器的损耗仅为铝电解电容器的1％左右，发热量小温升低，从而进一步保证了系统的稳定性。
而铝电解电容器的损耗非常大，其中用功损耗可以占到总无功容量的20％，且铝电解电容器有功损耗随着频率的增大而增大，频率超过1000赫兹损耗变化率逐渐增大，当频率超过10000赫兹后变化率急剧增加，有功损耗增大，发热量增大。图2中显示了铝电解电容器损耗频率特性（国外某著名铝电解电容器生产公司提供），这也正是长久以来在中、高频大功率环境下采用铝电解直流滤波电容器发热量大、故障率高的根本原因。而金属化电容器固有损耗非常小，整台电容器损耗小于2‰,仅为铝电解电容器1％，且采用聚丙烯薄膜作为介质，产品频率特性很稳定，如图2所示，故在中、高频环境下采用金属化直流滤波电容器，可以大幅度降低线路损耗，避免发热，稳定性非常高。
根据上述因素，铝电解电容器在中、高频环境下使用故障率非常高、寿命非常短，额定工况下预期寿命≤50000小时（如图3），随着工况的变化容量急剧变化，寿命降低，甚至由一些企业在中、高频环境使用铝电解电容器寿命不足10000小时，常常由于电容器故障影响到整台设备的使用。相反金属化电容器在中、高频环境使用，由于其良好的频率、电流特性可以保证其安全长寿命，在额定工况下预期寿命≥80000小时，且在寿命期内随环境的变化电气性能基本保持不变，不影响电容器的寿命（如图3），保证配套设备运行安全可靠。
但金属化膜电容器与铝电解电容器比较也并非完美，主要集中在容量体积比特性及价格上。株洲变流技术国家工程研究中心有限公司出产的GVF系列高压变频器采用新材料新结构，已经大幅提高了产品的容量体积比特性，体积容量较传统的金属化膜电容器减小约40％以上，但仍较铝电解电容器有一定差距，国外先进的电容器及变频器制造厂家已经提出并应用了确定支撑电容量范围、依据提供电流能力进行合理选配支撑电容器的方法，将变频器使用支撑容量较铝电解电容器减少，来解决金属化电容器的不足。
例： 采用三相桥式整流电路作为逆变电路直流源情况，按照实际应用情况，GVF系列高压变频器产品已经在实际用户使用中按照相对铝电解电容器容量减少约40％使用情况良好。基于这一原则薄膜电容器的体积和价格已经非常接近铝电解电容器。
综上，伴随使用设备的功率增大、电压提高、频率增高，传统的铝容器已经失去其原有的性价比，甚至根本不能适用新的设备要求。新型的金属化聚丙烯自愈式直流滤波电容器的诞生，全面解决铝电解电容器在中高频、中大功率及中高电压领域应用时所面临的问题。特别适合中高压大功率变频器、交流380V～1000V中高频电弧炉等中大功率、中高频及中高电压领域。
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