母線電容計(jì)算

1、變頻器中直流母線電容的紋波電流計(jì)算2010年06月26日 評(píng)論（0）|瀏覽（130）點(diǎn)擊查看原文各類(lèi)電動(dòng)機(jī)是我們發(fā)電量的主要消耗設(shè)備， 而變頻器作為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置成為 當(dāng)前“節(jié)能減排”的主力設(shè)備之一。它一方面可以起到節(jié)約能源消耗的作用，另 一方面也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原有生產(chǎn)或處理工藝過(guò)程的優(yōu)化。目前應(yīng)用最多也最廣的是 交-直-交電壓型變頻器，即中間存在直流儲(chǔ)能濾波環(huán)節(jié)，一般采用大容量電解電 容器實(shí)現(xiàn)此功能。使用電解電容器的作用主要有以下幾個(gè)1:（1）補(bǔ)償以電源頻率兩倍或六倍變化的逆變器所需功率與整流橋輸出功率之差；（2）提供逆變器開(kāi)關(guān)頻率的輸入電流；（3）減小開(kāi)關(guān)頻率的電流諧波進(jìn)入電網(wǎng)；（4）吸收急

2、停狀態(tài)時(shí)所有功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷下的電機(jī)去磁能量；（5）提供瞬時(shí)峰值功率；（6）保護(hù)逆變器免受電網(wǎng)瞬時(shí)峰值沖擊。電解電容器設(shè)計(jì)選型所需要考慮的主要因素有以下幾個(gè)：電容器的電壓、電容器量、電容器的紋波電流、電容器的溫升與散熱、電容器的壽命等等。這些因素對(duì) 變頻器滿足要求的平均無(wú)故障時(shí)間 （mtbf）十分重要。然而電解電容器的紋波電 流的計(jì)算如何能明確給出計(jì)算依據(jù)，這是本文所要解決的問(wèn)題。2直流母線電容紋波電流的計(jì)算紋波電流指的是流過(guò)電解電容器的交流電流， 它使得電解電容器發(fā)熱。紋波電流 額定值的確定方法是在額定工作溫度下規(guī)定一個(gè)允許的溫升值，在此條件下電容器符合規(guī)定的使用壽命要求。當(dāng)工作溫度小于額定

3、溫度時(shí)，額定紋波電流可以加 大。但過(guò)大的紋波電流會(huì)大大縮短電容器的耐久性，當(dāng)紋波電流超過(guò)額定值，紋波電流所引起的內(nèi)部發(fā)熱每升高 5°C，電容器器的壽命將減少50%因此當(dāng)要求 電容器器具有長(zhǎng)壽命性能時(shí)，控制與降低紋波電流尤其重要。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，電解電容器的紋波電流由于受變頻器輸入輸出各物理量變 化以及控制方式等的影響很難直接計(jì)算得到2，一般多采用根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)估算 大小，如每卩f電容器要求20ma紋波電流之類(lèi)的經(jīng)驗(yàn)值，或者通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真 來(lái)估算36。本文根據(jù)對(duì)變頻器電路拓?fù)渑c開(kāi)關(guān)調(diào)制方式的分析，并借鑒已有文獻(xiàn)資料，歸納 出一個(gè)直接的計(jì)算電解電容器紋波電流的方法，供大家參考。圖1變頻

4、器拓?fù)涫疽鈭D由圖1可以得到直流母線電容的紋波電流ic=i l-i ,il和i分別是整流器輸出電 流和逆變器輸入電流，而這兩個(gè)電流又可以分解為直流分量與交流分量的和， 如 下式所示。J+=仏噸十(1)因此可以得到：k 1Ljoc Q(2)很顯然，直流母線電容的負(fù)載僅僅由上面兩個(gè)電流的交流分量構(gòu)成，逆變器輸入電流的直流分量直接由整流橋供給，即：其中i o,rms為逆變器輸出電流有效值，m為調(diào)制比，©為逆變器輸出電壓與電 流的相角差。由于il,ac和iac不包含同頻諧波分量，因此根據(jù)帕瑟瓦爾定理(parsaval ' s theorem ) 有下式成立：* *Lrx. r.rar

5、( 4)可以看出，直流母線電容中的紋波電流的有效值主要由兩部分組成， 一是來(lái)自整 流器的交流分量i l,ac,rms，而另一個(gè)是來(lái)pwm逆變器的交流分量i ac,rms。為了簡(jiǎn)化，這里先只考慮計(jì)算，后面再考慮il,ac,rms的計(jì)算。在上述假設(shè)前提下，可以進(jìn)一步得到下式1:根據(jù)文獻(xiàn)1結(jié)論有下式成立:Eg經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)最終可以得到下式:維網(wǎng)格圖圖2和圖3分別為"z與m,cos ©的變化關(guān)系曲線圖。圖4為公式（7）的三圖2不同m條件下與cos ©的變化曲線圖3不同cos ©條件下：*與m的變化曲線圖4公式的三維網(wǎng)格圖對(duì)于逆變器帶異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)，一般負(fù)載電機(jī)的

6、功率因數(shù)約為cos © =0.85左右，則最大的直流母線電容紋波電流為 i c,rms,1=0.6202 o,rms，對(duì)應(yīng)的m=0.63 左右。而當(dāng)m=0.9時(shí)，則大約對(duì)應(yīng)i c,rms,仁0.563 - i o,rms。對(duì)于同步永磁電機(jī)負(fù)載(cos © -1)，則最大的直流母線電容紋波電流為 下面計(jì)算來(lái)自整流器的交流分量電流i l,ac,rms ，其主要由整流器輸出電壓波動(dòng) 引起。整流器輸出電壓的最大值為 % =更匕，其中u為整流器輸入線電壓的有100°o效值。若定義直流母線電壓的脈動(dòng)率為般取5流右值,則umin=umax(1-a%)。根據(jù)最小直流母線電壓波動(dòng)要

7、求的最小直流母線電容確定 計(jì)算如下式：(8)其中fr為整流輸出脈動(dòng)頻率，po為逆變器輸出功率。由于整流器引起的直流母 線電容紋波電流計(jì)算如下：其中c為直流母線電容，tc,tdc代表直流母線電容的充放電時(shí)間，其計(jì)算如下:ajcwfi(10)2Las至此，流過(guò)直流母線電容的紋波電流計(jì)算如下:(11)廠P 廠廠廠八 廣Iff - I + cos2 - in 4fp-丄 4丄心廠I &怖丿幼f S J（12）由上式可見(jiàn)，直流母線電容電流的紋波與變頻器輸入電壓和頻率、輸出電流、負(fù)載功率因數(shù)、pwm調(diào)制比、電容量、允許直流電壓脈動(dòng)率等因素密切相關(guān)。3設(shè)計(jì)計(jì)算舉例以某型中壓變頻器為例，具體的變頻器參

8、數(shù)為：三相交流輸入電壓為1140v/50hz， 輸出功率為110kw,負(fù)載為三相異步電動(dòng)機(jī)。假定其中直流母線電壓脈動(dòng)率為 5% pwm逆變器調(diào)制比為0.9，負(fù)載電機(jī)功率因數(shù)為0.85。具體直流母線電容的設(shè)計(jì) 計(jì)算與選型如下：考慮變頻器采用常規(guī)整流器輸出與兩電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其直流母線電壓為必 刀，若采用耐壓為450v的電解電容，則需要4個(gè)電容串聯(lián)形成一組，然后多組并聯(lián)后滿足總電容量要求。根據(jù)公式（8）可以得到最小的直流母線電容為：根據(jù)公式（12）可以得到流過(guò)直流母線電容的紋波電流為i c,rms=72.7a。初步選擇cd138 pc系列的6800卩f/450v的電解電容四串四并組成，其等效電容為 c=560011 f。查閱產(chǎn)品手冊(cè)，得到該型號(hào)電容的允許紋波電流為 18.3a （在85E /120hz時(shí)）， 則總的電容器允許紋波電流為 4X 18.3=73.2a>72.7a，滿足上面的計(jì)算要求。實(shí) 驗(yàn)