การเลือกตัวเก็บประจุตัวกรองกระแสตรงสำหรับระบบอินเวอร์เตอร์กำลังสูง: คู่มือปฏิบัติ

บัส DC อินเวอร์เตอร์ขนาด 500 kW ได้รับการออกแบบใหม่รอบๆ แผงตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม 1200 โวลต์ และการตรวจสอบความร้อนแสดงให้เห็นว่าเคสตัวเก็บประจุทำงานที่ระดับความสูง 14 K เหนือสภาพแวดล้อมภายใต้โหลดกระเพื่อมเต็ม ค่าความจุอยู่ภายในข้อมูลจำเพาะ แต่ ESR ได้ลอยขึ้น 22 เปอร์เซ็นต์ตลอดฤดูกาลปฏิบัติการ ประสบการณ์ภาคสนามนั้นคือเหตุผลว่าทำไมการเลือกตัวเก็บประจุตัวกรองกระแสตรงสำหรับระบบอินเวอร์เตอร์กำลังสูงจึงไม่สามารถหยุดที่ฟารัดและโวลต์ที่ตรงกันได้: กระแสกระเพื่อม อุณหภูมิฮอตสปอต และระยะขอบระหว่างการจัดอันดับเอกสารข้อมูลและรูปคลื่นจริงจะตัดสินว่าธนาคารตัวเก็บประจุจะอยู่รอดหรือไม่

Jiande Antai Power Capacitor Co., Ltd. ได้ผลิตตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเคลือบโลหะสำหรับการทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ การหลอม และการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังเป็นเวลา 40 ปี และตัวเก็บประจุตัวกรอง DC ซีรีส์ DZMJ นั้นถูกสร้างขึ้นโดยมีข้อจำกัดที่แน่นอนเหล่านี้ คู่มือนี้ดำเนินการตามการตัดสินใจเลือกตามลำดับที่ส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของระบบ

กระบวนการคัดเลือกมีสี่ชั้น: อัตราแรงดันไฟฟ้า ความจุและกระแสกระเพื่อม การจัดการความร้อน และอายุขัยเฉลี่ย แต่ละเลเยอร์จะกำจัดตัวเลือก ดังนั้นวิธีการที่มีโครงสร้างจะป้องกันโหมดความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุด ซึ่งก็คือการเลือกตัวเก็บประจุที่ตรงกับค่าความจุไฟฟ้าแต่จะมีความร้อนสูงเกินไปที่ความถี่ในการทำงาน

การเลือกแรงดันไฟฟ้าสำหรับตัวเก็บประจุตัวกรอง DC: กรณีที่แย่ที่สุดก่อน

ต้องเลือกพิกัดแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุตัวกรอง DC สำหรับสภาวะชั่วครู่ที่แย่ที่สุดทั่วทั้งบัส เนื่องจากความเค้นบนฟิล์มเคลือบโลหะเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่เห็น ไม่ใช่ค่าเฉลี่ย

เมื่อบริดจ์อินเวอร์เตอร์สับเปลี่ยน ดีซีลิงค์จะมองเห็นส่วนที่เกินจากการเหนี่ยวนำของสายเคเบิลและรูปทรงบัสบาร์ บัส 900 V DC ที่มี 1200 V IGBT สามารถพบกับไฟชั่วคราว 950 ถึง 1,050 V เมื่อปิดเครื่อง และทุกๆ 50 V ของโอเวอร์ช็อตเพิ่มเติม จะทำให้สนามไฟฟ้าภายในฟิล์มเพิ่มขึ้น แนวปฏิบัติทางอุตสาหกรรมคือให้คะแนนตัวเก็บประจุสูงกว่าระดับบัสสถานะคงตัวอย่างน้อย 10 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสำหรับบัส 900 V หมายถึงการเลือกชิ้นส่วนที่มีพิกัด 1100 V หรือ 1200 V ตรรกะการลดพิกัดแบบเดียวกันนี้ทำงานผ่านช่วง DZMJ ที่ใช้ในไดรฟ์อุตสาหกรรมและอินเวอร์เตอร์หมุนเวียน

ระดับความสูงเพิ่มข้อจำกัดที่สอง ที่ความสูงมากกว่า 2,000 ม. ความเป็นฉนวนและความสามารถในการทำความเย็นจะลดลง ดังนั้นตัวเก็บประจุที่ผ่านระดับน้ำทะเลอาจต้องใช้ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าในโรงงานในพื้นที่สูง ยืนยันระดับความสูงที่กำหนดบนแผ่นข้อมูลก่อนที่จะล็อคหมายเลขชิ้นส่วน

ความจุ กระแสระลอก และ ESR: การตรวจสอบตัวเลขสามตัว

ความจุไฟฟ้าจะกำหนดว่าแรงดันบัส DC จะลดลงระหว่างพัลส์สวิตชิ่งมากเพียงใด ในขณะที่กระแสริปเปิลและความต้านทานอนุกรมสมมูล (ESR) จะกำหนดว่าพลังงานสวิตชิ่งจะกระจายไปเป็นความร้อนภายในขดลวดมากน้อยเพียงใด

ข้อกำหนดด้านความจุไฟฟ้ามาจากแรงดันไฟฟ้า DV ที่อนุญาตในระหว่างขั้นตอนการโหลด สำหรับอินเวอร์เตอร์สามเฟส ความจุขั้นต่ำจะอยู่ที่ประมาณ C = P_out / (2 x f_line x V_bus x dV) โดยที่ P_out คือกำลังไฟฟ้าเอาท์พุต f_line คือความถี่ของสาย และ V_bus คือแรงดันไฟฟ้า DC บัส การเพิ่มความจุเป็นสองเท่าจะช่วยลดปริมาณการใช้กระดาษลงครึ่งหนึ่ง แต่ยังเพิ่มพื้นที่ใช้งาน น้ำหนัก และต้นทุนของธนาคารเป็นสองเท่าอีกด้วย

ข้อจำกัดในการปฏิบัติงานมักเป็นกระแสกระเพื่อมเกือบตลอดเวลา ในอินเวอร์เตอร์ขนาด 500 kW ที่ 1200 V DC ริปเปิลความถี่สวิตชิ่งสามารถเข้าถึง 60 ถึง 100 ก กระแสนี้ไหลผ่าน ESR และความร้อนที่เกิดขึ้นจะปรับขนาดด้วยกระแสริปเปิลกำลังสองคูณ ESR ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเคลือบโลหะที่มี ESR 0.5 มิลลิโอห์มที่ 25 °C จะคงความเย็นที่ระลอกคลื่นปานกลาง ในขณะที่ชิ้นส่วนที่มีขั้วปลายเสื่อมลงหรือมีแทนเดลต้าสูงจะร้อนกว่าหลายเท่าในวงจรเดียวกัน

อันไต การวิเคราะห์ทางเทคนิคของตัวเก็บประจุกรองกระแสตรงในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง อธิบายฟังก์ชันการรักษาเสถียรภาพนี้โดยละเอียดยิ่งขึ้น

สำหรับระดับแรงดันไฟฟ้านี้ ตัวเก็บประจุตัวกรอง DC แบบฟิล์มเมทัลไลซ์ DZMJ-1200V 1850 uF นำเสนอตัวเลือกระบายความร้อนด้วยอากาศขนาดกะทัดรัด เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีการกระเพื่อมต่อเนื่องต่ำกว่าประมาณ 60 A ต่อหน่วย

DZMJ 1200V 1850uF Metallized Film DC ตัวเก็บประจุกรอง ตัวเก็บประจุระบายความร้อนด้วยอากาศ 1850 µF ที่พิกัด 1200 V เหมาะสำหรับการกระเพื่อมต่อเนื่องที่ต่ำกว่า 60 A ต่อหน่วย การออกแบบที่กะทัดรัดเหมาะกับการกรองพลังงานในอินเวอร์เตอร์ แหล่งจ่ายไฟ DC และระบบ UPS ดูผลิตภัณฑ์ →

กลยุทธ์การระบายความร้อนจำกัด DC Filter Capacitor Ripple

การระบายความร้อนด้วยน้ำสามารถเพิ่มกระแสริปเปิลที่เป็นประโยชน์ของตัวเก็บประจุตัวกรอง DC ได้มากกว่าสองเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับการพาความร้อนตามธรรมชาติ ดังนั้นเส้นทางระบายความร้อนควรถูกกำหนดก่อนที่จะยืนยันพิกัดระลอกสุดท้าย

ความร้อนจะถูกสร้างขึ้นอย่างสม่ำเสมอตลอดทั้งม้วนฟิล์มเคลือบโลหะและปล่อยให้ผ่านเคสเป็นหลัก การพาความร้อนตามธรรมชาติขึ้นอยู่กับการไหลเวียนของอากาศในตู้และพื้นที่เคสที่เปิดโล่ง และตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC ทั่วไปจะกระจายประมาณ 30 ถึง 60 W ในอากาศอิสระ การบังคับอากาศจะเพิ่มขีดจำกัดนั้นประมาณสองเท่า การระบายความร้อนด้วยน้ำผ่านแผ่นเย็น แจ็คเก็ตระบายความร้อน หรือบัสบาร์แบบกลวงจะดึงความร้อนออกจากเคสโดยตรง และรองรับการกระเพื่อม 100 A-class ด้วยเทคโนโลยีการม้วนแบบเดียวกัน

ในการทำงานเชิงความร้อนโดยเปรียบเทียบบนโปรไฟล์ 500 kW เดียวกัน ธนาคารระบายความร้อนด้วยน้ำมีอุณหภูมิเคสอยู่ที่ 62 °C ในขณะที่ธนาคารพาความร้อนตามธรรมชาติมีอุณหภูมิถึง 81 °C ในตู้ที่เหมือนกัน ความแตกต่าง 19 K นั้นจะย้ายอุณหภูมิฮอตสปอตที่คดเคี้ยวไปยังกราฟอายุการใช้งานโดยตรง ตัวเก็บประจุตัวกรองน้ำหล่อเย็น DZMJ-1200V 5000 uF ถูกสร้างขึ้นสำหรับระบอบการปกครองนี้ โดยมีโครงสร้างการระบายความร้อนที่มีขนาดสำหรับการทำงานที่มีระลอกคลื่นสูงอย่างต่อเนื่อง

DZMJ 1200V ระบายความร้อนด้วยน้ำ 5000uF ตัวเก็บประจุกรอง การระบายความร้อนด้วยน้ำทำให้เคสอยู่ที่ 62 °C ต่ำกว่าโปรไฟล์ 500 kW ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถและอายุการใช้งานของกระแสกระเพื่อม ออกแบบมาสำหรับการกรองไฟฟ้าแรงสูงและกระแสสูงในอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ไดรฟ์ ดูผลิตภัณฑ์ →

ชั่วชีวิต การรักษาตนเอง และประตูคัดเลือกสุดท้าย

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเคลือบโลหะจะไม่พังกะทันหันเหมือนอิเล็กโตรไลติก: จะซ่อมแซมตัวเองหลังจากการคายประจุระดับไมโคร จะค่อยๆ สูญเสียความจุ และอายุการใช้งานจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิฮอตสปอตเกือบทั้งหมด

ในระหว่างการคายประจุระดับไมโคร ชั้นโลหะบางๆ รอบฟอลต์จะระเหยและคืนความเป็นฉนวน ดังนั้นเหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินเพียงครั้งเดียวแทบจะไม่ทำให้ชิ้นส่วนสิ้นสุดลง ความเครียดจากความร้อนที่เกิดขึ้นซ้ำๆ จะเร่งการเสื่อมสภาพของฟิล์มและเพิ่มการสูญเสียอิเล็กทริกเมื่อเวลาผ่านไป แนวปฏิบัติในการออกแบบลิงค์ DC กำลังสูงคือการรักษาอุณหภูมิฮอตสปอตให้ต่ำกว่า 85 ถึง 90 °C และการลดทุกๆ 10 ก จะเพิ่มอายุการใช้งานที่คาดไว้ประมาณสองเท่า ความสัมพันธ์ดังกล่าวเป็นสาเหตุว่าทำไมการตัดสินใจเรื่องการทำความเย็นในส่วนที่แล้วจึงเป็นการตัดสินใจตลอดชีวิต

สำหรับแรงดันไฟฟ้าบัสที่สูงกว่า 1200 V ตัวเก็บประจุตัวกรอง DZMJ DC แรงดันสูงจะขยายโครงสร้างฟิล์มโลหะแบบเดียวกันไปสู่ระดับการทำงานที่สูงขึ้น ซึ่งมีประโยชน์เมื่ออินเวอร์เตอร์ได้รับการออกแบบโดยมีระยะเผื่อการลดพิกัดเพิ่มเติม

ตัวเก็บประจุกรอง DC DZMJ แรงดันสูง 5000µF ตัวเก็บประจุขนาด 5000 µF สร้างขึ้นสำหรับการใช้งาน DC แรงดันสูง ให้การกรองที่เสถียรพร้อมการสูญเสียต่ำ มีประโยชน์เมื่ออินเวอร์เตอร์ต้องการการลดพิกัดเพิ่มเติมที่สูงกว่าระดับบัส 1200 V ดูผลิตภัณฑ์ →

เสร็จสิ้นการเลือกด้วยลำดับการตรวจสอบหกขั้นตอน:

1. บันทึกแรงดันบัสกรณีที่แย่ที่สุดและแอมพลิจูดชั่วคราว จากนั้นแก้ไขคลาสแรงดันไฟฟ้าที่ระยะขอบขั้นต่ำ 10 เปอร์เซ็นต์
2. คำนวณความจุขั้นต่ำจากบัสดิปที่อนุญาตที่โหลดเต็ม
3. ประมาณกระแสกระเพื่อมจากความถี่สวิตชิ่งและโปรไฟล์การมอดูเลต
4. เลือกวิธีการทำความเย็นก่อนที่จะล็อคระดับระลอกคลื่น และตรวจสอบที่อุณหภูมิเคสที่คาดไว้
5. ยืนยัน ESR, แทนเดลต้า, พฤติกรรมการรักษาตัวเอง และข้อมูลการทดสอบของผู้ผลิต
6. ตรวจสอบการติดตั้งเชิงกล ความเหนี่ยวนำบัสบาร์ และอินเทอร์เฟซการทำความเย็นกับโครงร่างของตู้

เมื่อโปรไฟล์ระลอกคลื่นมีทรานเซียนท์เร็วหรือรูปทรงของตู้แน่น หารือเกี่ยวกับรูปคลื่นกับทีมวิศวกรของ Antai และตรวจสอบโครงสร้างการระบายความร้อนของตัวเก็บประจุกับโครงร่างบัสบาร์ของคุณก่อนที่จะดำเนินการผลิต

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับการเลือกตัวเก็บประจุตัวกรอง DC

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าตัวเก็บประจุดีซีลิงค์มีขนาดเล็กเกินไป?

แรงดันไฟฟ้าของบัสจะลดลงอีกในระหว่างขั้นตอนการโหลด แรงดันไฟฟ้าริปเปิลจะเพิ่มขึ้นทั่วทั้งฝั่ง และตัวเก็บประจุทำงานสูงกว่าพิกัดริปเปิลของมัน ความเครียดจากความร้อนที่เกิดขึ้นจะเร่งการเสื่อมสภาพและการเสื่อมสภาพของฟิล์ม อายุการใช้งานสั้นลง และในกรณีที่รุนแรงจะกระตุ้นให้เกิดการตัดการเชื่อมต่อการป้องกัน

เหตุใดจึงเลือกตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมากกว่าอิเล็กโทรไลต์สำหรับอินเวอร์เตอร์กำลังสูง DC link

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มรองรับกระแสกระเพื่อมที่สูงกว่า ไม่มีอิเล็กโทรไลต์เหลวให้แห้ง และล้มเหลวในโหมดการซ่อมแซมตัวเองแทนที่จะเป็นไฟฟ้าลัดวงจร ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ายังคงมีประโยชน์ที่ต่ำกว่าประมาณ 100 kW โดยที่พลังงานที่เก็บไว้ต่อหน่วยปริมาตรมีความสำคัญมากกว่าและการกระเพื่อมต่ำ

บัส 1200 V DC ต้องใช้การลดแรงดันไฟฟ้าเท่าใด

ใช้สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าบัสสถานะคงที่อย่างน้อย 10 เปอร์เซ็นต์ และ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ หากอินเวอร์เตอร์ทำงานบนโครงข่ายอ่อนหรือเห็นขั้นตอนโหลดเร็วบ่อยครั้ง ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มพิกัด 1200 V เป็นมาตรฐานสำหรับบัส 1000 V ในขณะที่บัสระบุ 1200 V ควรใช้คลาส 1400 V หรือ 1500 V

เหตุใดพิกัดกระแสระลอกจึงขึ้นอยู่กับวิธีการทำความเย็น

อุณหภูมิฮอตสปอตเป็นผลคูณของการสูญเสียภายใน ซึ่งเป็นกระแสกระเพื่อมกำลังสองคูณ ESR และความต้านทานความร้อนจากขดลวดสู่สิ่งแวดล้อม เส้นทางการทำความเย็นที่ดีกว่าจะลดความต้านทานความร้อนลง ทำให้ขดลวดเดียวกันสามารถส่งกระแสกระเพื่อมได้มากขึ้นโดยไม่เกินอุณหภูมิฮอตสปอตที่กำหนด