逆变焊机用薄膜电容器的性能分析
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逆变焊机选用薄膜电容器的性能分析
广东创格电子实业有限公司郑云
1：逆变焊机的整流滤波薄膜电容器的作用
逆变电源和逆变器的整流滤波电容器一般用电解电容器，而电解电容器因为容量大，价格低廉而受大广泛应用，但随着电力电子的发展，电解电容器在高要求的场合难以达到一些电性能要求，当需要高压，大电流，高频平滑滤波和突波吸收就需要选用薄膜电容器，金属化薄膜电容是以金属薄膜和绝缘介质一同卷绕而成，金属化薄膜电容器比其他电容器有个明显的优点是起其有自愈性，自愈性是指当金属化电容器由于电介质存在疵点而发生击穿时，击穿处会立即产生一种电弧电流，而且这个电流密度集中在击穿中心。
由于金属化膜很薄（不到0.1um），该电流所产生的热量足以使击穿附近的金属熔化蒸发，在击穿区周围形成无金属区，重新使电容器的两极间恢复绝缘，从而使电容器恢复正常工作。
当平滑滤波电压在450V.DC,更大的纹波电流的时候一般选用薄膜电容器，等容量等电压的薄膜电容过电流是电解电容的10倍以上，所以在国内一些主要的一些逆变焊机厂家选用滤波电容都采用薄膜电容器，而不采用电解电容器，
滤波电容所承受的纹波电流主要来自逆变器工作时产生的输出频率下的纹波电流和开关频率下的纹波电流和谐波电流，根据有效电流公式I=2πcfu,
以下是国内某焊机公司逆变焊机在正常工作时母线之间产生的谐波电压，以下是一只20UF的薄膜电压波形，
有以上波形图可看出产生高次谐波，谐波频率200K，电压为2V，容量为25UF，在谐波电流为I=2πcfu, 代入得I=62A的谐波电流，脉冲电流I=128A,
从上述算出的谐波电流就达到128A，在加上纹波电流，所以流经电容器的有效电流比较大，所以在选用高频滤波电容不合适时，会造成电容器温升高，或者电容器在环境比较恶劣的条件下工作时会失效，使谐波电流反射到电网中，给电网造成很大危害。
所以在选用高频滤波电容，尽量精准选取电容器的额定容量，额定电压，有效电流和阻抗更小的电容，所以
在高频滤波电容电源工程师一般选用高频特性好，阻抗小的薄膜电容器。
2：薄膜电容器的可靠性与有效电流和脉冲电流的关系
逆变焊机在选用滤波电容器，一定要确定流经电容器的有效电流和脉冲电流，一般电容器失效都由流经电容器的有效电流和脉冲电流过大引起的。
例如以一台输出电流540A，电压是42V的逆变焊机为例，采用两只20UF/800V.DC的电容，从图2电流波形可以看出流过电容电容器最大电流为85A，所以在选取滤波电容上容量偏小，或者选择20UF/800V.DC有效电流达到40A以上或更大.所以建议对输出电流为540A 的逆变焊机选用两个40UF/800V.DC的电容.
创格电子高频滤波电容与国内知名公司的电容做一个有效电流和的对比试验,
如下表格:
从上述表格可以看出创格电子的高频滤波电容温升比其他公司生产的电容温升低20℃，创格电子的MKP-LS 20UF/800V.DC电容的有效电流一般在50-60A,并温升在25℃以下.
创格电子高频滤波电容与国内知名公司的电容做一个脉冲电流和的对比试验,
如下表格:
从上述表格可以看出创格电子的高频滤波电容温升在进行连续的脉冲电流实验后,创格电子的MKP-LS电容的容量偏差和损耗角比其他品牌的电容器变化小.
3:薄膜电容器的可靠性与电压的关系.
关于选取电容器的电压等级时时,首先对以下几种电压名词做一下定义:
):设计电容器时所采用的近似正弦波的(正负峰对峰)最高运行峰值周期电额定电压电压(U
n
压.
注:1.波形可能有多种形状;
2. 波形的平均值周期电压;
3.重要的是要注意到额定交流电压不是方均根值..
):设计电容器时所采用的直流或单向周期性波形并可连续运行的最高运额定直流电压(U
n
行峰值电压.
实际工作电压(U w):电容器工作时,实际施加在电容两级间的电压值,电压选取时应U n≥U w.建议电容器的实际工作电压为额定电压的70-80%较为合适.
纹波电压(U r):单向电压的峰到峰的交流分量.
非周期冲击电压(U s):由切换或系统中任何别的扰动所导致的峰值电压,此电压只允许持续比基本周期短的时间和出现有限次数,
绝缘电压(U i): 电容器元件和端子对外壳或对地电压的额定值(均方根值).创格公司的产品满足U i=2 U
n
+1000V,且U i不少于2000V.AC.
在逆变焊机选取高频滤波电容的电压等级为,单相输入滤波电容器的额定电压400V.D三相输入滤波电容器的额定电压选为800V.DC,IGBT吸收电容的电压等级一般根据IGBT模块的额定电压选取.如果实际工作电压超过额定工作电压时,电容器的寿命会出现一个降额曲线,下面就是工作电压与额定电压比值的一个降额曲线图:
3:薄膜电容器的可靠性与频率的关系.
逆变焊机在选用高频滤波电容时,一定注明电容器工作的最高频率,当工作频率低于额定频率时,电容器能正常工作,但电容器工作频率高于额定频率时,电容器的电压和电流将被ESR上的损耗和介质损耗引起的发热所限制.这时施加的交流电压必须随频率的增加而降低.
以维持电容器本身的耗散功率P
E
,这个耗散功率公式为:
P E=V s2×2πfc×tanδ
P
E 应低于可以从电容器的表面面积A以热能的形式消耗的功率P
A
:
P
A
= a×A×△T 式中, a为热转换系数,A为电容器表面积; △T为电容器表面温度与环境温度的差值.
为防止电容器永久性的损耗,稳定状态过温△T是在周围环境不超过一定值时,电容器表面最热部分获得的,使产生的功率与热能形式耗散掉的功率相等:
P E = P
A
此区域内最大允许交流电压和交流电流为
V max ≤
δ
πtan 2⋅⋅⋅fc T A a 或I max ≤δπtan 2fc T A a ⋅⋅⋅ 简化如下: V max ～41f f
∙ 或 I max ～4f 简化频率和电压关系形成如下频率降额曲线图
创格电子的高频滤波电容最高频率到100K,而在逆变焊机的高频滤波电容的工作频率在20K..
4:使用薄膜电容器一些注意事项
在确认使用及安装环境时，作为按产品样本规格说明书上所规定的额定性能范围内使用的电容器，应当避免在下述情况下使用（注意事项）：
a) 表面温升（△T ）（电容器正常工作，温升△T ≤15℃ ）
b)过流（工作电流不应长期超过额定有效电流）
c)过压（工作电压不应长期超过额定电压）
在逆变焊机使用高频滤波电容,最好在滤波电容两端并一只放电电阻,放电电阻的选取根据标准可算出,这里就不作详细的介绍.
电容器的安装,创格电子提供高频滤波电容引出是铜螺母引出,在安装时不能扭距太大, 扭距太大会造成引出端断裂,或接触不良,造成电路中接触电阻增大,电容器的喷金端面发热严重,影响电容器的使用寿命.。
