长期以来, 铝电解电容因其价格便宜导致其使用最为广泛, 然而最近几年这种趋势却发生了显著变化, 避免使用铝电解电容的情况正在增加, 主要原因在于铝电解电容的寿命较短, 这一缺陷往往成为设备的薄弱环节[1-4]。铝电解电容内部的电解液会蒸发或产生化学变化, 导致静电容量减少或等效串联电阻 (ESR) 增大, 随着时间的推移, 很可能出现电解液泄漏、爆炸、开路、击穿或电参数恶化等现象。因此, 铝电解电容的寿命短是导致其逐渐被替代的重要原因。影响铝电解电容寿命的原因很多, 其中工作条件是主要因素, 而温度是对电解电容工作寿命影响最大的因素, 过高的热量将加速电解液蒸发, 当电解液的存量减少到一定极限时, 电解电容的寿命也就终止了。
文献[8]分析了铝电解电容寿命老化的机理, 并通过计算剩余电解质的体积来估算电解电容的剩余寿命。该文在计算过程中考虑了温度对电解电容的等效串联电阻ESR的影响。文献[9]通过计算电容的ESR值实现损伤评估, 提出了一种基于直流电压检测的ESR检测方法。该方法仅需检测DC/DC变换器的直流侧电压, 然后通过滤波、整流等步骤提取出直流输出电压中纹波电压的特征量, 并将此用于标志电解电容ESR的大小。文献[10]给出了电解电容核心温度的理论计算方法, 对于使用阿伦尼乌斯方程的电解电容寿命评估方法也进行了详细分析, 并采用参数辨识的方法对电解电容的ESR进行提取, 以之作为估算电解电容损伤程度的依据。文献[11-14]提出了使用直流纹波电压和纹波电流在线计算ESR的方法, 通过对直流纹波电压和电流基波的比值计算ESR, 并在纹波电压和电流中滤除其直流成分, 防止负载变化的干扰。文献[15]从铝电解电容疲劳损伤机理出发, 基于已知的老化规律对线性损伤理论在铝电解电容疲劳损伤评估过程中的应用进行了探索, 提出了一种基于累积迭代的铝电解电容器直接疲劳损伤评估方法。文献[16]分别从纹波、寿命、掉电维持时间等方面给出了电解电容的选型方法。
直流电压为1 000V, 纹波电压为200V, 根据式 (1) 可得到在不同功率等级情况下电容容值随频率的变化曲线 (见图1) 。
图1 电容容值随频率变化的曲线Fig.1 Variety curves of capacitance versus frequency
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在某些工况下, 直流支撑电容上会出现2倍额定电压的过电压, 薄膜电容可以承受这种过电压, 而由于电解电容仅可承受最大约1.2倍的额定电压, 如额定电压为1 000V, 则电解电容的最低额定电压应约为1 670V, 需要用4个额定电压为450V的电解电容进行串联。
2 薄膜电容与电解电容的寿命估算
薄膜电容允许有很长的寿命期望, 其寿命的长短由电压条件与热点温度决定。
图2 薄膜电容寿命曲线Fig.2 Life-time curves of thin film capacitor
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电解电容最简单的寿命估算方法如式 (3) 所示[10, 15]。
从式 (3) 可知, 电容的温度每上升10℃, 其寿命降为原来的1/2。但需注意的是, T1和T2不应仅考虑电容的环境温度, 还要考虑电容的内部核心热点温度, 其表达式为
2) ESR:随着老化的加剧, ESR逐渐增加, 从而Ploss、ΔT增加, 并最终形成正反馈过程。
基于上述分析, 假设电容在温度T0下的寿命为L0, 则通过式 (3) ~ (6) 能够最终推导出其寿命表达式为
式中:
3 大型电力电容设计的两个示例
单台支撑薄膜电容容值为49 mF, 体积为400mm×175mm×860mm, 重量约为90kg, 可以承受最高1 800VDC的浪涌电压, 极间耐压可以达到1 650VDC。
因此, 对于49 mF的单台支撑薄膜电容, 铝电解电容需要采用450VDC、4 700μF的电解电容, 通过3串32并方式来实现。电解电容型号可以选为ALS32A472NJA450, 尺寸为ø77 mm×131mm, 重量为0.865kg。按照12×8排列 (12行8列) , 同时考虑到电容散热, 每两只电容之间需要隔开最少5 mm, 所以组合电容需要的长宽尺寸最少为979mm×651mm。电解电容需使用复合母排螺栓连接, 高度估算约为145mm, 所以每一组电解电容的尺寸约为979mm×651mm×145mm (如算上串联时所需均压电阻和固定空间体积则还需增加10% 以上) , 重量为83kg (如算上复合母排及固定安装所需零件, 则重量最少为90kg) 。
显然, 使用电解电容方案, 其体积远大于使用薄膜电容方案, 而两者的重量相差不大。同时, 需要指出的是, 电解电容在寿命、安全性等方面远不如薄膜电容。
某大型三相三电平逆变装置使用4台40mF的大型电力电容作为支撑电容。单台40 mF薄膜电容体积约为400mm×175mm×735mm, 重量约为80kg。由此可得到, 4台40mF薄膜电容在使用时所需空间约为400 mm×700 mm×735mm, 重量约为320kg。该薄膜电容器单台可承受最高1 800VDC的浪涌电压, 极间耐压可达1 650VDC。
以10mF/450VDC铝电解电容为例进行分析。市面上10 mF/450 VDC铝电解电容 (参照EPCOS) 的性能指标为:尺寸ø90mm×220mm, 重量1.9kg。需要电解电容采取12并3串才能满足容量为40mF, 逆变装置使用4台40mF, 所以支撑电力电容的总容量实际为160 mF, 使用10mF/450VDC铝电解电容则需要48并3串才能满足电容量需求。每48 只为一组, 按照8×6排列 (8行6列) , 同时考虑到电容散热, 每两只电容之间需隔开最少5 mm, 所以每组电容需要的长宽尺寸最少为755mm×565mm。电解电容需使用复合母排螺栓连接, 高度最少约为240mm, 所以每一组电解电容的尺寸最小为755 mm×565mm×240mm。
通过以上数据的对比计算可以发现:①电解电容体积/薄膜电容体积比≈755×565×720× (1+10% ) / (400×700×735) =1.642。②电解电容重量/薄膜电容重量比≈300/320=0.937 5。
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