Блог о качестве/конденсаторах
Керамические конденсаторы промежуточного хранения для высоковольтного звена постоянного тока
В области силовой электроники эффективное управление и обработка электрической энергии имеют первостепенное значение. Среди множества компонентов, составляющих основу современных мощных систем...
Керамические конденсаторы промежуточного хранения для высоковольтного звена постоянного тока
Инженерный ответ
Конденсаторы звена постоянного тока буферизуют шину между входным каскадом выпрямителя и инверторным мостом в мощных преобразователях, а семейство керамических конденсаторов звена постоянного тока HVC охватывает диапазон от 100 пФ до 10 мкФ при напряжении 1–40 кВ с диэлектриками NPO/C0G и X7R. Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) обеспечивают низкие пульсации при частотах переключения до 500 кГц, а стабильный температурный коэффициент предотвращает дрейф напряжения шины постоянного тока, который мог бы нарушить контур управления инвертором.
- Выбор производится по напряжению шины, пульсациям тока и частоте переключения, а не только по номеру детали.
- Для диэлектриков класса II необходимо проверять емкость при рабочем постоянном напряжении смещения, а не при 0 В.
- Согласуйте схему расположения элементов в аккумуляторной батарее и схему предварительной зарядки с потребностями в пусковом токе и распределении тока.
Резюме
Конденсатор звена постоянного тока расположен между выпрямителем и инвертором, поглощая пульсации, сглаживая провалы напряжения и стабилизируя шину. В этой статье рассматривается функция звена постоянного тока в инверторных топологиях, электрические требования к керамическому конденсатору, режимы отказов, наблюдаемые в преобразовательных системах, а также способы выбора и проверки семейства керамических конденсаторов постоянного тока HVC.
1. Контекст применения: шина между выпрямителем и инвертором.
В каждом импульсном преобразователе мощности, от солнечных инверторов до приводов двигателей и инверторов тяговых систем электромобилей, конденсатор звена постоянного тока занимает место между выпрямителем переменного тока в постоянный и мостовым преобразователем постоянного тока в переменный. Он обеспечивает низкоимпедансный путь для высокочастотных пульсаций тока, генерируемых ШИМ-переключением, накапливает энергию для преодоления кратковременных провалов входного напряжения и стабилизирует шину в пределах допусков, требуемых алгоритмом управления. Пульсация тока, которую должен поглощать конденсатор, зависит от характера переключения:
Керамические диэлектрики обеспечивают низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL), минимальный самонагрев при пульсациях и отсутствие жидкого электролита, который может высохнуть, что делает их привлекательными для высоконадежных аэрокосмических, медицинских и удаленных установок.
2. Технические требования
2.1 Низкие показатели СОЭ и ЭСЛ. Конденсатор должен обеспечивать путь с низким импедансом для пульсирующего тока на частоте переключения. ESR преобразует пульсирующий ток в тепло:
2.2 Номинальный пульсирующий ток. ШИМ-сигнал инвертора накладывает непрерывный переменный ток на шину постоянного тока. Номинальное значение среднеквадратичного напряжения конденсатора, рассчитанное с учетом максимальной температуры окружающей среды, должно покрывать его с запасом:
2.3 Стабильность емкости. Диэлектрики класса II теряют емкость под действием постоянного напряжения, и все диэлектрики подвержены температурному дрейфу. Стабильный диэлектрик NPO/C0G поддерживает напряжение шины и точность управления:
Рис. 1 — Расположение конденсатора звена постоянного тока в трехфазном инверторе и керамическом семействе HVC.
3. Проблемы, с которыми сталкиваются инженеры (обратная связь с места событий)
Проблема 1 — Конденсатор шины сильно нагревался из-за пульсаций. «Нагрев звена постоянного тока достиг 105 °C, что привело к снижению мощности инвертора». Высокое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) преобразовывало пульсации тока в тепло; керамический блок с низким ESR, соединенный параллельно, охлаждал ток.
Проблема 2 — Напряжение на шине колебалось, и контур управления потерял точность. «Пульсации крутящего момента двигателя появились на низких скоростях». Потери емкости класса II под действием смещения приводили к сдвигу шины; диэлектрик NPO/C0G удерживал шину в стабильном состоянии, и пульсации крутящего момента исчезли.
Боль 3 — Пусковой ток приварил контактор. «Реле предварительной зарядки вышло из строя при включении питания». Блок с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) потреблял чрезвычайно большой пусковой ток; активная схема предварительной зарядки с последовательным резистором ограничивала пиковый ток и защищала контактор.
4. Сравнение компонентов: варианты конденсаторов звена постоянного тока
| Параметр | керамика HVC | Пленочный конденсатор | Электролитическая крышка |
|---|---|---|---|
| Диапазон напряжения | 1–40 кВ | 0.4–3 кВ | 0.4–1 кВ |
| ESR на частоте переключения. | очень низкий | низкокачественными | умеренному |
| Пульсирующий ток | высокая | высокая | ограниченный |
| Диапазон емкости | 100 пФ–10 мкФ | высокие ценности | очень высокая |
| Вечного пользования | очень длинный | длинной | ограничено пересыханием |
5. Выбор и решение HVC
| Позиция | Рекомендуемая серия HVC | Напряжение | Ключевые спецификации |
|---|---|---|---|
| хранилище постоянного тока | диск HVCAP | 1–40 кВ | NPO/C0G, ±30 ppm/°C |
| Массовая энергия | Дверная ручка HVCT8G | 20–150 кВ | высокая энергия, выносливость |
| Кровоотвод / баланс | HVR плоский | 5–50 кВ | допуск ±1% |
Решение 1 — Диэлектрик NPO/C0G с низкими потерями. Формула C0G позволяет поддерживать значение tanδ ниже 0.001 и сохранять емкость при постоянном напряжении, благодаря чему шина остается стабильной и холодной.
Решение 2 — Параллельные банки, способные передавать данные по волновой схеме. Симметричные схемы расположения шин с несколькими блоками равномерно распределяют пульсации тока и повышают среднеквадратичную мощность батареи.
Решение 3 — Контролируемый путь пускового тока. Предварительно заряженный резистор или активное реле ограничивают ток включения, защищая как контактор, так и конденсаторную батарею с низким эквивалентным последовательным сопротивлением.
6. Пример из практики инженерного дела
Производитель электроприводов обнаружил перегрев конденсатора шины и пульсации крутящего момента двигателя, что снизило КПД его инвертора мощностью 500 кВт. Тепловизионное исследование показало, что электролитическое звено постоянного тока работает при температуре 105 °C, а потери емкости под напряжением нарушают работу контура управления. В результате модернизации был использован керамический блок звеньев постоянного тока с компонентами из NPO/C0G и активной схемой предварительной зарядки.
| Измеряемый параметр | Перед тем, как | После |
|---|---|---|
| Температура звена постоянного тока при полной нагрузке | 105 ° C | 68 ° C |
| Пульсации напряжения шины | 5.5% | 1.1% |
| КПД инвертора | 96.1% | 97.4% |
| количество отказов реле предварительной зарядки в год | 8 | 0 |
Помимо цифр, важны были два важных вывода. Во-первых, пульсации в 1.1% позволили приводу сохранять точность крутящего момента на низких скоростях, что открыло для производителя сегмент рынка прецизионных приводов. Во-вторых, повышение эффективности на 1.3 пункта стало главной характеристикой следующего поколения продуктов, а отказ от режима просушки электролитического конденсатора увеличил интервал обслуживания с двух до пяти лет. Перепроектирование также изменило подход производителя к сертификации инверторов: благодаря керамическому блоку, удерживающему пульсации шины ниже 1.5%, привод прошел тест на точность крутящего момента с первой попытки, и график сертификации больше не зависел от итераций конструкции шины. Общая часть NPO/C0G в звене постоянного тока и демпфирующих элементах сократила количество конденсаторных элементов в инверторе с шести до двух, а отсутствие жидкого электролита устранило необходимость в документации по утилизации, которая требовалась для электролитических конденсаторов. Для конечных пользователей более длительный интервал обслуживания означал, что привод можно устанавливать в местах с затрудненным доступом для обслуживания, что открыло сегмент рынка, который производитель ранее не обслуживал.
7. Рекомендации по проектированию
- Снижение номинального напряжения: Номинальная мощность звена постоянного тока должна быть не менее чем на 20% выше номинальной мощности шины, чтобы компенсировать скачки нагрузки и переходные процессы в сети.
- Пропускная способность пульсаций: Вычислите среднеквадратичную пульсацию по ШИМ-сигналу и проверьте среднеквадратичную пульсацию блока с учетом теплового запаса.
- Управление температурным режимом: Обеспечьте приток воздуха или отвод тепла и измерьте температуру в самой горячей точке при полной нагрузке.
- Эффект смещения постоянного тока: Для диэлектриков класса II измерьте эффективную емкость при рабочем напряжении смещения.
- Параллельная компоновка: Используйте симметричные шины, чтобы параллельно соединенные устройства равномерно распределяли ток.
- Защита от бросков: Добавьте схему предварительной зарядки для ограничения тока включения и защиты контактора.
8. Рекомендации
- IEC 60384-1:2016, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие положения.
- IEC 60270:2000, Методы испытаний при высоком напряжении — Измерения частичных разрядов.
- П. Горовиц и У. Хилл, Искусство электроники, 3-е изд., Издательство Кембриджского университета, 2015.
- 陈景亮等, 高电压试验技术, 中国电力出版社, 2005.
- Технические характеристики высоковольтного керамического дискового конденсатора HVC. HVC Capacitor, 2024.
- Технические характеристики конденсатора HVC HVCT8G с винтовыми клеммами, конденсатор HVC, 2024 год.
Сопутствующие товары HVC
Высоковольтные компоненты для мощных лазерных диодов HVCCapacitor Photonics
Следующая →Высоковольтные компоненты для текстильного оборудования, устранение статического электричества, производство высоковольтных конденсаторов.