GVF變頻器使用新型變流裝置直流濾波電容器

伴隨著交直交變頻調速裝置的市場化腳步加快，越來越多的中高壓變頻器涌入市場，同時傳統的電子技術器件主要是開關器件得到了長足的進步，而其他器件的進步就遠遠落后于裝置的進步步伐，其中直流支撐和濾波電容器就是一個非常大的問題。

傳統的變頻裝置中直流支撐、濾波電容器幾乎全部采用鋁電解電容器，早期的選擇原則主要是考慮鋁電解電容器優良的容量體積比特性，及相對低廉的價格；加之早期功率器件的穩定性及系統保護的問題，及盲目追寵龐大的電容量及更小的紋波系數至使鋁電解雖然有諸多缺點但仍得到廣泛應用。伴隨著新型金屬化薄膜技術的成熟及成本的降低，基于金屬化膜技術，適用于中、高壓變流裝置的直流支撐、濾波電容器產品（以下簡稱金屬化電容器）已經進入民用市場。

株洲變流技術國家工程有限公司出產的GVF系列高壓變頻器的中間直流環節支撐電容采用的就是新型無級性金屬化聚丙烯自愈式安全膜式電容，該種電容使用壽命長，整個壽命期間，完全免維護，并全面改善原有的鋁電解電容器容量偏差大、電壓低、電流小、損耗大及頻率特性差等在應用中的缺陷，基本性能比較見下表。

性能比較

鋁電解電容器在容量偏差由于其固有的材料、結構特性的影響，在額定電容量及容量溫度穩定性方面偏差較金屬化電容器有較大的差距：鋁電解電容器由于無法控制鋁極板氧化面積致使容量無法準確控制，而金屬化電容器產品可以通過直接控制極板面積精確控制產品電容量，偏差可以控制在-2％～+2％之間，對線路的精確性提供了可靠的保證。由于金屬化膜電容器中絕緣介質材料為高分子聚合物（聚丙烯、聚酯等）薄膜，可以通過控制薄膜厚度（精度在0.2微米以上）來提高電容器產品的額定電壓，而鋁電解電容器由于絕緣介質是鋁箔表面的氧化鋁層，難以控制氧化層厚度及均勻性，所以難以達到高的耐壓及過壓倍數。鋁電解電容器額定電壓較低（通常≤450V DC），而金屬化電容器產品應用于GVF系列高壓變頻器上的直流濾波電容器單臺額定電壓已經達到20000V DC 。該公司原來使用52段鋁電解電容器串連使用，非常煩雜，采用金屬化膜電容器大大節省了在鋁電解電容器串連過程中煩雜的均壓工作，節約了材料及人工成本，提高了效率。這種新型金屬化電容器額定紋波電流可以達到同等容量鋁電解電容器額定紋波電流的幾倍到幾十倍,而且鋁電解電容器過流能力只有1.1I_N ,金屬化電容器過流能力可以達到1.3 I_N，從而避免了在中大功率系統中，為達到系統額定電流而增大鋁電解電容器并聯數，犧牲容量而造成的不必要的浪費，尤其是針對急劇的電壓變化（高DV/DT）需要電容器提供瞬時大電流加以電壓支撐或吸收時，鋁電解電容器幾乎可以說沒有作用，當負載電機工作在四象限工況下時，逆變橋工作在整流狀態下需要電容器提供損失電能吸收時，金屬化膜電容器較鋁電解電容器優勢非常明顯。同時電容器容抗是隨著頻率的變化呈反比例關系出現的，而電容器的有功損耗是隨著電流的增大而增大，且為電流平方成正比關系，所以電容器的損耗則成為在電容器運行過程中安全可靠的至關重要的因素。電容量溫度穩定性參照圖1所示，金屬化電容器容量溫度變化率僅為鋁電解電容器的10％左右，且金屬化電容器的損耗僅為鋁電解電容器的1％左右，發熱量小溫升低，從而進一步保證了系統的穩定性。 

而鋁電解電容器的損耗非常大，其中用功損耗可以占到總無功容量的20％，且鋁電解電容器有功損耗隨著頻率的增大而增大，頻率超過1000赫茲損耗變化率逐漸增大，當頻率超過10000赫茲后變化率急劇增加，有功損耗增大，發熱量增大。圖2中顯示了鋁電解電容器損耗頻率特性（國外某著名鋁電解電容器生產公司提供），這也正是長久以來在中、高頻大功率環境下采用鋁電解直流濾波電容器發熱量大、故障率高的根本原因。而金屬化電容器固有損耗非常小，整臺電容器損耗小于2‰,僅為鋁電解電容器1％，且采用聚丙烯薄膜作為介質，產品頻率特性很穩定，如圖2所示，故在中、高頻環境下采用金屬化直流濾波電容器，可以大幅度降低線路損耗，避免發熱，穩定性非常高。 

根據上述因素，鋁電解電容器在中、高頻環境下使用故障率非常高、壽命非常短，額定工況下預期壽命≤50000小時（如圖3），隨著工況的變化容量急劇變化，壽命降低，甚至由一些企業在中、高頻環境使用鋁電解電容器壽命不足10000小時，常常由于電容器故障影響到整臺設備的使用。相反金屬化電容器在中、高頻環境使用，由于其良好的頻率、電流特性可以保證其安全長壽命，在額定工況下預期壽命≥80000小時，且在壽命期內隨環境的變化電氣性能基本保持不變，不影響電容器的壽命（如圖3），保證配套設備運行安全可靠。

 但金屬化膜電容器與鋁電解電容器比較也并非完美，主要集中在容量體積比特性及價格上。株洲變流技術國家工程研究中心有限公司出產的GVF系列高壓變頻器采用新材料新結構，已經大幅提高了產品的容量體積比特性，體積容量較傳統的金屬化膜電容器減小約40％以上，但仍較鋁電解電容器有一定差距，國外先進的電容器及變頻器制造廠家已經提出并應用了確定支撐電容量范圍、依據提供電流能力進行合理選配支撐電容器的方法，將變頻器使用支撐容量較鋁電解電容器減少，來解決金屬化電容器的不足。