Руководство по выбору и функциям конденсатора звена постоянного тока

I. Основные функции конденсаторов звена постоянного тока

Конденсатор звена постоянного тока Обычно они располагаются между выпрямителем (или другим источником постоянного тока) и инвертором и являются ключевыми компонентами такого оборудования, как преобразователи частоты, инверторные источники питания и ИБП. Их основные функции можно свести к следующим четырем пунктам:

1. Стабилизация напряжения шины постоянного тока (регулирование напряжения).
Функция: Инверторы (такие как IGBT) переключаются на высоких частотах, потребляя сильно пульсирующий ток из шины постоянного тока. Это приводит к значительным пульсациям напряжения на шине постоянного тока.
Поведение конденсатора: Когда переключающий транзистор включается и ток увеличивается, конденсатор разряжается, обеспечивая мгновенную энергию для нагрузки и предотвращая внезапное падение напряжения на шине; при выключении переключающего транзистора конденсатор заряжается, поглощая энергию от источника питания и предотвращая скачок напряжения на шине. Он действует как «резервуар», сглаживая колебания расхода (тока) и поддерживая стабильный уровень воды (напряжение).

2. Обеспечивает мгновенный пиковый ток (обеспечивает реактивную мощность).
Приложение: Современные моторные приводы требуют быстрого динамического реагирования. Когда нагрузка внезапно возрастает, инвертору необходимо мгновенно обеспечить большой ток. Из-за паразитной индуктивности источника питания постоянного тока и входных линий они не могут мгновенно обеспечить такой большой ток.
Поведение конденсатора: Благодаря низкому внутреннему сопротивлению (ESL/ESR) конденсаторы могут очень быстро высвобождать накопленную энергию, обеспечивая инвертору необходимый мгновенный пиковый ток и обеспечивая быстрое реагирование привода.

3. Поглощает высокочастотный шум и пульсации (фильтрация)
Функция: Быстрое включение и выключение коммутационных устройств создает высокочастотный шум переключения, который излучается или выводится через линию.
Поведение конденсатора: Конденсаторы звена постоянного тока образуют контур с низким импедансом для этих высокочастотных шумовых компонентов, позволяя им локально поглощаться, предотвращая шумовые помехи в восходящей цепи выпрямителя или электросети, а также предотвращая их влияние на нижестоящую схему управления.

4. Подавление обратной связи по энергии индуктора.
Функция: При моторном приводе, когда двигатель находится в состоянии генератора (например, при торможении или опускании тяжелых предметов), энергия будет передаваться обратно со стороны двигателя на шину постоянного тока.
Поведение конденсатора: Конденсатор может поглощать эту энергию обратной связи, предотвращая слишком высокую накачку напряжения шины постоянного тока и тем самым защищая коммутационные устройства от пробоя из-за перенапряжения. (В случаях сильной обратной связи по энергии обычно требуются тормозной резистор и тормозной блок.)

II. Ключевые моменты при выборе конденсаторов звена постоянного тока
При выборе конденсатора звена постоянного тока необходимо учитывать следующие ключевые параметры:

1. Номинальное напряжение
Расчет: Напряжение должно быть выше возможного напряжения шины постоянного тока. Например, для трехфазного входа 380 В переменного тока среднее напряжение постоянного тока после выпрямления составляет примерно 540 В постоянного тока. Учитывая такие факторы, как колебания сети и напряжение накачки, конденсаторы с номинальным напряжением 630 В постоянного тока или Обычно выбирается 700 В постоянного тока. .
Маржа: Как правило, для обеспечения долгосрочной надежности и борьбы с скачками напряжения требуется запас по напряжению в размере 15–20 %.

2. Емкость
Функция: Величина емкости определяет способность конденсатора сохранять энергию и стабилизировать напряжение. Чем больше значение емкости, тем лучше эффект регулирования напряжения и тем меньше пульсации напряжения.
Метод оценки: Существуют сложные формулы для расчета, но общее практическое правило заключается в том, что на каждый 1 кВт выходной мощности инвертора требуется конденсатор емкостью примерно 100–200 мкФ. . Например, инвертор мощностью 15 кВт обычно использует конденсатор звена постоянного тока емкостью 1500–3000 мкФ.
Влияющие факторы включают мощность системы, частоту коммутации, допустимый коэффициент пульсаций напряжения и инерцию нагрузки. Более высокая частота переключения позволяет использовать относительно меньший требуемый конденсатор.

3. Номинальный пульсирующий ток
Определение: Действующее значение постоянного переменного тока, который может выдержать конденсатор. Это ключевой показатель для измерения нагрева конденсатора.
Важность: Если фактический пульсирующий ток превысит номинальное значение конденсатора, это приведет к сильному перегреву внутри конденсатора, высыханию электролита, резкому сокращению срока службы и даже тепловому пробою.
Принцип выбора: Эффективное значение полного пульсационного тока, протекающего через конденсатор, должно быть рассчитано или смоделировано, и должно быть обеспечено, что номинальный пульсирующий ток выбранного конденсатора больше фактического пульсационного тока , с определенным запасом. В высокочастотных приложениях этот параметр так же важен, как и емкость, или даже более важен.

4. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL).
СОЭ: Основной фактор, вызывающий потери и тепловыделение в конденсаторах. Чем меньше ESR, тем меньше потери и тем лучше эффективность фильтрации на высоких частотах.
ESL (эффективное низкое напряжение): Ограничивает высокочастотные характеристики конденсатора. Когда частота превышает собственную резонансную частоту, конденсатор становится индуктивным и теряет свою емкостную функцию. Чтобы уменьшить ESL, обычно используются многоконтактные, многослойные или плоские штыри.

5. Продолжительность жизни
Ключевой фактор: Для электролитических конденсаторов срок службы является основным показателем производительности. На продолжительность жизни в основном влияет температура внутренних горячих точек .
Расчет: Следуйте «правилу 10 градусов», которое означает, что на каждые 10°C снижение рабочей температуры срок службы удваивается. Производители указывают номинальный срок службы при рабочей температуре (например, 105°C/2000 часов).
Рекомендации по выбору: Выбирайте модели конденсаторов с достаточным сроком службы, исходя из ожидаемого срока службы оборудования и температуры окружающей среды.