整流電容器

整流電容器電力系統的各節點無功功率平衡決定了該節點的電壓水平，由於當今電力系統的用戶中存在著大量無功功率頻繁變化的設備；如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵道等。同時用戶中又有大量的對系統電壓穩定性有較高要求的精密設備：如計算機，醫用設備等。因此迫切需要對系統的無功功率進行補償。整流電容器傳統的無功補償設備有並聯電容器、調相機和同步發電機等，由於並聯電容器阻抗固定不能動態的跟蹤負荷無功功率的變化；而調相機和同步發電機等補償設備又屬於旋轉設備，其損耗、噪聲都很大，而且還不適用於太大或太小的無功補償。所以這些設備已經越來越不適應電力系統發展的需要。

基本介紹

• 中文名：整流電容器
• 外文名：Commutation Capacitor
• 分類：科技
• 設備：並聯電容器、調相機和同步發電機
• 缺點：損耗、噪聲都很大

基本信息

20世紀70年代以來，隨著研究的進一步加深出現了一種靜止無功補償技術。這種技術經過20多年的發展，經歷了一個不斷創新、發展完善的過程。所謂靜止無功補償是指用不同的靜止開關投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發出無功電流的能力，用於提高電力系統的功率因數，穩定系統電壓，抑制系統振盪等功能。這種靜止開關主要分為兩種，即斷路器和電力電子開關。由於用斷路器作為接觸器，其開關速度較慢，約為10～30s，不可能快速跟蹤負載無功功率的變化，而且投切電容器時常會引起較為嚴重的衝擊涌流和操作過電壓，這樣不但易造成接觸點燒焊，而且使補償電容器內部擊穿，所受的應力大，維修量大。

整流電容器

超級電容器在整流濾波中的套用

通過對整流濾波電流的基本要求的分析和超級電容器性能的分析，得出超級電容器也可以作為整流濾波電容器，通過2隻15000 ìF/10V的鋁電解電容器並聯和3隻4.7F/2.7V超級電容器串聯的對比測試、輸出紋波電壓波形分析，得出超級電容器可以用作整流濾波電容器，且與電解電容器相比，具有很大的性能優勢、價格優勢和體積優勢。

超級電容器作為整流濾波電容器的可能性

整流濾波對於電容器的基本要求是：有足夠的電容量、符合要求的額定電壓、可以承受相應的紋波電流值和符合要求的等效串聯電阻。超級電容器的電容量足夠大；儘管超級電容器的額定電壓比較低，仍可以通過多隻串聯的方式解決；餘下的問題就是能否通過相應的紋波電流和等效串聯電阻是否符合要求。選擇適合的電容量時(例如選擇每安培負載電流1000～10000ìF)，鋁電解電容器基本上不存在不能承受紋波電流，而且其ESR比較低，所產生的效應基本上對鋁電解電容器幾乎沒有影響。由於超級電容器的ESR相對鋁電解電容器大，其效應必須加以考慮，在正常工作條件下尺寸為φ12.5mm×20mm的外殼可以耗散大約0.5W 的功率，對於(ESR) 50mÙ的超級電容器可以通過0A的紋波電流，對應3～5A的輸出平均值電流，只要輸出電流在這個值以下，超級電容器就可以用於整流濾波。

用超級電容器作為整流濾波電容器

與一般的整流濾波電路一樣，超級電容器用於整流濾波的電路和整流器輸出電流、流過濾波電容器的電流波形，只不過濾波電容器變為超級電容器。由於超級電容器的額定電壓很低(僅2.7V)，需要數隻超級電容器串聯。對於5V輸出的穩壓電源(考慮市電電壓的變化，整流輸出電壓約為7～9V)，可以採用3隻4.7F/2.7V超級電容器串聯。

對比測試結果

採用兩隻15000V/27000ìF鋁電解電容器並聯作為濾波電容器的整流濾波電路。在整流輸出電壓平均值為6 V，負載電流2.2 A時的整流輸出紋波電壓，所使用的示波器為F105B 數字示波器，選擇A通道，AC耦合，時基5 ms/div（每格5ms），通道設定100mV/div（每格100mV）。紋波電壓的峰峰值(Δy)為412mV，充電與放電(電壓波形的上升與下降)時間基本相同。通過工頻變壓器降壓後的整流電路，由於工頻變壓器的漏感的作用(抑制電流變化)，使濾波電容器幾乎工作在或者是充電、或者是放電的狀態，與市電直接整流的狀態不同。

超級電容器作為整流濾波時的效果並不像理想電容器那樣使輸出電壓接近一條直線，而是有波動，原因是超級電容器有相對一般電容器大的等效串聯電阻(ESR)。3隻超級電容器的串聯時的等效串聯電阻約為160mÙ，濾波電容器上的充、放電的電流差約為輸出電流平均值的3.5倍，因而在輸出端出現約550mV 的電壓波動，但還可以得到很低的紋波電壓。如果兩隻串聯時，紋波電壓峰峰值可以低於420mV，相當於27000ìF電解電容器，但是體積將減小。

由此可見，一隻4.7F的超級電容器的濾波效果大約相當於一隻56000ìF電解電容器。在低壓整流濾波的套用中將具有很大的性能優勢、價格優勢和體積優勢。

整流濾波電容器的薄膜電容器

作為變頻器/ 逆變器的整流濾波電容器，通常認為其最主要的參數是額定電壓、電容量一般採用電解電容器作為整流濾波電容器 。但是在實際套用中卻因為過大的紋波電流在濾波電解電容器的ESR產生熱。從而使濾波電容器的壽命減少。針對這個問題，介紹並分析了採用薄膜電容器作為變頻器/ 逆變器的整流濾波電容器的特點與套用 。事實表明。採用薄膜電容器作為變頻器/ 逆變器整流濾波電容器可以提高變頻器/ 逆變器的使用壽命。

濾波與平滑用薄膜電容器

濾波與平滑用電容器用於平滑整流器輸出的電壓、電在電壓低於450V時通常套用價格低廉的鋁電解電容器，當電壓高於500v低於700v時仍可以套用鋁電解電容器串聯的方式。但是在需要高可靠的場合與電壓高於1000V或更高時，則最好採用薄膜電容器作為濾波電容器 。

一般，平滑與濾波的薄膜電容器並沒有什麼特殊地方，但是對於IGTB逆變器/ 變頻器。由於其IGBT工作在相對高速的硬開關狀態。如果直流母線存在較大的寄生電感，將會在IGBT關斷時出現很高的感生電勢，不僅增加IGTB的關斷損耗，而且這個感生電勢過高時還會擊穿IGBT。不僅如此，濾波電容器存在較大的ESR，IGTB 逆變器了變頻器所產生的開關紋波電流因在濾波電容器的ESR上產生損耗而發熱，縮短了濾波電容器的壽命。採用薄膜電容器作為變頻器的濾波電容器將解決定期更換鋁電解電容器的問題。

因此欲提高IGTB逆變器/ 變頻器的可靠性應選擇低寄生電感、低ESR的濾波電容器。可以選用專用於IGBT逆 變器/ 變頻器的薄膜濾波電容器 。

與鋁電解電容器相比。薄膜電容器的ESR、最大有效值電流、寄生電感、浪涌電壓/ 額定電壓的比值、浪涌電流均明顯優於鋁電解電容器，還有一個重要因素就是薄膜電容器的壽命是鋁電解電容器所無法相比的。採用變頻器專用薄膜濾波電容器的變頻器結構相對簡單。結構簡單的最大好處之一就是母線寄生電感更低。因為變頻器 專用電容器模組可以直接裝在母線板上，這樣所產生的寄生電感，將明顯小於裝在散熱器旁邊的鋁電解電容器用 銅板或母線連線到RGBT的方式。

變頻器專用薄膜濾波電容器的結構與裝配方式

以EPCOS的B25645一A4180一J -l變頻器專用薄膜濾波電容器的結構為例。電容器的引出端為銅板，裝配方式可以是將電極用螺栓固定在直流母線板的正、負極，實現電氣連線，這樣的電氣連線方式，電容器與直流母 線所包圍的空間將非常小，因而所產生的寄生電感也將非常小。再用L型固定夾板將電容器模組固定在散熱器上，完成電容器模組的機械固定的安裝方式。