Przewodnik dotyczący funkcji i wyboru kondensatora łącza DC

I. Podstawowe funkcje kondensatlubów łącza prądu stałego

Kondensator łącza prądu stałego Zazwyczaj znajdują się pomiędzy prostownikiem (lub innym źródłem prądu stałego) a falownikiem i stanowią kluczowe elementy sprzętu, takiego jak przetwornice częstotliwości, zasilacze falowników i zasilacze UPS. Ich główne funkcje można podsumować w następujących czterech punktach:

1. Stabilizacja napięcia szyny DC (regulacja napięcia)
Funkcja: Falowniki (takie jak IGBT) przełączają się przy wysokich częstotliwościach, pobierając silnie pulsujący prąd z szyny DC. Powoduje to znaczne tętnienie napięcia szyny DC.
Zachowanie kondensatora: Gdy tranzystor przełączający jest włączony i prąd wzrasta, kondensator rozładowuje się, dostarczając chwilową energię do obciążenia i zapobiegając nagłemu spadkowi napięcia szyny; gdy tranzystor przełączający jest wyłączony, kondensator ładuje się, pochłaniając energię ze źródła zasilania i zapobiegając wzrostowi napięcia szyny. Działa jak „zbiornik”, niwelując wahania przepływu (prąd) i utrzymując stabilny poziom wody (napięcie).

2. Zapewnij chwilowy prąd szczytowy (zapewnij moc bierną)
Zastosowanie: Nowoczesne napędy silnikowe wymagają szybkiej reakcji dynamicznej. Kiedy obciążenie nagle wzrasta, falownik musi natychmiast zapewnić duży prąd. Ze względu na pasożytniczą indukcyjność zasilacza prądu stałego i linii front-end, nie są one w stanie zapewnić natychmiastowego tak dużego prądu.
Zachowanie kondensatora: Ze względu na niską rezystancję wewnętrzną (ESL/ESR) kondensatory mogą bardzo szybko uwolnić zgromadzoną energię, zapewniając falownikowi wymagany chwilowy prąd szczytowy i zapewniając szybką reakcję przetwornicy.

3. Pochłania szumy i tętnienia o wysokiej częstotliwości (filtrowanie)
Funkcja: Szybkie włączanie i wyłączanie urządzeń przełączających generuje szum przełączający o wysokiej częstotliwości, który jest emitowany lub przewodzony przez linię.
Zachowanie kondensatora: Kondensatory łącza prądu stałego zapewniają pętlę o niskiej impedancji dla tych komponentów szumu o wysokiej częstotliwości, umożliwiając ich lokalną absorpcję, zapobiegając zakłóceniom w obwodzie prostownika poprzedzającym lub sieci energetycznej, a także zapobiegając ich wpływowi na obwód sterujący za urządzeniem.

4. Stłumić sprzężenie zwrotne energii cewki indukcyjnej
Funkcja: W napędzie silnikowym, gdy silnik znajduje się w stanie generatora (np. podczas hamowania lub opuszczania ciężkich przedmiotów), energia będzie przekazywana z powrotem od strony silnika do szyny DC.
Zachowanie kondensatora: Kondensator może absorbować tę energię sprzężenia zwrotnego, zapobiegając zbyt wysokiemu pompowaniu napięcia szyny DC, chroniąc w ten sposób urządzenia przełączające przed przebiciem spowodowanym przepięciem. (W przypadku silnego sprzężenia zwrotnego energii zwykle wymagany jest rezystor hamujący i moduł hamujący.)

II. Kluczowe punkty przy wyborze kondensatorów łącza DC
Przy wyborze kondensatora obwodu pośredniego należy wziąć pod uwagę następujące kluczowe parametry:

1. Napięcie znamionowe
Obliczenia: Napięcie musi być wyższe niż możliwe napięcie szyny DC. Na przykład dla wejścia trójfazowego 380 VAC średnie napięcie prądu stałego po prostowaniu wynosi około 540 VDC. Biorąc pod uwagę takie czynniki, jak wahania sieci i napięcie pompowania, kondensatory o napięciu znamionowym 630 V prądu stałego or Zazwyczaj wybierane jest napięcie 700 V prądu stałego .
Margines: Ogólnie rzecz biorąc, wymagany jest margines napięcia wynoszący 15–20%, aby zapewnić długoterminową niezawodność i poradzić sobie ze skokami napięcia.

2. Pojemność
Funkcja: Wartość pojemności określa zdolność kondensatora do magazynowania energii i stabilizacji napięcia. Im większa wartość pojemności, tym lepszy efekt regulacji napięcia i mniejsze tętnienie napięcia.
Metoda szacowania: Istnieją złożone wzory do obliczeń, ale ogólna zasada jest taka na każdy 1 kW mocy wyjściowej falownika potrzebne jest około 100 μF - 200 μF kondensatora . Na przykład falownik o mocy 15 kW zwykle wykorzystuje kondensator obwodu pośredniego o pojemności 1500 μF–3000 μF.
Czynniki wpływające obejmują moc systemu, częstotliwość przełączania, dopuszczalny współczynnik tętnienia napięcia i bezwładność obciążenia. Wyższa częstotliwość przełączania pozwala na zastosowanie stosunkowo mniejszego wymaganego kondensatora.

3. Znamionowy prąd tętnienia
Definicja: Efektywna wartość ciągłego prądu przemiennego, jaki może wytrzymać kondensator. Jest to kluczowy wskaźnik do pomiaru nagrzewania kondensatora.
Znaczenie: Jeśli rzeczywisty prąd tętnienia przekracza wartość znamionową kondensatora, spowoduje to poważne przegrzanie wnętrza kondensatora, wyschnięcie elektrolitu, gwałtowne zmniejszenie żywotności, a nawet przebicie termiczne.
Zasada selekcji: Należy obliczyć lub zasymulować wartość skuteczną całkowitego prądu tętnienia przepływającego przez kondensator i upewnić się, że znamionowy prąd tętnienia wybranego kondensatora jest większy niż rzeczywisty prąd tętnienia , z pewnym marginesem. W zastosowaniach o wysokiej częstotliwości jest to parametr równie ważny, a nawet ważniejszy niż pojemność.

4. Zastępcza rezystancja szeregowa (ESR) i zastępcza indukcyjność szeregowa (ESL)
ESR: Główny czynnik powodujący straty i wytwarzanie ciepła w kondensatorach. Im mniejszy ESR, tym mniejsze straty i lepsza wydajność filtrowania przy wysokich częstotliwościach.
ESL (efektywne niskie napięcie): Ogranicza charakterystykę wysokiej częstotliwości kondensatora. Kiedy częstotliwość przekracza częstotliwość rezonansu własnego, kondensator staje się indukcyjny i traci swoją funkcję pojemnościową. Aby zmniejszyć ESL, zwykle stosuje się konstrukcje pinów wielopinowych, wielowarstwowych lub płaskich.

5. Żywotność
Kluczowy czynnik: W przypadku kondensatorów elektrolitycznych żywotność jest ich podstawowym wskaźnikiem wydajności. Na żywotność wpływa głównie temperaturę wewnętrznych gorących punktów .
Obliczenia: Postępuj zgodnie z „zasadą 10 stopni”, co oznacza, że każde 10°C spadku temperatury roboczej oznacza podwojenie żywotności. Producenci podają znamionową żywotność w temperaturze roboczej (np. 105°C/2000 godzin).
Rozważania dotyczące wyboru: Wybierz modele kondensatorów o wystarczającej żywotności w oparciu o oczekiwaną żywotność sprzętu i temperaturę otoczenia.