Chọn tụ lọc DC cho hệ thống biến tần công suất cao: Hướng dẫn thực hành

Một bus DC biến tần 500 kW đã được thiết kế lại xung quanh dàn tụ điện màng 1200V và quá trình kiểm tra nhiệt cho thấy vỏ tụ điện chạy ở điện áp cao hơn môi trường xung quanh 14 K trong điều kiện tải gợn sóng hoàn toàn. Giá trị điện dung nằm trong thông số kỹ thuật, nhưng ESR đã tăng lên 22% trong mùa vận hành. Kinh nghiệm hiện trường đó là lý do tại sao việc chọn tụ lọc DC cho hệ thống biến tần công suất cao không thể chỉ dừng lại ở việc khớp các fara và vôn: dòng điện gợn sóng, nhiệt độ điểm nóng và biên độ giữa định mức biểu dữ liệu và dạng sóng thực sẽ quyết định liệu dãy tụ điện có tồn tại hay không.

Công ty TNHH Tụ điện Jiande Antai đã sản xuất tụ điện màng kim loại cho các ứng dụng gia nhiệt, nấu chảy và điện tử công suất trong 40 năm và các tụ lọc DC dòng DZMJ của công ty được chế tạo dựa trên những hạn chế chính xác này. Hướng dẫn này thực hiện thông qua các quyết định lựa chọn theo thứ tự chúng ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống.

Tụ lọc DC là tụ điện màng kim loại được kết nối qua bus DC của bộ biến tần hoặc bộ chuyển đổi. Nó hấp thụ gợn sóng chuyển mạch, ổn định điện áp bus trong các bước tải và kẹp các sự kiện quá điện áp lan truyền từ bộ chỉnh lưu hoặc tải tới cầu biến tần.

Quá trình lựa chọn có bốn lớp: định mức điện áp, điện dung và dòng điện gợn sóng, quản lý nhiệt và tuổi thọ. Mỗi lớp sẽ loại bỏ các ứng cử viên, do đó, cách tiếp cận có cấu trúc sẽ ngăn ngừa kiểu lỗi phổ biến nhất, đó là chọn tụ điện phù hợp với giá trị điện dung nhưng quá nóng ở tần số hoạt động.

Lựa chọn điện áp cho tụ lọc DC: Trường hợp xấu nhất trước tiên

Định mức điện áp của tụ lọc DC phải được chọn cho trường hợp xấu nhất nhất thời trên bus, vì ứng suất trên màng kim loại tỷ lệ thuận với điện áp đỉnh mà nó nhìn thấy chứ không phải mức trung bình.

Khi cầu biến tần chuyển mạch, liên kết DC sẽ bị vọt lố do độ tự cảm của cáp và hình dạng thanh cái. Một bus 900 V DC có IGBT 1200 V có thể chịu quá độ 950 đến 1050 V khi tắt và cứ tăng thêm 50 V quá mức sẽ làm tăng điện trường bên trong màng. Thông lệ trong ngành là đánh giá tụ điện cao hơn mức bus trạng thái ổn định ít nhất từ 10 đến 20 phần trăm, mà đối với bus 900 V có nghĩa là chọn bộ phận có định mức 1100 V hoặc 1200 V. Logic giảm công suất tương tự chạy trong phạm vi DZMJ được sử dụng trong các bộ truyền động công nghiệp và bộ biến tần tái tạo.

Quy tắc thiết kế: định mức điện áp tối thiểu = điện áp bus DC ở trạng thái ổn định x 1,2, sau đó làm tròn lên cấp tiêu chuẩn gần nhất.

Độ cao thêm một hạn chế thứ hai. Trên 2000 m, độ bền điện môi và khả năng làm mát đều giảm, do đó, một tụ điện vượt qua mực nước biển có thể cần cấp điện áp cao hơn trong nhà máy ở độ cao lớn. Xác nhận độ cao định mức trên biểu dữ liệu trước khi khóa số bộ phận.

Điện dung, dòng điện gợn sóng và ESR: Kiểm tra ba số

Điện dung xác định mức giảm điện áp bus DC giữa các xung chuyển mạch, trong khi dòng điện gợn và điện trở nối tiếp tương đương (ESR) xác định lượng năng lượng chuyển mạch bị tiêu tán dưới dạng nhiệt bên trong cuộn dây.

Yêu cầu về điện dung xuất phát từ mức sụt áp cho phép dV trong bước tải. Đối với biến tần ba pha, điện dung tối thiểu xấp xỉ C = P_out / (2 x f_line x V_bus x dV), trong đó P_out là công suất đầu ra, f_line là tần số đường dây và V_bus là điện áp bus DC. Việc tăng gấp đôi điện dung sẽ giảm một nửa mức tiêu thụ giấy nhưng cũng tăng gấp đôi diện tích, trọng lượng và chi phí của ngân hàng.

Hạn chế vận hành hầu như luôn là dòng điện gợn sóng. Trong bộ biến tần 500 kW ở 1200 V DC, độ gợn tần số chuyển mạch có thể đạt tới 60 đến 100 A. Dòng điện này chạy qua ESR và nhiệt sinh ra sẽ có tỷ lệ với dòng gợn sóng bình phương nhân với ESR. Một tụ điện màng kim loại có ESR 0,5 milliohm ở 25 °C vẫn nguội ở độ gợn sóng vừa phải, trong khi một bộ phận có các đầu cuối bị suy giảm hoặc delta cao sẽ chạy nóng hơn nhiều lần trong cùng một mạch.

của Antai phân tích kỹ thuật tụ lọc DC trong hệ thống điện tử công suất giải thích chức năng ổn định này chi tiết hơn.

Các thông số lựa chọn cho dàn tụ điện liên kết DC loại 1200 V
tham số	Tại sao nó quan trọng	Mục tiêu điển hình cho biến tần 500 kW
điện dung	Hạn chế sụt điện áp bus theo các bước tải	1850 đến 5000 uF
Đánh giá điện áp	Cung cấp khoảng không tạm thời	Tối thiểu 1200 V DC
ESR / đồng bằng tan	Kiểm soát hệ thống sưởi bên trong từ gợn sóng	tan delta dưới 0,002 ở 1 kHz
Dòng điện gợn sóng	Đặt ngân sách nhiệt liên tục	60 đến 100 A ở trường hợp 60°C
Giao diện làm mát	Xác định điện trở nhiệt thực	Làm mát bằng không khí hoặc nước cho mỗi tủ

    Một tụ điện đáp ứng mục tiêu về điện dung nhưng không đạt mức gợn sóng sẽ vượt qua khâu đánh giá thiết kế và bị hỏng trong mùa nhiệt đầu tiên. Dòng điện gợn sóng là cổng lựa chọn.   

Đối với loại điện áp này, tụ lọc DC 1850 uF màng kim loại DZMJ-1200V cung cấp tùy chọn làm mát bằng không khí nhỏ gọn, phù hợp với các ứng dụng có gợn sóng liên tục duy trì ở mức dưới khoảng 60 A trên mỗi đơn vị.

DZMJ 1200V 1850uF Metallized Film DC Filter Capacitor

Tụ lọc DC màng kim loại DZMJ 1200V 1850uF Tụ điện 1850 µF làm mát bằng không khí có định mức 1200 V, thích hợp cho dòng điện gợn sóng liên tục dưới 60 A trên mỗi đơn vị. Thiết kế nhỏ gọn của nó phù hợp với việc lọc nguồn trong bộ biến tần, nguồn cung cấp DC và hệ thống UPS. Xem sản phẩm →

Chiến lược làm mát Giới hạn Tụ lọc DC Ripple

Làm mát bằng nước có thể tăng gấp đôi dòng điện gợn hữu ích của tụ lọc DC so với đối lưu tự nhiên, do đó, đường dẫn nhiệt phải được giải quyết trước khi xác định mức gợn sóng cuối cùng.

Nhiệt được tạo ra đồng đều trên cuộn màng kim loại và thoát ra chủ yếu qua vỏ. Sự đối lưu tự nhiên phụ thuộc vào luồng không khí trong tủ và diện tích vỏ tiếp xúc, đồng thời một tụ điện màng DC thông thường sẽ tiêu tán khoảng 30 đến 60 W trong không khí tự do. Không khí cưỡng bức gần gấp đôi giới hạn đó. Làm mát bằng nước thông qua tấm lạnh, vỏ làm mát hoặc thanh cái rỗng sẽ hút nhiệt trực tiếp từ vỏ và hỗ trợ gợn sóng loại 100 A với cùng công nghệ cuộn dây.

Ngân hàng làm mát bằng không khí

Hệ thống đơn giản hơn không có vòng làm mát; 40 đến 70 phần trăm xếp hạng gợn sóng của biểu dữ liệu có sẵn ở nhiệt độ môi trường cao; chi phí lắp đặt thấp hơn; bảo trì dễ dàng hơn.

Ngân hàng làm mát bằng nước

Dòng điện gợn liên tục cao hơn, nhiệt độ trường hợp thấp hơn và tuổi thọ dài hơn; yêu cầu mạch làm mát, phụ kiện và quản lý rò rỉ trong thiết kế tủ.

Trong quá trình chạy nhiệt so sánh trên cùng một cấu hình 500 kW, dàn làm mát bằng nước giữ nhiệt độ vỏ 62 °C trong khi dàn đối lưu tự nhiên đạt tới 81 °C trong một tủ giống hệt nhau. Sự chênh lệch 19 K đó sẽ chuyển nhiệt độ điểm nóng cuộn dây trực tiếp vào đường cong tuổi thọ. Tụ lọc 5000 uF làm mát bằng nước DZMJ-1200V được thiết kế cho chế độ này, với cấu trúc làm mát có kích thước phù hợp để hoạt động liên tục với độ gợn sóng cao.

DZMJ 1200V Water-Cooled 5000uF Filter Capacitor

Tụ lọc 5000uF làm mát bằng nước DZMJ 1200V Làm mát bằng nước giữ cho vỏ ở nhiệt độ 62 °C trong cấu hình 500 kW, cải thiện khả năng và tuổi thọ của dòng điện gợn sóng. Được thiết kế để lọc điện áp cao, dòng điện cao trong bộ biến tần và bộ điều khiển động cơ. Xem sản phẩm →

Trọn đời, Tự hồi phục và Cổng lựa chọn cuối cùng

Tụ điện màng kim loại không bị hỏng đột ngột như tụ điện: nó tự phục hồi sau khi phóng điện vi mô, mất điện dung dần dần và thời gian sử dụng hữu ích của nó hầu như bị chi phối hoàn toàn bởi nhiệt độ điểm nóng.

Trong quá trình phóng điện vi mô, lớp kim loại mỏng xung quanh sự cố sẽ bốc hơi và khôi phục lớp cách điện, do đó một sự kiện quá điện áp hiếm khi làm hỏng bộ phận. Ứng suất nhiệt lặp đi lặp lại làm tăng tốc độ lão hóa màng và làm tăng tổn thất điện môi theo thời gian. Thực tiễn thiết kế cho các liên kết DC công suất cao là giữ nhiệt độ điểm nóng dưới 85 đến 90 °C và cứ giảm 10 K thì tuổi thọ dự kiến sẽ tăng gần gấp đôi. Mối quan hệ đó chính là lý do vì sao quyết định làm nguội ở phần trước cũng là quyết định cả đời.

85°C mục tiêu thiết kế điểm nóng tối đa

10 K quy tắc giảm một nửa suốt đời

100 A gợn sóng với nước làm mát

1200 V lớp tiêu chuẩn cho xe buýt 900 V

Đối với điện áp bus trên 1200 V, tụ lọc DZMJ DC điện áp cao mở rộng cấu trúc màng kim loại tương tự lên mức vận hành cao hơn, rất hữu ích khi biến tần được thiết kế với biên độ giảm dần.

5000µF High-Voltage DZMJ DC Filter Capacitor

Tụ lọc DZMJ DC điện áp cao 5000µF Tụ điện 5000 µF được chế tạo cho các ứng dụng DC điện áp cao, cung cấp khả năng lọc ổn định với tổn thất thấp. Hữu ích khi bộ biến tần yêu cầu biên độ giảm tải bổ sung trên mức bus 1200 V. Xem sản phẩm →

Kết thúc việc lựa chọn bằng trình tự xác minh sáu bước:

Ghi lại điện áp bus trong trường hợp xấu nhất và biên độ nhất thời, sau đó cố định cấp điện áp ở biên độ tối thiểu 10%.
Tính điện dung tối thiểu từ mức nhúng xe buýt cho phép ở mức đầy tải.
Ước tính dòng điện gợn từ tần số chuyển mạch và cấu hình điều chế.
Chọn phương pháp làm mát trước khi khóa xếp hạng độ gợn và xác minh nó ở nhiệt độ trường hợp dự kiến.
Xác nhận ESR, tan delta, hành vi tự phục hồi và dữ liệu thử nghiệm của nhà sản xuất.
Kiểm tra giá đỡ cơ học, độ tự cảm của thanh cái và giao diện làm mát so với cách bố trí tủ.

Khi cấu hình gợn sóng bao gồm các chuyển tiếp nhanh hoặc hình dạng của tủ bị chật, thảo luận về dạng sóng với nhóm kỹ thuật của Antai và xác thực cấu trúc làm mát của tụ điện dựa trên bố cục thanh cái của bạn trước khi đưa vào sản xuất.

Câu hỏi thường gặp về lựa chọn tụ lọc DC

Điều gì xảy ra nếu tụ điện liên kết DC có kích thước nhỏ hơn?

Điện áp bus giảm hơn nữa trong các bước tải, điện áp gợn sóng tăng trên toàn bộ dãy và tụ điện hoạt động trên mức định mức gợn sóng của nó. Ứng suất nhiệt sinh ra sẽ làm tăng tốc độ lão hóa và suy giảm đầu cuối của màng, rút ngắn tuổi thọ sử dụng và trong trường hợp nghiêm trọng sẽ gây ra sự ngắt kết nối bảo vệ.

Tại sao nên chọn tụ điện màng thay vì điện phân cho liên kết DC biến tần công suất cao?

Tụ điện dạng màng xử lý dòng điện gợn sóng cao hơn, không chứa chất điện phân lỏng để bị khô và hỏng ở chế độ tự phục hồi thay vì bị đoản mạch. Tụ điện vẫn hữu ích ở mức dưới khoảng 100 kW, trong đó năng lượng dự trữ trên một đơn vị thể tích quan trọng hơn và độ gợn sóng thấp.

Cần giảm điện áp bao nhiêu cho bus 1200 V DC?

Sử dụng ít nhất 10 phần trăm trên điện áp bus ở trạng thái ổn định và 15 đến 20 phần trăm nếu biến tần hoạt động trên lưới điện mềm hoặc thấy các bước tải nhanh thường xuyên. Tụ điện màng định mức 1200 V là tiêu chuẩn cho bus 1000 V, trong khi bus danh nghĩa 1200 V nên sử dụng loại 1400 V hoặc 1500 V.

Tại sao định mức dòng điện gợn phụ thuộc vào phương pháp làm mát?

Nhiệt độ điểm nóng là tích của tổn thất bên trong, tức là dòng điện gợn bình phương nhân với ESR và điện trở nhiệt từ cuộn dây đến môi trường xung quanh. Đường làm mát tốt hơn sẽ làm giảm điện trở nhiệt đó, cho phép cùng một cuộn dây mang nhiều dòng điện gợn sóng hơn mà không vượt quá nhiệt độ điểm nóng định mức.

Chia sẻ: