一、變頻器的特點

　　變頻器的最大特點就是三相電直接整流。這樣的變頻器的結構最簡單。

　　三相380V交流電經過整流、電容器濾波后，通過SPWM逆變可以還原380V有效值交流電壓。

　　同樣三相660V變頻器通過三相660V的橋式整流、電容濾波、SPWM逆變也可以實現三相正弦波輸出的660V的有效值電壓。

　　這樣做的最大優點就是所實現的變頻器價格最低廉。不需要整流變壓器、不需要濾波電感。

　　電解電容器在變頻器中的位置

　　二、電解電容器在變頻器中的作用

　　吸收來自整流器的紋波電流

　　吸收來自逆變器的紋波電流

　　三、整流器紋波電流的產生

　　三相橋式整流的輸出電壓比較平滑，即使不用濾波器電壓波動的峰—峰值也僅為輸出電壓平均值的14%，可以滿足一般應用要求。

　　如果三相橋式整流輸出直接接負載，這個三相橋式整流電路是不會產生交流電流分量的。

　　但是為什么還要在三相橋式整流電路的輸出接一個“濾波”電容器？其根本原因就是：

　　直流電源不能提供或吸收來自負載的交流電流分量，特別是瞬變電流分量。

　　四、直流母線為什么不能提供或吸收交流電流分量？

　　原因很簡單，這就是直流電源中允許存在寄生電感，但是這個寄生電感可能很大，這對于直流電流來說，線路的寄生電感是不會產生電壓降的。

　　然而直流電源中的寄生電感在瞬態電流變化的負載條件下會產生極高的感生電勢：

　　e=L·di/dt

　　如果L為10μH，即使瞬變電流的電流變換濾僅僅100A/μs，也會產生1000V的感生電勢！

　　對于交流電網1mH的寄生電感也不會引起太大問題，但是在10kHz條件下就會產生62.8V的有效值電壓。

　　上述問題都是電力電子電路所不能容忍的。

　　五、必須采取措施將直流母線上的交流電流分量吸收

　　最簡單的方法就是在直流母線兩端并聯一個器件，這個器件不流過直流電流。

　　很顯然這個器件就是電容器，直流母線電容器。電容器的最大特點就是電壓不能躍變，或者說反抗電壓的變化。同時，頻率越高電容器的容抗越小，越容易流過交流電流。

　　這時，在直流母線上所產生的交流電壓就是直流母線電容器與直流電源的寄生電感分流交流電流后在直流母線上產生的交流電壓。

　　由于直流母線電容器的容抗可以遠低于直流母線寄生電感的感抗，因此直流母線電容器分得的交流電流比例幾乎100%。

　　直流電源的寄生電感的交流電流所產生的感生電勢可以低到可以接受的程度，如果沒達到，可以通過加大直流母線電容器電容來的方法達到。

　　六、直流母線電容器與整流器的沖突

　　接入直流母線電容器后，由于電容器的電壓保持作用，會出現直流母線電容器的電壓高于交流電源電壓瞬時值，這時整流器中的二極管將不能導通，由于整流器中二極管的不能導通，整流“濾波”電路的輸出電能將由直流母線電容器提供。

　　在整流器的二極管導通期間，整流器不僅要為負載提供電能，還要為直流母線電容器充電，這樣就形成了整流器的輸出紋波電流。

　　由于負載不接受整流器輸出的紋波電流，只能由直流母線電容器吸收。這就是整流器產生的紋波電流的由來。

　　七、變頻器中的電解電容器工作狀態分析

　　以下的推算和測試的每千瓦電流均為三相380V交流電網的結果，其它電壓等級可以通過本文的結果折算。

　　測試整流器輸出電流電路

　　實際的變頻器中的濾波電容器電流是整流器輸出電流的交流成分和逆變器部分向直流母線索取電流的交流成分混在一起。

　　為了單獨測試整流器輸出電流及流入濾波電容器的電流，需要采用整流器+濾波電容器接電阻負載的方法獲得。

　　為了獲得與變頻器相同的測試效果，電阻消耗的功率為3.7kW

　　三相整流器驅動電阻性負載

　　三相整流器流入濾波電容器的電流

　　整流器輸出電流有效值為9.06A，平均每千瓦輸出功率對應2.45A/kW，而負載僅吸收6.7A平均值電流。

　　整流器輸出電流的交流成分（紋波電流）只能由濾波電容器吸收?？鄢渲绷鞒煞?，剩下的為交流成分：

　　流入濾波電容器的電流為1.65A/kW

　　三相正弦波逆變器流入濾波電容器的電流

　　三相正弦波逆變器流入濾波電容器的電流為3.09A，約為0.85A/kW

　　變頻器濾波電容器的實際電流：

　　流入濾波電容器的實際電流為整流器產生的紋波電流（約每千瓦1.65A/kW ）

　　三相正弦波逆變器產生的紋波電流（約每千瓦0.85A/kW ）

　　實際的濾波電容器流過的電流為兩者的平方和的開根號，即：

　　約每千瓦1.85A/kW ，接近每千瓦2A電流。

　　不同電壓等級交流電網電壓對應的濾波電容器的電流

　　三相380V電網的濾波電容器狀態：

　　濾波電容器流過的電流有效值：1.85A/kW

　　濾波電容器流過的電流有效值與輸出電流有效值的比值為0.83

　　三相690V電網的濾波電容器狀態：

　　濾波電容器流過的電流有效值：1.02A/kW

　　濾波電容器流過的電流有效值與輸出電流有效值的比值為0.46

　　八、變頻器中的電解電容器選型

　　1、電容器類型的選擇

　　傳統方案選擇的是高壓電解電容器，隨著薄膜電容器的制造技術的提升和薄膜電容器成本的降低。薄膜電容器開始進入變頻器濾波電容器領域。

　　相對于鋁電解電容器，同額定電壓、同電容量，薄膜電容器的體積和成本約為鋁電解電容器的3~4倍，如果選擇薄膜電容器則必須降低電容量才能在成本上與電解電容器接近。

　　測試結果分析

　　即使電容量下降到1/6以下，變頻器還可以正常工作，表明降低電容量應用是可行的。

　　但是需要吸收電動機制動能量的或不允許在電網瞬間掉電、缺相或塌波情況下變頻器能正常工作時。不能應用降低到容量的方案。

　　從輸入電流波形看，電容量低于1/3，輸入電流會產生毛刺，這表明EMC傳導干擾測試通過不了。

　　因此一般情況下不宜選擇1/3以下的電容量。

　　2、電解電容器的選擇

　　額定電壓的選擇

　　三相380V直接整流的直流母線電壓為550V，考慮制動回饋電壓可能達到700V或750V；

　　高壓電解電容器的額定電壓大多數為400V或450V，需要兩只400V或450V串聯應用。

　　660V整流輸出的直流母線電壓約為960V，最高可達1100V，需要3只400V或450V電解電容器串聯或兩只600V電解電容器串聯。

　　如果有耐壓達到750V的電解電容器，則三相380V輸入可以單只應用即可。

　　電容量的選擇還是額定電流的選擇？

　　變頻器中電解電容器是按額定電流選擇還是按電容量的選擇？

　　常規的理解常認為是按電容量的選擇，這是一般電子線路中電容器的選擇。這是一般電子線路對電容器所能夠承受的紋波電流沒有過高的要求。

　　但是在變頻器和其它的電力電子電路中，由逆變器產生的紋波電流很高，需要電容器能夠承受高幅值或高有效值電流。

　　從變頻器的實際應用角度看，對于三相380V變頻器僅需要每千瓦35~40μF。

　　而實際上電解電容器的選擇遠遠大于這個數值！

　　實際應用中往往大于每千瓦100μF以上?。ㄒ话氵x取每千瓦120μF以上）

　　三相380V變頻器的電解電容器選擇

　　三相380V變頻器的電解電容器選擇基本上選擇了85℃環境溫度下額定電流的1.5倍。

　　三相660V變頻器的電容器選擇也是選用了85℃環境溫度下額定電流的1.5倍。

　　這樣選擇是否好用？是否合理？

　　既然是行業默契，肯定有其原因和道理。

　　電解電容器能夠承受的電流不夠

　　電解電容器的額定電流并不是隨電容量一比一的線性增長。兩只3300μF電解電容器能夠承受的紋波電流（2×14.9A=29.8A）高出6800μF電解電容器的額定電流21.4A約39%；

　　按每千瓦30μF選擇電解電容器，對應的10kW變頻器僅需要300μF的電容量，用兩只680μF電解電容器串聯即可，但是680μF電解電容器僅能承受4.9A。而10kW變頻器流入濾波電容器的電流則高達18.5A！必須通過加大電容量的方法滿足電流參數的要求。

　　實際10kW變頻器的選擇

　　實際的10kW變頻器選擇兩只2200μF電解電容器串聯。

　　一般的2200μF電解電容器可以承受10~12A紋波電流，但是這還低于18.5A的要求。這是為什么？

　　原因

　　在50℃環境下，即使是1.5倍的紋波電流也可以具有大約5倍的壽命時間。例如4000小時的5倍壽命就是20000小時，連續應用時間為28個月。

　　45℃環境下，即使是1.5倍的紋波電流也可以具有大約8倍的壽命時間。例如4000小時的8倍壽命就是32000小時，連續應用時間為3.65年。

　　如果是降額使用，實際使用壽命還會延長。

　　間斷使用會延長壽命。

　　通過這些因素，可以使得2200μF電解電容器應用于10kW變頻器中。

　　通過上述分析，在變頻器中，電解電容器根據變頻器的功率選擇電解電容器的電容量，以滿足電解電容器所承擔的電流在允許范圍內。

　　RIFA電解電容器的50℃條件下所能承受的紋波電流19.6A稍稍高于18A，因此這種選擇也是符合RIFA的技術條件，同時也會看到，即使是RIFA的電解電容器，其紋波電流承受能力與國產的相差不多。

　　壽命與最高工作溫度的選擇

　　從經濟角度考慮，電解電容器額定溫度選擇85℃，壽命選擇滿足產品壽命期要求即可，如追求低成本時考慮選用2000小時，這是目前國內電解電容器的最基本的性能要求。

　　如果需要壽命長一些，可以選擇3000小時、4000小時。

　　國內還有6000小時的產品，甚至還有85℃20000/105℃5000小時的超常壽命電解電容器。

　　可以選擇105℃電解電容器來延長使用壽命。

　　九、高壓變頻器功率單元的電容器工作狀態

　　高壓變頻器采用功率單元串聯

　　由于IGBT耐壓的限制，高壓變頻器多采用多只單相正弦波逆變器串聯構成單相逆變器臂。

　　每一個功率單元選用三相660V交流電供電，三相橋式整流、電容器濾波為單相正弦波逆變器供電。

　　這時的濾波電容器不僅要吸收三相整流器產生的紋波電流、逆變器產生的開關頻率電流。

　　還有單相正弦波逆變器的輸出頻率的紋波電流，并且將這個紋波電流所產生的紋波電壓限制在允許范圍。

　　高壓變頻器功率單元的電容器選型

　　特殊性：單相逆變器，這時的DC-Link電容器要承受來自于變頻器單元輸出的紋波電流。有基波分量電流和開關頻率分量的電流，其中基波電流分量將大于開關頻率電流分量

　　因此，DC-Link的電容量將由輸出基波電流反射到DC-Link電容器的“紋波”電流所產生的電壓脈動決定。

　　按直流母線電壓波動±10%選擇電容量

　　對于660Vac三相橋式整流的直流母線電壓越1100V。

　　輸出按功率因數0.85計算，每輸出1A有效值電流對應的輸出功率為561W，近似于每千瓦2A有效值電流。

　　允許波動電壓峰-峰值電壓為220V，每千瓦需要22微法電容量，也就是三只68微法電容量的串聯。

　　如果按這參數選擇電容器，電解電容器與薄膜電容器的競爭實力差不多。

　　電解電容器可能要考慮可以承受的紋波電流問題。

　　按直流母線電壓波動±5%選擇電容量

　　對于660Vac三相橋式整流的直流母線電壓越1100V。

　　輸出按功率因數0.85計算，每輸出1A有效值電流對應的輸出功率為561W，近似于每千瓦2A有效值電流。

　　允許波動電壓峰-峰值電壓為110V，每千瓦需要44微法電容量，也就是三只132微法電容量的串聯。

　　在這樣的要求下，電解電容器具有優勢。

　　由于電容量的需求，電解電容器可以承受的紋波電流將不再是問題。

　　按直流母線電壓波動±2%選擇電容量

　　對于660Vac三相橋式整流的直流母線電壓越1100V。

　　輸出按功率因數0.85計算，每輸出1A有效值電流對應的輸出功率為561W，近似于每千瓦2A有效值電流。

　　允許波動電壓峰-峰值電壓為44V，每千瓦需要110微法電容量，也就是三只330微法電容量的串聯。

　　在這種情況下，電解電容器具有無可替代的優勢。

　　由于連接足夠的電解電容器，這些電解電容器承受的紋波電流以明顯高于功率單元和整流其產生的紋波電流有效值。因此無需考慮電解電容器能夠承受電流的問題。

　　輸出電流有效值與電容器紋波電流的關系

　　通過計算可以得知，輸出電流反射到電容器上的“紋波”電流為輸出電流有效值的44%，相當于1100Vdc直流母線條件下，每千瓦輸出功率約0.88A流入電容器。

　　還要有至少每千瓦0.5A的開關頻率的紋波電流。

　　兩者綜合作用的結果是每千瓦流入電容器電流為1.1A，如果留有一定的裕量可以選擇每千瓦輸出功率1.5A電容器額定電流。

　　其他電壓等級以此類推

　　如果按±1%電壓波動選擇電容器，則非電解電容器莫屬，即是按±1%電壓波動選擇電容器，電解電容器的優勢還是明顯的。

　　變頻器與風能并網逆變、光伏并網逆變的關系

　　電解電容器不適用于大功率風電逆變器。

　　為什么？

　　大功率風電逆變器的直流母線電壓往往要達到4500V，紋波電流也要達到數百安培，這不僅需要十只以上的電解電容器串聯還要數十只電解電容器的并聯。

　　電解電容器的并聯很容易實現，但是十余只電解電容器串聯時相對薄膜電容器的優勢會蕩然無存。

　　如果是直流母線在1000V左右，選用電解電容器還是可以的，也具有一定的優勢，選擇方法與變頻器電解電容器的選擇基本相同。

　　1、 直流母線支撐電容器選擇依據

　　直流母線支撐電容器的選擇依據可以利用變頻器的直流母線支撐電容器的選擇依據來得到。

　　以30kW、三相380V輸入電壓的變頻器為例：其輸出線電流為60A。如果用電解電容器則需要選擇3300μF電容量的電解電容器兩并兩串。其等效電容量為3300μF。如果采用薄膜電容器替代電解電容器可以降低容量降低到電解電容器電容量的1/3左右，即1100μF或1000μF~1200μF之間。

　　對應的電容器的儲能為：

　　其中，550為三相380V交流電壓整流并采用電容器濾波后的直流母線電壓：550V。

　　在這個條件下對應的直流母線支撐電容器流過的交流分量電流有效值為：

　　整理后得到如下結論：

　?、琶枯敵?kW功率需要5.5458焦耳的電容器儲能；

　?、泼枯敵?A有效值電流，直流母線支撐電容器需要承受0.44A有效值電流。

　　上述兩個結論對不同功率、不同電壓等級的變頻器（沒有制動技術要求條件下）、風能發電逆變器、太陽能逆變器均適用。