電流頻率對(duì)電力電子電容器的影響

文/黃云鍇 潘毓嫻 儲(chǔ)松潮 汪 威 潘焱堯 徐亞寧（安徽銅峰電子股份有限公司）

電容器是電路中重要的三大基礎(chǔ)元件之一，起到儲(chǔ)能、濾波、調(diào)相、耦合等重要作用。理想電容器是一種無(wú)功元件，而實(shí)際電容器由于構(gòu)成電容器的介質(zhì)存在損耗、極板和引出電極存在電阻等，在工作中會(huì)產(chǎn)生一定的有功功率，從而引起發(fā)熱。

電容器承載的電流頻率不同，發(fā)熱也不同。這主要由于絕緣材料在不同頻率下的介質(zhì)損耗不同。同時(shí)，金屬材料隨頻率的增加，引起集膚效應(yīng)而導(dǎo)致電阻增加帶來(lái)額外的發(fā)熱。

電力電子電容器主要是應(yīng)用在中低頻率的電路中，非線性負(fù)載帶來(lái)的諧波成分極大地影響電容器安全可靠運(yùn)行。本研究嘗試對(duì)電力電子電容器加載不同頻率的電流測(cè)量其溫升，從而獲知不同頻率電流對(duì)電容器的影響。

一、不同頻率電流對(duì)電力電子電容器的影響原理

電容器的損耗主要由絕緣材料的介質(zhì)損耗、金屬材料的電阻損耗組成。電流頻率對(duì)這兩個(gè)方面影響也較為明顯。

1.不同頻率電流對(duì)薄膜介質(zhì)損耗的影響

絕緣材料的介質(zhì)損耗是由極化損耗、漏導(dǎo)損耗、電離損耗等構(gòu)成。漏導(dǎo)損耗是在電場(chǎng)作用下，絕緣材料中帶電粒子移動(dòng)導(dǎo)致的；電離損耗是在電場(chǎng)作用下，氣泡在固體或液體界面上產(chǎn)生電離引起的損耗。這兩種損耗主要和電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)。極化損耗是絕緣介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下，介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)引起的能量損耗，該損耗和電場(chǎng)強(qiáng)度、電流頻率相關(guān)聯(lián)，也是本文探討的主要內(nèi)容。

極化損耗是在交變電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生周期性的與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的松弛極化，引起電介質(zhì)的能量損耗。在外加電場(chǎng)作用下，分子偶極子不會(huì)立即取向，它是一個(gè)松弛過(guò)程。當(dāng)松弛時(shí)間一定時(shí)，在低頻區(qū)，介質(zhì)損耗與恒定電場(chǎng)下相近，全由電導(dǎo)損耗所貢獻(xiàn)；在松弛區(qū)，外施電場(chǎng)的周期可與松弛時(shí)間相近，介質(zhì)損耗增加；在高頻區(qū)，松弛極化來(lái)不及建立，不會(huì)產(chǎn)生松弛極化，每周內(nèi)引起的損耗減小，但每秒內(nèi)的周波數(shù)增加，使介質(zhì)損耗增加，并逐漸趨于定值[1-3]。

2.不同頻率電流對(duì)導(dǎo)體承載電流（電阻）的影響

在交變電場(chǎng)中，承載電流的導(dǎo)體存在渦流效應(yīng)，致使導(dǎo)體內(nèi)部電流分布不均勻，電流密度從導(dǎo)體表面向?qū)w芯部逐漸減小，即電流流動(dòng)集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分，稱為集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)會(huì)隨頻率的升高而愈加明顯，在高頻狀態(tài)下導(dǎo)體芯部的電流趨于零，進(jìn)而使導(dǎo)體的等效電阻增加[4-5]。

電容器金屬部分損耗是由于電容器金屬極板、導(dǎo)線和引出電極等存在電阻和接觸電阻引起的能量損耗。當(dāng)電容器承載的電流頻率增加時(shí)，電流的集膚效應(yīng)使導(dǎo)體的損耗功率增加，導(dǎo)致電容器溫度上升。電容器極板一般為片狀材料或蒸鍍于薄膜材料上的金屬層，集膚效應(yīng)相對(duì)較弱。而電容器的導(dǎo)線、引出電極等多為圓柱體，集膚效應(yīng)受頻率影響較為明顯。

二、熱穩(wěn)定性試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

1.標(biāo)準(zhǔn)的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

電力電子電容器的試驗(yàn)是按照GB/T 17702-2013 標(biāo)準(zhǔn)[6]進(jìn)行的，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的規(guī)定為：電容器在最高運(yùn)行環(huán)境溫度加5℃的烘箱中，對(duì)電容器施加1.1 倍額定電流持續(xù)48h，在試驗(yàn)的最后6h 期間，應(yīng)對(duì)外殼接近頂部處的溫度至少測(cè)量4 次，在整個(gè)6h 期間內(nèi)，溫升的增加量不應(yīng)超過(guò)1K，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)應(yīng)測(cè)量損耗。

2.不同頻率電流的熱穩(wěn)定試驗(yàn)參數(shù)的確定

選用某變流器中使用的690Vp-1650μF 濾波電容器進(jìn)行試驗(yàn)，該電容器額定工作電流277.2A，最高運(yùn)行溫度為65℃。按照標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置為304.9A，試驗(yàn)烘箱溫度為70℃。

通過(guò)功率分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，由于非線性負(fù)載，該電容器電流含有較多的諧波成份，除了50Hz 基波電流以外，在250、350、1250、1350、1550、2850、2950、4450Hz 等 頻 率依然有著較高諧波電流分量。

3.不同頻率電流的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)方案選取

根據(jù)上述試驗(yàn)品的實(shí)際工況，并適當(dāng)擴(kuò)大范圍，選取了50、100、150、200、250、300、350、400、500、650、800、1000、1200、1500、2000、2500、3000、4000、7000、10000Hz 的20 個(gè)試驗(yàn)頻率點(diǎn)，測(cè)試電容器在不同頻率下的溫升表現(xiàn)。

三、不同頻率電流的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)情況

在上述選取的20 個(gè)頻率點(diǎn)，將電容器置于環(huán)境溫度70℃的烘箱中，對(duì)電容器施加304.9A 電流進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄電容器內(nèi)外多個(gè)位置的溫度。通過(guò)20 次熱穩(wěn)定性試驗(yàn)，獲得了電容器外殼和內(nèi)部的最熱點(diǎn)溫度，扣減電容器環(huán)境溫度后，作為在不同頻率下電容器的溫升數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。由圖1 可見(jiàn)，隨著電容器施加電流頻率的升高，電容器的溫升先降低后逐漸升高。

圖1 不同頻率下電容器溫升

四、試驗(yàn)分析

電容器研究者通常采用儀表測(cè)量的方式研究電容器在不同頻率下的表現(xiàn)，較大功率的電容器很少采用熱穩(wěn)定試驗(yàn)的方式進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)分析，儀表測(cè)量方式對(duì)電容器僅施加0.3～2V電壓，電容器絕緣介質(zhì)的松弛極化效應(yīng)并不能真實(shí)體現(xiàn)，漏導(dǎo)損耗和電離損耗無(wú)法測(cè)得。在盡可能貼近真實(shí)的運(yùn)行工況下，對(duì)電容器施加接近其正常工作的電壓、電流和頻率時(shí)，電容器的溫升表現(xiàn)才能更為真實(shí)地反映其使用狀態(tài)。為進(jìn)行對(duì)比，使用儀表進(jìn)行了電容器的損耗角正切值的測(cè)量，并據(jù)此計(jì)算出電容器的有功功率。

1.儀表測(cè)試電容器損耗角正切值和有功功率的數(shù)據(jù)分析

使用LCR 測(cè)試儀對(duì)電容器進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算了電容器的有功功率。由于電容器的參數(shù)會(huì)隨溫度變化發(fā)生改變，熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的環(huán)境溫度為70℃，而內(nèi)部溫升在15～28℃，為使電容器在相近溫度狀態(tài)進(jìn)行比較，將電容器置于90℃烘箱中加熱24h 后進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)量。測(cè)量和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同頻率下90℃時(shí)電容器的損耗、有功功率

由圖2 的測(cè)量數(shù)據(jù)可見(jiàn)，電容器的損耗角正切值在低頻段較為平穩(wěn)，4000Hz后迅速升高；而有功功率在100Hz形成低點(diǎn)，隨著頻率升高逐漸上升。資料顯示有功功率曲線低頻段的下降主要是由于絕緣介質(zhì)隨頻率增加損耗下降引起的[7]。而頻率進(jìn)一步上升，此時(shí)導(dǎo)體隨頻率上升帶來(lái)的集膚效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇整個(gè)電容器的損耗上升。

2.熱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果和儀表測(cè)試情況的比較

熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的結(jié)果和儀表測(cè)量以及計(jì)算出的有功功率，隨著不同頻率變化的趨勢(shì)基本一致。為便于比較，將其擬合到一張圖中，見(jiàn)圖3。

圖3 不同頻率下電容器的有功功率和試驗(yàn)溫升比較

通過(guò)擬合的圖3 可見(jiàn)，不同頻率下電容器外殼、內(nèi)部溫升最高點(diǎn)反映出的趨勢(shì)和儀表測(cè)量及計(jì)算出來(lái)電容器有功功率的趨勢(shì)較為吻合，兩者之間的差異主要在于儀表測(cè)量及計(jì)算的有功功率最低點(diǎn)出現(xiàn)在100Hz，而熱穩(wěn)定性試驗(yàn)溫升最低點(diǎn)出現(xiàn)在200Hz。經(jīng)過(guò)分析這主要是由于同一臺(tái)電容器容值不變情況下，根據(jù)公式I=ωCU，200Hz頻率只需要100Hz 一半的電壓即可獲得相同電流。由于在200Hz頻率下電容器的電場(chǎng)強(qiáng)度更低，電場(chǎng)強(qiáng)度引起的松弛極化產(chǎn)生的損耗更小，部分抵消了因頻率升高引起的松弛極化損耗和集膚效應(yīng)損耗上升導(dǎo)致的發(fā)熱，因此在試驗(yàn)中表現(xiàn)出比100Hz更低的溫升。隨著頻率進(jìn)一步升高，集膚效應(yīng)和松弛極化引起的損耗會(huì)愈加明顯，導(dǎo)致電容器發(fā)熱隨之上升。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上試驗(yàn)和分析可見(jiàn)，儀器測(cè)量、計(jì)算能夠反映出電容器在不同頻率下有功功率的變化趨勢(shì)，但某些頻率點(diǎn)的有功功率與實(shí)際電容器發(fā)熱有著較大偏差。本研究通過(guò)試驗(yàn)獲知電容器在接近真實(shí)工況下的溫升表現(xiàn)，找到了和儀表測(cè)量的差異。希望通過(guò)這個(gè)研究，計(jì)算和預(yù)判出該類電容器實(shí)際工況下的狀態(tài)，從而使設(shè)計(jì)研發(fā)的電力電子電容器運(yùn)行在安全工況的范圍內(nèi)。