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電磁加熱器中電容的選擇與應用(DAWNCAP天明)
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DAWNCAP天明于:DTC &DTM   DHC &DTR 用于商業電磁爐  電磁加熱

          薄膜電容器由于具有耐壓高,紋波電流大,雜散電感小,等效串聯電阻小,使用壽命長等特點,大量使用在各種家用電器/工業設備/軍工產品等等上。而電磁加熱設備在我們的工作和生活中大量的頻繁的使用。例如家用電磁爐/電磁茶爐,商用電磁爐,高頻淬火機,封口機,工業熔煉爐等等。本文以三相大功率商用電磁灶為例,對薄膜電容器如何應用于電磁加熱設備中進行研究。

1 商用電磁灶三相全橋電路拓撲圖

2 C1-C6功能說明

C1/C2:三相交流輸入濾波、紋波吸收, 提高設備抗電網干擾的能力

C1,C2和三相共模電感組成Pi型濾波,在設備中起電磁干擾抑制和吸收的作用。該電路一方面抑制IGBT由于高速開關而產生的電磁干擾通過電源線傳送到三相工頻電網中,影響其他并網設備的正常使用。另一方面防止同一電網中其他設備產生的電磁干擾信號通過電源線傳送到三相工頻電網中,影響電磁加熱設備自身的正常使用。(對內抑制自身產生的干擾,對外抵抗其他設備產生的干擾,具有雙面性) EMC=EMI+EMS

在實際使用中,C1可以選擇MKP-X2型(抑制電磁干擾用固定電容器),容量范圍在3UF-10UF之間,額定電壓為275V.AC-300V.AC. 采用Y型接法,公共端懸空不接地。 C2可以選擇MKP型金屬化薄膜電容器,容量范圍在3UF-10UF之間,額定電壓為450V.AC-500V.AC ,采用三角形接法。

C1和C2原則上選用的電容量越大,那么對于電磁干擾的抑制和吸收效果越好。但是電容量越大,那么設備待機時的無功電流就越大。耐壓方面要根據設備使用地域的電網情況而合理保留一定的余量,防止夜間用電量非常小的時候,電網電壓過高而導致電容器電壓擊穿或壽命受到一定的影響。

C3: 整流后平滑濾波、直流支撐(DC-Link),吸收紋波和完成交流分量的回路。

(DHC濾 波)

C3和扼流圈L組成LC電路,把三相橋式整流后的脈動直流電變為平滑的直流電,供后級逆變橋及負載使用。在商用電磁灶機芯實際電路中,C3一般是由幾十微法的薄膜電容器組成。該位置的薄膜電容器其實所起的作用是直流支撐(DC-LINK),負責紋波的吸收和完成交流分量的回路,而不是很多人所認為的(濾波)。幾十微法的電容量,對于幾十千瓦的負載來說,所起到的濾波作用是非常小的,直流母線的電壓波形根本就無法變得很平滑。由于IGBT的高速開關,會產生大量的高次諧波電流及尖峰諧波電壓。如果沒有電容器作為諧波電流和尖峰電壓的吸收,那么直流母線回路會產生大量的自激振蕩,影響IGBT等的安全使用及縮短壽命時間。因此,使用薄膜電容器作為直流母線紋波電壓和紋波電流的吸收是目前國內外最常用的方法之一。

C3原則上選用的電容量越大,那么吸收效果越好。但是需要注意的是電容量過大,容易導致設備剛合閘上電的時候,由于電容器的瞬間充電電流過大而導致整流橋,保險管等過流擊穿。在商用電磁灶機芯里,一般的選用原則是:半橋方案(1.5UF/KW) 全橋方案(1.2UF/KW)。該配置是根據常規的薄膜電容器能承受的2A/?F的設計工藝所推斷。

例如商用電磁灶半橋20KW機型,需要的C3容量是20*1.5=30UF C3的總紋波電流是30*2=60A 全橋20KW機型,需要的C3容量是20*1.2=24UF(實際可取25-30UF) C3的總紋波電流是25*2=50A 建議實際選取的電容量及電容器能允許承受的紋波電流值不能低于上述建議值。

C3位置必須要考慮電路實際需要的紋波電流值是否小于所選用的薄膜電容器能承受的總紋波電流值(還要保留一定的電流余量),否則假如電路需要60A的紋波電流,而選擇的電容器總共能承受的紋波電流只有40A,那么會導致薄膜電容器發熱嚴重,長期過熱運行,大大降低薄膜電容器的使用壽命,嚴重的導致薄膜電容器膨脹鼓包,甚至起火燃燒。耐壓方面,一般選擇額定電壓為800-1000V.DC即可。

C4: IGBT的尖峰電壓/電流吸收、緩沖和抑制,防止IGBT擊穿

(DTC尖峰吸收)

C4作為IGBT的開通/關斷尖峰吸收,一般用C型或者RC型接法,并接于IGBT的CE端。耐壓方面一般要根據IGBT的額定電壓來選擇,并保留一定的電壓余量。電容量方面,一般可取0.01UF-0.033UF之間,要根據電路和IGBT之間的匹配情況來選擇最適合的電容量。C4位置的電容器,必須使用dv/dt值比較大的電容器型號,使用中要注意溫升是否在允許范圍里。如使用RC型接法,需要注意R發熱量巨大,布局的時候需要R與C保留一定的空間距離,防止電容器受到過大的熱輻射。

C5: 諧振電容器,配合負載(電感線圈、變壓器等)形成LC諧振回路。 左圖:DTR 諧振大電流半成品)

C5作為諧振電容器,與L形成LC諧振回路,把功率輸送出去。在使用中要注意所選用的電容器額定電壓是否足夠(諧振電壓跟設備功率,負載材質,磁載率,負載到電感的距離,電路Q值等有關)。如所選擇的電容器額定電壓值比實際諧振電壓值低,那么容易出現電容器電壓擊穿的情況。諧振電容器的電流選擇方面,最好先通過理論值計算,然后初步選擇電流值,待設備功能滿足要求后,讓設備在最大功率的時候通過測量LC回路的峰值電流/均方根值電流的實際值后再進行調整。如果實際通過的高頻電流值比電容器的額定電流值大,那么會導致諧振電容器過熱運行,長期工作容易出現鼓包或者炸毀,甚至是起火的情況發生。電路的諧振頻率也要在諧振電容器允許的頻率范圍內。

C6: 直流母線吸收電容,就地吸收,緩沖和抑制IGBT開關時產生的尖峰電壓。

(DTM母線吸收)

C6和C3同樣并接于直流母線的正負極上。但是由于結構及布線回路等因數的制約,導致后端的IGBT遠離C3電容,所以需要在后端的IGBT模塊的電源端直接鎖上一只母線吸收電容,就地吸收IGBT產生的紋波電壓和紋波電流。C6在選擇的時候,耐壓方面一般按照IGBT的額定電壓來選擇。盡量選擇紋波電流大,dv/dt大,雜散電感小的母線吸收電容。例如DTM 0.4UF 1UF 1.5UF 2UF等型號,額定電壓1200V.DC的吸收電容器。

3 薄膜電容器選型中常出現的問題

A 額定電壓選擇不當

額定電壓選擇不當,出現最多的地方是諧振電路部分(C5)。研發人員應該根據設備的額定功率,輸入電壓,電路拓撲,逆變控制方式,負載材質,負載磁載率,電路Q值等參數作為綜合考慮后作初步計算。待樣機初步達到要求后,需要用示波器加高壓電壓探頭,實際測量一下設備在最大功率的時候,諧振電容器兩端的峰峰值電壓,峰值電壓,均方根值電壓,諧振頻率等參數,用來判定所選擇的諧振電容器型號及參數是否正確。

B 額定電流選擇不當

額定電流選擇不當,出現最多的地方是C3(直流支撐)和C5(諧振)部份。實際需要的電流值如果比電容器允許通過的電流值大,那么會造成電容器發熱嚴重,長期高溫工作,導致電容器壽命大大降低,嚴重的會炸毀甚至是起火燃燒。在設備研發中,可以通過專用的電流探頭或其他方式,測量一下實際需要的峰值電流,均方根值電流,然后調整電容器的參數。最終可通過設備在滿功率老化測試中,測量一下電容器的溫升,根據電容器的溫升允許參數來判定電容器的選擇是否恰當。(電流測量及溫升情況來綜合評定)

C 接線方式不當

接線方式不當,主要出現在電容器多只并聯使用中。由于接線方式,走線距離不一致等因數,導致每只并聯的電容器在電路中分流不一致。最終體現在多只并聯的電容器,每只的溫升都不一致。個別位置的電容器溫升過高,出現燒毀的情況。因此,需要對電容器的并聯使用進行合理的布線及連接,盡量要做到均流,提高電容器的使用壽命。

4 薄膜電容器使用中的波形參考

C3電壓基波波形 (505V/300HZ) C3紋波電壓波形(38V/23.3KHz)

C5諧振電流波形(Ip=84A Irms=60A ) C4吸收電容波形(Vce=581V F=19.6KHz)

最后,本文分析了設備內部各位置的薄膜電容器所起的作用及選型原則,注意事項等等,以三相全橋商用電磁爐作為案例。隨著電磁加熱設備應用領域日益增大,薄膜電容器的使用要求和電性能參數也越來越高。

(DAWNCAP天明:專業提供高品質大電流諧振電容器)


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