軌道車輛空調變頻裝置中電解電容器的應用研究

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(山東朗進科技股份有限公司，山東萊蕪，271100)

1 引言

在軌道車輛空調變頻裝置中，通常利用三相橋式整流電路將交流電變換成直流電，同時變頻器也會產生紋波電壓和紋波電流，并反過來影響直流電壓和電流的品質，必須對直流電壓和電流進行濾波，以減少電壓和電流的脈動。

本文通過工作原理分析、設計計算、仿真分析驗，最后通過搭建實物測試平臺對理論公式進行驗證，為軌道車輛空調變頻裝置選擇電解電容器提供了技術參考。

2 工作原理

2.1 三相橋式整流電路原理圖及輸出電壓波形

圖1 三相橋式整流電路原理圖

2.2 工作原理說明

通過圖1可以看出，輸出電壓波形在一個周期內有六個均勻的波頭，把一個周期從t0到t6分成六等分，每等分內相電壓UA，UB，UC中總有一個最大值，另一個最小，第三個介于這二個之間，這六等分內工作原理相同，下面僅以t1-t2為例，介紹工作原理。

t1-t2時間段內，UAO>UBO>UCO，D1和D6導通，忽略管壓降，D點電位和A點電位相同最高，E點電位與C點電位相同為最低，D2，D3，D4，D5均處于反向電壓下，不會導電，所以t1-t2時間段內只有兩個二極管導通，電流從三相電壓最高的一相A流出，經過負載后，回到最低的一相C形成回路，其他五段時間內各二極管導通情況可依次類推。

由上述分析可知，任一瞬間陰極組和陽極組各有一個二極管導電，每個二極管在一個周期內導電120度，每隔60度有一個管換到另一個管導通。

整流橋輸出‘+’端的電壓變化規律為三相正弦電壓的波峰連線，‘-’端的電壓變化規律為三相正弦電壓的波谷連線，輸出電壓為前后二者的合成，于是出現了每周期內六個均勻的波頭。

3 電解電容器選型計算

3.1 電路輸入參數

輸入電壓：3Φ/AC380V/50Hz，輸入功率6kw，要求電壓脈動率小于5%。

3.2 電解電容器計算選型

3.2.1 最小容值計算

=1026uF

3.2.2 直流母線電容紋波電流計算

1)變頻器輸出相電流Io.rms

2)變頻器側紋波電流Iac1.rms

設cosΦ=0.85，m=0.9，根據公式得出：

Iacl.rms=0.55×Io.rms=0.55×11=6.05A

3)整流側紋波電流

λ=5%，C=1200uF，Umax=537V，Umin=510V，f=50Hz，fs=300Hz，將此數值代入上述公式得Iac2.rms=12A

4)直流母線電容紋波電流Iac.rms

因為Iac.rms2=Iacl.rms2+Iac2.rms2

=13A

3.2.3 電解電容器選型

根據以上計算的電容值和紋波電流值，結合電解電容器樣冊，選用容值1200uF，額定電壓400V，額定紋波電流3A(等效紋波電流8.6A)的電解電容器，由于三相整流后最大電壓為DC624V，因此需要2只串聯的電解電容器由2組并聯組成，等效容值為1200uF，耐壓DC800V，2組并聯電容器可承受17.2A的紋波電流。

3.3 均壓電阻計算

設流過電阻R1的電流為IR，電容器的IL=1.5mA，通常設定IR=2IL，因此IR=3mA

3.4 預期壽命計算

根據選用的1200uF/400V電解電容器的規格書，電解電容器在額定紋波電流3.0A，環境溫度105℃，頻率120Hz下的壽命為5000h。

如果使用中測量電解電容器外殼溫度為58℃，并且測量的紋波電流是6.0A，計算電解電容器預期的壽命。

設電解電容器預期工作壽命為L

=45325h

其中：

L0：額定紋波電流3.0A，環溫105℃，頻率120Hz下的壽命為5000h

Trated：壽命為5000h時的環境溫度，Tamb為電容器外殼溫度

I：實際紋波電流，I0：額定紋波電流

如果按照軌道車輛空調變頻裝置每天工作12小時，則每年工作4380小時，電解電容器的工作壽命45325小時可折算為10年壽命，因此電解電容器的預期工作壽命滿足工業應用要求。

4 仿真分析及驗證

4.1 仿真電路圖

根據圖1的三相橋式整流電路原理圖建立仿真模型，如圖2所示。

4.2 仿真電壓波形

根據圖2仿真電路進行分析，仿真結果如圖3所示。

圖2 仿真電路原理圖

圖3 仿真電壓波形

4.3 仿真結論

直流母線電壓最大值為570V，最小值為548V，脈動電壓為570V-548V=22V，因此脈動百分比=22/570*100%=3.85%，符合電壓脈動率小于5%的設計要求。

5 試驗驗證及數據分析

按照圖1電路搭建平臺進行試驗，三相輸入電壓AC400V，輸入電流11.06A，功率6000W。

5.1 脈動電壓及紋波電流數據

用示波器測量直流母線兩端脈動電壓峰峰值為26V，如圖4；

用示波器測量電容引腳紋波電流(每只電容)均方根5.87A，如圖5；

備注：兩組電解電容器的總紋波電流為5.87*2=11.74A。

圖4 脈動電壓波形圖

圖5 紋波電流波形

5.2 溫升數據分析

初始環境溫度19℃，變頻器運行4小時，最終測量電容器溫度為58℃，因此溫升為39K。

5.3 脈動電壓分析

整流濾波后峰值電壓最大值為DC572V，最小值為DC546V，脈動電壓為572V-546V=26V，電壓脈動百分比=26/572*100%=4.5%，符合電壓脈動率小于5%的設計要求。

5.4 紋波電流分析

試驗中電解電容器工作時的外殼溫度為58℃，因此溫度系數取2.4；電解電容器工作頻率300Hz，因此頻率系數取1.1，所以每只電解電容器可承受的紋波電流為3*2.4*1.1=8.0A，在圖1的三相整流電路中兩路電解電容可承受的總紋波電流為8.0*2=16.0A，大于試驗測試的總紋波電流11.74A，電解電容選型符合設計要求。

6 結束語

本文為軌道車輛空調變頻裝置選擇電解電容器提供了技術參考，通過工作原理分析、設計計算、仿真分析驗，最后通過搭建實物平臺對理論公式進行驗證，電解電容容值、脈動電壓、紋波電流、壽命、溫升均滿足設計要求，充分證明了理論分析計算的準確性。