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變頻器用大型鋁電解電容器的生產(chǎn)工藝分析
摘要：針對(duì)用于變頻器中的大型鋁電解電容器的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了影響此類電容器耐紋波電流能力的因素。通過(guò)選用合適的原材料、設(shè)計(jì)零部件等，使得該型號(hào)產(chǎn)品的性能參數(shù)完全達(dá)到了其技術(shù)指標(biāo)，并能滿足用戶的需求。
關(guān)鍵詞：變頻器；鋁電解電容器；紋波電流
1引言
變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。隨著電力電子器件的發(fā)展，變頻技術(shù)也在不斷發(fā)展。從20世紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并獲得了廣泛應(yīng)用。目前，變頻器已廣泛地應(yīng)用在電力、能源、冶金、礦山和石化等行業(yè)的大功率風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備中。變頻器的變頻調(diào)速功能，不僅創(chuàng)造了明顯的直接經(jīng)濟(jì)效益，而且也能帶來(lái)更大的宏觀經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
低壓通用變頻器，其主電路控制方式一般采用VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻和矩陣式交－交控制變頻等。除采用矩陣式交交控制方式的變頻器外，另三種控制方式的變頻器其電路結(jié)構(gòu)均為交直交變頻。其共同點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低、諧波電流大，直流電路均需要大的儲(chǔ)能電容。而矩陣式交交變頻雖省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容器。但該技術(shù)目前尚未成熟，不能推廣應(yīng)用。因此在目前實(shí)用的變頻器中，均需使用大型鋁電解電容器來(lái)平滑變頻電路的輸入電壓。
2變頻器對(duì)大型鋁電解電容器的技術(shù)要求
變頻器的簡(jiǎn)單工作原理圖如圖1所示。
圖1中示出，有兩處需用鋁電解電容器，該種大型鋁電解電容器是用于平滑濾波的，對(duì)其主要技術(shù)要求如下：
1)耐大紋波電流；
2)體積小，是一般電解電容器的2/3～3/4；
3)高壓、大容量、即高CV值；
4)長(zhǎng)壽命；
5)高可靠性和安全性。
江西信達(dá)電子公司研制成功的CDC03型螺釘結(jié)構(gòu)大型鋁電解電容器就具備上述特點(diǎn)，該產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)詳見表1和表2所列，外形圖如圖2所示，外形尺寸如表3所列。
3影響大型鋁電解電容器耐紋波電流能力的因素
通常情況下紋波電流Ir為
式中：α為散熱系數(shù)；
Δt為電容芯包溫度與環(huán)境溫度差（溫升）；
A為電容外表面積。
從式（1）中可知，紋波電流Ir與
正比。散熱系數(shù)α，它包括幅射散熱和對(duì)流散熱，它不僅與產(chǎn)品表面的溫度差、直徑大小、直立或橫臥有關(guān)，而且與芯包結(jié)構(gòu)、電容器內(nèi)的導(dǎo)熱情況、熱流方向、芯包固定方式等密切相關(guān)。
由鋁電解電容器等效電路可知
tanδ=ωCR(2)
式中：R為等效串聯(lián)電阻，它由三部分所組成，即
R=R1＋R2＋R3（3）
式中：R1是氧化膜介質(zhì)損耗所代表的等效串聯(lián)電阻；
R3是極板、導(dǎo)電層的歐姆電阻以及其間的接觸電阻；
R2是電解質(zhì)所代表的等效串聯(lián)電阻，即
R2=φ·ρ·d/2s(4)
式中：φ為電解紙的滲透系數(shù)；
ρ為工作電解液的電阻率（Ω·cm)；
d為電解紙的厚度（cm）；
s為陽(yáng)極箔的外觀幾何尺寸（cm2）。
由以上分析可知，選用氧化膜介質(zhì)損耗小的鋁箔，選擇滲透系數(shù)小、厚度薄的電解紙，降低工作電解液的電阻率和粘度，改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等都可明顯降低產(chǎn)品的tanδ。通過(guò)降低tanδ，增大產(chǎn)品的散熱系數(shù)，都可提高產(chǎn)品耐紋波電流的能力，從而保證產(chǎn)品達(dá)到壽命長(zhǎng)等要求。
4原材料的選用
4.1工作電解液的研制
為滿足大紋波電流、長(zhǎng)壽命、高可靠性等要求，研制了電阻率低、閃火電壓高、形成能力強(qiáng)、高溫性能穩(wěn)定的新型高性能工作電解液。
4.2陽(yáng)極箔和電解紙的選擇
CDC03型產(chǎn)品選用了化成電壓較高、氧化膜質(zhì)量穩(wěn)定、比容恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)口化成箔；選用了從NKK公司進(jìn)口的高密度、薄型、耐電壓高的綜合性能優(yōu)良的電解紙。
5芯包結(jié)構(gòu)和零部件的設(shè)計(jì)
5.1芯包結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
將陽(yáng)極箔均勻分段，采用多對(duì)引線條引出和特殊芯包結(jié)構(gòu)，明顯地減小了極板的等效串聯(lián)電阻，降低了產(chǎn)品的tanδ，從而提高了產(chǎn)品耐紋波電流的能力。
5.2零部件的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)了新型蓋板和鋁外殼。此新型蓋板使用了性能更優(yōu)的聚苯硫醚工程塑料作為主體材料，并采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)的引出螺母，設(shè)計(jì)了防爆性能更優(yōu)、可靠性高、一致性好的防爆閥。
6硬件的保障
為了保證產(chǎn)品具有高的可靠性、安全性及實(shí)現(xiàn)特殊芯包結(jié)構(gòu)，信達(dá)公司斥巨資引進(jìn)了大型全自動(dòng)鉚卷機(jī)和鋁殼封口機(jī)，設(shè)計(jì)制造了特殊的老化和老化篩選設(shè)備。
7關(guān)鍵工藝的研究、控制和保證
在鋁箔分切時(shí)，對(duì)切割毛刺和鋁箔粉塵進(jìn)行了加嚴(yán)控制。研制了新型鉚裝工藝，制作了專用鉚裝模具。研究出了特殊的老化及老化篩選工藝。
8產(chǎn)品試驗(yàn)情況和用戶使用情況
根據(jù)以上分析，選擇合適的陽(yáng)極箔和電解紙，浸漬新型的工作電解液，使用新設(shè)計(jì)的零部件，采用特殊的制造工藝生產(chǎn)的CDC03型400V10000μFφ90×157產(chǎn)品，其試驗(yàn)情況詳見表4。
9建議
1）目前我國(guó)鋁電解電容器的技術(shù)質(zhì)量水平已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，對(duì)于變頻器用大型鋁電解電容器，無(wú)論從質(zhì)量上還是價(jià)格上乃至售后服務(wù)，已經(jīng)和國(guó)外同類產(chǎn)品難分伯仲，完全可以替代進(jìn)口產(chǎn)品。
2）在變頻器設(shè)計(jì)時(shí)，建議適當(dāng)考慮可靠性與冗余設(shè)計(jì)的問題，避免此類電解電容器出現(xiàn)早期失效。
