轨道车辆空调变频装置中电解电容器的应用研究

， ，，

(山东朗进科技股份有限公司，山东莱芜，271100)

1 引言

在轨道车辆空调变频装置中，通常利用三相桥式整流电路将交流电变换成直流电，同时变频器也会产生纹波电压和纹波电流，并反过来影响直流电压和电流的品质，必须对直流电压和电流进行滤波，以减少电压和电流的脉动。

本文通过工作原理分析、设计计算、仿真分析验，最后通过搭建实物测试平台对理论公式进行验证，为轨道车辆空调变频装置选择电解电容器提供了技术参考。

2 工作原理

2.1 三相桥式整流电路原理图及输出电压波形

图1 三相桥式整流电路原理图

2.2 工作原理说明

通过图1可以看出，输出电压波形在一个周期内有六个均匀的波头，把一个周期从t0到t6分成六等分，每等分内相电压UA，UB，UC中总有一个最大值，另一个最小，第三个介于这二个之间，这六等分内工作原理相同，下面仅以t1-t2为例，介绍工作原理。

t1-t2时间段内，UAO>UBO>UCO，D1和D6导通，忽略管压降，D点电位和A点电位相同最高，E点电位与C点电位相同为最低，D2，D3，D4，D5均处于反向电压下，不会导电，所以t1-t2时间段内只有两个二极管导通，电流从三相电压最高的一相A流出，经过负载后，回到最低的一相C形成回路，其他五段时间内各二极管导通情况可依次类推。

由上述分析可知，任一瞬间阴极组和阳极组各有一个二极管导电，每个二极管在一个周期内导电120度，每隔60度有一个管换到另一个管导通。

整流桥输出‘+’端的电压变化规律为三相正弦电压的波峰连线，‘-’端的电压变化规律为三相正弦电压的波谷连线，输出电压为前后二者的合成，于是出现了每周期内六个均匀的波头。

3 电解电容器选型计算

3.1 电路输入参数

输入电压：3Φ/AC380V/50Hz，输入功率6kw，要求电压脉动率小于5%。

3.2 电解电容器计算选型

3.2.1 最小容值计算

=1026uF

3.2.2 直流母线电容纹波电流计算

1)变频器输出相电流Io.rms

2)变频器侧纹波电流Iac1.rms

设cosΦ=0.85，m=0.9，根据公式得出：

Iacl.rms=0.55×Io.rms=0.55×11=6.05A

3)整流侧纹波电流

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

4)直流母线电容纹波电流Iac.rms

因为Iac.rms2=Iacl.rms2+Iac2.rms2

=13A

3.2.3 电解电容器选型

根据以上计算的电容值和纹波电流值，结合电解电容器样册，选用容值1200uF，额定电压400V，额定纹波电流3A(等效纹波电流8.6A)的电解电容器，由于三相整流后最大电压为DC624V，因此需要2只串联的电解电容器由2组并联组成，等效容值为1200uF，耐压DC800V，2组并联电容器可承受17.2A的纹波电流。

3.3 均压电阻计算

设流过电阻R1的电流为IR，电容器的IL=1.5mA，通常设定IR=2IL，因此IR=3mA

3.4 预期寿命计算

根据选用的1200uF/400V电解电容器的规格书，电解电容器在额定纹波电流3.0A，环境温度105℃，频率120Hz下的寿命为5000h。

如果使用中测量电解电容器外壳温度为58℃，并且测量的纹波电流是6.0A，计算电解电容器预期的寿命。

设电解电容器预期工作寿命为L

=45325h

其中：

L0：额定纹波电流3.0A，环温105℃，频率120Hz下的寿命为5000h

Trated：寿命为5000h时的环境温度，Tamb为电容器外壳温度

I：实际纹波电流，I0：额定纹波电流

如果按照轨道车辆空调变频装置每天工作12小时，则每年工作4380小时，电解电容器的工作寿命45325小时可折算为10年寿命，因此电解电容器的预期工作寿命满足工业应用要求。

4 仿真分析及验证

4.1 仿真电路图

根据图1的三相桥式整流电路原理图建立仿真模型，如图2所示。

4.2 仿真电压波形

根据图2仿真电路进行分析，仿真结果如图3所示。

图2 仿真电路原理图

图3 仿真电压波形

4.3 仿真结论

直流母线电压最大值为570V，最小值为548V，脉动电压为570V-548V=22V，因此脉动百分比=22/570*100%=3.85%，符合电压脉动率小于5%的设计要求。

5 试验验证及数据分析

按照图1电路搭建平台进行试验，三相输入电压AC400V，输入电流11.06A，功率6000W。

5.1 脉动电压及纹波电流数据

用示波器测量直流母线两端脉动电压峰峰值为26V，如图4；

用示波器测量电容引脚纹波电流(每只电容)均方根5.87A，如图5；

备注：两组电解电容器的总纹波电流为5.87*2=11.74A。

图4 脉动电压波形图

图5 纹波电流波形

5.2 温升数据分析

初始环境温度19℃，变频器运行4小时，最终测量电容器温度为58℃，因此温升为39K。

5.3 脉动电压分析

整流滤波后峰值电压最大值为DC572V，最小值为DC546V，脉动电压为572V-546V=26V，电压脉动百分比=26/572*100%=4.5%，符合电压脉动率小于5%的设计要求。

5.4 纹波电流分析

试验中电解电容器工作时的外壳温度为58℃，因此温度系数取2.4；电解电容器工作频率300Hz，因此频率系数取1.1，所以每只电解电容器可承受的纹波电流为3*2.4*1.1=8.0A，在图1的三相整流电路中两路电解电容可承受的总纹波电流为8.0*2=16.0A，大于试验测试的总纹波电流11.74A，电解电容选型符合设计要求。

6 结束语

本文为轨道车辆空调变频装置选择电解电容器提供了技术参考，通过工作原理分析、设计计算、仿真分析验，最后通过搭建实物平台对理论公式进行验证，电解电容容值、脉动电压、纹波电流、寿命、温升均满足设计要求，充分证明了理论分析计算的准确性。