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薄膜电容：高压变频器的卓越之选

发布时间：

2024-12-02

薄膜电容在高压变频器中的应用特性及优势显著，无疑成为了高压变频器直流支撑电容的理想选择，其重要性和发展趋势也越发明显，EACO薄膜电容率先在高压变频器行业推广运用，北京富凌联合是EACO代理商，推动国内多家高压变频器客户使用薄膜电容。

一、引言 

       在高压变频器中，薄膜电容的重要性日益凸显，其应用现状也越来越广泛。目前，很多高压变频项目招标中，终端用户明确要求投标人提供直流支撑电容器的寿命证明及性能介绍，甚至有的用户明确要求必须选用薄膜电容器作为支撑电容。这充分说明了薄膜电容在高压变频器中的关键地位。

        薄膜电容之所以在高压变频器中如此受重视，是因为它具有诸多突出优势。

首先，与传统铝电解电容相比，铝电解电容器额定电压较低，通常需要串联使用以获得更高耐压等级，而在串联过程中必须考虑均压问题。薄膜电容器单体电压最高可达 20kV，在中高压变频应用中无需考虑串联及均压等连接问题，节省了相应的成本和人力。

其次，金属薄膜电容器耐纹波电流能力是同等容量铝电解电容器额定纹波电流的十倍到几十倍，铝电解电容器为提高耐电流能力通常采用更大容量，造成成本和安装空间的浪费，而薄膜电容则避免了这一问题。

再者，薄膜电容的 ESR 通常很低，一般在 1mΩ 以下，寄生电感也仅为几十个 nH，这使得开关管上的电压应力大大减小，有利于开关管工作的可靠性和稳定性。

此外，薄膜电容可以精确控制容量公差，常规产品一般采用 5% 和 10% 的制造公差，而铝电解电容容量误差在 20% 左右以内。

最后，在高压变频器整个寿命期间，薄膜电容器可以做到免维护，大大节约了终端客户的维护成本和人力。

        随着薄膜电容的用量增多和薄膜材料成本的下降，在高压变频器应用的成本核算中，当前薄膜电容价格与电解电容基本相当，未来成本有希望低于电解电容。国内主流高压变频器厂家如利德华福、合康新能、智光电气等已经开启薄膜电容替换电解电容的工作，并有批量高压变频器投放市场运行。

      总之，薄膜电容在高压变频器中具有重要地位，其突出的性能优势和良好的应用现状，使其成为中高压变频器直流支撑电容的必然选择。

二、薄膜电容在高压变频器中的应用特性 
1. 单体电压高
薄膜电容器单体电压最高可达 20kV，这一特性使其在中高压变频应用中无需考虑串联问题。相比之下，铝电解电容器额定电压较低，通常需要串联使用以获得更高耐压等级，而在串联过程中必须考虑均压问题，这不仅增加了成本和人力投入，还可能带来潜在的故障风险。薄膜电容的高单体电压优势，使得在高压变频器的设计和应用中更加简便高效。
 
2. 耐纹波电流能力强
金属薄膜电容器耐纹波电流能力可以达到同等容量铝电解电容器额定纹波电流的十倍到几十倍。铝电解电容器为提高耐电流能力通常采用更大容量，这不仅造成成本和安装空间的浪费，还可能影响设备的整体性能和稳定性。而薄膜电容强大的耐纹波电流能力，使其能够更好地适应高压变频器在复杂工作环境下的电流变化，提高设备的可靠性和使用寿命。
 
3. 低 ESR 和寄生电感
薄膜电容的 ESR 通常很低，一般在 1mΩ 以下，寄生电感也非常低，仅为几十个 nH。极低的 ESR 使开关管上的电压应力大大减小，有利于开关管工作的可靠性和稳定性。在高压变频器的工作过程中，开关管的稳定运行至关重要，薄膜电容的低 ESR 和寄生电感特性为开关管提供了良好的工作条件，降低了设备故障的风险。
 
4. 容量公差精确控制
金属薄膜电容器可以通过直接控制卷绕的金属薄膜极板面积达到对容量公差的精确控制。常规产品一般采用 5% 和 10% 的制造公差，如果客户有需要，公差可以控制在 1% 以内。而铝电解电容容量误差在 20% 左右以内，无法实现如此精确的容量控制。在高压变频器的应用中，精确的容量控制可以提高设备的性能和稳定性，满足不同用户的需求。
三、薄膜电容在高压变频器中的优势 1. 无需考虑串联问题
薄膜电容在高压变频器中的这一优势表现得十分明显。相对传统铝电解电容，铝电解电容器额定电压较低，通常需要串联使用以获得更高耐压等级，而在串联过程中必须考虑均压问题。但薄膜电容器单体电压最高可达 20kV，在中高压变频应用中无需考虑串联及均压等连接问题，这大大节省了相应的成本和人力投入。例如在很多高压变频项目招标中，终端用户明确要求投标人提供直流支撑电容器的寿命证明及性能介绍，甚至有的用户明确要求必须选用薄膜电容器作为支撑电容，这充分说明了薄膜电容在无需考虑串联问题上的优势得到了广泛认可。
 
2. 节省成本和空间
金属薄膜电容器耐纹波电流能力是同等容量铝电解电容器额定纹波电流的十倍到几十倍。铝电解电容器为提高耐电流能力通常采用更大容量，这无疑造成了成本和安装空间的浪费。而薄膜电容则无需采用更大容量来满足耐电流要求，避免了这种不必要的浪费。随着薄膜电容的用量增多和薄膜材料成本的下降，在高压变频器应用的成本核算中，当前薄膜电容价格与电解电容基本相当，未来成本有希望低于电解电容。国内主流高压变频器厂家如利德华福、合康变频、智光等已经开始薄膜电容替换电解电容的工作，并有小批量高压变频器投放市场运行，这也进一步证明了薄膜电容在节省成本和空间方面的优势。
 
3. 提高开关管可靠性
薄膜电容的 ESR 通常很低，一般在 1mΩ 以下，寄生电感也仅为几十个 nH。极低的 ESR 使开关管上的电压应力大大减小，有利于开关管工作的可靠性和稳定性。例如在利德华福 HARSVERT 系列变频器中，采用金属薄膜电容作为直流母线电容，可进一步提高整个高压变频器的可靠性和稳定性。当电容端电压超过耐压极限后，金属薄膜电容会导致金属镀膜击穿并蒸发，随着过电压的消失而自行恢复，同时会损失该部分的容量；而电解电容的过压则会导致氧化膜的击穿和电解液的蒸发，并可能导致电容爆炸等情况。
 
4. 长寿命免维护
薄膜电容器可以做到免维护，大大节约终端客户的维护成本和人力。金属薄膜电容采用高分子聚合物薄膜基板和金属薄膜，不会导致电解质问题，且能调整厚度以达到更高的耐压等级，寿命长达 15 年以上。相比之下，铝电解电容由于在负荷工作过程中，电解液不断修补并增厚阳极氧化膜会导致电容容量下降，且由于电容温度较高、密封性能变差导致的电解液泄露等原因，电解液的损耗较多，溶液变粘稠，电阻率增大，最终使得发热量增大，温升升高，进入一个恶性循环，其使用寿命通常在使用后的 7 - 10 年左右就需要对直流母线电容进行检测和更换。
 四、EACO率先在高压变频器推广薄膜电容应用       EACO作为薄膜电容行业中的头部品牌，北京富凌联合电子是EACO国内一级代理商，凭借在高压变频器行业供应英飞凌IGBT等客户资源，率先在北京某高压变频器厂家率先推进薄膜电容替换电解电容方案，2015年首台使用薄膜电容作为DC-LINK的样机推出市场进行验证，经过两年的现场稳定运行，于2017年逐步实现薄膜电容批量替换电解电容器，截止2020年底，薄膜电容替换率达到80%以上，并在高压变频器行业中树立了EACO标杆形象，得到高压变频器头部厂家的充分认可。
 五、薄膜电容在高压变频器中的应用案例
        以北京某厂的四象限高压变频器在矿井提升机的应用为例，介绍薄膜电容的实际应用效果。
        莒山煤矿隶属于山西XX煤炭实业集团有限公司，年实际生产能力达 90 万吨。此次改造现场为莒山煤矿的主提升机系统，原有的调速方式为转子串电阻调速，存在诸多缺点，如能源浪费、调速性能差、故障率高、对电网和设备冲击大、安全可靠性差等。客户经过反复斟酌，最终选定了北京某厂 四象限高压变频器进行变频改造。
        北京某厂四象限高压变频器在该项目中的应用方案如下：在保留原有串电阻调试方式的基础上，新加装一套电控系统，确保在变频器故障时能够迅速切换为原有系统运行，保证正常生产。变频器采用远程控制方式，通过提升系统操作台发送控制指令，启动频率 0.5Hz，下限频率 2Hz，操作台发送 4~20mA 的模拟量信号，通过正反转指令控制变频器在 -50Hz~+50Hz 运行。
北京某厂 四象限高压变频器具有多项优势，其中全采用薄膜电容设计是其重要特点之一。薄膜电容的应用带来了诸多实际效果：
无启动冲击电流：采用世界领先的矢量控制方式，启动电流小于电机的额定电流，确保了设备启动的平稳性，减少了对电网和电机的冲击。
无编码器开环矢量控制：针对提升机现场绕线式电机加装编码器麻烦且易损坏的问题，提出无编码器开环矢量控制方式，控制效果良好，得到了客户好评。
低频大扭矩：具有优越的低频特性，确保提升机在低速运行时仍有足够转矩进行提升，不会出现溜钩、怠速报闸等现象。
长寿命设计：薄膜电容使用寿命为普通电解电容的 10 倍以上，确保了变频器的使用寿命，大大节约了终端客户的维护成本和人力。
无谐波：采用 AFE 可控整流方式，可自动调节功率因数接近于 1，并配有 PFC 专用能量回馈电抗器对回馈电流进行滤波，确保对网侧没有任何谐波污染。
节能：相比原有的转子串电阻调速方式，可将启动和停止过程中消耗在电阻上的大量转差功率省掉，通过现场抄表比较，变频改造后可节能电能大约 15%。
总之，北京某厂 四象限高压变频器在矿井提升机中的应用，充分展示了薄膜电容在实际应用中的出色性能和优势，为矿井提升机的高效、稳定、节能运行提供了有力保障。
 
六、结论
       薄膜电容在高压变频器中的应用特性及优势显著，无疑成为了高压变频器直流支撑电容的理想选择，其重要性和发展趋势也越发明显。
首先，从应用特性来看，薄膜电容具有单体电压高、耐纹波电流能力强、低 ESR 和寄生电感以及容量公差精确控制等特点。单体电压最高可达 20kV，使得在中高压变频应用中无需考虑串联及均压问题，简化了设计和安装过程，降低了成本和人力投入。强大的耐纹波电流能力是同等容量铝电解电容器的十倍到几十倍，避免了因采用更大容量铝电解电容而造成的成本和安装空间浪费。极低的 ESR 和寄生电感为开关管提供了良好的工作条件，减小了电压应力，提高了开关管的可靠性和稳定性。精确的容量公差控制能够满足不同用户的需求，提高设备的性能和稳定性。
其次，在优势方面，薄膜电容无需考虑串联问题，节省了成本和人力；耐纹波电流能力强，节省了成本和空间；低 ESR 和寄生电感提高了开关管的可靠性；长寿命免维护，大大节约了终端客户的维护成本和人力。这些优势使得薄膜电容在高压变频器中的应用越来越广泛，成为了行业的共识和必然趋势。
        从实际应用案例来看，北京某厂四象限高压变频器在矿井提升机中的应用充分展示了薄膜电容的出色性能。无启动冲击电流、无编码器开环矢量控制、低频大扭矩、长寿命设计、无谐波以及节能等实际效果，为矿井提升机的高效、稳定、节能运行提供了有力保障。
        随着薄膜电容的用量增多和薄膜材料成本的下降，其价格有望低于电解电容。国内主流高压变频器厂家已经开始薄膜电容替换电解电容的工作，并有批量高压变频器投放市场运行，这进一步证明了薄膜电容在高压变频器中的广阔应用前景。
       总之，薄膜电容在高压变频器中的应用特性及优势决定了其作为高压变频器直流支撑电容的重要地位。未来，薄膜电容将在高压变频器领域发挥更加重要的作用，推动高压变频器技术的不断发展和进步。

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