内容发布更新时间 : 2024/12/23 21:41:47星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

测量母线电容的纹波电流

纹波电流产生的能耗是引起电容内部温升的主要原因，在测量纹波电流的基础上可以进一步估算电容的能耗、温升和使用寿命。这种不破坏电容外壳的寿命评估方法，特别适于内部压力较大、电解液容易通过测试孔渗漏、因此不能准确测量芯子温度的母线电容。

本文记录了变频器测试室在电容纹波电流测试上的一些尝试，包括频域内进行的分析。

1、测试电容纹波电流存在的困难

① 测试结果不稳定——纹波电流的幅值和形状不断变化。由于变频器直接从工频电网整流、输入阻抗低，不同的供电端口（电源输出阻抗不同）、三相电网电压的不平衡、甚至微弱的电压波形畸变都会显著地影响输入电流的形状和幅值。

② 可操作性差——电容纹波电流流经的线路较短，而公司常用的Tek电流探头体积大，测试前往往需要人为地串入测试连线；这不仅操作困难，还会引入误差。

③ 电容ESR的非线性——电容内部的热损耗不仅取决于纹波电流的幅值，还受纹波电流频率分布的影响，即各谐波分量对应的ESR不同，因此测试还需要延续到频域内进行。

2、解决措施

① 测试结果不稳定—— 对于75kW以下的测试样机（没有标配电抗器），选取容量超过变频器额定输入容量五倍的配电柜供电；测试时间选择在电网负载较轻的时段；多次记录测试结果，选取最接近统计平均的测试数据作进一步分析。

② 可操作性差—— 公司新购置的CWT系列的皮管电流探头体积小，测量范围和频带宽，能够直接测试部分变频器母线电容的纹波电流。

③电容ESR的非线性—— 用示波器的FFT功能在频域范围内对谐波电流进行测量。

3、测试结论

① 用示波器的FFT功能可以定量分析电容纹波电流的频域分布。

② 整流桥输出电流中的交流成份几乎全流入了变频器的母线电容，它产生热耗占电容

总功耗的绝大部分，是影响电容温升和整机寿命的决定因素。

③ 母线电容的纹波电流中，还包括由逆变桥输入电流突变引起的、频率由电路分布参数决定的高频铃振电流。

④ 考核电容的纹波电流，在现阶段只适合于散热条件接近或劣于自然冷却的应用场合。

4、测试记录及分析

4.1 从时域波形观察纹波电流的谐波分布

下图是22kW变频器满载输出时的波形记录。由于电容正常工作时几乎没有直流电流流过（漏电流仅数毫安），为了分析纹波电流的构成，我利用信号输入的交流藕合方式，滤除了整流桥输出电流中的直流成份，仅剩下交流分量（下图中CH3）。

CH3－整流桥输出电流（AC藕合）

CH1－电容纹波电流

CH2—电容电压（AC藕合）

隐去上图中的电压测量通道（CH2）、调整水平时基和信号增益后，得到下图的记录；在下右图中，我还重合了电容纹波电流和整流桥输出电流（交流成份）信号的零点。

从上图记录可以看出，在两水平格内（1mS），电容纹波电流（CH1）出现了六次突变，产生电流突变的频率正好是变频器的缺省工作载频（6kHz）。上右图中，整流桥输出电流的交流分量（CH3）和纹波电流（CH1）的“基调”完全拟合。

进一步放大水平时基（下图）、仔细观察纹波电流的突变能够发现：在纹波电流突变后，还有高频的铃振电流（约350kHz）出现，该铃振电流的峰-峰值高达62.5A，有效值约22A（62.5/2.828）。

CH3－整流桥输出电流（AC藕合）

CH1－电容纹波电流

CH2—电容电压（AC藕合）

（上图中，垂直光标对应铃振电流的正峰值和铃振电压的（向下）过零点——铃振电流相位落后铃振电压约90°——即在上百千赫的高频段内，母线电容已显现出电感特性。）

4.2 频域分析

利用示波器的FFT运算功能，可以定量分析复杂信号的频谱。

为全面反映电容纹波电流的谐波成份，测试时示波器应选取峰值采样模式（如下左图）；若只关注低频段的谐波电流，可选择均值采样模式，自动滤除高频谐波（下右图）。

峰值采样模式下捕获的纹波电流波形及其频谱 均值采样模式下捕获的纹波电流波形及其频谱

在进行频域分析（FFT计算）前，应对时域波形作以下的预处理：测试波形在窗口的开始和结尾处应平滑的接近于零；频域分析时要选择能精确测试频率峰值幅度的Flat-top模式；选择较低的水平扫描速度可降低有效取样率、增加FFT显示的低频分辨率。