Hướng dẫn lựa chọn và chức năng tụ điện liên kết DC

I. Chức năng cốt lõi của tụ điện liên kết DC

Tụ điện liên kết DC s thường nằm giữa bộ chỉnh lưu (hoặc nguồn DC khác) và biến tần, đồng thời là các thành phần chính trong thiết bị như bộ biến tần, nguồn điện biến tần và UPS. Chức năng chính của chúng có thể được tóm tắt trong bốn điểm sau:

1. Ổn định điện áp DC bus (điều chỉnh điện áp)
Chức năng: Bộ biến tần (chẳng hạn như IGBT) chuyển đổi ở tần số cao, lấy dòng điện có xung cao từ bus DC. Điều này dẫn đến sự gợn sóng đáng kể trong điện áp bus DC.
Hoạt động của tụ điện: Khi bóng bán dẫn chuyển mạch được bật và dòng điện tăng lên, tụ điện sẽ phóng điện, cung cấp năng lượng tức thời cho tải và ngăn chặn sự sụt giảm điện áp bus đột ngột; khi bóng bán dẫn chuyển mạch tắt, tụ điện sẽ sạc, hấp thụ năng lượng từ nguồn điện và ngăn chặn sự đột biến điện áp trên bus. Nó hoạt động giống như một "hồ chứa", làm dịu đi những biến động của dòng chảy (dòng điện) và duy trì mực nước (điện áp) ổn định.

2. Cung cấp dòng điện cực đại tức thời (cung cấp công suất phản kháng)
Ứng dụng: Bộ truyền động động cơ hiện đại đòi hỏi phản ứng động nhanh. Khi tải tăng đột ngột, biến tần cần cung cấp dòng điện lớn ngay lập tức. Do độ tự cảm ký sinh của nguồn điện DC và các đường dây phía trước, chúng không thể cung cấp dòng điện lớn như vậy ngay lập tức.
Hành vi của tụ điện: Do điện trở trong (ESL/ESR) thấp, các tụ điện có thể giải phóng năng lượng dự trữ rất nhanh, cung cấp cho biến tần dòng điện cực đại tức thời cần thiết và đảm bảo khả năng đáp ứng nhanh của biến tần.

3. Hấp thụ tiếng ồn tần số cao và gợn sóng (lọc)
Chức năng: Việc bật và tắt nhanh chóng các thiết bị chuyển mạch sẽ tạo ra nhiễu chuyển mạch tần số cao, được bức xạ hoặc truyền qua đường dây.
Hành vi của tụ điện: Tụ điện liên kết DC cung cấp một vòng lặp có trở kháng thấp cho các thành phần nhiễu tần số cao này, cho phép chúng được hấp thụ cục bộ, ngăn chặn nhiễu cho mạch chỉnh lưu phía thượng nguồn hoặc lưới điện, đồng thời ngăn không cho nó ảnh hưởng đến mạch điều khiển hạ lưu.

4. Ngăn chặn phản hồi năng lượng của cuộn cảm
Chức năng: Trong truyền động động cơ, khi động cơ ở trạng thái máy phát điện (như phanh hoặc hạ vật nặng), năng lượng sẽ được đưa trở lại từ phía động cơ về bus DC.
Hoạt động của tụ điện: Một tụ điện có thể hấp thụ năng lượng phản hồi này, ngăn điện áp bus DC bị bơm quá cao, từ đó bảo vệ các thiết bị chuyển mạch khỏi sự cố quá điện áp. (Trong trường hợp phản hồi năng lượng nghiêm trọng, thường cần có điện trở hãm và bộ hãm.)

II. Những điểm chính để chọn tụ điện liên kết DC
Khi chọn tụ điện liên kết DC, cần xem xét các thông số chính sau:

1. Điện áp định mức
Tính toán: Điện áp phải cao hơn điện áp có thể có của bus DC. Ví dụ: đối với đầu vào ba pha 380VAC, điện áp DC trung bình sau khi chỉnh lưu là khoảng 540VDC. Xét các yếu tố như dao động của lưới điện và điện áp bơm, tụ điện có điện áp định mức từ 630VDC hoặc 700VDC thường được chọn .
Ký quỹ: Nói chung, cần có biên điện áp từ 15% -20% để đảm bảo độ tin cậy lâu dài và đối phó với các xung điện áp.

2. Điện dung
Chức năng: Giá trị điện dung quyết định khả năng lưu trữ năng lượng và ổn định điện áp của tụ điện. Giá trị điện dung càng lớn thì hiệu ứng điều chỉnh điện áp càng tốt và độ gợn điện áp càng nhỏ.
Phương pháp ước tính: Có những công thức tính toán phức tạp, nhưng có một nguyên tắc chung là Cần khoảng 100μF - 200μF tụ điện cho mỗi 1kW công suất đầu ra của biến tần . Ví dụ, biến tần 15kW thường sử dụng tụ điện liên kết DC 1500μF - 3000μF.
Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm công suất hệ thống, tần số chuyển mạch, hệ số gợn sóng điện áp cho phép và quán tính tải. Tần số chuyển mạch cao hơn cho phép yêu cầu tụ điện tương đối nhỏ hơn.

3. Dòng điện gợn định mức
định nghĩa: Giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều liên tục mà tụ điện có thể chịu được. Đây là một chỉ số quan trọng để đo nhiệt độ tụ điện.
Tầm quan trọng: Nếu dòng điện gợn thực tế vượt quá giá trị định mức của tụ điện, nó sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt nghiêm trọng bên trong tụ điện, làm khô chất điện phân, giảm mạnh tuổi thọ và thậm chí là phóng điện.
Nguyên tắc lựa chọn: Giá trị hiệu dụng của tổng dòng điện gợn sóng chạy qua tụ điện phải được tính toán hoặc mô phỏng và phải đảm bảo rằng dòng gợn định mức của tụ điện được chọn lớn hơn dòng gợn thực tế , với một biên độ nhất định. Trong các ứng dụng tần số cao, đây là thông số quan trọng bằng hoặc thậm chí quan trọng hơn điện dung.

4. Điện trở nối tiếp tương đương (ESR) và độ tự cảm nối tiếp tương đương (ESL)
ESR: Yếu tố chính gây tổn thất và sinh nhiệt trong tụ điện. ESR càng nhỏ thì tổn thất càng thấp và hiệu suất lọc ở tần số cao càng tốt.
ESL (Điện áp thấp hiệu quả): Giới hạn đặc tính tần số cao của tụ điện. Khi tần số vượt quá tần số tự cộng hưởng, tụ điện trở nên cảm ứng và mất chức năng điện dung. Để giảm ESL, các thiết kế chân nhiều chân, nhiều lớp hoặc hàng phẳng thường được sử dụng.

5. Tuổi thọ
Yếu tố then chốt: Đối với tụ điện, tuổi thọ là chỉ số hiệu suất cốt lõi của chúng. Tuổi thọ bị ảnh hưởng chủ yếu bởi nhiệt độ của các điểm nóng bên trong .
Tính toán: Hãy tuân theo "quy tắc 10 độ", nghĩa là nhiệt độ hoạt động cứ giảm 10°C thì tuổi thọ sẽ tăng gấp đôi. Các nhà sản xuất sẽ cung cấp tuổi thọ định mức ở nhiệt độ hoạt động (ví dụ: 105°C/2000 giờ).
Các cân nhắc lựa chọn: Chọn các mẫu tụ điện có đủ tuổi thọ dựa trên tuổi thọ sử dụng dự kiến của thiết bị và nhiệt độ môi trường.