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摘要：随着智能电网建设的不断深入，电力电子装置的应用越来越普遍。而基于电子元器件所形成的电网控制单元极易在开关的过程中形成不均衡电流。针对此种电网病害，往往是通过滤波电容来加以处置的，而在高频下效果会存在显著的削减。故而，本文以削减背景为主要依据，以合规性为核心要求对滤波电容容量的设计方式与实践开展研究。希望能够为今后的相关设计与设备选择提供必要基础与实践指导。
关键词：电子装置；滤波电容；容量；设计方法
一、滤波电容技术现状及其设计范式
从滤波电容的基本结构出发，其通过电磁感应模式来形成交流与直流电流的根本差异，故而应用选择通过性作为对交流成分的有效过滤。在实际工作的过程中滤波电容需要按照不同的工作频率来进行合理的选取，尤其是在滤波电路的工作环境下，其滤波能力会存在一定的削减，这也进一步提高了电容选择的难度。从现阶段的研究现状与技术发展来看，阻抗与频率特性的优化、选择的计算以及生产工艺的改进成为了主要的研究方向。在分析其具体的选择与容量计算的过程中我们有必要对其分类及特征进行系统的总结，具体而言大致分为两类：一是低频滤波，主要应用在50Hz及以下的频率电路应用；二是高频滤波电容，主要应用于显著高于市电频率的应用模式，最高可以达到十万Hz的数量等级。
就其特点而言，滤波电容主要表现为如下四方面特征：一是升温低，其在运行过程中的通过电流相对较小，故而系统产热能力相对较差，在正常阻流的过程中不需要考量其系统散热；二是其散热低的特性来源于系统能耗相对较小，按照介质损耗正切值的角度来进行评价，其属性可以良好且稳定的控制在3*10-4等级之上。除此之外，滤波电容还具有安全性较高、便捷性较高等基本特性，在电路应用中十分广泛。
为了形成更大范围内的应用效果，我们需要在电路设计的过程中形成良好的容量计算规范。在实际的计算环节下一般采用二步法来进行。首先，需要对电容特性、需求及其等效容量进行计算；其次，根据等效容量探究其总体电路的设计与电容器的选择；最后，对设计方案的有效性进行复查。保障整体系统的设计合规。
二、滤波电容的等效电路及其等效容量
在进行滤波电容容量设计的过程中，我们首要需要对等效电路及等效容量进行计算。前者决定了电路需求及电容元件的选择；后者决定了实际电容计算的标准参数。在本文的研究过程中设计方法也从如上两个方面入手，为后续的实际设计提供必要基础。
2.1 在电容等效电路分析方面
从实际的电路入手，其滤波电容接入方式往往是采用并联模式与二极管及工作电阻进行配合。其中二极管形成良好的直流阻流，将电路中的直流、交流电流进行有效的分离，后续通过电容的作用对交流电流进行消除与抑制，最终达到整体电流滤波的实际效果。而所谓的等效电路则是将系统内并联元件中的主要电学特性进行分析与整合，形成更为有效与简洁的电路示意图。在本文单体滤波电容电路设计过程中，其等效电路为工作电阻、总体电容及等效电感量的串联设计。在等效电路设计与工作的过程中，工作电阻在波纹电流下所产生的损耗是一个正弦波动曲线，是整体滤波单元的发热单元。而低频模式下电容器自身的能耗相对较小，处于可以忽略的水平。因此，在等效电路下，二者共同构成了一个可以类比理想状态的简单电路，转折频率可以利用公式：f=1/(2π√(L*C))来进行表示，其中L为等效电感量，C为电容总容量。通过此种设定模式可以对后续的等效电容计算提供必要辅助，并按照滤波需求电流体系下的实际交流频率来设定具体的设计参数。
2.2 在电容等效容量计算方面
在电容的等效容量计算过程中我们发现，其在应用上文的公式进行分析的过程中，与产生的等效电感量呈现出显著的正比关系。故而有理由相信，在其他参数特定的条件下，等效电容容量仅与影响等效电感量的相关指标相关，即与滤波对象的实际频率相关。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆结合滤波电容实际的使用情况我们发现以正常家庭用电作为供电单元的电路系统其交流频率峰值一般不超过100Hz。为了进一步保障其有效性，并提供一定的衰减空间，实际电容等效容量的计算按照120Hz来进行。
引入计算的变形公式Cd=1/（2πf）|z|来进行计算可以获得等效容量要控制在2210μF之上，该计算结果与查表获得的2200μF相近，说明此种等效容量计算方式科学合理。
三、滤波电容容量设计方法与实践
通过上文电容等效容量及相关等效电路的分析，在实际的设计过程中我们需要考虑电容发热量、电容寿命削减、电解电容容量等两方面问题，具体设计过程如下：
3.1发热量响应与设计
随着器件的开关动作，电解电容直接向电力电子装置提供能量。当电解电容电压低于直流母线电压时，由直流母线电压对电解电容充电。因而，在电力电子装置工作过程中，电解电容始终处于充放电状态，电容电流为一个交流分量和一个直流分量的合成电流。该合成电流的实际效应是指与纹波电流面积相同的正弦波电流的有效值。电解电容的纹波电流是引起电解电容损耗和发热的主要因素。电解电容所允许的纹波电流值与电容器允许的最高温度、工作温度及纹波电流频率相关，电解电容允许的纹波电流随温度的升高而降低。
3.2电容寿命响应与设计
因内部等效电阻的作用，在叠加纹波电流时，发热损耗将影响电容器寿命。根据阿雷尼厄斯法则，温度每上升10摄氏度，电解电容器的寿命缩短50%。考虑纹波电流和环境温度时，电解电容寿命可以按照L=L0*2（T0-T）/10*K，其中K为寿命常量，与电容生产的相关工艺、材料选择等相关，一般需要通过电容设备提供商提供相关的参数详情；而温度的变化则考虑到常温条件下的环境温度，而产生的寿命削减当量也更为准确。在实际的工作过程中，工作温度（即变化量）一般在1.2-2摄氏度之间，基于此指标所进行的计算，寿命削减一般为设计寿命的80%左右。
3.3电容容量响应与设计
电力电子装置滤波电容容量选择主要考虑以下三方面因素：一是电容值能满足期望的纹波电压；二是电容的额定电压；三是电容的额定纹波电流。基于对纹波电流与电解电容发热量和寿命关系的分析，纹波电流对于电力电子装置滤波电容容量的选取起到关键的约束作用。通过梅德公式进行容量计算的过程中我们需要注意其中常设参数的相关取值要求，如当直流母线电压变量不足0.5%时，按照0.5%进行取值计算，当滤波电容频率常量超过10k等级时，常量K应该取值1.4，与10K以下频率的取值0.8存在显著的阶梯式非线性关系。与此同时，对于温度的参数设定要充分考量其环境温度，在不同工况下进行不同的选择，如汽车发动机电机驱动器的日常环境温度为80摄氏度，而高压变动电力通讯的常规温度则为30摄氏度。
四、总结
电力电子装置滤波电容是重要的组成元件，在谐波处置、电路保护中起到了关键性作用。本文在对其研究现状进行总结的基础上，对具体的容量设计与计算方式加以分析，希望能够为后续的实际工作提供必要指导。
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论文作者:石镇嘉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/16
标签：电容论文; 电流论文; 容量论文; 过程中论文; 电解电容论文; 等效电路论文; 电路论文; 《电力设备》2017年第21期论文;