测量母线电容的纹波电流

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

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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。

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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。

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下右图是对电容纹波电流和整流桥输出电流在低频段进行的FFT分析，图中横轴显示0～5kHz的频率范围（0.5kHz/DIV），纵轴标注谐波有效值40dBA～-40dBA （10dBA/DIV）。

电容纹波电流（上图） 左图信号0～5kHz频段内的FFT分析（500Hz/DIV）

整流桥输出电流的交流分量（上图） 左图信号0～5kHz频段内的FFT分析（500Hz/DIV）

对上图的频域分析结果的统计如下： 谐波次数 谐波频率(kHz) 电容纹波电流 整流桥输出

上表计算结果显示：由频域分析得到的整流桥输出电流（交流分量）约51.2A，同上节时域波形的测量值（51.9～52.0A）近似，这表明示波器FFT计算和时域波形测量的一致性。

更重要的是：电容纹波电流的频谱在低频段和整流桥输出电流的频谱几乎等同，这说明整流桥输出电流（交流分量）几乎全流进了母线电容。

dBA A dBA A 1 0.3 33.7 47.9 33.1 45.2 2 0.6 24.4 16.6 25.9 19.7 3 0.9 20.6 10.7 22.5 13.3 4 1.2 9.4 3.0 9.38 2.9 5 1.5 8.4 2.6 6.25 2.1 6 1.8 -4 0.6 1.3 1.2 7 2.1 1.2 1.1 -10 0.3 0~5kHz频段内的总有效值 52.0A 51.2A 4

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下右图是在0～50kHz频域范围内进行的FFT分析。不难看出，在逆变桥载频（6kHz）及其倍频处都存在明显的谐波电流，电流幅值随着谐波次数的递增逐渐减小。

电容纹波电流 （上图） 左图信号0～50kHz频段内的FFT分析（5kHz/DIV）

整流桥输出电流的交流分量（上图） 左图信号0～50kHz频段内的FFT分析（5kHz/DIV）

对上图分析结果的统计如下。由于各次谐波电流以有效值累加的方式的构成纹波电流，因此在下表中忽略了幅值小于基波（300Hz）电流0.05倍的电流分量，即下表中只列出了大于2.2A（7dBA）的谐波电流。 谐波次数 谐波频率(kHz) 电容纹波电流 整流桥输出

如果认为电容的纹波电流仅由整流桥和逆变桥的动作频率构成，计算频域内纹波电流的幅值为.5A（522＋，远小于时域中的测试结果（58.27～58.69A）。 16.42）

在整流桥和逆变桥的动作频率的基础上，考虑时域测试中看到的铃振电流，电容纹波电流的有效值为58.8A（522＋，这与时域中的结果相同。 16.42＋222）5

dBA A dBA A / / / / 19 5.7 20 6.0 21 6.3 39 5.7~20kHz频段内的11.7 12.0 12.3 17.7 18.0 18.6 总有效值 8.1 2.5 <-7dBA / / / / / 13.4 <7 4.7 <2 7.2 2.3 9.1 2.9 16.4A < 0.4A <2 40 41 59 60 62

17.2 19.7 19.1 <7 7.2 9.7 9.0 - ！

4.3 计算电容的等效纹波电流

在纹波电流的频域测试的基础上，按照电容生产商提供器件资料，可计算出各次谐波电流等效120Hz的纹波电流幅值，并最终得到用于估算电容寿命的等效纹波电流。

22kW变频器母线电容选用四个3300uF/400V的电容器，经两串两并构成。电容用户手册中纹波电流对频率的折算因子为：

Frequency(Hz) 50,60 120 300 1K ≧10K Factor 0.7 1.0 1.1 1.3 1.4 等效纹波电流的计算过程如下表： 谐波频段 频率 (kHz) 实测谐波电流幅值 (A) 折算因子 谐波电流的等效幅值 (A) 等效的总纹波电流 (A) 谐波电流的发热效应 (%)

从上表的计算结果可知：在22kW变频器母线电容的纹波电流中，整流桥输出电流的交流分量占有效值的主要部分（46.5A/50.6＝91.9％），由它产生的热耗也占电容功耗的绝大部分（84%）；纹波电流的低频分量是影响电容温升和整机寿命的决定因素。

2整流桥输出电流（AC） 0.3 0.6 0.9 逆变单元载频谐波电流 铃振电流 350 22 1.4 15.7 1.2 1.5 5.7 6.0 6.3 12.0 12.3 18.0 18.6 2.5 1.4 1.8 4.7 1.4 3.4 2.3 1.4 1.6 2.9 1.4 2.1 47.9 16.6 10.7 3.0 2.6 7.2 9.7 9.0 1.1 1.2 1.3 8.2 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 2.3 2.0 5.5 7.5 6.9 43.5 13.8 46.5 12.5 50.6 (＝46.5212.5215.72 ) 15.7 84％ (＝46.5/50.6) 26％ (＝12.5/50.6) 2210％ 5、电容纹波电流的合格判据

上节已计算出母线电容的等效纹波电流约为50.6A，由于整机的母线电容由4个3300uF/400V的电容器两串两并构成，则流经每个电容纹波电流约25.3A；而在器件资料中，电容在40℃的环境下使用寿命满足2K小时的条件是：等效纹波电流小于22.2A；由此得到的结论是：变频器在最高环境温度（40℃）下满载工作时，电容的使用寿命将小于2K小时，更不满足规格书要求的10K小时！

该变频器已转产多年，虽然偶尔也有电容失效的市场反馈，但电容实际表现出的可靠性并没有纹波电流计算结果显示的那么差劲。我认为实际应用和理论估算出现的巨大差异，是6

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因为国内的电容器生产厂家没有顾及电容的实际应用环境。

器件厂家通常在自然散热的条件下测试并定义电容的额定纹波电流，而变频器在整机设计上优先考虑了母线电容的散热——通过金属支架安装在整机的进风口。由于电容寿命主要决定于环境温度和芯子内部温升，实际应用中电容允许流过的纹波电流必然随散热条件而变化。当应用环境散热条件优于自然散热时，同样温升允许的纹波电流幅值会增大；应用环境散热恶劣时，允许的纹波电流的幅值相应减小。

国外的电容生产厂家充分考虑了各种散热条件对电容额定纹波电流的影响。例如EPCOS在手册中根据电容底部是否加装散热器，给出了两个“额定纹波电流”，同时还给出了各种外形的电容表面温升对应不同冷却风速的变化曲线……可惜，国内的电容厂商却没有提供这些有价值的经验数据。

因此我认为：若能准确测试电容芯子的温升，则不必测试电容的纹波电流；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。

附录1：电容器热损耗的测试

在电容纹波电流和电压测试波形的基础上，利用示波器的计算功能，还能进一步验证母线电容的视在功率、能耗和损耗因子（tanδ）。

在下图中，中间的运算通道是电容纹波电流和纹波电压的乘积（零点为屏幕的中点，垂

直增益为1kVA/DIV），运算通道的有效值约393VA，平均值约83W。

CH1－电容纹波电流

Math＝CH1×CH2

CH2—电容电压（AC藕合）

虽然上图的测量结果还包含电容分压电阻的交流功耗，但其幅值仅毫瓦数量级〔P＝（9.6V）/51kΩ＝1.8mW〕，完全可以忽略。即：母线电容的视在功率约393VA，电容ESR的损耗约83W，损耗因子约为0.21（83/393）。

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附录2：CWT系列皮管电流探头相对Tek电流探头的测试误差

以下对比了皮管电流探头和Tek－6303XL电流探头对同一电流的测试结果，相对误差小于5%。

图中，CH1－皮管电流探头测试通道，CH2－Tek探头测试通道

示波器水平分辨率 Tek探头测量值（A） 5mS/DIV 2mS/DIV 200uS/DIV 50uS/DIV 71.6 18.66 18.83 0.9％ 25.2 24.02 -4.7％ 25.78 24.59 -4.6％

皮管探头测量值（A） 73.5 皮管探头测试误差 2.7％ 8

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附录3：电网分析仪（FLUKE43B）频域测试误差

电网分析仪虽然也有频域分析功能，但它仅适用于较低频段（小于3kHz）信号的分析，不能满足逆变桥载波频率及其谐波的测试要求。

以下是FLUKE43B和示波器对同一纹波电流进行的频域分析的记录。可以看出，在高频段（大于0.6kHz），FLUKE43B出现了超过10%的测试误差。

谐波次数 及频率 示波器测电容谐波电流 FLUKE43B测测试电容谐波 FLUKE43B 测试误差

1 2 0.6 3 0.9 4 1.2 3.0 1.4 5 1.5 2.6 1.7 19 5.7 7.2 0.2 20 6.0 9.7 0.3 21 6.3 9.0 0.1 40 41 kHz 0.3 A A ％ 12.0 12.3 2.5 2.7 8.0 4.7 3.5

FLUKE43B的频域分析结果（基波为300Hz） 示波器的FFT分析结果（0～50kHz，5kHz/DIV）

47.9 16.6 10.7 51.0 24.7 12.8 6.5 48.8 19.6 -53.3 -34.6 -97.2 -96.9 -98.9 -25.5 9