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

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。

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：

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。

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。

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54.5A （224.1652＋）

，远小于时域中的测试结果（58.27～58.69A ）。 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 （222224.1652＋＋）

，这与时域中的结果相同。