การคำนวณตัวเก็บประจุ DC Link สำหรับอินเวอร์เตอร์

การออกแบบอินเวอร์เตอร์มีบทบาทสำคัญในการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กำลังสมัยใหม่มากมาย ตั้งแต่ระบบพลังงานหมุนเวียนไปจนถึงมอเตอร์ขับเคลื่อน องค์ประกอบที่สำคัญอย่างหนึ่งในวงจรอินเวอร์เตอร์คือตัวเก็บประจุดีซีลิงค์ ตัวเก็บประจุนี้ช่วยให้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงคงที่และลดการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้า ทำให้มั่นใจได้ถึงการทำงานของอินเวอร์เตอร์ที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ การคำนวณตัวเก็บประจุดีซีลิงค์อย่างเหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันความล้มเหลวและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน ในบล็อกนี้ เราจะสำรวจวิธีคำนวณตัวเก็บประจุดีซีลิงค์สำหรับอินเวอร์เตอร์ ปัจจัยที่เกี่ยวข้อง และเหตุใดการคำนวณนี้จึงมีความสำคัญ

บทบาทของก ตัวเก็บประจุ Dค Link ในอินเวอร์เตอร์

ก่อนที่จะเจาะลึกการคำนวณ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจบทบาทของตัวเก็บประจุดีซีลิงค์ในระบบอินเวอร์เตอร์ หน้าที่หลักของตัวเก็บประจุลิงค์ Dค คือการปรับแรงดันไฟฟ้าบัส Dค ระหว่างวงจรเรียงกระแสและอินเวอร์เตอร์ให้เรียบ ซึ่งช่วยลดการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้าและป้องกันแรงดันไฟกระชาก นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานที่มีกำลังสูงซึ่งความผันผวนของกำลังอาจนำไปสู่ความเสียหายของส่วนประกอบหรือความไม่เสถียรของระบบ ตัวเก็บประจุดีซีลิงค์ยังเก็บพลังงานไว้ชั่วคราวเพื่อจ่ายในระหว่างที่โหลดเปลี่ยนแปลงกะทันหัน หรือเพื่อปรับสมดุลความแตกต่างระหว่างกำลังไฟฟ้าเข้าและออก ช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ที่สม่ำเสมอภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน

ปัจจัยที่มีผลกระทบ ขนาดตัวเก็บประจุ DC Link

ต้องพิจารณาปัจจัยหลายประการเมื่อปรับขนาดตัวเก็บประจุลิงค์ DC รวมไปถึง:

แรงดันไฟฟ้า 1 อินพุตและแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม

แรงดันไฟฟ้าอินพุตและการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้าที่ยอมรับได้มีความสำคัญในการกำหนดขนาดตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุช่วยรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการโดยลดการกระเพื่อมที่เกิดจากการทำงานของสวิตช์ของอินเวอร์เตอร์

2- อัตรากำลังของอินเวอร์เตอร์

อัตรากำลังของอินเวอร์เตอร์จะกำหนดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ดึงมาจากบัส DC อัตรากำลังที่สูงกว่าต้องใช้ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่เพื่อให้แน่ใจว่ามีการกักเก็บพลังงานที่เพียงพอและรักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่

ความถี่การสลับ 3 ครั้ง

ความถี่ในการสวิตชิ่งของอินเวอร์เตอร์ส่งผลต่อขนาดของตัวเก็บประจุ โดยทั่วไปความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้นจะส่งผลให้ความจุไฟฟ้าที่ต้องการลดลง เนื่องจากตัวเก็บประจุไม่จำเป็นต้องเก็บพลังงานระหว่างรอบการสวิตชิ่งมากนัก

ไดนามิกส์ 4 โหลด

ประเภทของโหลด -ตัวต้านทาน อุปนัย หรือคาปาซิทีฟ- ที่เชื่อมต่อกับอินเวอร์เตอร์จะส่งผลต่อขนาดของตัวเก็บประจุ โหลดที่ทำให้เกิดกระแสไฟกระชากสูงหรือความผันผวนของพลังงานอย่างมากจำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุดีซีลิงค์ที่ใหญ่กว่าเพื่อชดเชยความแปรผันเหล่านี้

5 อายุการใช้งานและ ESR (ความต้านทานซีรีย์เทียบเท่า)

อายุการใช้งานของตัวเก็บประจุและ ESR ก็เป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน ESR ต่ำช่วยลดการสูญเสียพลังงานและการสร้างความร้อน ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมและอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุ

การคำนวณตัวเก็บประจุ DC Link

สูตรคำนวณความจุดีซีลิงค์ที่ต้องการคือ:

$$C - \frac{P \times K}{V_{dc}^2 \times f \times \Delta V}$$

ที่ไหน:

- C - ความจุไฟฟ้าเป็นฟารัด (เอฟ)
- P - อัตรากำลังของอินเวอร์เตอร์มีหน่วยเป็นวัตต์ (W)
- K - ค่าคงที่ (โดยทั่วไปคือ 1 ถึง 2) ขึ้นอยู่กับระดับระลอกแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ
- V_dc = แรงดันลิงค์ DC มีหน่วยเป็นโวลต์ (V)
- f = ความถี่การสลับของอินเวอร์เตอร์ในหน่วยเฮิรตซ์ (Hz)
- ΔV = แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมที่อนุญาต (เปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าดีซีลิงค์)

ตัวอย่างการคำนวณ

สมมติว่าเรามีข้อกำหนดเฉพาะต่อไปนี้สำหรับอินเวอร์เตอร์:
- อัตรากำลังไฟฟ้า (P) = 10 kW
- แรงดันดีซีลิงค์ (V_dc) = 400 V
- แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมที่อนุญาต (ΔV) = 2% ของ 400 V = 8 V
- ความถี่การสลับ (f) = 10 kHz
- ค่าคงที่ K = 1.5 (ความทนทานต่อการกระเพื่อมปานกลาง)

ตอนนี้เราคำนวณความจุที่ต้องการโดยใช้สูตร:

$$C = \frac{10000 \times 1.5}{(400)^2 \times 10000 \times 8}$$

สิ่งนี้ทำให้เรา:

$$C = \frac{15000}{1600000000} = 9.375 \times 10^{-6} \, \text{F} = 9.375 \, \mu \text{F}$$
ดังนั้นความจุที่ต้องการจะอยู่ที่ประมาณ 9.375 μF ค่านี้สามารถปรับเปลี่ยนได้ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพที่ต้องการและความคลาดเคลื่อนของตัวเก็บประจุ

เหตุใดการคำนวณที่เหมาะสมจึงมีความสำคัญ

ขนาดของตัวเก็บประจุดีซีลิงค์ไม่ถูกต้องอาจทำให้เกิดปัญหาต่างๆ ในอินเวอร์เตอร์ เช่น:

- ระลอกแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น: สิ่งนี้อาจทำให้ส่วนประกอบสึกหรอก่อนเวลาอันควร โดยเฉพาะอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีความละเอียดอ่อน เช่น IGBT หรือ MOSFET
- การสูญเสียพลังงาน: หากตัวเก็บประจุมีขนาดเล็กเกินไป จะไม่สามารถกรองแรงดันกระเพื่อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานเพิ่มเติมและความไร้ประสิทธิภาพ
- ฮาร์มอนิกและเสียงรบกวน: ความจุที่ไม่เหมาะสมอาจส่งผลให้เกิดการบิดเบือนฮาร์มอนิกหรือปัญหาการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในระบบ
- ความเครียดจากความร้อน: ตัวเก็บประจุขนาดเล็กเกินไปอาจทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนมากเกินไป ส่งผลให้อายุการใช้งานของตัวเก็บประจุลดลง และอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบ

ด้วยความมั่นใจในการคำนวณและการเลือกตัวเก็บประจุ DC link ที่ถูกต้อง ความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของระบบจึงสามารถปรับปรุงได้อย่างมาก

การเลือกตัวเก็บประจุที่เหมาะสม

ในทางปฏิบัติ การเลือกตัวเก็บประจุที่เหมาะสมสำหรับอินเวอร์เตอร์ของคุณเกี่ยวข้องมากกว่าแค่การคำนวณความจุที่ต้องการ ปัจจัยอื่นๆ ที่ต้องพิจารณา ได้แก่:
- ระดับแรงดันไฟฟ้า: ตัวเก็บประจุต้องมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันดีซีลิงค์เพื่อป้องกันการพัง

- ระดับอุณหภูมิ: เนื่องจากตัวเก็บประจุสร้างความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่สวิตชิ่งสูง การเลือกตัวเก็บประจุที่มีระดับอุณหภูมิที่เหมาะสมจึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับความทนทาน

- ขนาดบรรจุภัณฑ์: ในการใช้งานที่มีกำลังสูง ขนาดทางกายภาพของตัวเก็บประจุอาจเป็นปัจจัยจำกัด ดังนั้น สิ่งสำคัญคือต้องเลือกแพ็คเกจที่เหมาะกับข้อจำกัดในการออกแบบอินเวอร์เตอร์ของคุณ

ความคิดสุดท้าย

ตัวเก็บประจุดีซีลิงค์เป็นองค์ประกอบสำคัญในการออกแบบอินเวอร์เตอร์ ซึ่งรับผิดชอบในการรักษาเสถียรภาพของแรงดันไฟ DC บัสและลดการกระเพื่อม การคำนวณและการเลือกตัวเก็บประจุที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานมีประสิทธิภาพ ป้องกันความล้มเหลวของส่วนประกอบ และยืดอายุการใช้งานของระบบอินเวอร์เตอร์

เมื่อพิจารณาอัตรากำลัง แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม ความถี่สวิตชิ่ง และไดนามิกของโหลด วิศวกรสามารถกำหนดขนาดตัวเก็บประจุ DC link ได้อย่างแม่นยำเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด ไม่ว่าคุณจะออกแบบอินเวอร์เตอร์สำหรับระบบพลังงานหมุนเวียน ตัวขับเคลื่อนทางอุตสาหกรรม หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค การได้รับสิทธิ์ในการคำนวณนี้ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการสร้างระบบที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ