無極性有源電解電容器的製作方法

2023-05-29 08:23:46 7

專利名稱：無極性有源電解電容器的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力電子器件，具體為一種可在交流電路中工作的無極性有源電解 電容器。適用於利用電容器進行電力系統的功率因數補償和降壓的設備上。
背景技術：
用於交流電路的電力電容器都是採用雙層鋁箔中間加電介質構成，由於不可 能將電介質層作得很薄，極板面積製作得很大，導致電容器的電容值小、體積很大、 消耗材料多、成本高，對其廣泛應用造成一定限制，尤其給電力系統提高功率因數 的推廣應用造成困難。電解電容器用閥金屬作為正極，用負極板和電解液作為負極。 首先在負極板和正極板工作面上進行腐蝕以增大極板表面積，再在正極表面用電化 學方法生成氧化膜層作為電容器的電介質。由於兩極板間的距離短，且氧化膜介電 常數高，因此電解電容器的電容值要比同體積普通的電力電容器的電容值大很多， 單位體積存儲的電力的能量是普通電容器的幾十倍，具有體積小、自愈性好、容量 大、成本低等優點。但是電解電容器只適合在直流電路中工作，即使可以將所謂的 無極性的兩隻電解電容器簡單串聯用於交流電路中，然而由於電容器損耗大，也只 能短時間或間歇性工作。而且這種電解電容器實際使用的電容值是兩隻相同參數電 容器的電容值的一半，因此降低了電容器的利用率，致使應用範圍受到限制。

發明內容
為了解決上述問題，本發明提供一種無極性有源電解電容器，利用已有電解電 容器體積小、容量大、成本低及節約材料等優點和半導體二極體單向導電的特性進 行組合，兩隻電解電容器採用共負極連接，通過同步驅動電路驅動有源控制元件的 開關來分別控制兩隻電解電容器的放電，進而製成一種無極性有源電解電容器。由 於每個元件是半周期工作，將提高該元件的使用壽命。這種無極性有源電解電容器可在交流電路中工作；兩隻控制元件分別對兩隻電解電容器進行放電，提高了電容 器的利用率，其電容值是兩隻相同容量電容器的單個電容值，比已有交流電解電容
器的電容值大了一倍。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是 一種無極性有源電解電容器，是
由兩隻相同參數的電解電容器、兩隻相同參數的半導體二極體，兩隻相同參數的半 導體功率控制元件和正、負半周同步驅動電路組成。電路的連接關係是電解電容 器(9)的正極、半導體二極體(7)負極、半導體功率控制元件(5)的發射極、 負半周同步驅動電路(3)的引線(11)、正半周同步驅動電路(4)的引線(15) 相互連接起來為所述無極性電解電容器的電極引線(1);電解電容器(10)的正極、 半導體二極體(8)的負極、半導體功率控制元件(6)的發射極、正半周同步驅動 電路(4)的引線(14)、負半周同步驅動電路(3)的引線(12)相互連接起來為 所述無極性電解電容器的電極引線(2);兩隻電解電容器(9)、 (10)的負極、兩 只半導體二極體(7)、 (8)的正極、兩隻半導體功率控制元件(5)、 (6)的集電極 相互連接在一起；負半周同步驅動電路(3)的引線(13)與半導體二極體功率控 制元件(5)的基極連接；正半周同步驅動電路(4)的引線(16)與半導體功率控 制元件(6)的基極連接。所述的半導體功率控制元件可以是半導體三極體、IGBT、 VMOSFET、晶閘管、門極關斷晶閘管中的一種。如採用半導體三極體則具有結構 簡單的優點；如採用VMOSFET功率場效應電晶體作為半導體功率控制元件，則具 有開通電阻小的優點，但驅動電壓在10-20V之間，需採用單獨電源供電；如採用 晶閘管作為半導體功率控制元件，則具有耐壓高、工作電流大的優點，但驅動電路 需按門極要求來設計。所述的無極性有源電解電容器，可以由分立的元件用導線連 接而成，也可以由兩隻電解電容器、兩隻半導體二極體、兩隻半導體控制功率器件 和兩個同步驅動電路封裝組合在一起，只引出(1)和(2)兩條電極引線。所述的 無極性有源電解電容器工作原理是以單項交流電工作為例；見圖2，當交流電源 E的正半周期工作時，電流經電解電容器(9)的正極至負極到半導體二極體(8) 的正極至負極再回到電源E，對電解電容器(9)構成迴路，電源E對電解電容器 (9)進行充電，此時半導體二極體(7)截止，在電解電容器(10)上只有半導體 二極體(8)的正向管壓降0.7-1.2伏特，此時同步驅動電路(4)的驅動功率控制 元件(6)導通，當電源E的電壓低於電容器(9)的兩端電壓時，電容器(9)對電源E經過功率控制元件(6)釋放電能，完成正半周期工作。當電源E的負半周 期工作時，電流經電解電容器(10)的正極至負極到半導體二極體(7)的正極至負 極再回到電源E構成迴路，對電解電容器(IO)進行充電；當電源E的電壓低於電 解電容器(10)的兩端電壓時，同步驅動電路(3)驅動功率控制元件(5)導通，電 解電容器(10)對電源E經過功率控制元件(5)釋放電能，完成負半周期工作， 進而實現了無極性有源電解電容器的工作過程。半導體二極體一方面起到整流作 用，另一方面可將電解電容器反向工作電壓箝位在半導體二極體正嚮導通電壓即管 壓降值範圍內，起到保護電解電容器反向電壓擊穿電極板的作用。兩個同步驅動電 路與電源正負周期同步進行，分別驅動控制元件的開啟和關斷。在高電壓、大電流 情況下工作時，為避免燒毀無極性有源電解電容器，需要採用串聯電感L1和L2來 限制電流隨時間的變化率，電容器C是用來吸收高頻衝擊電壓而設置的。當工作周 期為幾十千周時，應選用快速恢復型半導體二極體，以減少半導體二極體開關時的 工作損耗，有利於保護電解電容器。由於管壓降0.7-L2V只是電源電壓220伏特 和380伏特的0. 2-0. 5%左右，相比於提高功率因數20-30%其損耗可以忽略不計。由 於每隻電解電容器和每隻半導體二極體都是半周期工作，將大大提高元件的使用壽 命。所述的無極性有源電解電容器,可在單相和雙相設備上工作，也可進行三相交 流電的三角形連接和星形連接，還可以進行六相、十二相等多相連接。
本發明的有益效果是兩隻半導體二極體分別對正和負半周進行整流，對電解 電容器充電，利用半導體功率控制元件的導通釋放存儲在電解電容器的電能，實現 了交流電充放電過程和無極性有源電解電容器的工作過程。由於應採用耐衝擊電流 大和耐大紋波的電解電容器,提高了無無極性有源電解電容器的使用壽命和可靠 性。利用半導體二極體反向截止的特性，截斷了加在電解電容器兩端的反向電壓， 並且二極體導通時起到箝位作用，將電解電容器兩端反向電壓箝位在二極體管壓降 範圍內，克服了電解電容器不能承受反向電壓的缺點，實現了無極性有源電解電容 器直接在交流電路中工作。與一般的交流電解電容器相比，電容器的利用率增加一 倍；單位體積的電容值是相同參數普通電容器電容值的幾十倍，且成本低,只有同 容量普通電容器的幾十分之一。該電解電容器可為電力系統功率因數補償提供更為 實用的產品，電容器具有吸收浪湧電流大的優點，會減少電網衝擊電壓對設備造成 的損壞，可提高電網品質。如將無極性有源電解電容器用在單相電容啟動式交流電動機中工作，完成電動機啟動後，電容器可繼續工作，將大大的提高電動機輸出功 率和使用效率，並且具有降低成本、減少故障率和提高使用壽命等優點。可利用該 無極性有源電解電容器替代變壓器和電阻式降壓，進行電容式降壓，將具有縮小設 備的體積、提高電網的功率因素和節約電能等優點。


圖1無極性有源電解電容器結構示意圖
圖2圖1的半導體功率控制元件採用半導體三極體的結構示意圖 圖3圖1的半導體功率控制元件採用VMOSFET的結構示意圖 圖4圖1的半導體功率控制元件採用晶閘管的結構示意圖
圖中標號
1、 2電極引線 3、負半周同步驅動電路4、正半周同步驅動電路 5、
6半導體功率控制元件7、 8半導體二極體9、 10電解電容器11、 12、
13、負半周同步驅動電路引線 14、 15、 16、正半周同步驅動電路引線
具體實施例方式
實施例l
請參閱圖1和圖2，無極性有源電解電容器是由兩隻相同參數的電解電容器、 兩隻相同參數的半導體二極體、兩隻相同參數的半導體功率控制元件和正、負半周 同步驅動電路組成。電路的連接關係是電解電容器(9)的正極、半導體二極體 (7)的負極、半導體功率控制元件(5)的發射極、負半周同步驅動電路(3)的 引線(11)、正半周同步驅動電路(4)的引線(15)相互連接起來為所述無極性電 解電容器的電極引線(1);電解電容器(10)的正極、半導體二極體(8)的負極、 半導體功率控制元件(6)的發射極、正半周同步驅動電路(4)的引線(14)、負 半周同步驅動電路(3)的引線(12)相互連接起來為所述無極性電解電容器的電 極引線(2);兩隻電解電容器(9)、 (10)的負極、兩隻半導體二極體(7)、 (8) 的正極、兩隻半導體功率控制元件(5)、 (6)的集電極相互連接在一起；負半周同 步驅動電路G)的引線(13)與半導體二極體功率控制元件(5)的基極連接；正 半周同步驅動電路(4)的引線(16)與半導體功率控制元件(6)的基極連接。半 導體功率控制元件採用半導體三極體，具有結構簡單的優點。所述的無極性有源電解電容器，可以由分立的元件用導線連接而成，也可以由兩隻電解電容器、兩隻半 導體二極體、兩隻半導體控制功率器件和兩個同步驅動電路封裝組合在一起，只引 出(1)和(2)兩條電極引線。 實施例2
請參閱圖3，無極性有源電解電容器功率控制元件(5)和(6)採用IGBT或 VM0SFET的連接方式，具有開通電阻小的優點，但驅動電壓在10-20V之間，需採 用單獨電源供電，其它同實施例l。 實例3
請參閱圖4，無極性電解電容器的功率控制元件(5)和(6)採用晶閘管或門 極關斷晶閘管的連接方式，具有耐壓高、工作電流大的優點，但驅動電路需按門極 要求來設計，其它同實施例l。
權利要求
1、一種無極性有源電解電容器，其特徵是該電解電容器是由兩隻相同參數的電解電容器、兩隻相同參數的半導體二極體、兩隻半導體功率控制元件、正負半周同步驅動電路組成。
2、 根據權利要求l所述的無極性有源電解電容器，其特徵是電解電容器(9)的正極、半導體二極體(7)的負極、半導體功率控制元件(5)的發射極、負半 周同步驅動電路(3)的引線(11)、正半周同步驅動電路(4)的引線(15)相 互連接起來作為所述無極性有源電解電容器的電極引線(1);電解電容器(10) 的正極、半導體二極體(8)的負極、半導體功率控制元件(6)的發射極、正 半周同步驅動電路(4)的引線(14)、負半周同步驅動電路(3)的引線(12) 相互連接起來為所述無極性有源電解電容器的電極引線(2);電解電容器(9) 和電解電容器(10)的負極、半導體二極體(7)和半導體二極體(8)的正極、 半導體功率控制元件(5)和半導體功率控制元件(6)的集電極相互連接在一 起；負半周同步驅動電路(3)的引線(13)與半導體功率控制元件(5)的基 極連接，正半周同步驅動電路(4)的引線(16)與半導體功率控制元件(6) 的基極連接。
3、 根據權利要求1所述的無極性有源電解電容器，其特徵是所述的半導體功率 控制元件(5)和(6)可以釆用半導體三極體、IGBT、 VMOSFET、晶閘管、 門極關斷晶閘管中的一種。
4、 根據權利要求1所述的無極性有源電解電容器，其特徵是所述的電解電容器 可以由分立的元件用導線連接而成；也可以由兩隻電解電容器(9)和(10)、 兩隻半導體二極體(7)和(8)、兩隻半導體功率控制元件(5)和(6)、正負 半周同步驅動電路(3)和(4)封裝組合在一起。
全文摘要
本發明公開了一種無極性有源電解電容器，該有源電解電容器由兩隻相同參數的電解電容器、兩隻相同參數的半導體二極體，兩隻半導體功率控制元件和正負半周同步驅動電路組成。該有源電解電容器利用兩隻半導體二極體分別對兩隻電解電容器進行正負半周充電，利用兩隻半導體功率控制元件分別控制兩隻電解電容器進行放電，進而完成了兩隻電解電容器的充放電過程，實現了電解電容器在交流電上工作。它將已有交流電解電容器的利用率提高一倍，並具有可在交流電上長時間工作、損耗小等優點。該有源電解電容器可廣泛應用於電力功率因數補償和電容式電動機上，能夠提高電網功率因數、節約電能、提高效率。
文檔編號H02J3/18GK101510690SQ200910068398
公開日2009年8月19日 申請日期2009年4月7日 優先權日2009年4月7日
發明者卓 張, 煒 張, 李琦穎, 李香鳳, 李香龍, 謙 牛 申請人:河南大學