變頻器直流電容衰減預防檢測機制

前言

鋁質電解電容器(Aluminium electrolytic capacitor)普遍被使用作為電力電子系統中直流(Direct Current, DC)穩壓的重要元件，使系統前後級均能穩定供應能量並有效地供給負載。2017年，台積十四廠發生因電解電容器異常引起的系統失效與火警警報，影響近百片產品。為了避免類似事件再發，對於電容器異常檢知之技術研究有其必要性。

本文針對變頻器(Variable-frequency Drive, VFD)內部直流電容器之參考壽命進行探討，並藉由相關參數衍伸出相關電容衰減與異常檢測方法。此外，針對檢測方法進行可行性評估與效益分析，以預期可以達到變頻器系統崩潰前檢測出元件失效之目的。

文獻探討

電解電容器之失效模式

圖1為電解電容器之失效模式圖^[8]，元件製造時與誤使用時之條件在變頻器製造出廠測試應被檢測為不良品，本文著重於正常使用下之經時劣化所造成之電容器失效。模式圖中可看出經時劣化可能導致之結果有短路、開路、靜電容量減少、TanΦ增加、洩漏電流增加、防爆瓣開花、漏液等結果。其中開路、洩漏電流有機會由線上變頻器即時偵測得知，其餘失效模式須停機檢測或目視確認。

電解電容器壽命預估方法

一般常見之電解電容器壽命預估方法如公式(1)所示^[5]，其來源由W. D. GREASON於1986年^[2]根據阿瑞尼斯方程式(Arrhenius equation)^[1]所提出，再經由各製造廠根據製造實驗參數進行調整，阿瑞尼斯方程式為化學反應速率與溫度之關係式。 表1為各製造大廠之壽命預估公式。由公式(1)可知電容器之運轉壽命與其兩端跨壓呈負相關，運轉電壓越高則壽命越短。此外，壽命也與電容器中心溫度呈負相關，運轉中心溫度每上升十度，壽命則減一半。 表1為常見變頻器內部使用之電容器廠牌的壽命預估參數。

Lop = MvLb2^[(Tm-Ta)/10]

Where

Lop is the expected operating life in h, Mv is a unitless voltage multiplier for voltage derating, Lb is the expected operating life in h for full rated voltage and temperature, Tm is the maximum permitted internal operating temperature in °C, and Ta is the actual capacitor internal operating temperature in °C. ..............................式(1)

預防檢測機制之定性分析評估

從電容器失效模式分析與壽命預估公式中，本文歸納出四項預防檢測機制之參數；電壓、電流、阻抗、溫度，如 圖2所示。以下將逐步分析評估。

首先，運轉跨壓為影響壽命的參數之一，長期監測可作為剩餘壽命之參考，但其無法作為預防檢測判斷之依據。第二，偵測電容器漏電流為在線(On-line)有效之電容器衰減評估方式，但須在產品設計初期即導入。已開發模組化之變頻器因無加裝比流器(Current Transformer, CT)之空間而不適用。第三，阻抗量測包含電容量、等效串聯電阻(Equivalent Series Resistance, ESR)、損耗因數(Dissipation fac-tor, DF)，可有效評估電容器健康度。但於實務中變頻器內部有多顆電容串並聯關係，單顆電容衰減於總電容值量測中將不顯著，拆解變頻至單顆量測又費時費力，執行面有相當程度之困難。最後，溫度參數可作為電容器健康度之參考，可偵測出因洩漏電流造成之溫昇現象。

目前預防保養方法

目視電容是否漏液與電氣參數量測為目前最準確判斷電解電容是否異常之手法，如 圖3，其中電氣參數又包含電容值與內阻阻抗量測。但變頻器量測至單顆電容約需花費2~3小時之拆解時間，另外也須承受拆解過程元件損傷的風險。因此，目前針對電解電容之預防保養方法為由變頻器直流端子量測總電容值，依照AB原廠提供標準總容值低於標準值二十百分比以下再進行拆解電容器單顆檢測。若單顆檢測發現漏液、膨脹、開短路則進行電容器更換，如 圖4所示。

上述保養方法仍需停機進行量測判斷，目前已知有兩方法可不停機即初判內部直流電容是否可能異常而須拆機檢測，如下兩節描述。

溫度偵測法

電容衰減後將造成直流匯流排漣波電流上升，進而在電容內部等效串聯電阻上造成內部溫升。因此，於電容上設置溫度感知器可提早預知電容異常。但溫度異常之判定標準將受環境、負載影響，電容異常標準將依不同運轉條件而異。 圖5為設置於F15A CUP 35度5號熱回收水泵變頻器內之溫度監測系統，其中應用了433MHz頻段之無線傳輸技術。

漣波電壓偵測法

由式(2)可知，假設直流電容需供給之漣波電流為定值，漣波電壓將與電容值成反比關係。因此直接量測電容兩端漣波電壓值大小可初判電容值是否異常衰減。但異常標準需憑藉運轉經驗數據，無法就當下量測值立即判斷是否需進一步執行拆機目視檢測，因此本文提出進階之漣波電壓差比較法。

計畫方法

漣波電壓差比較法

變頻器內部在設計直流穩壓電容時會因耐壓與電容量考量而將多顆電解電容器串並聯，如 圖6所示。其中橫跨於串聯電容的漣波電壓比與上下兩端等效電容值比的關係如式(3)所示。因此，本文提出藉由上下漣波電壓之量測來判斷是否有單顆電容故障之方法，可達到不停機進行電容異常檢知之目的，並且無需考慮環境條件即可立即判讀。

試驗手法

本文針對內部電解電容器異常之變頻器經由並聯平衡電阻兩端接點之引出線引接至變頻器外部，再經由電表Fluke 289量測變頻器運轉時上下半部電容之漣波跨壓，取量測10秒以上之平均值為基準，以驗證式(3)之關係，如 圖7所示。

結果與分析

試驗條件

F15P1/2於2018共四台變頻器內部有電解電容器異常事件，分別包含Cooling Tower、MAU、AAS SEX系統之變頻器。針對前述四台變頻器進行元件量測與目視檢測結果如 表2所示，並分為四組實驗組與對照組進行漣波電壓差比較法之驗證。實驗組一之異常表現為單邊C2電容開路，實驗組二之異常表現為單邊C1電容開路且漏液，實驗組三之異常表現為單邊電容值衰減約12.3%，實驗組四之異常表現為單邊C1電容開路且漏液同時C2電容漏液但電容值正常。

試驗結果與分析

就四組實驗組與對照組之上下漣波電壓量測結果如 圖8所示。首先，試驗一之對照組為正常平衡電容，理論上下漣波電壓比為100%，而量測值於變頻器運轉於35Hz時會有最大的誤差達3.1%；實驗組單顆電容開路之理論上下漣波電壓比為67.3%，量測值於變頻器運轉於35Hz時最大誤差為5.1%；但由試驗一之實驗組與對照組比較結果仍可明顯判斷出內部電容異常。試驗二之實驗組與試驗一之差異為電容開路且漏液，由數據結果可觀察到變頻器運轉於25Hz時量測值與理論誤差達18.8%，雖然可明顯看出內部電壓不平衡但此誤差仍會影響電容異常的判斷標準界定。試驗三之實驗組為模擬單邊電容衰減但未有開路電容的條件，由實驗組數據可知誤差於變頻器運轉於40Hz時最大為8%，但與對照組電容平衡條件之理論98.5%相比較仍可觀察到電容不平衡現象。試驗四之實驗條件為單顆電容開路且有兩顆電容漏液，由實驗組數據可知變頻器運轉於頻率30Hz以下時漣波電壓比量測值與理論誤差會達20.2%，但於運轉頻率40Hz以上誤差會減小至2.3%以內。由試驗二與四可推論電容漏液對於漣波電壓比會造成一定程度的誤差，可能影響異常判ㄋ斷的界定，但由各實驗組與對照組相比可觀察到電容值平衡與不平衡可直接反映於漣波電壓比，因此確實可作為快速初檢電容異常之參考依據。

不停機電解電容異常判斷流程

經由前述之試驗結果與分析，本文提出一進階電解電容異常判斷流程如 圖9所示。藉由量測漣波電壓分壓作為設備是否需停機檢測的判定依據，預估一台變頻器可節省兩名人力2小時變頻器切換、停機與拆機量測的時間。

結論

本文針對目前市面上各大廠之電解電容器壽命計算式進行研究，並藉由其關鍵參數進行定性分析，最後提出進階版之變頻器直流電容衰減預防檢測機制。並於含故障電容器之變頻器中驗證，目前此法不論於加工成本、執行效率與可行性方面皆具優勢，對於運轉廠避免變頻器故障或引發明火有其助益。

此機制未來可加入高精密度與高直流耐壓之交流電表，並經由通訊傳輸回廠務值班監測系統，即時偵測電壓差並建立警報機制，降低量測人力負擔與風險。再者，可結合溫度監測系統將電壓、溫度參數進行即時運算，藉由電容壽命預估公式判斷電容壽命，將可確實達到「自動化極早期系統故障偵測」之目的。