خازن الکترولیتی لینک DC در درایو فرکانسمتغیر، وظیفه صاف کردن ولتاژ یکسوشده و جذب جریان ریپل را بر عهده دارد. این قطعه بهطور همزمان تحت تنشهای حرارتی، الکتریکی و مکانیکی کار میکند و سه حالت خرابی مشخص در آن دیده میشود: تورم بدنه، نشت الکترولیت و قطعی داخلی. هر یک از این حالتها به مکانیزم خرابی متفاوتی اشاره دارد و تشخیص درست آنها، مبنای تصمیم برای تعمیر یا جایگزینی قطعه است.
تنش الکتریکی و حرارتی در لینک DC
در یک درایو با توان نامی ۲۲ کیلووات، خازن لینک DC با ولتاژ کاری نامی ۴۰۰ ولت DC و ظرفیت در محدوده ۲۲۰۰ تا ۳۳۰۰ میکروفاراد کار میکند. جریان ریپل مؤثر این خازن در فرکانس کلیدزنی ۸ تا ۱۶ کیلوهرتز، معمولاً بین ۵ تا ۹ آمپر است. این جریان ریپل در مقاومت سری معادل (ESR) خازن تلفات ایجاد میکند و دمای هسته را بالا میبرد. افزون بر این، نوسانات برق شبکه در مناطق صنعتی، ولتاژ لینک DC را گاهی تا ۱۵٪ از مقدار نامی افزایش میدهد.
دمای محیط داخل تابلو معمولاً ۴۵ تا ۶۰ درجه سانتیگراد است. در این شرایط، دمای هسته خازن الکترولیتی میتواند به بیش از ۹۵ درجه برسد. بر اساس قوانین کاهش بار، به ازای هر ۸ تا ۱۰ درجه افزایش دمای هسته، طول عمر خازن تقریباً نصف میشود. همین تنش همزمان حرارتی و الکتریکی، بستر اصلی ظهور سه حالت خرابی است.
سه حالت خرابی و مکانیزم هر یک
تورم بدنه
تورم بدنه نتیجه تولید گاز داخلی است. وقتی ولتاژ اعمالی از مقدار نامی فراتر میرود یا جریان ریپل بیش از حد مجاز است، الکترولیت مایع تجزیه شده و گاز هیدروژن تولید میکند. در خازنهای دارای شیر ایمنی (vent)، این گاز از مسیر شیر تخلیه میشود، اما اگر شیر عمل نکند یا گاز سریعتر از ظرفیت تخلیه تولید شود، بدنه استوانهای خازن برآمده میشود. تورم بیش از ۲ تا ۳ میلیمتر در سطح بالایی خازن، معیار معمول برای رد کردن قطعه است.
نشت الکترولیت از نشیمن
نشت الکترولیت معمولاً از ناحیه سیل (seal) در پایه خازن رخ میدهد. این حالت در اثر پیرایش طبیعی الاستومر سیل در دمای بالا یا تنش مکانیکی ناشی از لرزش تابلو، تسریع میشود. الکترولیت نشتشده رساناست و میتواند به برد مجاور یا پایههای ترانزیستور IGBT آسیب برساند. در بازرسی ظاهری، لکههای سفید یا کریستالی در اطراف پایه خازن نشانه نشت است. خازنی که نشت کرده باشد، حتی اگر ظرفیت آن هنوز در محدوده مجاز باشد، باید تعویض شود.
قطعی داخلی و از دست رفتن ظرفیت
قطعی داخلی در اتصال تیغه فویل به ترمینال رخ میدهد. این حالت پس از هزاران چرخه حرارتی ایجاد میشود؛ اتصال لحیمی داخل خازن در اثر انبساط و انقباض مکرر خسته شده و جدا میشود. نتیجه این خرابی، قطع کامل مدار خازن است. در این حالت ظرفیت اندازهگیریشده نزدیک صفر است و درایو با خطای زیرولتاژ لینک DC یا نوسان ولتاژ مواجه میشود. تفاوت قطعی داخلی با از دست رفتن تدریجی ظرفیت (که در اثر تبخیر الکترولیت رخ میدهد) در یکنواختی آن است: قرائت ظرفیت در اندازهگیریهای مکرر، ناپایدار است یا به صفر میرسد.
معیارهای پذیرش قطعه جایگزین
| پارامتر | روش اندازهگیری | آستانه پذیرش |
|---|---|---|
| ظرفیت | دستگاه LCR با فرکانس ۱۲۰ هرتز | ۷۵٪ تا ۱۱۰٪ مقدار نامی |
| ESR | دستگاه LCR با فرکانس ۱۰۰ کیلوهرتز | حداکثر ۱٫۵ برابر مقدار اولیه |
| جریان ریپل مجاز | محاسبه از دیتاشیت در دمای مرجع ۸۵ درجه | معادل جریان ریپل درایو با حاشیه ۲۰٪ |
| ولتاژ نامی | بازرسی پلاک و تطبیق با ولتاژ لینک DC | حداقل ۴۵۰ ولت DC برای درایوهای ۴۰۰ ولت |
| طول عمر در دمای هسته | استخراج از منحنی عمر دیتاشیت | حداقل ۱۰۰۰۰ ساعت در ۸۵ درجه |
نکات نصب و آزمون پس از تعویض
پیش از نصب خازن جدید، اطمینان حاصل کنید که برد از شارژ الکتریکی تخلیه شده است؛ ولتاژ باقیمانده در خازنهای لینک DC حتی پس از قطع برق، خطرناک است. برای تخلیه از مقاومت ۲ کیلواهمی با توان ۵ وات به مدت ۳ دقیقه استفاده کنید. هنگام نصب، گشتاور اعمالی روی پیچ مهره نباید از مقدار توصیهشده سازنده تجاوز کند؛ گشتاور بیش از حد، به پایه ترمینال آسیب میزند.
پس از نصب، سه آزمون کوتاه انجام دهید. نخست، ظرفیت را با LCR در ۱۲۰ هرتز اندازهگیری و با مقدار نامی مقایسه کنید. دوم، ESR را در ۱۰۰ کیلوهرتز اندازهگیری کنید؛ اگر بیش از مقدار دیتاشیت بود، قطعه را جایگزین کنید. سوم، درایو را با بار ۵۰٪ روشن کنید و ولتاژ لینک DC را با اسیلوسکوپ مشاهده کنید؛ ریپل ولتاژ در حالت پایدار نباید از مثبت و منفی ۵٪ ولتاژ نامی تجاوز کند.
به فاصله ایمنی بین بدنه خازن و قطعات مجاور توجه کنید؛ خازن الکترولیتی برای تخلیه گاز به فضای بالایی نیاز دارد. در تابلوهایی با لرزش زیاد، استفاده از بست مکانیکی برای مهار بدنه خازن توصیه میشود.