电容器外部温升计算
铝电解电容器寿命的计算方法
铝电解电容器寿命的计算方法作者：iC921栏目：模拟技术铝电解电容器寿命的计算方法铝电解电容器寿命的计算方法偶然碰到这篇小文章，考虑到最近不时有人提问有关此类问题，也觉得有一定的意义，故而整理一下，帖出来供大家参考。
只是个别地方译不出来，有点遗憾。
这次赶巧了，今天还知道有位小老乡赶上今天生日，说好了算作今天偶给她的小礼物，愿她能及早看到。
September 5,2001RUBYCON CORPORATIONENGINEERING DIVISIONTO: ACBEL POLYTECH INC.LIFETIME CALCULATION FORMULA OF ALUMINUM ELECTROLYTIC CAPACITORS铝电解电容的寿命的计算公式1. Lifetime Calculation Formula 寿命计算公式L : Life expectancy at the time of actualuse.实际使用平均寿命Lb : Basic life at maximum operating 最大工作温度下的基本寿命ΔTj : Internal temperature rise when actual ripple current is applied. 加入实际波纹电流后，电容内部的温升忽略纹波电流时的寿命推算一般而言，铝电解电容器的寿命与周围的环境温度有很大的关系，其寿命可以由以下公式计算。
其中，L：温度T时的寿命L0：温度T0时的寿命与温度比较，降压使用对电容器的寿命影响很小，可忽略不计。
考虑纹波电流时寿命的推算叠加纹波电流，由于内部等效串连电阻（ESR）引起发热，从而影响电容器的使用寿命，产生的热量可由下式计算I：纹波电流（Arms）R：等效串联电阻（Ω）由于发热引起的温升其中，△T: 电容器中心的温升（℃）I: 纹波电流 (Arms)R: ESR (Ω)A: 电容器的表面积(cm2)H: 散热系数( 1.5~2.0x10-3W/cm2x℃)上面公式（3）显示电容器的温度上升与纹波电流的平方以及等效串联电阻ESR成正比，与电容器的表面积成反比，因此，纹波电流的大小决定着产生热量的大小，且影响其使用寿命，电容器的类型以及使用条件影响着△T值的大小，般情况下，△T<5℃。
开关柜温升的计算
开关柜温升的计算标准名称：IEC60890《低压开关设备和控制装置部分型式试验(PTTA)用的外推温升评估方法》适用范围：1.柜壳内部功率损耗接近均匀分布2.开关设备安装空气流动影响较小3.开关设备安装设计直流或交流最大60Hz,总进线电流不超过3150A;4.大电流导体和结构件的涡流影响忽略不计5.柜壳具有通风孔，出风口截面积至少为进风口的1I倍；6.PTTA开关设备的水平隔板不超过3个；7.具有外部通风开口隔室的柜壳,每个水平隔板的通风表面至少为隔室水平截面积的50%；计算所需数据1.外壳的高度、宽度、深度；2.外壳的安装形式；3.外壳是否具有通风孔，通风口面积；4.壳体内部水平隔板的数量；5.柜体内部安装设备的有效功率损耗；计算示例单柜，四面无遮挡，无通风孔，内部无水平隔板柜体内部设备有效发热损耗P=300W计算过程如下：水平隔板系数按照标准表IV规定，水平隔板数=0：d=1.0;固体系数k按照标准图3得出Ae=6∙64,k=0.135;IO该标准虽然不能算出铜排的温升，但通过计算出开关、铜排附近的温升，可以得出开关所处环境的温度，通过开关设备的降容表得出降容值。
该标准也被船级社等机构作为产品产品标准符合性的计算依据，对于PTTA产品来说，通过计算保证产品性能，降低了试验等费用。
以MTZ3-6300A断路器为例，按照IEC60890计算MTZ3断路器规定了功率损耗如下：功率损耗：总功率损耗是在In额定电流，50∕60Hz,对应于3极或4极断路器，符合IEC/EN60947-2和GB/T14048.2热稳态温度下的测量值。
开关柜的宽度140Omnb深度150Omnb高度230On1nb连接铜排规格及安装方式为竖直安装8拼IoOX1o铜排，按照IEC60890计算如下表铜排发热功率：铜排电阻35μQ,发热功率1210W;断路器功率：(5850/6300)2*1200=1035W;总计发热功率：1210+1035=2245W;根据计算可知，开关柜内框架断路器附近温升是38k,按照标准环境温度35度，可得出断路器及其母排附近的温度是73摄氏度；而根据MTZ3H框架断路器的样本资料,框架断路器的降容表如下，在Ti （断路器及其母排周围的温度）等于70度时，MTZ3H1/H2-63的电流降容值是5800A,可以看出这些参数是相互验证的。
电解电容器发热原因和最大允许温升
电解电容器发热原因和最大允许温升
•电容器是储能元件，本不应该有功率损耗，但是等效串联电阻的存在使得纹波电流在其上面发生了显著损耗。
这部分损耗就会以热的形式散发出去，引出电容器温度上升。
一般电容器的型号，设计尺寸确定了，ESR随温度，频率的变化规律就确定了，因此如果确定测得应用电路中的纹波电流就可以由ESR上产生的功率损耗估算温升。
•这里值得指出的是电解电容器的总温升实际上是由两部分温升组成，一部分是由纹波电流产生的损耗引起的温升，另一部分是由漏电流损耗引起的，但是后一部分损耗相对较小，一般可以忽略不计。
•电容器发热引起温升的危害是严重的，因此各个厂家对其最大允许温升都有严格的限制。
一般厂家为了用户使用方便给出了电解电容器工作在特定温度下的最大允许温升。
开关电源电容选择计算方法
开关电源电容选择计算方法开关电源的寿命很大程度受到电解电容的制约，而电解电容的寿命取决于其内核温升。
本文从纹波电流计算、纹波电流实测、电解电容选型、温度测试方法、寿命估算等方面，对电解电容作了全面的分析。
纹波电流产生的热量引起电容的内部温升，加速电解液的蒸发，当容值下降20%或损耗角增大为初始值的2~3倍时，预示着电解电容寿命的终结。
通过检查电容器上的纹波电流，可预测电容器的寿命。
本文以连续工作模式的反激变换器输出电容分析为例，重点从纹波电流角度全面分析电解电容的选型与寿命。
1、纹波电流计算假设已知连续工作模式的反激变换器，其输出电流Io 为1.25A，纹波率r为1.1，占空比D为0.62，开关频率为60kHz，由此可以计算次级纹波电流ΔIo和有效值电流Io.rms。
次级纹波电流ΔIo：有效值电流Io.rms：最终得到流过输出电容的纹波电流：图1直观的显示了该电容的纹波电流波形：图1 纹波电流波形2、电解电容选型由上述计算分析得到流过电容的纹波电流为1.72A，综合考虑体积和成本，选择了纹波电流为1.655A的电解电容。
该纹波电流需在电源开关频率下选择，如下列图某厂家电容手册的纹波电流有频率因子，不同频率下的纹波电流不同。
高频低阻电容均会给出100kHz下的纹波电流，本设计开关频率为60kHz，频率因子为0.96~1之间，在此取1即可。
图2 电容纹波电流频率因子注：纹波电流还有一个温度系数，例如105℃电容，在85℃环境温度下，允许的最大纹波电流约为额定最大纹波电流的1.73倍，该参数一般不在电容手册中表达。
3、纹波电流实测测试电解电容纹波电流时，需将电容引脚穿入电流探头中，通过示波器可读得交流有效值。
本设计实例的纹波电流测试结果如图3所示，示波器读得有效纹波电流为1.64A，与理论设计接近。
因此理论计算具有较大的工程指导意义。
图3 实测电容纹波电流4、温度测试方法测量容体表面温度Ts：需在电容器侧面的中间位置开展，如果由于外部影响导致电容器表面温度不均匀、不稳定，需综合测量电容器表面4个点的温度，再取平均值。
小型干式变压器温升计算方法
小型干式变压器温升计算方法1. 小型变压器温升计算(无气道)本计算方法按《电子变压器手册》计算公式编制，适用于绕组间无气道的小型变压器温升计算。
1.1将铁芯和绕组当成一个发热整体计算绕组温升。
1.2 散热面只取外表面，散热系数一般取0.9。
1.3 计算公式：τ=539/ KS * ((PO + PK)/(SCU * 0.01 + 1.5 * SFE * 0.01/KR))^0.8式中:KS——散热系数。
无气道，取0.9SCU——线圈散热面mm2SFE——铁芯散热面mm2KR——热平衡系数KR = 1.414 *（1/（1+1/（1.5 * SFE / SCU * PK/PO）））^0.52.小型变压器温升计算(有气道)本计算方法按《电子变压器手册》计算公式编制，适用于10kV A以下绕组间有气道的小型变压器温升计算。
2.1将铁芯和绕组温升分开计算。
2.2 散热系数KS外绕组取0.95，内绕组：当气道=10～12时取0.5；18～20时取0.66。
2.3 三相变压器的绕组散热面按3相的面积。
2.4 各次级间无气道时当成一个计算单元。
2.5计算公式：τ=539/ KS * (PK/(SCU * 0.01))^0.83. 中小型变压器温升计算本计算适用于10kV A以上干式变压器的温升计算。
按干式电力变压器的温升计算公式。
3.1 铁芯和绕组温升分开计算。
3.2 散热系数由气道宽度和绕组高度确定。
3.3 三相变压器的绕组散热面按3相的面积。
3.4 各次级间无气道时当成一个计算单元。
3.5 计算公式：按电力变压器计算公式。
温升计算方法探讨
这三种计算方法的散热面积是不同的，所引起的误差要折算到散热系数中， 这样才能使计算出的温升基本相同。
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5.溫升計算方法
5.3散熱係數 散热系数也有两种： 一种认为散热系数是常数，通常是：0.8× 10－3(w/cm2•℃) 另一种认为散热系数是一条曲线，铁心规格越小散热系数越大，随着铁心规格的 增大散热系数趋向平缓，散热系数约在：1.5~0.7× 10－3 (w/cm2•℃) 之间 ；
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5.溫升計算方法
5.2散熱面積 散热面积的计算有三种： 第一种认为变压器底部的面积是不能散热的，是将变压器底部表面积不计入 变压器的散热面积， 第二种是认为变压器底部虽不能散热，但底部是安装在金属底板也会散热， 因次将底部的面积计算进去， 第三种是变压器表面不规则时为了计算方便要用等效散热面积去代替，例如 环型变压器，采用直径等于变压器外径，高度等于变压器高度的一个圆柱体的表 面积来代替变压器的散热面积，
故在電器設備設計過程中，從兩個方面進行設計考慮從，儘量的減小損耗和加大散熱。
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5.溫升計算方法
5.1溫升計算方法 由於變壓器與電抗器結構與材料不同，導致散熱不同，各個廠商對溫升的計算方法 也不同。通常的做法是生產廠商根據樣品溫升試驗，結合熱學規律，推導自己的溫升 計算公式，固各家都有自己的經驗公式:常見計算方法有： 1）熱阻法 热阻法基于温升与损耗成正比，不同磁心型号热阻不同，热阻法计算温升比较准确， 因其本身由试验得来，磁心又是固定不变的，热阻数据由大型磁心生产厂商提供。有了厂 家提供的热阻数据，简单、实用。高频变压器可采用这一方法。而铁心片供应商不能提供 热阻这一类数据，因此低频变压器设计者很难采用。
温升计算——精选推荐
温升计算压降乘上RMS电流就是损耗，然后⽤热阻来计算温升，在加上环境温度就是最终的结温，如果不超过datasheet给出的值就OK。
Ploss=0.9*3=2.7W 公式中0.9是VFRt=37℃/WRth=2℃/W不需要加散热器。
电源设计都要考虑效率与散热问题,此公式供⼤家参考:T=(P/Fm)^0.8 *539/AP : 损耗(热量);Fm: 散热⾯积;A :散热校正系数,与散热材料有关;T :温升.A的取值范围,要看你所⽤的散热材料,是⽤铜,铝还是铁,要查下它们的参数,导热系数,热阻.散热设计是⼀个⽐较复杂,也很头痛的事情,相互学习吧.希望有更多的⼈来参与,讨论.任何器件在⼯作时都有⼀定的损耗,⼤部分的损耗变成热量.⼩功率器件损耗⼩,⽆需散热装置.⽽⼤功率器件损耗⼤,若不采取散热措施,则管芯的温度可达到或超过允许的结温,器件将受到损坏.因此必须加散热装置,最常⽤的就是将功率器件安装在散热器上,利⽤散热器将热量散到周围空间,必要时再加上散热风扇,以⼀定的风速加强冷却散热.在某些⼤型设备的功率器件上还采⽤流动冷⽔冷却板,它有更好的散热效果. 散热计算就是在⼀定的⼯作条件下,通过计算来确定合适的散热措施及散热器.功率器件安装在散热器上.它的主要热流⽅向是由管芯传到器件的底部,经散热器将热量散到周围空间.采⽤什么⽅式散热以及散热⽚要多⼤,由以下条件决定:1、元件损耗2、元件散热环境3、元件最⾼允许温度如果要进⾏散热设计,上⾯的三个条件必须提供,然后才能进⾏估算.⼤部分TO-220三极管,⼀般中间那个脚是C,它⼜跟管⼦本⾝的⾦属⽚相连,也有不相连的.散热⽚与⾦属⽚那个脚相连,所以⼀些⾼压,绝缘不良的问题要主意啦,要留有⼀定的距离,或选好的绝缘材料.以7805为例说明问题.设I=350mA,Vin=12V,则耗散功率Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W按照TO-220封装的热阻θJA=54℃/W,温升是132℃,设室温25℃,那么将会达到7805的热保护点150℃,7805会断开输出.正确的设计⽅法是:⾸先确定最⾼的环境温度,⽐如60℃,查出7805的最⾼结温TJMAX=125℃,那么允许的温升是65℃.要求的热阻是65℃/2.45W=26℃/W.再查7805的热阻,TO-220封装的热阻θJA=54℃/W,均⾼于要求值,都不能使⽤,所以都必须加散热⽚,资料⾥讲到加散热⽚的时候,应该加上4℃/W的壳到散热⽚的热阻.计算散热⽚应该具有的热阻也很简单,与电阻的并联⼀样,即54//x=26,x=50℃/W.其实这个值⾮常⼤,只要是个散热⽚即可满⾜.国际化标准组织ISO规定:确定散热器的传热系数K值的实验,应在⼀个长( 4±0.2 )m3宽( 4±0.2 )m3⾼( 2.8±0.2 )m的封闭⼩室内,保证室温恒定下进⾏,散热器应⽆遮挡,敞开设置.散热器的传热系数是表⽰:当散热器内热媒平均温度与室内空⽓温度的差为1℃时,每㎡散热⾯积单位时间放出的热量.单位为W/㎡.℃.散热量单位为W.传热系数与散热量成正⽐.影响散热器传热系数的最主要因素是热媒平均温度与室内空⽓温度的温差△T,散热器的材质、⼏何尺⼨、结构形式、表⾯喷涂、热媒温度、流量、室内空⽓温度、安装⽅式、⽚数等条件都会影响传热系数的⼤⼩.散热器性能检测标准⼯况(当△T=64.5℃时),即:热媒进⼝温度95℃,出⼝温度70℃,空⽓基准温度18℃.安规要求:对初/次级距离有三种⽅式:1.爬电距离达到要求.2.空间距离达到要求.3.采⽤绝缘材料:a.⽤⼤于0.4mm厚的绝缘材料.b.⽤能达到耐压要求的多层安规绝缘材料距离可⼩于0.4mm如变压器中⽤三层黄胶纸.散热器的计算:总热阻RQj-a=(Tjmax-Ta)/PdTjmax :芯组最⼤结温150℃Ta :环境温度85℃Pd : 芯组最⼤功耗Pd=输⼊功率-输出功率={24×0.75+(-24)×(-0.25)}-9.8×0.25×2=5.5℃/W总热阻由两部分构成,其⼀是管芯到环境的热阻RQj-a,其中包括结壳热阻RQj-C和管壳到环境的热阻RQC-a.其⼆是散热器热阻RQd-a,两者并联构成总热阻.管芯到环境的热阻经查⼿册知RQj-C=1.0 RQC-a=36 那么散热器热阻RQd-a应<6.4. 散热器热阻RQd-a=[(10/kd)1/2+650/A]C其中k:导热率铝为2.08d:散热器厚度cmA:散热器⾯积cm2C:修正因⼦取1按现有散热器考虑,d=1.0 A=17.637+17.631313算得散热器热阻RQd-a=4.1℃/W,热量传递的三种基本⽅式:导热、对流和辐射.传热的基本计算公式为:Φ=ΚAΔt式中:Φ——热流量,W;Κ——总传热系数,W/(m22℃);A ——传热⾯积,m2;Δt——热流体与冷流体之间的温差,℃.散热器材料的选择:常见⾦属材料的热传导系数:银429 W/mK铜410 W/mK⾦317 W/mK铝250 W/mK铁90 W/mK热传导系数的单位为W/mK,即截⾯积为1平⽅⽶的柱体沿轴向1⽶距离的温差为1开尔⽂(1K＝1℃)时的热传导功率. 5种不同铝合⾦热传导系数:AA1070型铝合⾦226 W/mKAA1050型铝合⾦209 W/mKAA6063型铝合⾦201 W/mKAA6061型铝合⾦155 W/mKADC12 型铝合⾦96 W/mK绝缘系统与温度的关系:insulation class Maximum Temperatureclass Y 194°F (90℃)class A 221°F (105℃)class E 248°F (120℃)class B 266°F (130℃)class F 311°F (155℃)class H 356°F (180℃)摄⽒度,华⽒度换算:摄⽒度C=(华⽒度-32)/1.8华⽒度F= 32+摄⽒度x1.8绝缘系统是指⽤于电⽓产品中兩个或數个绝缘材料的组合.基本绝缘:是指⽤于带电部分,提供防触电基本保护的绝缘.附加绝缘:是为了在基本绝缘失效后提供防触电保护,⽽在基本绝缘以外另外的单独绝缘.双重绝缘:是由基本绝缘和附加绝缘组合⽽成的绝缘.加强绝缘:是⽤于带电部分的⼀种单⼀绝缘系统,其防触电保护等级相当于双重绝缘.根据你提供的:热传导系数的单位为W/mK,即截⾯积为1平⽅⽶的柱体沿轴向1⽶距离的温差为1开尔⽂(1K＝1℃)时的热传导功率.则:铝板的热传导能⼒就是:热功率(W}=250*铝板厚度{M)*铝板宽度(M)/铝板长度(M)/温差(℃)对不?做散热⽤,最好⽤6063、6061、6060等铝合⾦型材,便宜,散热好,但是不绝缘.传热的基本计算公式为:Φ=KAΔtΦ - 热流量,W;Κ - 总传热系数,W/(m2·℃);A - 传热⾯积,m2;Δt- 热流体与冷流体之间的温差,℃.导热基本定律—傅⽴叶定律:500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是⼀张缩略图，点击可放⼤。
母线的温升
母线的温升是由于电流通过导体产生的热量导致的温度升高。
这个过程涉及到导体电阻的存在，因为电阻会使得电流通过导体时产生能量损失，并以热量的形式释放出来，导致导体温度升高。
母线的温升计算公式是：Δt = I²Rt / Kt，其中Δt表示温升，I表示电流，R表示导体电阻，Kt表示总散热系数，t表示时间。
这个公式可以帮助我们了解在给定的电流和时间下，母线的温度将会升高多少。
为了确保母线的安全运行，需要控制温升在允许的范围内。
一般来说，母线的温升不能超过规定的限制，否则可能会对母线的绝缘材料和载流能力产生负面影响，甚至引发安全事故。
因此，在设计、安装和使用母线时，需要考虑如何降低温升、提高散热效果，以保证母线的正常运行。
电容器的改进优化方案
0.6 0.5612 0.5082 0.4596 0.433 0.4162 0.4049 0.4066 0.4082
规格：250V 82μ F
ESR/Ω
0.5
频率：120Hz 湿度：60%
0.4
0.3 0.2 0.1 0 35 45 55 65 75 85 95 105 y = -0.08ln(x) + 0.555
温度-电容图
45.5 45 44.5 44 43.5 43 42.5 42 41.5 41 44.935 43.842 42.786 43.059 43.345 y = 0.354x + 42.36 44.106 44.462 45.184
温度
电容
损耗
电容/μF
ESR
35
45
55
65
75
85
95
105
温度到底影响了电容器的什么 呢？我们进行了更深一步的探 究。
引用作品
• 按字母顺序包含打印资料和电子资料
损耗
0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.0322 0.0292 0.0266 0.0252 0.0244 0.0242 0.0246 0.025
0.01
0.005 0 35 45 55 65 75 85 95 105 y = -0.00ln(x) + 0.031
变压器温升的计算方法及公式
变压器温升的计算方法及公式
采用空气冷却的变压器，它的温升除了与磁心损耗和绕组铜损之和有关外，还和辐射表面的面积有关。
气流流经变压器，变压器的温度会降低，降低的程
度与气流速度（in(3) ／min）有关。
想要精确、系统地计算出变压器的温升是不容易的，但可以通过一些经
验曲线来得到温升值，误差只在10℃以内。
这些曲线是基于辐射表面面积的热敏阻抗这一概念得来的。
散热片热敏阻抗Rt 的定义为散热片每耗散1W 功率所带来的温升（通常以℃为单位），温升的增加dT 与耗散功率P 之间的关系为：dT＝PRt。
一些厂家还给出了不同产品的R，值，这就间接说明了磁心外表面的温
升为Rt 与磁心损耗和铜损之和的乘积，有经验的用户通常会假定内表面最热
点（一般位于磁心的中心柱）的温升比磁心外表面温升高10～15℃。
温升不仅和辐射表面的面积有关，还与磁心总的耗散功率有关。
辐射表
面的耗散功率越大，辐射表面和周围空气的温差就越大，表面也就更容易冷却，也就是说表面的热敏阻抗越低。
因此，在估算变压器的温升时，往往将变压器｀总的外表面积看成是一
个等效散热片的辐射表面积。
总的外表面积为
（2×宽度×高度＋2×宽度×厚度＋2×高度×厚度）
等效散热片的热敏阻抗可以根据总的耗散功率（磁心损耗与铜损之和）
来校正。
散热片的热敏阻抗与表面积的关系曲线如图（a）所示。
这是一条经验
曲线，它是根据大量的不同厂家、不同尺寸和不同形状的散热片的平均值得来的。
图中标出的都是1 W 功率级的热敏阻抗值，它位于双对数坐标中的直线上。