ГлавнаяТехнические статьи и рекомендации инженеров ТОК ЭлектрониксОт супербайка к «супер» конденсаторам
От супербайка к «супер» конденсаторам

От супербайка к «супер» конденсаторам

14.10.2015

Автор: Александр Савельев

Многим известна итальянская компания Ducati, давно и успешно производящая современные мотоциклы. Однако не многие знают компанию Ducati-energia, изготавливающую не менее современные плёночные конденсаторы, имеющие применение в силовой электронике. В данном обзоре приводятся сведения по технологии производства полипропиленовых конденсаторов, их основные технические параметры, номенклатура и применяемость.

Компания DUCATI ENERGIA была основана в 1926 г. и была первой компанией в Италии, которая производила конденсаторы для радиопередающего оборудования Гульельмо Маркони.

Превосходные характеристики и уменьшенные габариты по сравнению с уже устаревшими масло- и газонаполненными конденсаторами с бумажным диэлектриком делают эти изделия новым производственным стандартом для применения в силовой электронике. Все конденсаторы, изготовленные DUCATI ENERGIA, имеют характерную особенность — защитное устройство, соответствующее стандарту IEC 61071-1/2. Такая защита стала возможной при помощи внедрения специальной технологии изготовления конденсаторов: в случае возникновения неисправности и, как следствие, избыточного давления внутри конденсатора, защитное устройство отключит соединение, предотвращая тем самым разрушение корпуса конденсатора в результате взрыва или возгорания. Устройство было разработано, чтобы обеспечить наилучшую эффективность и скорость срабатывания как для малых, так и для больших токов короткого замыкания (до 10000 А).

PPM/MKP технология

Металлизированная полипропиленовая технология (PPM/MKP) использует технику вакуумного напыления, чтобы осадить экстремально тонкий слой металла на одной из поверхностей полипропиленовой плёнки. Элементарный конденсатор, изготовленный по такой технологии, получается путём закручивания в спираль двух таких полипропиленовых плёнок, где сам же полипропилен и является диэлектриком. Основное преимущество МКР конденсаторов — их самовосстановление после пробоя. Это означает, что они способны восстановить свои электрические свойства после короткого замыкания внутри диэлектрика. Вследствие очень маленькой толщины напыления ток короткого замыкания в локальной зоне выпаривает металлическое покрытие и, таким образом, автоматически затухает без существенной потери конденсатором своей ёмкости и лишнего расхода энергии.

Стандартная серия (Standart life — SL) PPM-конденсаторов

В этих конденсаторах наполнителем является специальный тип смолы. Производимая Ducati-energia композиция из такой смолы является экологически чистой и имеет высокую диэлектрическую стабильность. Она также полностью исключает возможность попадания внутрь конденсатора молекул воды и воздуха.

Технология PPMh/MKPh и PPMd/MKPd

Научные исследования, проводимые в лаборатории Ducati-energia, направлены на разработку полипропиленовой плёнки со специальной металлизацией, назначение которой состоит в увеличении градиента напряжения без уменьшения срока службы. В результате такой инновационной технологии существенно уменьшились размеры конденсатора при сохранении его диэлектрических свойств и характеристик, связанных с током и напряжением.

PPMh — плёнка, разработанная по этой технологии, предназначена для работы на переменном токе, но также может работать и на постоянном токе в соответствии с техническими условиями. К этой категории относятся конденсаторы следующих серий:

Серия GP-42, GP-84

image001.jpg

PPMd — данная технология подразумевает работу только на постоянном токе с высоким уровнем пульсаций. К этой категории относятся конденсаторы следующих серий:

Серия DC85, DC88, DC89, DC45

image002.jpg

Термины и определения (в соответствии со стандартом IEC 61071)

Номинальная ёмкость (Cn) — емкость конденсатора, соответствующая величине номинальной емкости при температуре окружающей среды 20±5 °С и номинальном напряжении. Для конденсаторов, изготовленных из металлизированной полипропиленовой плёнки, емкость и тангенс угла потерь зависят от температуры. Типичные графики этих зависимостей приведены на рис. 1 и 2.

image003.jpg

Рис. 1. Зависимость номинальной ёмкости конденсатора от температуры (по горизонтали: температура T, °С; по вертикали: ϑСn/Cn, %)

image004.jpg

Рис. 2. Зависимость тангенса угла потерь конденсатора от температуры (по горизонтали: температура T, °С; по вертикали: тангенс угла потерь, tan d0 (1 кГц) 10-4)

Допустимое отклонение ёмкости — максимальное отклонение от величины номинальной ёмкости, измеряется при температуре окружающей среды 20±5 °С и номинальном напряжении.

Номинальное напряжение переменного тока (Un AC) — максимальное рабочее пиковое периодическое, изменяющееся по величине и знаку, напряжение любой полярности, на которое рассчитан конденсатор.

Номинальное напряжение постоянного тока (Un DC) — максимальное рабочее пиковое напряжение любой полярности, изменяющееся по величине, но не по знаку, на которое рассчитан конденсатор.

Номинальное Rms напряжение (Urms) — среднеквадратичное значение максимально допустимого напряжения переменного тока в продолжительном режиме работы. Для синусоидального напряжения справедливо следующее соотношение:

Un = Urms·√2

Пиковое негармоническое напряжение (Us) — пиковое напряжение, вызванное переключением или любыми другими возмущениями или помехами в оборудовании, которые допускаются максимум 500 раз и продолжительностью менее чем 100 мс. (рис. 3).

Напряжение пульсаций (Ur) — величина однополярного напряжения от минимального до максимального всплеска пульсаций (рис. 4).

image005.jpg

Рис. 3. Возможная эпюра напряжения на конденсаторе при работе на переменном токе.

Обозначения на рисунке:

Большая стрелка — Us (если напряжение апериодическое) или Up (если напряжение периодически повторяющееся)
Средняя стрелка — Un AC
Маленькая стрелка — Urms

image006.jpg

Рис. 4. Возможная эпюра напряжения на конденсаторе при работе на постоянном токе.

Обозначения на рисунке:

Большая стрелка — Us (если напряжение апериодическое) или Up (если напряжение периодически повторяющееся)
Средняя стрелка — Un DC
Маленькая стрелка — U, постоянное напряжение
Совсем маленькая стрелка — Ur

Максимальный ток (Imax) — максимальное среднеквадратичное значение допустимого тока в режиме непрерывной работы. Эта величина связана с максимальной мощностью рассеивания при предельно возможной температуре корпуса (Θmax), при которой конденсатор ещё может работать. Работа на максимальном токе (Imax) приводит к повышению температуры корпуса конденсатора на 10…15 °С выше температуры окружающей среды, в зависимости от типа конденсатора (см. Rthc для каждой модели) и его применения. Во избежание тепловой нестабильности температура корпуса конденсатора не должна достигать максимальной рабочей температуры (Θmax), поэтому необходимо уменьшать либо температуру окружающей среды при помощи воздушных охладителей, либо максимальный ток (Imax).

Максимальный пиковый ток (Ipk) — максимальное мгновенное значение амплитуды тока в режиме непрерывной работы. Для некоторых типов конденсаторов в соответствии с типовым применением (большие или малые искажения) необходимо описывать два различных максимальных пиковых значения тока (рис. 5, 6).

image007.jpg

Рис. 5. Эпюра импульсного тока Ipk Cw при малых искажениях.

image008.jpg

Рис. 6. Эпюра импульсного тока Ipk Iw при значительных искажениях. Типовое значение t0/T < 0,1%.

Скорость нарастания напряжения (du/dt) — максимально допустимое значение скорости нарастания периодически изменяющегося рабочего напряжения.

Пиковый ток перегрузки (Is) — допустимый пиковый ток, вызванный переключением или любыми другими возмущениями или помехами в оборудовании, которые допускаются максимум 500 раз и продолжительностью менее чем 100 мс.

Эквивалентное последовательное сопротивление (Resr) — эффективное сопротивление, которое, если представить его последовательно соединённым с идеальным конденсатором той же самой ёмкости, имело бы потери мощности, равные активной мощности рассеивания в конденсаторе в указанных режимах эксплуатации. Обычно, для частот ниже резонансных, справедливо следующее соотношение:

Последовательное сопротивление (Rs) — это сопротивление определяет тепловые потери тока (I²rms * Rs) в конденсаторе.

Эквивалентная последовательная индуктивность (Lesr) — величина индуктивности, которую имеет конденсатор вследствие наличия выводов, особенностей намотки и геометрических размеров.

Тепловое сопротивление (Rthc) — тепловое сопротивление (°С/W) между самой горячей точкой на корпусе конденсатора при естественной конвекции и тепловом равновесии и температурой, измеренной на воздухе в точке пересечения примерно на расстоянии 0,1 м от корпуса конденсатора и 2/3 по высоте конденсатора от основания. Справедливо следующее соотношение:

image010.jpg

Максимальный тангенс угла потерь (tanδ max) выражается через соотношение между эквивалентным последовательным сопротивлением и реактивной ёмкостью конденсатора при синусоидальном напряжении частотой 50 Гц. Номинальный тангенс угла потерь (tanδ) рассчитывается по формуле:

image011.jpg

Безопасная зона. Следующие графики показывают максимально допустимые напряжения и токи в режиме перегрузки. Амплитуда перенапряжения или перегрузка по току может быть допустима без значительного снижения срока службы конденсатора, если температура корпуса конденсатора не превышает максимально допустимую рабочую температуру (рис. 7, 8).

image012.jpg

Рис. 7. Кривая зависимости продолжительности токовой перегрузки от относительного значения этой перегрузки. По горизонтали: значение перегрузки по току I/Imax. Безопасная зона работы конденсатора при перегрузке — между кривой и осями координат.

image013.jpg

Рис. 8. Кривая зависимости продолжительности перегрузки по напряжению от относительного значения этой перегрузки. Безопасная зона работы конденсатора при перегрузке — между кривой и осями координат.

Испытательное напряжение между выводами (Utt). Эта стандартная процедура проверки всех конденсаторов перед поставкой проводится при комнатной температуре. Конденсатор подвергается проверке испытательным напряжением в течение 10 с, прикладываемым между выводами. Во время теста не должно происходить поверхностного искрения или пробоя. Для каждой модели конденсатора в техническом описании указывается своё тестовое напряжение.

Испытательное напряжение между выводами и корпусом (Utc). Это также стандартная проверка всех конденсаторов перед поставкой проводится при комнатной температуре. Конденсатор, у которого все выводы изолированы от корпуса, подвергается испытанию тестовым напряжением переменного тока в течение 10 с, прикладываемым между выводами, соединёнными вместе, и корпусом. Во время теста не должно происходить поверхностного искрения или пробоя. Для каждой модели конденсатора в техническом описании указывается своё тестовое напряжение.

Минимальная рабочая температура (Θmin) — минимально допустимая температура корпуса конденсатора в режиме теплового равновесия, при которой он может быть использован.

Максимальная рабочая температура (Θmax) — максимально допустимая температура корпуса конденсатора в режиме теплового равновесия, при которой он может быть использован.

Климатические категории. Конструкция конденсаторов по климатической категории относится к классу F, который характеризуется следующими параметрами:

  • Максимальная относительная влажность воздуха 75% (среднегодовое значение)
  • Максимально допустимая влажность 95% за 30 дней/год
  • Конденсат недопустим

Надежность конденсаторов

Защита конденсатора против случайного контакта

В соответствии со стандартом IEC 61071, все конденсаторы проходят 100% контроль (тестовое напряжение прикладывается между выводами и корпусом). После этого выводы конденсаторов открытого типа должны быть соединены с болтом корпуса или со специальным заземляющим лепестком.

Перегрузка и отказ в конце срока службы

Все описываемые конденсаторы «самовосстанавливающиеся»: в случае электрического пробоя слой напыления вокруг канала пробоя под действием температуры электрической дуги испаряется, создавая при этом небольшое избыточное давление. При этом формируется изоляционная зона с надёжной электрической прочностью и высоким напряжением пробоя, обеспечивающая работу конденсатора во всех требуемых режимах. Таким образом, конденсатор остаётся полностью работоспособным как во время, так и после пробоя.

В результате неоднократных перегрузок или в конце срока службы увеличивающееся количество самовосстанавливающихся пробоев может привести к значительному повышению давления внутри конденсатора и разрушению его наружной оболочки. Чтобы предотвратить это, в конденсатор обязательно устанавливают т. н. устройство сброса давления.

Этот защитный механизм основан на тонком пятне контакта на одном из выводов внутри конденсатора. Когда давление увеличивается, корпус конденсатора расширяется и, таким образом, внутреннее пятно контакта разрывается, отключая его от внешнего вывода (рис. 9). Следует помнить, что такая система защиты работает только в пределах допустимых электрических нагрузок.

image014.jpg

Рис. 9. Схема работы устройства защиты от избыточного давления.

Конденсаторы в прямоугольном корпусе изготавливаются с переключателем избыточного давления, который срабатывает при повышении давления внутри корпуса. Соответствующая внешняя схема защиты, которая должна быть предусмотрена пользователем, немедленно отключает конденсатор.

Перенапряжения и короткие замыкания

Как уже было сказано выше, конденсаторы самовосcтанавливаются и регенерируют свои свойства после повреждения диэлектрика. Прочность диэлектрика проверяется при помощи максимально допустимого испытательного напряжения. Конденсаторы также проходят испытание на внешнее короткое замыкание (КЗ). Токовые перегрузки обеспечиваются предельно допустимым разрядным током, который не должен превышать величины, установленные Международным Стандартом.

Эксплуатационный ресурс

Расчётный ресурс работы конденсаторов составляет 100 000 часов (допустимый процент отказов — 3%).

При этом срок службы конденсатора зависит от температуры внутри корпуса в процессе эксплуатации и напряжённости поля в его диэлектрике (рис. 10).

image015.jpg

Рис. 10. Зависимость срока службы конденсаторов от рабочего напряжения и температуры корпуса. По горизонтали: относительное напряжение на выводах конденсатора, U/Urms; по вертикали: ресурс, час.

Инструкция по работе и монтажу конденсаторов

Подключение конденсатора

Подключение проводов к резьбовым выводам конденсатора должно осуществляться при помощи двух гаек. Во время затяжки гаек необходимо избегать передачи любого усилия на изолятор во избежание его повреждения. Не рекомендуется паять провода к выводам конденсатора.

Рекомендуемые величины моментов затяжки гаек терминалов.

  • М6: не более 3 Нм
  • М10: не более 7 Нм
  • М12: не более 12 Нм
  • Для выводов с винтовыми зажимами М6: 3…4 Нм

Избыточное давление конденсатора

Все конденсаторы переменного тока с устройством избыточного давления должны подсоединяться при помощи достаточно гибких проводников, чтобы обеспечить функционирование этого механизма, а также вследствие расширения конденсатора, необходимо обеспечить определённое свободное место над его выводами. В зависимости от размеров конденсатора, его корпус может расширяться в пределах 15…30 мм (рис. 11).

image016.jpg

Рис. 11. Наглядное изменение размеров конденсатора после работы защитного механизма от избыточного давления.

Размещение конденсатора при монтаже

Как уже было сказано выше, срок службы конденсатора может значительно уменьшиться под воздействием повышенной температуры. Чтобы избежать перегрева, конденсаторы должны иметь возможность беспрепятственно отдавать свои собственные тепловые потери в окружающую среду и быть экранированными от внешних источников тепла. Если обстоятельства дают повод для сомнений, то необходимо провести дополнительные испытания с целью определения максимально допустимой температуры конденсатора в самых неблагоприятных условиях. Следует отметить, что внутренний тепловой баланс конденсатора достигается в процессе работы только спустя несколько часов.

Расположение конденсатора при монтаже

Конденсаторы с жидким или вискозным наполнителем должны быть установлены вертикально, таким образом, чтобы выводы находились вверху. Если необходимо иначе расположить конденсатор, необходимо обратиться в отдел технической поддержки компании Ducati-energia для консультации. Конденсаторы с диэлектриком из смолы могут монтироваться в любом положении без ограничений.

Заземление конденсатора

Конденсаторы в металлическом корпусе должны быть заземлены через монтажный болт или при помощи крепёжной скобы или хомута.

Разряд конденсатора

Если не обеспечен разряд конденсатора при помощи внешних цепей в схеме, то его необходимо снабдить разрядным сопротивлением. В любом случае выводы конденсатора должны быть замкнуты накоротко, перед тем, как до них дотрагиваться. Обратите внимание, что конденсаторы с номинальным напряжением выше 750 В в отдельных случаях могут сгенерировать новое напряжение на своих терминалах после замыкания их накоротко даже за короткий промежуток времени. Этот режим возникает из-за внутренней связи элементов конденсатора, поэтому хранить их необходимо с выводами, постоянно замкнутыми накоротко.

Утилизация конденсатора

Конденсаторы компании Ducati-energia не содержат свинца, растворителей и других токсичных или запрещённых веществ. Материалы, входящие в состав наполнителей, состоят из растительных масел или полиуретановых композиций. Конденсаторы не входят в разряд опасных изделий и не подпадают под маркировку «Опасные грузы» при перевозке. Конденсаторы подлежат утилизации через специальные центры по обработке отходов электроники.

Пример использования основных типов полипропиленовых конденсаторов для силовой электроники

В заключение приведём пример использования основных типов полипропиленовых конденсаторов для силовой электроники компании Ducati-energia:

Тип конденсатора             Серия             Применение
Конденсаторы общего применения GP 42 – 416.42
GP 84 – 416.84
Переключающие схемы, освещение, UPS-фильтры, PFC с высокими гармониками, резонансные цепи, DC-фильтры
Конденсаторы для работы на постоянном токе DC 85 – 416.85
DC 86P – 416.86
DC 89HC – 416.89
DC 88M – 416.88
DC 45 – 416.45
Фильтры и хранение энергии
Трёхфазные конденсаторы для фильтров переменного тока Modulo XD – 416.46 1- и 3-х фазные фильтры, PFC для ветрогененераторов

Продолжение следует

Литература:

  1. http://www.ducatienergia.com
  2. Ducati-energia. Power Electronic Capacitors. Via M.E. Lepido, 182-40132 Bologna – Italy. Printed in Italy 04/2010 (9091)
  3. Конденсаторы DUCATI в каталоге поставок ТОК Электроникс