W tym tygodniu kontynuujemy artykuł z poprzedniego tygodnia.

1.2 Kondensatory elektrolityczne

Dielektrykiem stosowanym w kondensatorach elektrolitycznych jest tlenek glinu powstający w wyniku korozji aluminium, o stałej dielektrycznej od 8 do 8,5 i roboczej wytrzymałości dielektrycznej około 0,07 V/A (1 µm = 10000 A).Jednak nie jest możliwe osiągnięcie takiej grubości.Grubość warstwy aluminium zmniejsza współczynnik pojemności (pojemność właściwa) kondensatorów elektrolitycznych, ponieważ folia aluminiowa musi zostać wytrawiona w celu utworzenia warstwy tlenku glinu, aby uzyskać dobre właściwości magazynowania energii, a powierzchnia będzie tworzyć wiele nierównych powierzchni.Z drugiej strony oporność elektrolitu wynosi 150 Ωcm dla niskiego napięcia i 5 kΩcm dla wysokiego napięcia (500 V).Wyższa rezystywność elektrolitu ogranicza prąd skuteczny, jaki może wytrzymać kondensator elektrolityczny, zwykle do 20 mA/µF.

Z tych powodów kondensatory elektrolityczne są projektowane na maksymalne napięcie typowo 450 V (niektórzy indywidualni producenci projektują na 600 V).Dlatego aby uzyskać wyższe napięcia należy je uzyskać łącząc kondensatory szeregowo.Jednakże, ze względu na różnicę w rezystancji izolacji każdego kondensatora elektrolitycznego, do każdego kondensatora należy podłączyć rezystor, aby zrównoważyć napięcie każdego kondensatora połączonego szeregowo.Ponadto kondensatory elektrolityczne są urządzeniami spolaryzowanymi i gdy przyłożone napięcie wsteczne przekroczy 1,5-krotność Un, następuje reakcja elektrochemiczna.Gdy przyłożone napięcie wsteczne będzie wystarczająco długie, kondensator się rozleje.Aby uniknąć tego zjawiska, przy każdym używanym kondensatorze należy podłączyć diodę.Poza tym rezystancja udarowa napięcia kondensatorów elektrolitycznych wynosi zazwyczaj 1,15 razy Un, a dobre mogą osiągnąć 1,2 razy Un.Dlatego projektanci powinni wziąć pod uwagę nie tylko napięcie robocze w stanie ustalonym, ale także napięcie udarowe podczas ich używania.Podsumowując, można sporządzić poniższą tabelę porównawczą kondensatorów foliowych i elektrolitycznych, patrz rys.1.

2. Analiza aplikacji

Kondensatory łącza DC jako filtry wymagają konstrukcji o wysokim natężeniu prądu i dużej pojemności.Przykładem jest układ napędu silnika głównego nowego pojazdu energetycznego wspomniany na rys.3.W tym zastosowaniu kondensator pełni rolę odsprzęgającą, a obwód charakteryzuje się wysokim prądem roboczym.Zaletą foliowego kondensatora DC-Link jest to, że jest w stanie wytrzymać duże prądy robocze (Irms).Weźmy na przykład parametry pojazdu o nowej energii 50–60 kW. Parametry są następujące: napięcie robocze 330 V prądu stałego, napięcie tętnienia 10 Vrms, prąd tętnienia 150 Arms przy 10 kHz.

Następnie minimalną pojemność elektryczną oblicza się ze wzoru:

Jest to łatwe do wdrożenia przy projektowaniu kondensatorów foliowych.Zakładając, że stosowane są kondensatory elektrolityczne, jeśli weźmie się pod uwagę 20 mA/μF, minimalną pojemność kondensatorów elektrolitycznych oblicza się tak, aby spełniały powyższe parametry w następujący sposób:

Wymaga to wielu kondensatorów elektrolitycznych połączonych równolegle, aby uzyskać tę pojemność.

W zastosowaniach przepięciowych, takich jak kolej miejska, autobus elektryczny, metro itp. Biorąc pod uwagę, że moce te są podłączone do pantografu lokomotywy za pośrednictwem pantografu, kontakt między pantografem a pantografem jest przerywany podczas jazdy transportowej.Gdy nie są one ze sobą połączone, zasilanie jest wspomagane przez kondensator atramentowy DC-L, a po przywróceniu kontaktu generowane jest przepięcie.Najgorszym przypadkiem jest całkowite rozładowanie kondensatora obwodu pośredniego po odłączeniu, gdy napięcie rozładowania jest równe napięciu pantografu, a po przywróceniu styku powstałe przepięcie jest prawie dwukrotnie większe od znamionowej wartości roboczej Un.W przypadku kondensatorów foliowych kondensator łącza DC można obsługiwać bez dodatkowych rozważań.Jeśli stosowane są kondensatory elektrolityczne, przepięcie wynosi 1,2 Un.Weźmy na przykład metro w Szanghaju.Un=1500Vdc, dla kondensatora elektrolitycznego napięcie wynosi:

Następnie należy połączyć szeregowo sześć kondensatorów 450 V.Jeśli zastosowano konstrukcję kondensatora foliowego w napięciu od 600 Vdc do 2000 Vdc lub nawet 3000 Vdc, można to łatwo osiągnąć.Ponadto energia w przypadku całkowitego rozładowania kondensatora powoduje wyładowanie zwarciowe pomiędzy dwiema elektrodami, generując duży prąd rozruchowy przez kondensator łącza DC, który jest zwykle inny w przypadku kondensatorów elektrolitycznych, aby spełnić wymagania.

Ponadto, w porównaniu z kondensatorami elektrolitycznymi, kondensatory foliowe DC-Link można zaprojektować tak, aby osiągały bardzo niski ESR (zwykle poniżej 10 mΩ, a nawet <1 mΩ) i indukcyjność własną LS (zwykle poniżej 100 nH, a w niektórych przypadkach poniżej 10 lub 20 nH). .Umożliwia to instalację kondensatora foliowego łącza DC bezpośrednio w module IGBT po jego zastosowaniu, co pozwala na zintegrowanie szyny zbiorczej z kondensatorem foliowym łącza DC, eliminując w ten sposób potrzebę stosowania dedykowanego kondensatora pochłaniającego IGBT w przypadku stosowania kondensatorów foliowych, oszczędzając projektantowi znaczną sumę pieniędzy.Ryc.2.i 3 przedstawiają specyfikacje techniczne niektórych produktów C3A i C3B.

3. Wniosek

Na początku kondensatory łącza DC były głównie kondensatorami elektrolitycznymi ze względu na koszty i rozmiar.

Jednakże kondensatory elektrolityczne mają wpływ na wytrzymałość napięciową i prądową (znacznie wyższą ESR w porównaniu do kondensatorów foliowych), dlatego konieczne jest połączenie kilku kondensatorów elektrolitycznych szeregowo i równolegle, aby uzyskać dużą pojemność i spełnić wymagania stosowania wysokiego napięcia.Ponadto, biorąc pod uwagę ulatnianie się materiału elektrolitu, należy go regularnie wymieniać.Nowe zastosowania w energetyce wymagają zazwyczaj żywotności produktu wynoszącej 15 lat, dlatego w tym okresie należy go wymieniać 2–3 razy.Dlatego obsługa posprzedażna całej maszyny wiąże się ze znacznymi kosztami i niedogodnościami.Wraz z rozwojem technologii powlekania metalizującego i technologii kondensatorów foliowych możliwe stało się wytwarzanie kondensatorów filtrujących DC o dużej pojemności na napięcie od 450 V do 1200 V lub nawet wyższe z ultracienką folią OPP (najcieńsza 2,7 µm, a nawet 2,4 µm) przy użyciu technologia odparowywania folii zabezpieczającej.Z drugiej strony integracja kondensatorów łącza DC z szyną zbiorczą sprawia, że ​​konstrukcja modułu falownika jest bardziej zwarta i znacznie zmniejsza indukcyjność rozproszenia obwodu w celu optymalizacji obwodu.