Расчет конденсаторов шины питания

Видео:Как рассчитать емкость сглаживающего конденсатора для диодного выпрямителя, моста по формуле для БПСкачать

Силовые конденсаторы шины питания мощных преобразователей частоты

Видео:Простейший источник питания на гасящем конденсаторе. Работа и расчет.Скачать

Сергей Шишкин

Для силовых конденсаторов DC-шины питания ПЧ предпочтительно, чтобы допустимый ток пульсации (I≈_R — rated ripple current), с учетом температурной и частотной коррекции, был как можно выше, а эквивалентное последовательное сопротивление (ESR — equivalent series resistance) и собственная индуктивность (ESL — capacitor self-inductance) как можно ниже. Традиционно в звеньях фильтрации постоянного тока ПЧ на базе IGBT силовых транзисторов широко используются алюминиевые электролитические силовые конденсаторы (ЭК) повышенной мощности. Как известно, данные электролитические силовые конденсаторы (рис. 1) состоят из разделенных слоем диэлектрика двух электропроводящих слоев алюминиевой фольги — анода и катода, причем одна из сторон фольги протравливается для получения шероховатостей (анодное оксидирование), увеличивающих площадь поверхности (удельную емкость силового конденсатора). Роль диэлектрика выполняет образовавшийся в результате электрохимической реакции на фольге анода (первой обкладке) слой оксида алюминия (Al₂O₃), толщина которого должна быть адекватна номинальному напряжению ЭК (порядка 1,2 нм/В [2]). Контактная поверхность катода используется для передачи электрического заряда к электролиту (второй обкладке ЭК), заполняющему пространство между анодом и катодом (рис. 1). Требуемая диэлектрическая прочность системы «катод-электролит-анод» (≈8 МВ/см) обеспечивается с помощью пористой бумажной прокладки, которая помимо задачи сохранения электролита физически разделяет анод и катод. Отметим, что технологические модернизации силовых ЭК ведущих производителей в первую очередь касаются процесса намотки обкладок, гомогенности алюминиевой фольги, совершенствования процесса травления (повышения стойкости слоя оксида), состава электролита (сохранении стабильности параметров при резких скачках температуры), материалов герметизации корпуса, фактуры и повышения электрической прочности бумаги. Однако даже этого бывает недостаточно для обеспечения длительного срока службы ЭК в сглаживающим звене ПЧ, характеризующемся значительными пульсациями тока перезаряда — I≈, поскольку допустимый импульсный ток силового конденсатора обратно пропорционален его ESR. Старение электролитических силовых конденсаторов обусловлено различными химическими (например, естественной деградацией оксида алюминия) и физическими (например, диффузией паров электролита через элементы уплотнения) причинами. В случае превышения допустимой температуры (табл. 1), интенсивность старения (сокращения срока службы ЭК) резко возрастает [2, 3], поскольку электролит, за счет выделения растворенного газа, образующегося при гидролизе, выдавливается из пространства между скрученными электродами. В результате увеличивается ESR, что стимулирует еще больший нагрев ЭК, превышение предельно допустимой температуры внутри корпуса, рост парциального давления электролита, приводящий к его выбросу через предохранительный клапан или механическому повреждению уплотнения. Температура в наиболее горячей точке (hot spot) — Т_макс, обычно находящейся в геометрическом центре ЭК [1], определяется внутренними потерями — Р_внутр. = I≈ 2 xESR, тепловым сопротивлением— _R_t (К/Вт) и температурой окружающей среды — Т_amb:

В рабочем диапазоне Т_макс (1) является линейной функцией внутренних потерь ЭК, так как небольшими дополнительными потерями, создаваемыми током утечки — I_L (табл. 1), можно пренебречь [1]. Таким образом, тепловое сопротивление «наиболее горячая точка — окружающая среда», наряду с величиной ESR, зависящей от С_н (табл. 1), tgδ— значения угла диэлектрических потерь на частоте пульсации выпрямленного тока I≈, во многом определяет температурный режим ЭК [2].

Читайте также: Летние шины р13 в саратове

Выделяемое тепло отводится во внешнюю среду тремя путями: через выводы, стенки корпуса и основание электролитического силового конденсатора (рис. 2). Особенность конструкции активной части ЭК повышенной мощности — наличие воздушного промежутка (толщиной до нескольких миллиметров) по всей высоте активной части (рис. 2) — допускает лишь конвективный теплообмен обкладок с цилиндрической стенкой корпуса в радиальном направлении, а выступ фольги катода за нижний край рулона [2] обеспечивает преимущественно продольный (80-85% от суммарного баланса) вынос тепла к основанию посредством теплопередачи. Поэтому улучшение теплового контакта в области основания корпуса ЭК повышенной мощности играет чрезвычайно важную роль. Торцевое крепление наружного изоляционного рукава корпуса, заходящее на днище ЭК, создает воздушный зазор, представляющий значительное тепловое сопротивление для теплообмена с поверхностью монтажа (воздушный зазор 0,2 мм имеет тепловое сопротивление ≈1,4 К/Вт). Установка, крепящихся хомутами электролитический силовой конденсатор в корпусе диаметром > 64,3 мм на две теплопроводящие прокладки, одна из которых заполняет воздушный зазор, а другая, изолирующая, перекрывает все днище силового конденсатора, обеспечивает требуемую (до 2,5 кВ) электрическую прочность соединения [2]. В результате тепловое сопротивление (К/Вт) между основанием корпуса и охлаждаемым радиатором (рис. 2) снижается на 84-87%, позволяя увеличить импульсную токовую нагрузку ЭК и степень заполнения объема вентилируемого блока (рис. 3) сглаживающего звена ПЧ. Соотношение разности температур корпуса ЭК и окружающей среды при естественной — δТи принудительной δТ* вентиляции приведены в таблице 2. В среднем, Hitachi AIC при скорости потока воздуха ≥1,0 м/с допускает увеличение I≈ на 10% [3], а Epcos AG приводит максимальные значения — I≈max для каждой серии электролитических силовых конденсаторов повышенной мощности, соразмерные диаметру корпуса [2].

Температурное ограничение (1), накладываемое I≈_R, вынуждает параллельно подключать на DC-шины ПЧ несколько ЭК. Причем итоговое увеличение емкости сглаживающего звена ЭК определяется именно данным условием, а не обеспечением требуемого коэффициента пульсаций, характеризующего степень выпрямления напряжения питания ПЧ. С другой стороны, недостаточно высокое (сравнительно с рабочим напряжением DC-шины силовых преобразователей) номинальное напряжение U_н (табл. 1) современных ЭК (не превышающее у серийно выпускаемых изделий 500-550 В [2, 3]) заставляет прибегать к их последовательному соединению, особенностью которого является необходимость установки специальных балластных резисторов с короткими ленточными выводами под винт (табл. 3) для выравнивания перекоса напряжений из-за разницы I_L отдельных силовых конденсаторов. Сопротивление балластного резистора R (табл. 3) можно рассчитать по формуле, выведенной на основании соотношения для I_L [1]

где C_н — номинальная емкость электролитического силового конденсатора (мкФ). Протекающий через балластный резистор уравнивающий ток должен превышать зависящий от условий эксплуатации I_L (табл. 1) в 10-20 раз, вследствие чего на балластных резисторах рассеивается значительная мощность [1], а энергетический КПД сглаживающего звена ПЧ существенно снижается.

Схемотехника мощных высоковольтных ПЧ предусматривает размещение последовательно-параллельно соединенных ЭК на DC-шине (например, разработанные SEMIKRON DC-шины SKCB, где в различных конфигурациях число силовых конденсаторов емкостью 2200-4700 мкФ варьируется от 48 до 72 [4]). Подобная комбинированная схема сглаживающего звена, за счет индуктивности соединительных проводов, увеличит паразитную индуктивность DC-шины L_ш, что повысит коммутационные перенапряжения (du/dt), одновременно индуцируемые на переход «эмиттер-коллектор» закрывающегося транзистора IGBT силового модуля и блок ЭК [4]. Учитывая небольшую диэлектрическую прочность тонкого слоя оксида алюминия и разброс номиналов емкостей, это может привести к внутреннему короткому замыканию ЭК. Сокращение в суммарной величине L_ш составляющей блока ЭК производится двумя путями:

• топологией соединения с DC-шиной проводников сглаживающего звена;
• снижением собственной индуктивности (self-inductance) L_c силовых конденсаторов (табл. 1). Концепция дизайна низко индуктивной многослойной DC-шины, предлагаемая компанией SEMIKRON (рис. 4), предусматривает:
• индивидуальное подключение групп силовых конденсаторов к IGBT силовым модулям инвертора ПЧ;
• предельное уменьшение площади токовой петли, паразитная индуктивность которой оценивается в пропорции 1 см 2 = 10 нГн;
• монтаж проводников подключения групп параллельно-последовательно соединенных конденсаторов сглаживающего звена по траектории протекания основного тока DC-шины, без петель и с наименьшим количеством пересечений.

Читайте также: Система контроля давления в шинах для газели

Благодаря модернизации формы выводов активной части электролитического силового конденсатора [5] — специального изгиба, сократившего промежуток «обкладка-корпус» и расстояние между выводами при одновременном уменьшении (на 4 мм) длины резьбы винтовых зажимов, компании Epcos AG удалось в 1,3-1,5 раза (до 10 нГн) снизить величину L_c и импеданс Z (табл.1), равный [2]

где ω — угловая частота цепи включения силового конденсатора. Равнозначно изменению Z (2) меняется и резонансная (serial resonance) частота конденсатора—

Совершенствование технических характеристик металлопленочных силовых конденсаторов на основе структурированного неполярного диэлектрика — полипропилена, применяемых в цепях фильтрации выпрямленного тока (DC-конденсаторов), открыла возможность разработки компактных сглаживающих звеньев для стремительно развивающегося рынка мощных высоковольтных ПЧ [1]. В частности, удельная энергоемкость (запасаемая энергия) металлопленочных силовых конденсаторов увеличилась в 2-3 раза, достигнув уровня порядка 1000 Дж/дм 3 для силовых конденсаторов с малой наработкой и 200 Дж/дм 3 для конденсаторов с наработкой в десятки тысяч часов. Во многом это обусловлено совершенствованием технологии формирования слоя металлизации электродов, включающего:

• неравномерное распределение толщины, позволяющее повысить допустимую токовую нагрузку за счет смещения наиболее нагретой точки (hot spot) из центральной в периферийную область активной части силового конденсатора;
• сегментацию поверхности, снижающую риск возникновения невосстанавливаемого пробоя, ведущего к короткому замыканию обкладок [4];
• усиление торцевого (преимущественно цинкового) контактного слоя напыления выводов секции (шоопирование), повышающее устойчивость к пульсациям тока и минимизирующее краевой эффект (pinch effect) — концентрацию (самостягивание) заряда, вызванную искривлением электромагнитного поля на краях электродов.

По сравнению с ЭК (табл. 1) сглаживающие DC-конденсаторы имеют пониженные значения ESR и ESL, следовательно, способны работать без ухудшения характеристик инвертора при гораздо больших диапазонах I≈_R, с меньшим значением С_н, высокой постоянной времени саморазряда (табл. 4) и малой абсорбцией заряда. Кроме того, уровень их единичной величины U_н и С_н (табл. 4) позволяет предельно сократить количество соединений и габариты блока силовых конденсаторов DC-шины [1]. По аналогии с ЭК (1), значение Т_макс будет пропорционально Р_внутр (сумме потерь в слое металлизации и диэлектрике), определяемой по формуле [8]

где u — пиковое значение напряжения на частоте пульсации f₀, приложенного к силовому конденсатору напряжения. Характер изменения Т_макс для DC-конденсатора в прямоугольном стальном корпусе [8] приведен на рис. 5. Смещение наиболее нагретой точки с геометрической оси (точка 1) в точку 2 (рис. 5) — ближе к выводам активной части — позволит увеличить температурный градиент — δT_сар., повысив тем самым термическую устойчивость силового конденсатора.

Читайте также: Индекс нагрузки летних шин

DC-конденсатора серии В25650. δTcap — температурный градиент наиболее нагретой точки; δTW — отклонение температуры между внутренними сторонами волновой кромки противоположных усиленных краев секции; δTS — разность температур внутренней и внешней стороны волновой кромки; δTCS — изменение температуры корпуса относительно окружающей среды; Тhs — температура наиболее нагретой точки; ТA — температура окружающей среды; ТС — температура стенки корпуса

Температурный профиль δТ поперечного слоя металлизации при равномерной и неравномерной толщине напыления [4] рассчитывается по выражению:

где Q — тепловыделение активной части силового конденсатора (Вт/с), пропорциональное омическим потерям в слое металлизации и узлах соединения обмоток; k— теплопроводность выводов. Если на некотором промежутке времени принять Q = const, распределение экстремумов температуры — производной dT/dx (4) — будет соответствовать конфигурации слоя напыления металлизации МКК DC-конденсатора [8].

Многослойная пакетная или рулонная укладка пленки предусматривает разбивку одной из поверхностей металлизации электродов МКК DC-конденсатора на отдельные равномерные (≈1 см 2 ) сегменты, соединенные между собой токовыми коридорами. Функционально это эквивалентно матрице плавких вставок параллельных пакетов набора секций высоковольтных силовых конденсаторов, наиболее эффективно локализующих место пробоя в силовых конденсаторах большой единичной мощности при процессе самовосстановления [4].

Высоковольтные DC-конденсаторы силовых шин питания ПЧ (табл. 4) выполняются по МКР-технологии: односторонне металлизированной ленты полипропиленовой пленки — PHD (high temperature polypropylene), вторая сторона которой выполняет функцию диэлектрической обкладки, укладываемой в спирально намотанные секции пакета (рис. 6) с небольшим равномерным смещением витков, и последующего заполнения объема корпуса инертным газом, органическим маслом или нетоксичным — не содержащим подлежащего обязательной утилизации полихлорированно-го бифенила РСВ (PolyChlorinated Biphenyls) компаундом. Применяемая Epcos AG технология МКК (Metallized Kunststoff Kompakt — разновидность технологии МКР [4]) — предусматривает, помимо усиления слоя металлизации на торцах обмоток секций, расширение площади контактной поверхности выводов силового конденсатора за счет сочетания ровного и волнового среза кромок пленки (рис. 7).

Для сглаживания пульсаций цепи постоянного тока IGBT инверторов выпускают пленочные DC-конденсаторы, как традиционного исполнения (табл. 4), так и специальных серий, например РСС HP (Power Capacitor Compact High Power), с компактной плоской намоткой катушек, интегрируемые непосредственно в пределы геометрических размеров конкретных IGBT силовых модулей ПЧ ведущих фирм-производителей [4].

Одной из основных проблем применения высоковольтных сильноточных IGBT силовых модулей является обеспечение мягкого управляемого переключения, поскольку совокупность высокого напряжения (кВ), большого тока (тысячи А) и паразитных индуктивностей рассеяния приводит к перенапряжению и увеличению вероятности возникновения колебательных процессов при переключении. Поэтому, в связи с прослеживающейся тенденцией роста номинальной мощности (десятки МВт) и перехода ПЧ в кВ диапазон напряжений, требования к силовым конденсаторам звена постоянного тока непрерывно ужесточается.

• Свежие записи
  • Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
  • Скрипят амортизаторы на машине что делать
  • Из чего состоит стойка амортизатора передняя
  • Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
  • Для чего нужны амортизаторы в автомобиле

  🎦 Видео

  Конденсаторный блок питания, полный расчетСкачать

  

  Однофазный диодный мост | Емкость сглаживающего конденсатораСкачать

  

  X и Y конденсаторы.Что это такое? Почему между компьютером и батареей напряжение 145В?Скачать

  

  Как рассчитать емкость гасящего конденсатора блока питанияСкачать

  

  Как рассчитать ёмкость рабочего и пускового конденсатора для подключения электродвигателя 380 от 220Скачать

  

  Расчет сопротивления балластного конденсатора для нагрузки и силы тока протекающей в цепи.Скачать

  

  Что такое разряжающий резистор,где его применяют и как его рассчитатьСкачать

  

  Этот СЕКРЕТ ЭЛЕКТРИКОВ знают не многие! ЗАЧЕМ СТАВЯТ КОНДЕНСАТОР к ЛАМПОЧКЕ ?Скачать

  

  Рассчитать ёмкость конденсатора для трёхфазного двигателя в однофазной сети. КАК Я,ЭТО ДЕЛАЮ!!!Скачать

  

  Расчет источников питания с гасящим конденсаторомСкачать

  

  В чем заключается опасность использования гасящего конденсатора в электронных схемах, способ защитыСкачать

  

  Как рассчитать ёмкость рабочего и пускового конденсатора для подключения электродвигателя от 220Скачать

  

  Влияние конденсаторов в питании УНЧ на звук.Скачать

  

  Расчет конденсатора-реактивного сопротивленияСкачать

  

  Как подобрать правильно емкость конденсатара приборомСкачать

  

  Низковольтный конденсатор в блоке питания на 220VСкачать

  

  Все что нужно знать про конденсатор. Принцип работы, Маркировка, назначениеСкачать

  

  Расчет емкости рабочего конденсатораСкачать