СИЛОВІ КОНДЕНСАТОРИ : КЛЮЧОВІ МОМЕНТИ ВИБОРУ

Наступними по значимості елементами схеми будь-якого перетворювального пристрою є конденсатори. Нехай ми ідеально розрахували режими і визначили силові напівпровідникові елементи, але при цьому керувалися порадами, що звучали в приміській електричці при виборі конденсаторів - наш пристрій приречений. Оскільки замість багатьох років безвідмовної роботи він матиме всі шанси вийти з ладу протягом декількох днів/тижнів/місяців саме "завдяки" помилці при виборі конденсаторів.

Для сучасних потужних імпульсних пристроїв, які використовують силові ключі транзисторів MOSFET або IGBT, характерні режими роботи пов'язані з високими швидкостями комутації струмів у десятки, сотні й навіть тисячі ампер. Як правило, фахівці не особливо замислюються про розрахунок режимів при виборі конденсаторів для малопотужних схем. Така «неуважність» зовсім неприпустима при розрахунку конденсаторів для пристроїв силової перетворювальної техніки. Некваліфікований вибір і неправильний розрахунок режимів його роботи може помітно знизити надійність виробу і стати причиною несподіваних відмов.

Якщо згрупувати всі відомі фактори, що впливають на безвідмовність роботи, то причин виходу з ладу силових конденсаторів всього дві:
- перевищення максимальних параметрів;
- порушення умов експлуатації.
З погляду більшості виробників, найбільш значимими факторами що впливають на відмову силових конденсаторів є:
- імпульсні, пульсуючі, ефективні струми, що не відповідають максимально допустимої розсіюваній тепловій потужності;
- пікові, імпульсні, діючі значення напруг і неприпустима швидкість їхньої зміни;
- локальний перегрів і перевищення припустимого значення навколишньої температури;
- невірні параметри електричних з’єднань ;
- механічні впливи.
Перші два фактори можна й потрібно враховувати ще на етапі розрахунку електромагнітних і теплових процесів при проектуванні пристрою.
Як правило, виробники конденсаторів у технічній документації приводять мінімальний набір параметрів: гранична напруга, номінальний струм, максимально припустиму амплітуду імпульсного струму, тангенс кута втрат; рідше приводять еквівалентний послідовний опір (ESR), еквівалентну послідовну індуктивність (ESL). У специфікаціях більше сучасних виробників можна знайти перехідні теплові опори , максимальні значення ударних струмів і показники надійності [1].

Спрощена методика вибору силових конденсаторів

Напруги .

Конденсатор що вибирається, повинен мати припустимі значення перенапруг (пікова напруга Us), номінальне значення постійної напруги (U_ndc) і середньоквадратичної напруги (U_rms) вище, ніж ті, які будуть мати місце в процесі роботи. Вважають, що напруга U_ndc повинна бути вище, ніж сума компонента постійної складової DC і пікових значень AC компонентів що повторюються.
Нормальна робота цілком можлива із гранично припустимими значеннями номінальних напруг, але це знижує очікуваний термін використання конденсатора. При перемиканні в робочий стан, залишкові напруги до подачі живлення не повинні перевищувати 10% номінальної напруги.

Струми й частоти.

Конденсатор що вибирається, повинен мати максимально припустиме паспортне значення технічних характеристик струму більше, ніж робоче значення I_rms.
Варто враховувати [4], що:
• теплова перевірка проводиться для того, щоб переконатися, що максимальна температура при роботі обраного конденсатора не перевищує максимально припустиму для даного значення I_RMS
• Imax конденсаторів був розрахований для різниці температур Θh - Θ0 близько 30 ° C у припущенні, що подавана напруга складається з:
• основної гармоніки U_rms, що впливає як на втрати провідності (R_S * I² _RMS), так і на втрати в діелектрику (Q tan δ0)
• гармонійні складові, що містяться в напрузі, впливають тільки на втрати в активному опорі (R_S * I² rms).
У дійсності гармонійна складова впливає також і на величину діелектричних втрат, але це може бути використане при розрахунках тільки при відомій спектральній складовій струму. Для більше точних розрахунків найкраще використати моделюючі пакети, що дозволяють визначити всі електромагнітні процеси в схемі.
Більше простий і швидший спосіб одержання значення Irmsс (і, відповідно, більше пристосований для інженерної практики) - моделювання схеми на PSPICE. Намалювавши за допомогою схематичного редактора свою схему й задавши відповідні значення елементів схеми й обраної ємності в т.ч., ви можете миттєво одержати графік середньоквадратичного значення струму конденсатора: RMS(Ic).

Теплова перевірка заснована на припущенні, що тепло генерується в конденсаторі й передається в навколишнє середовище по поверхні. Можливий місцевий перегрів (погане з’єднання, гарячі компоненти по сусідству, роботи з гармоніками високих частот т.д.) що може привести до раптових відмов або зниження очікуваного терміну використання. У випадку виникнення сумнівів повинні бути проведені спеціальні тести за допомогою термопар, щоб переконатися, що температура гарячої точки не перевищує максимуму навіть для самих критичних зовнішніх умов.
"Гаряча точка" або місце максимального локального перегріву з’являється у результаті тепловиділення й обмеженої теплопровідності із внутрішньої області конденсатора на зовнішню поверхню силового конденсатора корпуса. Через обмеження температури органічних діелектриків і прискореного старіння діелектрика з підвищенням температури, конструкція конденсатора що буде мати досить великий термін експлуатації розробляється такою, щоб забезпечити перевищення максимальної температури гарячої точки значенням не більше 10 ° C [2].

 Діелектрики, як правило, є відмінними електричними й тепловими ізоляторами, за невеликими виключеннями. Теплопровідність поліпропілену, наприклад, становить 0,17 Вт / м / ° K у порівнянні з 222 Вт / м / ° K для алюмінію.

Теплові втрати.

Щоб оцінити можливість використання конденсатора, для наявних у схемі величин напруг і струмів, повинна бути визначена припустима температура навколишнього середовища. Це може бути виконане після обчислення потужності що розсіюється за допомогою діаграми залежності припустимої температури навколишнього середовища та від сумарної розсіювальної потужності P [3].
Сумарні втрати найпростіше оцінити за допомогою середньоквадратичного (RMS) значення змінного струму I, що тече через конденсатор, і значення еквівалентних опорів.

Загальний омічний опір R складається з опору фольги, електродів і виводів.

Обчислення розсіюваної потужності P
Потужність, що розсіюється, P, складається з діелектричних (P_D) і резистивних (P_R) втрат.
З достатньою точністю можна використати модель роботи при синусоїдальній напрузі змінного струму.
P = P_D + P_R (1)
P_D = U² _AC • π • f₀ • C • tg δ0

де U_AC пікове значення симетричної напруги змінного струму, прикладеного до конденсатора
f₀ -основна частота
C- ємність
tg δ0-коефіцієнт розсіювання в діелектрику

P_R = I² • R_S
де I - середньоквадратичне значення струму через конденсатор
R_S - послідовний опір при максимальному значенні локальної температури

Для обчислення резистивних втрат використається значення R_S при максимальній температурі.
У технічних описах значення R_S приводиться для 20°C. Коригувальний коефіцієнт можливо оцінити наступним чином:
R_S85 = 1.25 • R_S20

 

Тепловий опір Rth
Тепловий опір визначається як відношення різниці температур до потужності, що розсіюється в конденсаторі.
Вирішальне значення має величина ΔT_cap: різниця температур між певною точкою зовнішнього охолоджувача (наприклад повітря) що знаходиться навкруги конденсатора і точкою в “гарячій зоні” конденсатора (зоні з найвищою температурою всередині корпуса).
У стійкому стані (термодинамічній рівновазі):
R_th= ΔT_cap / P (2)
де - R_th тепловий опір
ΔT_cap - різниця температур між гарячою зоною й навколишнім середовищем
P – потужність що розсіюється

Теплова стала часу ξth
Теплова стала часу може бути обчислена для сучасних поліпропіленових конденсаторів з достатньою точністю як добуток питомої теплоємності (близько 1.3 Вт•с/К•г), маи конденсатора, и теплового опору в робочій зоні.

ξ_th = m • С_thcap • R_th
ξ_th - теплова стала часу
R_th - тепловий опір
m - маса (вага) конденсатора
C_thcap - питома теплоємність

Тривалість роботи під навантаженням t_LD залежно від температури T
Тривалість роботи під навантаженням для конденсатора з органічним діелектриком залежить крім усього іншого від температури, що виникає в процесі роботи в гарячій зоні конденсатора. Взявши похідну від рівняння Арениуса (що описує температурно-залежний процес старіння) можливо вивести функціональна залежність тривалості роботи під навантаженням при температурі в гарячій зоні, яка несуттєво відрізняється від максимального значення (T_hs=T_HS...T_HS-7°C)

t_LDThs = t_LDTHs • 2 (T_HS – T_hs ) / k_a

t_LDThs - тривалість роботи під навантаженням при робочій температурі
t_LDTHS - тривалість роботи під навантаженням при максимальній температурі
T_HS - макс. температура гарячої зони
T_hs - робоча температура гарячої зони
k_a - коефіцієнт Арениуса

 

Тривалість роботи під навантаженням t_LD в залежності від напруги
Тривалість роботи при робочих напругах може бути перевищена тільки в порівняно вузькому діапазоні напруг (U=0.9...1.1•U_R). Залежність тривалості роботи від робочої напруги може бути виражена в вигляді степеневої функції:

t_LDV = t_LDVR ( U_R / U ) ⁿ
t_LDV - тривалість роботи при робочій напрузі ч
t_LDVR - тривалість роботи при номінальній напрузі
U_R - номінальна напруга
U - робоча напруга
n - показник степіні

Продовження буде пізніше...

Статтю буде надруковано в часописі "Електрик" двома частинами російською мовою