Мощни кондензатори и кондензаторни батерии

ЕлектроенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 5, 2013

Мощните кондензатори (Power Capacitor) натрупват голямо количество енергия и я отдават за кратко време върху свързан към тях товар, през който съответно протичат големи токове.

Големи са и токовете им при свързване в променливотокови вериги. Развитието на тези кондензатори през последните години е в посока на увеличаване на капацитета и работното напрежение, разширяване на използването им в класическите области на приложение и навлизането в нови сфери на електроапаратурата, енергетиката и телекомуникациите.

Статията е посветена на видовете мощни кондензатори в зависимост от тяхната структура и области на приложение, като е отделено внимание и на кондензаторните батерии.

Особености на мощните кондензатори

Подробно описание на параметрите им може да бъде намерено в бр. 8/2007 г. на списание Инженеринг ревю (стр. 128-144). Максималната натрупвана в кондензаторите електрическа енергия WN=0,5CN(UN)2 (WN е в J или еквивалентната мерна единица Ws, CN е във F и UN - във V) с наименование номинална енергия вече достига няколко десетки kJ при номинален капацитет (Rated Capacitance) CN няколко хиляди mF и номинално напрежение (Rated Voltage) UN, приближаващо 100 kV.

При отделянето й за време t върху съпротивителен товар тя определя мощност P=W/t. Например енергията върху кондензатор 2000 mF/2kV е 4 kJ и при разреждането му за 1 s върху товара се отделя мощност 4 kW. Не трябва да се забравя, че WN между 10 и 50 J крие опасност от токов удар при докосване на зареден кондензатор, а по-голяма енергия може да доведе до летален изход.

Мощните кондензатори могат да доставят на товарите си по-голяма енергия за кратко време в сравнение с галваничните батерии и акумулаторите, което предимство е съществено в множество области на електрическите машини и апарати и на енергетиката. Не по-малко важно е бързото натрупване на енергия по време на зареждането.

Най-голямата допустима скорост на изменение на напрежението върху кондензатор (Rate of Voltage Rise) представлява параметърът (du/dt)max и тя се получава при започване на зареждането от 0 през съпротивление към напрежение UN, както и при разреждане също през съпротивление на зареден до UN кондензатор.

В каталозите (du/dt)max практически винаги се дава във V/ms и като се отбележи с Ud минимално допустимото съпротивление на съпротивителен товар на мощен кондензатор е: Rmin[W] = t[ms]/{CN[mF]lnUN[V] / (UN[V]--Ud[V/ms])}.

Например при CN=1mF и Ud=1kV/ms се получава Rmin=4,48 W.

Наличието върху кондензатор CN на променливо напрежение със средноквадратична стойност Urms обуславя през него на ток Irms=2pfCNUrms, чиято максимална стойност Imax е сред съществените параметри. От друга страна, независимо че кондензаторите са реактивни елементи, върху тях се отделят две активни мощности, които ги нагряват с всички последици от това, включително и необходимостта от охлаждането им в някои случаи.

Едната е Pt=(Irms)2xESR, където ESR е параметърът последователно омично съпротивление (Equivalent Series Resistance), а втората Pd=2pfCNU2xtgd е поради диелектричните загуби и зависи от ъгъла на загуби tgd на кондензатора, като най-често използваният диелектрик полипропилен има tgd=0,0002.

В някои каталози като параметър се дава стойността на Pd за всеки kVAR реактивна мощност на кондензатора с измерение W/kVAR. Познаването на двете мощности позволява да се определи температурата във вътрешността на кондензатора, (Hot Spot Temperature), qhs = qc + (Pt+Pd)RthCA.

В израза qс е температурата на корпуса на кондензатора и RthCA е топлинното му съпротивление корпус-околна среда. Например върху кондензатор с CN=500 mF, ESR = 1 mW и споменатия tgd е приложено номиналното мрежово напрежение, при което се получава Pt=1,19 W и Pd=1,52 W. При RthCA=5 °C/W най-горещата точка ще е с 13,6 °C по-висока температура от околната.

Увеличаването на работната честота и намаляването на амплитудата на нежеланите преходни процеси във веригите с мощни кондензатори все по-често налага използването на модели с намалена собствена индуктивност (Parasitic Inductance, Equivalent Series Inductance) ESL.

За осигуряване на безопасна работа на кондензаторите съществуват множество специфични конструктивни решения, както и изисквания към тяхната експлоатация, които са описани в документацията.

При производството на много кондензатори се прави 100%-ова проверка (според изискванията на IEC 61071) на издръжливостта им при прилагане за 10 s на напрежение Utt между изводите и на напрежение Utc между тях при свързването им накъсо и металния корпус (като двете напрежения трябва да са дадени в техническата документация).

Освен това корпусът задължително трябва да се замаси при въвеждане на кондензатора в експлоатация.

Видове кондензатори в зависимост от структурата им

Кондензатори с едностранен електрод. Тяхната конструкция представлява изолационна лента, от едната страна на която има тънък метален електрод, като за получаване на кондензатор са необходими две ленти.

Старият тип такива кондензатори с едностранно метализирана хартия (Metallized Paper - MP Capacitor) вече се използва твърде рядко за мощни кондензатори, основната причина за което е сравнително малкото UN.

Масово разпространени са филм-кондензаторите (Film Capacitor), известни и като полипропиленови кондензатори (Metallized Polypropylene - PPM Capacitor), върху едната страна на чийто диелектрик от полипропилен или полиетилен с дебелина няколко mm е нанесен слой от Al, Zn или сплав от двата метала с дебелина около 10 nm.

Във фирмените каталози се използват и множество други съкращения, например МКР, МРН, РСС, РРВ, РНС. Метализираната лента се навива на руло за реализация на цилиндрични кондензатори, но все по-голяма популярност имат плоските кондензатори (Flat Capacitor), при които навиването се прави по такъв начин, че се получава малко напречно сечение.

За осигуряване на стабилност на капацитета във времето и дълъг експлоатационен срок преди поставяне на рулото в най-често използвания метален корпус въздухът и замърсяванията се изтеглят чрез вакуумиране, в някои модели рулото допълнително се залива със смола или подходящо масло (Oil Impregnated Capacitor) и корпусът се херметизира.

Основно предимство на тези кондензатори е самовъзстановяването (Self-Healing) - при електрически пробив поради недопустимо голямо напрежение или ток не се получава късо съединение поради това, че електродите им представляват съвкупност от много голям брой (понякога няколко милиона) клетки, всяка със собствен предпазител.

При късо съединение последният изгаря, клетката престава да участва в общия капацитет и той леко намалява. Когато след множество пробиви относителното намаление стане 2-3%, кондензаторът се счита за повреден. Други предимства на тези мощни кондензатори са сравнително малките стойности на споменатите ESR и ESL, като малкото ESR и, съответно, слабото нагряване са предпоставка за малки промени на капацитета при повишена околна температура.

За практиката е полезно да се знае, че максималната средноквадратична стойност Imax на променливия ток на кондензатора не трябва да нагрява корпуса му с повече от 15 °С над околната температура (прието е последната да се измерва на 10 cm от вертикално монтиран кондензатор и на 2/3 от височината му).

Типичните капацитети на филм-кондензаторите са между 500 pF и няколко хиляди mF, постоянното UN е от 100 V до 3 kV (средноквадратичните стойности на променливите напрежения са 2 до 4 пъти по-малки), а средноквадратичната стойност на Imax е между няколко А и няколко стотици А.

Съпротивлението ESR рядко надхвърля 20 mW при долна граница няколко десети от mW и (du/dt)max е от няколко десетки V/ms и до около 1000 V/ms. Освен това максималният импулсен ток може да е до няколко стотици пъти по-голям от Imax и достига няколко десетки kA. Типичният експлоатационен срок на кондензаторите е около 100 000 часа и се определя при намаляване на капацитета им с 2-3% (в зависимост от производителя).

Сравнително нова разновидност са високоволтовите кондензатори със синтетичен диелектрик (хидрокарбонати или полимери) с постоянно UN=1-100 kV, означавани като Synthetic High Voltage Capacitor и произвеждани с капацитет между няколко nF и 10 000 mF. Аналогични са и параметрите на по-рядко използваните кондензатори с диелектрик от слюда (Mica).

През тази година на пазара се появиха филм-кондензатори с диелектрик от полимер, които имат работен температурен обхват от -55 до +150 °С при капацитет между няколко mF и няколко стотици mF и UN от 300 V до 1,2 kV.

С подобна на описаната структура са кондензаторите с алуминиева лента вместо метализация (Foil Capacitor), които допускат по-големи токове и имат по-малко ESR. Недостатъци са липсата на самовъзстановяване и по-малката натрупвана енергия.

Съществува комбинация на двете структури (Hybrid Capacitor), най-външните слоеве на която са алуминиева лента, а вътрешните са с метализация, които съчетават самовъзстановяването с по-големите токове.

Разновидност са средномощните филм-кондензатори (Medium Power Film Capacitor) с по-голямо произведение на средноквадратичните стойности на напрежението и тока, което се означава с Qmax, има типични стойности няколко стотици kVAR и не винаги се дава в каталозите. Например кондензатор 660 nF има Irms=600 A, Vrms=500 V и, съответно, Qmax=300 kVAR.

Непрекъснато нарастват изискванията за компактна конструкция и минимални размери на електрическите модули и съоръжения. Успехите в тази насока чрез използването на мощни полупроводникови прибори логично изискват намаляване на размерите и на останалите елементи.

Такива са многослойните кондензатори, представляващи множество едностранно метализирани с Al или Zn ленти от полипропилен или полиестер (често подсилени със стъкловлакна), поставени една върху друга подобно на сандвич (Stacked Structure).

Всяка от лентите има определен капацитет, а чрез успоредното свързване на всички се създават кондензатори с голям капацитет (типични стойности 100 - 10 000 mF).

Тази конструкция е известна като MKK Technology (M от Metal, K от Kunstoff и Kompakt) и MPM (от Metallized Polymer Multilayer), докато самите кондензатори са тип РСС (от Power Capacitor Compact или Power Capacitor Chip). Към последното може да се прибавя LP (от Low Power) за кондензатори с WN до около 1000 J и НР (от High Power) при WN=500-4000 J.

Формата на кондензаторите е плосък паралелепипед без корпус ("Bared" Winding Module) или с корпус от пластмаса или неръждаема стомана, като размерите са съобразени с тези на съвместно ползваните полупроводникови прибори (най-често IGBT).

Други предимства са малката ESL (между няколко nH и няколко десетки nH), която позволява използването им в съвременни инвертори и други високочестотни устройства, и типичният експлоатационен срок от 100 000 часа.

Конструкцията на кондензаторите позволява лесното монтиране на радиатор върху тях за осигуряване на естествено въздушно охлаждане (Convection Air Cooling) или такова с вентилатор (Forced Air Cooling).

Стойностите на постоянното UN при кондензаторите LP са типично 100-600 V, докато при НР са от 900 V до 6 kV. И в двата вида Imax е до около 300 А, а импулсните му стойности достигат 100 kA при LP и 200 kA при НР.

Кондензатори с двустранни електроди (Double-Sided Metallized Polypropylen Film Capacitor). Подобни са на предния вид, но алуминиевият слой е нанесен от двете страни на лентата от полипропилен или полиестер. При навиването изолацията се осигурява от допълнителна лента от полипропилен.

Предлаганите на пазара кондензатори са значително по-малко от тези с едностранен електрод, имат капацитет между 1 nF и няколко mF, постоянно UN от 250 V до 2 kV (средноквадратичната стойност на променливите е 1,5 до 3 пъти по-малка), типична ESL под 10 nH и сравнително малки размери (от 13x9x4 mm до 33x32x18 mm).

Специфични предимства са експлоатационният срок над 300 000 часа и работата при околна температура между -55 °С и +100 °С.

Високочестотни мощни кондензатори (Power RF Capacitor). Предназначени са за работа във високочестотни мощни апаратури, което определя сравнително малките стойности на капацитета им. Първата разновидност са керамичните кондензатори (Ceramic RF Power Capacitor), към която спадат и тези с диелектрик от порцелан.

Те се разделят, в известна степен условно, на такива за класическия мегахерцов обхват (0,1 - 30 MHz) и за гигахерцовия обхват (0,03 - 100 GHz). Първите са с капацитет между няколко десетки pF и няколко десетки nF и постоянно UN до няколко десетки kV. Частта от тях за големи мощности (типично няколко kVAR) и Imax (средноквадратична стойност няколко стотици А) са с водно охлаждане, обикновено с дебит няколко l/min.

При ползването им трябва да се имат предвид специфичните особености на монтажа и охлаждането, давани в каталога, например вертикално монтиране, температура на влизащата вода до 30 °С и увеличаване на дебита й с не по-малко от 20% при прибавяне в нея на антифриз. Кондензаторите за гигахерцовия обхват са с капацитет между няколко pF и десетина nF и подобни UN.

Добре известно е, че вакуумът е най-добрият диелектрик и затова, независимо от по-сложната конструкция, съществуват кондензатори с вакуум между двата електрода (Vacuum Capacitor). Капацитетът им е по-малък (между десетина pF и няколко nF), а постоянното UN е от 5 kV до 70 kV.

Разновидност за работа при честоти до няколко MHz са газонапълнените кондензатори (Gas-Filled Capacitor), монтирани в херметизиран алуминиев корпус и имащи капацитет до няколко десетки nF при постоянно UN доближаващо 100 kV. Освен за целите на радиоразпръскването се използват в индустрията при оборудване за индукционно нагряване, тъй като има модели с ток до 400 А. Част от кондензаторите са с водно охлаждане.

Продължава в следващия брой


Top