Săptămâna aceasta continuăm cu articolul de săptămâna trecută.

1.2 Condensatoare electrolitice

Dielectricul utilizat în condensatoarele electrolitice este oxidul de aluminiu format prin coroziunea aluminiului, cu o constantă dielectrică de 8 până la 8,5 și o rigiditate dielectrică de lucru de aproximativ 0,07V/A (1µm = 10000A). Cu toate acestea, nu este posibil să se obțină o astfel de grosime. Grosimea stratului de aluminiu reduce factorul de capacitate (capacitatea specifică) a condensatoarelor electrolitice, deoarece folia de aluminiu trebuie gravată pentru a forma o peliculă de oxid de aluminiu pentru a obține caracteristici bune de stocare a energiei, iar suprafața va forma multe suprafețe neuniforme. Pe de altă parte, rezistivitatea electrolitului este de 150Ωcm pentru joasă tensiune și de 5kΩcm pentru înaltă tensiune (500V). Rezistivitatea mai mare a electrolitului limitează curentul RMS pe care îl poate suporta condensatorul electrolitic, de obicei la 20mA/µF.

Din aceste motive, condensatoarele electrolitice sunt proiectate pentru o tensiune maximă de 450V tipică (unii producători proiectează pentru 600V). Prin urmare, pentru a obține tensiuni mai mari, este necesar să se realizeze acestea prin conectarea condensatoarelor în serie. Cu toate acestea, din cauza diferenței de rezistență de izolație a fiecărui condensator electrolitic, trebuie conectat un rezistor la fiecare condensator pentru a echilibra tensiunea fiecărui condensator conectat în serie. În plus, condensatoarele electrolitice sunt dispozitive polarizate, iar atunci când tensiunea inversă aplicată depășește 1,5 ori Un, are loc o reacție electrochimică. Când tensiunea inversă aplicată este suficient de lungă, condensatorul se va dezumfla. Pentru a evita acest fenomen, trebuie conectată o diodă lângă fiecare condensator atunci când este utilizat. În plus, rezistența la supratensiune a condensatoarelor electrolitice este în general de 1,15 ori Un, iar cele bune pot ajunge la 1,2 ori Un. Așadar, proiectanții ar trebui să ia în considerare nu numai tensiunea de funcționare în regim staționar, ci și supratensiunea atunci când le utilizează. În concluzie, se poate trasa următorul tabel comparativ între condensatoarele cu film și condensatoarele electrolitice, vezi Fig.1.

2. Analiza aplicației

Condensatoarele DC-Link, utilizate ca filtre, necesită proiecte cu curenți și capacități ridicate. Un exemplu este sistemul principal de acționare a motorului unui vehicul cu energie nouă, așa cum se menționează în Fig. 3. În această aplicație, condensatorul joacă un rol de decuplare, iar circuitul prezintă un curent de funcționare ridicat. Condensatorul DC-Link cu peliculă are avantajul de a putea suporta curenți de funcționare mari (Irms). Luați ca exemplu parametrii unui vehicul cu energie nouă de 50~60 kW, aceștia fiind următorii: tensiune de funcționare 330 Vcc, tensiune de umplere 10 Vrms, curent de umplere 150 Arms la 10 KHz.

Atunci capacitatea electrică minimă se calculează astfel:

Acest lucru este ușor de implementat pentru proiectarea condensatoarelor cu peliculă. Presupunând că se utilizează condensatoare electrolitice, dacă se ia în considerare 20mA/μF, capacitatea minimă a condensatoarelor electrolitice este calculată pentru a îndeplini parametrii de mai sus, după cum urmează:

Acest lucru necesită mai mulți condensatori electrolitici conectați în paralel pentru a obține această capacitate.

În aplicațiile de supratensiune, cum ar fi trenurile ușoare, autobuzele electrice, metroul etc., având în vedere că aceste surse de alimentare sunt conectate la pantograful locomotivei prin intermediul pantografului, contactul dintre pantograf și pantograf este intermitent în timpul transportului. Când cele două nu sunt în contact, alimentarea cu energie este asigurată de condensatorul de curent continuu (DC-Link), iar când contactul este restabilit, se generează supratensiunea. Cel mai rău caz este o descărcare completă a condensatorului DC-Link la deconectare, unde tensiunea de descărcare este egală cu tensiunea pantografului, iar când contactul este restabilit, supratensiunea rezultată este de aproape două ori mai mare decât tensiunea nominală de funcționare Un. Pentru condensatoarele cu film, condensatorul DC-Link poate fi gestionat fără considerații suplimentare. Dacă se utilizează condensatoare electrolitice, supratensiunea este de 1,2 Un. Luați ca exemplu metroul din Shanghai. Un = 1500 V CC, pentru un condensator electrolitic, tensiunea de luat în considerare este:

Apoi, cele șase condensatoare de 450V trebuie conectate în serie. Dacă se utilizează un condensator cu peliculă, se poate obține cu ușurință o tensiune de la 600Vcc la 2000Vcc sau chiar 3000Vcc. În plus, energia din cazul descărcării complete a condensatorului formează un scurtcircuit între cei doi electrozi, generând un curent de pornire mare prin condensatorul de curent continuu, care este de obicei diferit pentru condensatoarele electrolitice, pentru a îndeplini cerințele.

În plus, în comparație cu condensatoarele electrolitice, condensatoarele cu peliculă DC-Link pot fi proiectate pentru a obține un ESR foarte scăzut (de obicei sub 10 mΩ și chiar mai mic <1 mΩ) și o auto-inductanță LS (de obicei sub 100 nH și, în unele cazuri, sub 10 sau 20 nH). Acest lucru permite instalarea condensatorului cu peliculă DC-Link direct în modulul IGBT atunci când este aplicat, permițând integrarea barei colectoare în condensatorul cu peliculă DC-Link, eliminând astfel necesitatea unui condensator de absorbție IGBT dedicat atunci când se utilizează condensatoare cu peliculă, economisind proiectantului o sumă semnificativă de bani. Figurile 2 și 3 prezintă specificațiile tehnice ale unora dintre produsele C3A și C3B.

3. Concluzie

La început, condensatoarele DC-Link erau în mare parte condensatoare electrolitice din cauza considerațiilor de cost și dimensiune.

Cu toate acestea, condensatoarele electrolitice sunt afectate de capacitatea de rezistență la tensiune și curent (ESR mult mai mare în comparație cu condensatoarele cu film), așa că este necesar să se conecteze mai multe condensatoare electrolitice în serie și paralel pentru a obține o capacitate mare și a îndeplini cerințele utilizării la tensiune înaltă. În plus, având în vedere volatilizarea materialului electrolit, acesta trebuie înlocuit periodic. Noile aplicații energetice necesită, în general, o durată de viață a produsului de 15 ani, așa că trebuie înlocuit de 2 până la 3 ori în această perioadă. Prin urmare, există costuri și inconveniente considerabile în service-ul post-vânzare al întregii mașini. Odată cu dezvoltarea tehnologiei de acoperire prin metalizare și a tehnologiei condensatoarelor cu film, a fost posibilă producerea de condensatoare de filtrare DC de mare capacitate cu tensiune de la 450V la 1200V sau chiar mai mare cu peliculă OPP ultra-subțire (cea mai subțire 2,7µm, chiar 2,4µm) folosind tehnologia de vaporizare a peliculei de siguranță. Pe de altă parte, integrarea condensatoarelor DC-Link cu bara colectoare face ca designul modulului invertor să fie mai compact și reduce considerabil inductanța parazită a circuitului pentru a optimiza circuitul.