Корзина
24 отзыва
Силовые конденсаторы: как правильно выбрать
Производители
Контакты
Техносервиспривод
+38044458-47-66офис, факс
+38044366-25-59Силовые полупроводниковые приборы
+38044366-25-17Конденсаторы, дроссели, фильтры и т
+38044366-24-62Приводная техника Danfoss Drives
+38044456-19-57Обслуживание и ремонт преобразовате
відділ
УкраинаКиевпр. Победы 56, оф.33503057
taras.mysak
Карта

Силовые конденсаторы: как правильно выбрать

Силовые конденсаторы: как правильно выбрать

Для современных мощных импульсных устройств, использующих в качестве силовых ключей транзисторы MOSFET или IGBT, характерны режимы работы, связанные с высокими скоростями коммутации токов в десятки, сотни и даже тысячи ампер. Как правило, специалисты не особо задумываются о расчете режимов при выборе конденсаторов для
маломощных схем. Такая «невнимательность» совершенно недопустима при расчете конденсаторов устройств силовой преобразовательной техники. Неграмотный их выбор и неправильный расчет режимов его работы может заметно снизить надежность аппаратуры и стать причиной неожиданных отказов.
Если сгруппировать все известные факторы, влияющие на безотказность работы, то причин выхода из строя всего две: — превышение максимальных параметров;
— нарушение условий эксплуатации.
С точки зрения большинства производителей, наиболее значимыми факторами являются:
— импульсные, пульсирующие, эффективные токи, не соответствующие максимально допустимой рассеиваемой тепловой мощности;
— пиковые, импульсные, действующие значения напряжений и недопустимая скорость их изменения;
— локальный перегрев и превышение допустимого значения окружающей температуры;
— неверные параметры электрических соединений;
— механические воздействия.
Первые два фактора можно и нужно учитывать еще на этапе расчета электромагнитных и тепловых процессов при проектирования устройства.

Как правило, производители конденсаторов в технической документации приводят минимальный набор параметров: предельное напряжение, номинальный ток, максимально допустимую амплитуду импульсного тока, тангенс угла потерь; реже приводят эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). В спецификациях более «продвинутых» изготовителей можно найти переходные тепловые сопротивления, максимальные значения ударных токов и показатели надежности [1].

Упрощенная методика выбора

Напряжения.

Выбираемый конденсатор должен иметь допустимые значения перенапряжений (пиковое напряжение Us), номинальное значение постоянного напряжения (Undc) и среднеквадратичного напряжения (Urms) выше, чем те, которые будут иметь место в процессе работы. Считают, что напряжение UNDC должно быть выше, чем сумма компонента постоянной составляющей DC и повторяющихся пиковых AC компонентов.
Нормальная работа вполне возможна с предельно допустимыми значениями номинальных напряжений, но это снижает ожидаемый срок службы конденсатора.
При переключении в рабочее состояние, остаточные напряжения до подачи питания не должны превышать 10% номинального напряжения.

Токи и частоты.

Выбираемый конденсатор должен иметь максимально допустимое паспортное значение тока больше, чем рабочее значение Irms.
Следует учитывать [4], что:
• тепловая проверка проводится для того, чтобы убедиться, что максимальная Температура
при работе выбранного конденсатора не превышает максимально допустимую для данного значения IRMS
• Imax конденсаторов был рассчитан для разности температур Θh — Θ0 около 30 ° C в предположении, что подаваемое напряжение состоит из:
• основной гармоники Urms, влияющей как по потери проводимости (RS * I2 RMS), так и на потери в диэлектрике (Q tan δ0)
• Содержащиеся в напряжения гармонические составляющие влияют только на потери на активном сопротивлении (RS * I2 rms).
В действительности гармонический состав влияет также и на величину диэлектрических потерь, но это может быть оценено при расчетах только при известном спектральном составе тока. Для более точных расчетов лучше всего использовать моделирующие пакеты, позволяющие определить все электромагнитные процессы в схеме.
Более простой и быстрый способ получения значения Irmsс (и, соответственно, более
подходящий для инженеров) — моделирование схемы на PSPICE. Нарисовав с помощью схемного редактора свою схему и задав соответствующие значения элементов схемы и выбираемой емкости в т. ч., вы можете мгновенно получить график среднеквадратичного значения тока конденсатора: RMS (Ic).
Тепловая проверка основана на предположении, что тепло генерируется в конденсаторе и передается в окружающую среду по поверхности. Возможный местный перегрев (плохое соединение, горячие компоненты по соседству, работы с гармониками высоких частот т. д. ) может приводить к внезапным отказам или снижению ожидаемого срока службы. В случае возникновения сомнений должны быть проведены специальные тесты с помощью термопар, чтобы убедиться, что температура горячей точки не превышает максимума даже для самых критических внешних условий.
«Горячая точка» или место максимального локального перегрева получается в результате тепловыделения и ограниченной теплопроводности из внутренней области конденсатора на внешнюю поверхность корпуса. Из-за ограничения температуры органических диэлектриков и ускоренного старения диэлектрика с ростом температуры, конструкция долгоживущиих конденсаторов разрабатывается такой, чтобы обеспечить превышение максимальной температуры горячей точкой значения не более 10 ° C [2]. Диэлектрики, как правило, являются отличными электрическими и тепловыми изоляторами, с небольшими исключениями.
Теплопроводность полипропилена, например, составляет 0,17 Вт / м / ° K по сравнению с 222 Вт / м / ° K для алюминия.

Тепловые потери.

Чтобы оценить возможность использования конденсатора, для имеющихся в схеме величин напряжений и токов, должна быть определена допустимая температура окружающей среды. Это может быть выполнено после вычисления рассеиваемой мощности при помощи диаграммы зависимости допустимой температуры окружающей среды TA от суммарной рассеиваемой мощности P [3].
Суммарные потери проще всего оценить через среднеквадратичное (RMS) значение
переменного тока I, текущего через конденсатор, и значения эквивалентных сопротивлений.
Общее омическое сопротивление R состоит из сопротивления фольги, электродов и выводов.

Вычисление рассеиваемой мощности P

Рассеиваемая мощность P складывается из диэлектрических (PD) и резистивных (PR) потерь.
С достаточной точностью можно использовать модель работы при синусоидальном напряжении переменного тока.
P = PD + PR (1)
PD = Uac2 · π · f0 · C · tg δ0
 
где Uac пиковое значение симметричного напряжения переменного тока, приложенного к конденсатору
f0 основная частота
C емкость
tg δ0 коэффициент рассеяния в диэлектрике

PR = I2 · RS
где I среднеквадратичное значение тока через конденсатор
RS последовательное сопротивление при максимальном значении локальной температуры

Для вычисления резистивных потерь используется значение RS при максимальной температуре.
В технических описаниях значение RS приводится для 20°C. Корректирующий коэффициент можно оценить следующим образом:
RS85 = 1.25 · RS20

Тепловое сопротивление Rth

Тепловое сопротивление определяется как отношение разности температур к мощности, рассеиваемой в конденсаторе.
Решающее значение имеет величина ΔTcap: разность температур между определенной точкой внешнего охладителя (например воздуха) окружающего конденсатор и точкой в «горячей зоне» конденсатора (зоне с наивысшей температурой внутри корпуса).
В устойчивом состоянии (термодинамическом равновесии):
Rth= ΔTcap / P (2)
где Rth тепловое сопротивление
ΔTcap разность температур между горячей зоной и окружающей средой
P рассеиваемая мощность

Тепловая постоянная времени ξth

Тепловая постоянная времени может быть вычислена для современных полипропиленовых  конденсаторов с достаточной точностью как произведение удельной теплоемкости (около 1.3 Вт·с/К·г), массы конденсатора, и теплового сопротивления в рабочей точке.

ξth= m · Сthcap · Rth
ξth тепловая постоянная времени
Rth тепловое сопротивление
m масса (вес) конденсатора
cthcap удельная теплоемкость

Продолжительность работы под нагрузкой tLD в зависимости от температуры T

Продолжительность работы под нагрузкой для конденсатора с органическим диэлектриком зависит кроме всего прочего от температуры, возникающей в процессе работы в горячей зоне конденсатора. Взяв производную от уравнения Аррениуса (описывающего температурнозависимый процесс старения) может быть выведена функциональная зависимость продолжительности работы под нагрузкой при температуре в горячей зоне незначительно отличающейся от максимального значения (Ths=THS…THS-7°C)

tLDThs = tLDTHs · 2 (THS — Ths) / ka
 
tLDThs продолжительность работы под нагрузкой при рабочей температуре
tLDTHS продолжительность работы под нагрузкой при максимальной температуре
THS макс. температура горячей зоны
Ths рабочая температура горячей зоны
k­a коэффициент Аррениуса

Продолжительность работы под нагрузкой tLD в зависимости от напряжения

Продолжительность работы при рабочих напряжениях может быть предсказана только в сравнительно узком диапазоне напряжений (U=0.9…1.1·UR). Зависимость продолжительности работы от рабочего напряжения может быть приблизительно выражена в виде степенной функции.

tLDV = tLDVR ( UR / U)  n
tLDV продолжительность работы при рабочем напряжении ч
tLDVR продолжительность работы при номинальном напряжении
UR номинальное напряжение
U рабочее напряжение
n показатель степени

Журнал Электрик

Предыдущие статьи