Конденсаторы ELECTRONICON для высоковольтных преобразовательных устройств

Статья, посвященная расчету конденсаторов для шины питания мощных преобразователей [2], вызвала большой интерес у разработчиков и породила много новых вопросов. Это неудивительно, особенно если учесть тот факт, что интерес к тонкостям проектирования таких устройств, как приводы, источники питания, системы управления индукционными печами и т. д., растет, а мощные высоковольтные конденсаторы составляют неотъемлемую часть подобных устройств. Такие емкости не только являются продуктом высоких технологий, они вносят существенный вклад в стоимость подобной техники и во многом определяют ее надежность. Поэтому появление новых поколений конденсаторов для преобразовательной техники всегда вызывает интерес.

Компания ELECTRONICON Kondensatoren GmbH была образована в 1938 году, когда концерн SIEMENS перевел часть своих производственных мощностей из Берлина в восточную Тюрингию. В течение последних 60 лет фирма постоянно развивалась, превратившись в одно из ведущих европейских предприятий, изготавливающих высоковольтные конденсаторы и конденсаторные модули для применения в энергетике и мощной преобразовательной технике — системах освещения, приводах, корректорах коэффициента мощности и т. п.

Компания ведет непрерывную исследовательскую работу, вкладывая много средств в новые разработки, что гарантирует высокое качество выпускаемых изделий и соответствие их технических характеристик самым жестким современным требованиям. Продукция ELECTRONICON сертифицирована по стандарту ISO 9001. Начиная с 1989 года система обеспечения качества фирмы проверяется Британским институтом стандартизации, а с 1995 года — немецким органом сертификации TUV. С 1985 года компания не только производит конденсаторы, но и является признанным мировым поставщиком металлизированных диэлектрических материалов, удовлетворяющих высшим мировым стандартам.

Фирма ELECTRONICON хорошо известна благодаря своей продукции, ориентированной на применение в области энергетики. Производственная программа компании включает:

• компоненты для компенсаторных установок реактивной мощности в сетях с напряжением до 1000 В (компенсационные конденсаторы, фильтрующие дроссели для резонансных цепей, регуляторы реактивной мощности, разрядные дроссели);
• конденсаторы для компенсации реактивной мощности в сетях до 20 кВ;
• устройства плавного включения, устройства защиты и разрядники;
• комплектные шкафы для компенсации реактивной мощности;
• компенсационные конденсаторы для разрядных ламп;
• пусковые конденсаторы для электродвигателей;
• мультифункциональные измерительные приборы для контроля параметров сети (измеряемые параметры: напряжение, частота, ток, полная, активная и реактивная мощность, напряжение и ток нечетных гармоник, потребление энергии).

В последние годы интерес к продукции ELECTRONICON резко возрос, что связано с выпуском новейших типов конденсаторов для силовой электроники. Электролитические конденсаторы (ЭК) долгое время не имели альтернативы в мощных преобразователях благодаря высокой удельной емкости. При этом их врожденные недостатки, такие как невысокий допустимый ток пульсаций, низкая защищенность от механических воздействий, необходимость последовательного соединения в высоковольтных применениях часто приводили к тому, что ЭК становились элементами, во многом определяющими надежность, вес, габариты и стоимость преобразовательного устройства.

Именно поэтому ведущие фирмы-производители непрерывно вели поиск альтернативных решений. При производстве конденсаторов для мощных преобразователей компания ELECTRONICON использует принципиально новую технологию MKP, позволившую создать достойную альтернативу электролитам.

Для того, чтобы описание продукции компании было наиболее полным, напомним, какие типы конденсаторов используются в мощных преобразователях (все они есть в производственной программе ELECTRONICON) и какие их параметры являются наиболее важными для данных применений.

Типы конденсаторов ELECTRONICON для силовой электроники:

1. Снабберные или демпфирующие конденсаторы (damping, snubber capacitors) используются для ограничения импульсных перенапряжений, возникающих при переключении силовых транзисторов из-за наличия паразитных индуктивностей шин питания. Емкость снаббера Cs выбирается на основе заданного уровня перенапряжения AV при известной величине распределенной индуктивности L_B и тока коммутации I: Cs = L_BxI²/AV.
2. Коммутирующие конденсаторы (commutation capacitors) устанавливаются параллельно тиристорам и используются для вывода тиристора из проводящего состояния.
3. Сглаживающие конденсаторы (smoothing capacitors) используются для уменьшения уровня пульсаций в шинах постоянного тока цепей питания.
4. Накопительные конденсаторы (supporting, intermediate circuit capacitors) применяются для накопления энергии в промежуточных цепях постоянного тока многофазных приводов и импульсных преобразователей. Такие емкости должны работать в условиях высоких импульсных кратковременных токов, пиковое значение которых намного превышает среднеквадратичное.
5. Конденсаторы импульсного разряда (surge discharge capacitors) работают на низких частотах в условиях быстрого разряда при высоких разрядных токах; данный тип емкостей используется в лазерной технике, импульсных генераторах.

Фирма ELECTRONICON производит следующие конденсаторы для применения в силовой электронике:

Е62 — универсальные AC/DC-конденсато-ры, которые могут использоваться как коммутирующие, сглаживающие или разрядные.

Основные особенности:

• емкость — от 1 до 2000 мкФ;
• рабочее напряжение — до 5000 В DC, 4000 B AC;
• тангенс угла потерь — 2×10^-4;
• срок службы — 100 тыс. часов при T_hs < 70 °С.

Е62 — трехфазные АС-конденсаторы, которые могут использоваться как фильтры и корректоры коэффициента мощности в 3-фазных сетях.

Основные особенности:

• емкость — от 3×4,7 до 3×100 мкФ;
• рабочее напряжение — до 1000 B AC;
• тангенс угла потерь — 2×10^-4;
• срок службы — 100 тыс. часов при T_hs < 60 °С. Е63 — DC-конденсаторы, которые могут использоваться как сглаживающие и накопительные.

Основные особенности:

• емкость — от 20 до 1800 мкФ;
• рабочее напряжение — до 6300 В DC;
• тангенс угла потерь — 2×10^-4;
• срок службы — 100 тыс. часов при T_hs < 65 °С. Е53 — низкоиндуктивные AC/DC-конденсаторы общего применения для силовой электроники.

Основные особенности:

• емкость — от 1 до 300 мкФ;
• рабочее напряжение — до 3200 В DC, 2000 B AC;
• тангенс угла потерь — 2×10^-4;
• срок службы — 100 тыс. часов при T_hs < 70 °С. Е56 — низкоиндуктивные DC-конденсаторы в прямоугольных корпусах для установки на шину.

Основные особенности:

• емкость — от 700 до 30000 мкФ;
• рабочее напряжение — до 4000 В DC;
• тангенс угла потерь — 2×10^-4;
• максимальный ток — 400 А (среднеквадратичное);
• срок службы — 100 тыс. часов при T_hs < 70 °С. Е50 — низкоиндуктивные DC-конденсаторы технологии МКР для силовой электроники.

Основные особенности:

• тангенс угла потерь — 2×10^-4;
• срок службы — 100 тыс. часов при T_hs < 75 °С. В таблице 1 приведены основные характеристики и показан внешний вид конденсаторов Е50 и Е56, изготавливаемых по технологии МКР и предназначенных для применения в мощных импульсных конверторах.

Основные параметры (по стандарту IEC 1071): 1. Номинальное напряжение (rated voltage) U_N — максимальное или пиковое рабочее напряжение постоянного тока.

2. Неповторяющееся напряжение перегрузки (non-repetitive surge voltage) U_S — однократное напряжение, которое конденсатор может выдержать без пробоя, макс. длительность 50 мс, макс. количество импульсов в течение срока службы — 1000.

3. Максимальный ток I_max — максимально допустимое среднеквадратичное значение тока конденсатора в режиме постоянной эксплуатации, данное значение обычно приводится в технических характеристиках, оно определяет максимальную мощность, рассеиваемую конденсатором.

4. Пиковый ток I — допустимая амплитуда тока в повторяющемся режиме, может определяться по допустимой скорости нарастания напряжения du/dt: I = Cxdu/dt.

5. Неповторяющийся ток перегрузки (non-repetitive surge current) I_S — пиковое значение однократного тока, которое конденсатор может выдержать без повреждения, макс. длительность 50 мс, макс. количество импульсов тока в течение срока службы — 1000.

6. Эквивалентное последовательное сопротивление (Equivalent Series Resistor) ESR или R_S — эквивалентное сопротивление конденсатора, определяющее его потери мощности P = I_rms²xR_S.

7. Тангенс угла потерь tan 8 параметр, определяющий соотношение между активной и реактивной мощностью конденсатора Р = UxIxtan 8, зависит от свойств диэлектрика на рабочей частоте.

8. Максимальная допустимая рассеиваемая мощность P_max = (T_hs — T_a)/R_th определяется максимальной температурой самой нагретой точки конденсатора T_hs, температурой окружающей среды Т_а и тепловым сопротивлением конденсатора R_tll.

9. Минимальная и максимальная рабочая ^{температура T}max^. Напряжение изоляции U_is — максимальное среднеквадратичное значение переменного напряжения между корпусом конденсатора и его выводами, если это значение не приводится в технических характеристиках, то оно определяется как U_is = U_N/V2.

10. Контрольное напряжение изоляции U_BG — максимальное допустимое напряжение переменного между корпусом конденсатора и его закороченными выводами при комнатной температуре, в отличие от предыдущего параметра, напряжение U_BG может проверяться многократно в течение срока службы. Конструкция конденсаторов MKP показана на рис. 2. Они содержат металлизированные с двух сторон бумажные электроды с полипропиленовым диэлектриком, пропитанные маслом. На одну сторону диэлектрика напыляется в вакууме тонкая цинко-алюминиевая пленка. Обе торцевые стороны секции металлизируются методом напыления. Такая технология гарантирует высокую стабильность параметров в течение длительного срока службы, обеспечивает низкое значение индуктивности выводов и высокую плотность тока.

Корпус конденсатора с крепежным болтом изготавливается из прессованного алюминия. Секция сушится в вакууме, после монтажа в корпус конденсатор наполняется по-лиуретановой смолой или газом, что повышает срок службы и улучшает защиту от воздействия окружающей среды. Применение пропиточных материалов и наполнителей необходимо для защиты самого конденсатора и его электродов. Без качественной изоляции происходит коррозия металлических покрытий, возрастает количество локальных пробоев, что резко сокращает срок службы.

Основой почти всех конденсаторов ELEC-TRONICON является т. н. самовосстанавливающийся диэлектрик (рис. 3). На месте электрического пробоя в течение нескольких микросекунд испаряется слой металла и удаляется из центра пробоя. В результате образуется свободная от металла изолированная зона, предохраняющая от пробоя. В процессе и после пробоя конденсатор остается полностью работоспособным.

Недавно компанией ELECTRONICON было представлено новое поколение сухих конденсаторов MKPg. В качестве наполнителя в них используется экологически чистый наполнитель — нейтральный газ. По сравнению с обычными типами емкостей конденсаторы MKPg при повреждении не создают вредных утечек в окружающую среду, они более удобны для монтажа и имеют в среднем на 15-20% меньший вес.

Конденсаторы MKP/MKPg имеют низкое значение эквивалентной последовательной индуктивности (L_e или ESL), они специально разработаны для использования в силовых шинах питания. По сравнению с обычными ЭК с алюминиевой фольгой MKP/MKPg способны работать при гораздо большем значении тока пульсаций.

При перегрузке по напряжению или в конце срока службы в конденсаторах из-за большого количества самовосстанавливающихся пробоев может возникнуть избыточное давление. Для предохранения корпуса от разрыва в цилиндрических конденсаторах предусмотрен специальный предохранитель-прерыватель, конструкция которого показана на рис. 4а. Предохранитель выполнен в виде технологически надломленного в одном месте вывода конденсатора. При возникновении избыточного давления длина корпуса увеличивается за счет выгибания крышки корпуса, вывод разрывается и неисправная емкость отключается от схемы. Следует иметь в виду, что нормальная работа конденсаторов и срабатывание предохранителя гарантируется только при соблюдении рабочих режимов, указанных в технических характеристиках.

Конденсаторы в прямоугольных корпусах снабжаются датчиком (см. рис. 4b), сигнализирующим о повышении давления внутри корпуса. При их использовании требуется внешнее устройство, отключающее емкость по сигналу датчика.

Как было указано выше, конденсаторы ELECTRONICON могут самовосстанавливаться при пробое диэлектрика. Это свойство позволяет им не только работать в режиме короткого замыкания (если ток КЗ не превышает значения I_S), но и выдерживать гораздо более высокие перегрузки по напряжению, чем обычные электролитические конденсаторы:

• 1,1U_N — в течение 30% от срока службы;
• 1,15U_N — в течение 30 мин;
• 1,2U_N — в течение 5 мин;
• 1,3U_N — в течение 1 мин;
• 1,5U_N — в течение 100 мс.

Ресурс любых электронных компонентов зависит от условий эксплуатации. Среднее значение срока службы конденсаторов ELEC-TRONICON, соответствующее интенсивности отказов 3%, составляет 100 тыс. часов. На графиках, приведенных на рис. 5, показано, как срок службы конденсаторов ELECTRONICON изменяется с ростом температуры и рабочего напряжения.

В таблице 2 приведены основные сравнительные характеристики стандартных ЭК с алюминиевой фольгой, производимых фирмой Hitacli и конденсаторов MKP ELEC-TRONICON с полипропиленовым диэлектриком. Отметим, для того, чтобы получить аналогичный номинал (1100 мкФ) и обеспечить рабочее напряжение 900 или 1100 В, необходимо соединить параллельно-последовательно 4 или 9 емкостей НР3 соответственно. Таким образом, разница в цене (конденсаторы MKP, конечно, пока еще дороже стандартных ЭК) для высоковольтных применений может оказаться несущественной, а разница в габаритах — в пользу МКР.

Заключение

На рис. 6 показан модуль SEMISTACK, разработанный фирмой SEMIKRON и предназначенный для применения в судовой технике в качестве силового инвертора высокоскоростного привода. Инвертор собран на интеллектуальных силовых модулях SKiiP, размещенных на теплоотводе с жидкостным охлаждением. Номинальное значение выходного тока устройства — 500 А, частота переключений — 10 кГц.

На рисунке видны силовые шины питания с установленными на них полипропиленовыми конденсаторами Е50 МКР. Разработка и изготовление таких модулей на заказ является одним из приоритетных направлений работы SEMIKRON. В сборках, разработанных в последние годы, стандартные ЭК практически полностью заменены на MKP. Это позволило повысить надежность изделий и уменьшить их габариты за счет исключения последовательно-параллельных соединений конденсаторов.

Литература

1. Capacitors for Power Electronics. ELEC- TRONICON Kondensatoren GmbH.
2. А. Колпаков. Расчет конденсаторов шины питания мощных преобразовательных устройств // Компоненты и технологии. 2004. № 2.
3. А. Колпаков. Особенности проектирования частотных преобразователей средней и большой мощности // Электронные компоненты. 2003. № 6.