СИЛОВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ : КАК ПРАВИЛЬНО ВЫБИРАТЬ?
ПЕрвая часть данной статьи была опубликована ранее, чтобы прочитать первую часть, перейдите по ссылке..
Приведенные выше рассуждения можно проиллюстрировать примерами.
Выбор конденсатора для использования на переменном токе [1].
Самый распространенный случай -работа на трапециeдальном приложенном напряжении.
1. Выбор номинального напряжения:
Номинальное напряжение конденсатора должно быть эквивалентно либо превышать большее из двух напряжений U1 и U2 (на рис.1), т.е.: UN >Ui-max. Таким образом, выбираем AC конденсатор, напр. серии E62 [1].
2. Для того, чтобы правильно определить эффективный ток, предварительно рассчитаем максимальную скорость нарастания напряжения:
dU/dt = (U1 –U2)/ dt = (U1 –U2)/ τ
3. Основываясь на полученном значении du/dt и, зная f0 , мы можем определить значение пикового и среднеквадратического тока:
Î = C * (dU/dt), Ieff = Î = ( 2 * f0 * τ ) ½
4. Используя полученные данные, можно предварительно выбрать конденсатор с требуемыми значениями параметров по каталогу.
5. Прежде всего, рабочий ресурс конденсатора зависит от температуры окружающей среды и напряжённости поля диэлектрика. Конденсаторы рассчитаны на ресурс работы в 100000 ч. (возможное не соответствие 3%). Это значение обеспечивается при режиме работы с температурой самой нагретой точки внутри конденсатора в соответствии с таблицей.
Данное значение может варьироваться при использовании конденсатора в режимах с температурой окружающей среды больше допустимой.
После этого, следует определить мощность рассеивания конденсатора для предполагаемых условий работы; согласно IEC 1071 она рассчитывается по формуле (1):
Для несимметричного напряжения, U определяется как (U1+U2)/2.
6. Зная температурный коэффициент сопротивления конденсатора [1], мы можем посчитать разницу между температурой окружающей среды и самой нагретой точкой внутри конденсатора из (2):
ΔTcap = Rth * P
Для обеспечения жизненного цикла конденсатора 100000 ч. температура самой нагретой точки не должна превышать 70 C Рис. 2. Это значит, что максимальная температура окружающей среды не должна быть больше:
Θa = ΘHOTSPOT - ΔTcap
Конденсатор должен работать в условиях окружающей среды с температурой не превышающей Θa.
Если рассчитанная мощность рассеивания слишком большая возможно:
• снижение допустимой температуры окружающей среды, согласно Рис.2 , это ведёт к увеличению рассеивания мощности и улучшает отвод тепла.
• подключение большего числа конденсаторов с меньшими номиналами ёмкости (увеличение рабочей площади для улучшения отвода тепла)
• использование конденсаторов с большим номинальным напряжением (большие размеры, больше рабочая площадь и мощность рассеивания)
• снижение последовательного сопротивления RS за счёт изменения внутренней конструкции конденсатора.
На тепловые режимы при импульсном характере работы влияние оказывает также тепловая емкость конденсатора Cth, которая зависит от его массы и материала.
Применение принудительного охлаждения снижает величину теплового сопротивления примерно на 20%.
Срок службы и надежность
Два основных параметра, влияющих на ресурс и надежность конденсатора — это рабочее напряжение и температура (Рис.2 ). Для срока службы Lop можно записать соотношение:
Lop = LopR(UR/Uop)n
где Uop — рабочее напряжение,
UR — предельно допустимое напряжение,
LopR — срок службы конденсатора при напряжении UR.
Показатель степени n = 5 при 0,8 UR <>R;
n = 3 при 0,5 UR <>R. Это означает, что снижение рабочего напряжения на 21% увеличивает срок службы вдвое. Если U <>R, срок службы практически не зависит от напряжения.
Срок службы имеет экспоненциальную температурную зависимость. График зависимости может быть описан выражением:
ln(Lop) = (A – B * T )
Надежность конденсатора оказывается тем выше, чем выше его диаметр. Формула, учитывающая диаметр, имеет следующий вид:
LopR = f(D) * 2(Tnmax–Ths)/12
Lop определяется, как время, в течение которого параметры конденсатора находятся в пределах определенных допусков. У каждой фирмы-производителя значения допусков свои.
Когда большое количество конденсаторов (назовем его N0) испытывается при заданных условиях, то через определенное время некоторые параметры их подойдут к своему предельному значению. Количество элементов, сохраняющих свои параметры в пределах допусков, — R(t) будет со временем становиться все меньше в соответствии с выражением:
R(t) = N0 * e–λt
где — частота отказов.
Вероятность отказа F(t) можно определить как:
F(t) = 1 – S(t) = 1 – e–λt
где S(t) — вероятность, что 1 конденсатор прослужит время t.
Можно также определить зависимость срока службы Lop от вероятности отказа следующим образом:
Lop = 1/λ * ln1/(1 – F) = = m * ln1/(1 – F)
где m — среднее время между отказами.
Lop и λ экспоненциально зависят от температуры: λ возрастает, а Lop — снижается.
Литература.
1. Capacitor for Power Electronics.ELECTRONICON Catalogue. I/2010
2. REPETITIVE PULSE APPLICATION OF SELF-HEALING HIGH VOLTAGE CAPACITORS.J. B. Ennis, F. W. MacDougall, R.A. Cooper, J. Bates
International Power Modulator Conference Hollywood, California July 1-3, 2002
3. Конденсаторы семейства MKV для силовой электроники. Краткий обзор продукции 2006. EPCOS AG.
4. POWER ELECTRONICS CAPACITORS. MKV SERIES. ICAR Catalogue 2010 Rev.01.
Сообщения
