Šią savaitę tęsiame praėjusios savaitės straipsnį.

1.2 Elektrolitiniai kondensatoriai

Elektrolitiniuose kondensatoriuose naudojamas dielektrikas yra aliuminio oksidas, susidarantis korozijos būdu iš aliuminio, kurio dielektrinė konstanta yra nuo 8 iki 8,5, o darbinis dielektrinis stipris – apie 0,07 V/A (1 µm = 10000 A). Tačiau tokio storio pasiekti neįmanoma. Aliuminio sluoksnio storis sumažina elektrolitinių kondensatorių talpos koeficientą (savitąją talpą), nes aliuminio folija turi būti ėsdinama, kad susidarytų aliuminio oksido plėvelė, siekiant gerų energijos kaupimo savybių, o paviršius sudarys daug nelygių paviršių. Kita vertus, elektrolito varža yra 150 Ωcm esant žemai įtampai ir 5 kΩcm esant aukštai įtampai (500 V). Didesnė elektrolito varža riboja RMS srovę, kurią elektrolitinis kondensatorius gali atlaikyti, paprastai iki 20 mA/µF.

Dėl šių priežasčių elektrolitiniai kondensatoriai yra skirti maksimaliai 450 V įtampai (kai kurie gamintojai projektuoja 600 V). Todėl norint gauti aukštesnę įtampą, būtina ją pasiekti sujungiant kondensatorius nuosekliai. Tačiau dėl kiekvieno elektrolitinio kondensatoriaus izoliacijos varžos skirtumo prie kiekvieno kondensatoriaus reikia prijungti rezistorių, kad būtų subalansuota kiekvieno nuosekliai sujungto kondensatoriaus įtampa. Be to, elektrolitiniai kondensatoriai yra poliarizuoti įtaisai, ir kai taikoma atvirkštinė įtampa viršija 1,5 karto Un, vyksta elektrocheminė reakcija. Kai taikoma atvirkštinė įtampa yra pakankamai ilga, kondensatorius išsikrauna. Siekiant išvengti šio reiškinio, šalia kiekvieno kondensatoriaus, kai jis naudojamas, reikia prijungti diodą. Be to, elektrolitinių kondensatorių varža įtampos šuoliams paprastai yra 1,15 karto Un, o gerų kondensatorių gali pasiekti 1,2 karto Un. Todėl projektuotojai, juos naudodami, turėtų atsižvelgti ne tik į pastoviosios būsenos darbinę įtampą, bet ir į įtampos šuolius. Apibendrinant galima sudaryti šią plėvelinių ir elektrolitinių kondensatorių palyginimo lentelę, žr. 1 pav.

2. Taikymo analizė

Nuolatinės srovės jungties kondensatoriams, naudojamiems kaip filtrams, reikalingos didelės srovės ir didelės talpos konstrukcijos. Pavyzdys yra naujos energijos transporto priemonės pagrindinė variklio pavaros sistema, kaip minėta 3 pav. Šioje pritaikymo srityje kondensatorius atlieka atjungimo vaidmenį, o grandinė pasižymi didele darbine srove. Plėvelinis nuolatinės srovės jungties kondensatorius turi pranašumą, nes gali atlaikyti dideles darbines sroves (Irms). Paimkime 50–60 kW naujos energijos transporto priemonės parametrus kaip pavyzdį: darbinė įtampa 330 V nuolatinė srovė, pulsavimo įtampa 10 Vrms, pulsavimo srovė 150 Arms @ 10 kHz.

Tada minimali elektros galia apskaičiuojama taip:

Tai lengva įgyvendinti projektuojant plėvelinius kondensatorius. Darant prielaidą, kad naudojami elektrolitiniai kondensatoriai, jei atsižvelgiama į 20 mA/μF srovę, minimali elektrolitinių kondensatorių talpa apskaičiuojama taip, kad atitiktų aukščiau nurodytus parametrus:

Tam reikia kelių lygiagrečiai sujungtų elektrolitinių kondensatorių, kad būtų gauta tokia talpa.

Viršįtampių taikymuose, tokiuose kaip lengvasis geležinkelis, elektriniai autobusai, metro ir kt., atsižvelgiant į tai, kad šios maitinimo šaltiniai yra prijungti prie lokomotyvo pantografo per pantografą, kontaktas tarp pantografo ir pantografo transportavimo metu yra nutrūkstamas. Kai jie nesiliečia, maitinimo šaltinį palaiko DC-L rašalo kondensatorius, o kai kontaktas atkuriamas, susidaro viršįtampis. Blogiausiu atveju nuolatinės srovės jungties kondensatorius visiškai išsikrauna atjungus, kai iškrovimo įtampa yra lygi pantografo įtampai, o kai kontaktas atkuriamas, susidariusi viršįtampis yra beveik dvigubai didesnis už vardinę darbinę Un. Plėvelinių kondensatorių atveju nuolatinės srovės jungties kondensatorių galima apdoroti be papildomų svarstymų. Jei naudojami elektrolitiniai kondensatoriai, viršįtampis yra 1,2 Un. Paimkime, pavyzdžiui, Šanchajaus metro. Un = 1500 Vdc, elektrolitiniam kondensatoriui reikia atsižvelgti į įtampą:

Tada šeši 450 V kondensatoriai turi būti sujungti nuosekliai. Jei naudojama plėvelinio kondensatoriaus konstrukcija, lengvai pasiekiama nuo 600 V iki 2000 V arba net 3000 V nuolatinė įtampa. Be to, visiškai iškraunant kondensatorių, susidaro trumpasis išlydis tarp dviejų elektrodų, todėl per nuolatinės srovės jungties kondensatorių susidaro didelė įjungimo srovė, kuri paprastai skiriasi priklausomai nuo elektrolitinių kondensatorių tipo.

Be to, palyginti su elektrolitiniais kondensatoriais, nuolatinės srovės jungties plėveliniai kondensatoriai gali būti suprojektuoti taip, kad pasiektų labai mažą ESR (paprastai mažesnį nei 10 mΩ, o dar mažesnį <1 mΩ) ir savąjį induktyvumą LS (paprastai mažesnį nei 100 nH, o kai kuriais atvejais – mažesnį nei 10 arba 20 nH). Tai leidžia nuolatinės srovės jungties plėvelinį kondensatorių įmontuoti tiesiai į IGBT modulį, o šyną integruoti į nuolatinės srovės jungties plėvelinį kondensatorių, todėl naudojant plėvelinius kondensatorius nereikia specialaus IGBT absorbcinio kondensatoriaus, o tai sutaupo projektuotojui nemažą pinigų sumą. 2 ir 3 paveiksluose parodytos kai kurių C3A ir C3B gaminių techninės specifikacijos.

3. Išvada

Ankstyvosiomis dienomis nuolatinės srovės jungties kondensatoriai dėl kainos ir dydžio dažniausiai buvo elektrolitiniai kondensatoriai.

Tačiau elektrolitiniams kondensatoriams įtakos turi įtampos ir srovės atsparumo savybės (ESR daug didesnis, palyginti su plėveliniais kondensatoriais), todėl norint gauti didelę talpą ir atitikti aukštos įtampos naudojimo reikalavimus, būtina sujungti kelis elektrolitinius kondensatorius nuosekliai ir lygiagrečiai. Be to, atsižvelgiant į elektrolito medžiagos lakumą, jį reikia reguliariai keisti. Naujoms energijos reikmėms paprastai reikalingas 15 metų gaminio tarnavimo laikas, todėl per šį laikotarpį jį reikia keisti 2–3 kartus. Todėl viso įrenginio garantinio aptarnavimo išlaidos ir nepatogumai yra dideli. Tobulėjant metalizavimo dangų ir plėvelinių kondensatorių technologijoms, naudojant apsauginės plėvelės garinimo technologiją, tapo įmanoma pagaminti didelės talpos nuolatinės srovės filtro kondensatorius, kurių įtampa yra nuo 450 V iki 1200 V ar net didesnė. Kita vertus, nuolatinės srovės jungties kondensatorių integravimas su šyna padaro keitiklio modulio konstrukciją kompaktiškesnę ir labai sumažina grandinės klaidingą induktyvumą, taip optimizuojant grandinę.