Замена алюминиевых электролитических конденсаторов на пленочные

На сегодняшний день тенденция рынка преобразователей энергии для промышленности и транспорта состоит в замене электролитических конденсаторов плёночными.
Одна из главных причин заключается в множестве преимуществ, которые предоставляет плёночная технология, а именно:

  • Высокое значение Iэфф. – до 1Aэфф. / мкФ
  • Допустимость двукратного превышение номинального напряжения
  • Допустимость выбросов обратного напряжения
  • Высокое значение пикового тока
  • Отсутствие кислотного наполнителя и, вследствие этого, экологическая безопасность
  • Большой срок службы
  • Отсутствие проблем хранения

Однако, замена электролитических конденсаторов на плёночные не подразумевает замену < <банки на банку>>, имеется в виду функциональная замена.

Проиллюстрируем основные преимущества такой замены на конкретных примерах.

1. Фильтр постоянного тока
Преимущества: высокий ток и большая ёмкость
Применяются в электромобилях и электрокарах, питание от батарей

В этом случае, конденсатор используется для развязки.
Пленочные конденсаторы являются превосходным решением для цепей развязки, так как главным критерием выбора конденсатора развязки по постоянному току является величина Iэфф.

Рассмотрим замену на примере электромобиля:
Требуемые данные:
Рабочее напряжение: 120Vdc
Допустимая пульсация напряжения: 4Vrms
Irms: 80 Arms. @ 20kHz
Минимальная ёмкость в таком случае:
C =Irms/(Uripple x 2x x f)= 159µF

Очевидно, подобрать ёмкость с близкими значениями будет несложно.
Сравним предлагаемый плёночный конденсатор с электролитическим.
Чтобы получить 80 Arms, при отношении 20mA / µF, минимальное значение ёмкости составит:
C =80/0.02= 4000µF

Ещё одна область применения –
Привод промышленного двигателя, питание от сети

Напряжение для связи по постоянному току показано на графике:

При расчёте ёмкости следует учитывать, что частота источника питания меньше частоты преобразователя.

 

Для вычисления необходимого значения ёмкости воспользуемся формулой:

Зависимость Irms от ёмкости: (здесь не учтен ток частотного преобразователя).

Для иллюстрации рассмотрим конкретный пример:
Напряжение постоянного тока - 1000 В.
Напряжение пульсации - 200 В.

Рассмотрим диапазон НЧ более подробно:


Для сравнения с электролитом рассмотрим пример, когда плотность тока электролита = 20mA/µF.
На мощности 1МВатт Irms= 2468 Arms, а минимальная ёмкость составит 123.4mF.
Если мы посмотрим на кривую, то сможем увидеть, что это значение ёмкости необходимо для выпрямителя, работающего на частотах ниже 100 Гц (приведённый пример для плёночной технологии).
Таким образом, имея 3 фазы и 6 диодных выпрямителей, получаем частоту 300 Гц.
На кривой для 1 МВт видно, что необходимое значение ёмкости равно 18.5 мкФ. Плёночный конденсатор получается почти в четыре раза меньше электролитического и при этом надёжнее.
Меньшая мощность даёт похожий результат, и для мощностей до 10 кВт ёмкость становится настолько маленькой, что плёночная технология даёт наилучшее решение.
Даже на частоте выпрямителя 100Гц необходима ёмкость не более 555 мкФ, напряжение питания и импульсное напряжения остаются такими же.

2. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ
Рассмотрим применение конденсаторов на лёгком электротранспорте (в метро, на подвесной дороге).
Напряжение для связи по постоянному току показано на графике:

В процессе передачи энергии с токопровода на поезд, может происходить разъединение контактов между токосъёмником и токопроводом, а при восстановлении контакта возникает перенапряжение.

В худшем случае V равно напряжению токопровода, так как перенапряжение может практически в два раза превысить номинальное напряжение.
И плёночный конденсатор может справиться с таким перенапряжением.

Сравним с электролитическим конденсатором:
Максимальное превышение напряжение для электролита составляет
до 1.2 x Vdc.
Поэтому минимальное напряжение для электролита составит
Udc электролитической технологии =2 x 1000V/1.2= 1670V
В данном случае потребуется 4 последовательно соединённых электролитических конденсатора на 450 В.
Электролит на 10 мкФ займёт объём 26 литров, максимальное значение Irms. составит 220 Arms.
В случае плёночного конденсатора, занимаемый объём составит 25 литров, а допустимый Irms. может превышать 500 Arms.
Подсчитаем энергию, вызванную таким перенапряжением
I2t = i2(t)dt.

Через несколько периодов получаем нулевой ток.

Этот расчёт можно также использовать для определения тока разряда при коротком замыкании между клеммами. Такой разряд приводит к получению очень высокого пикового тока и последующего затухания, с чем не сможет справиться электролитический конденсатор.

3. НОМИНАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
При необходимости получить заданное номинальное напряжение, более интересным представляется использование пленочной технологии.
При необходимости получить большую ёмкость, пленочное решение уже не будет таким конкурентоспособным.
Итак, при отсутствии перенапряжения, малом Irms. и большой ёмкости на напряжениях до 900 В, пленочная технология теряет свои преимущества.

РАСЧЁТ СРОКА СЛУЖБЫ
Плёночная технология обеспечивает большой срок службы, зависящий от условий нагрузки и максимальной рабочей температуры.
Для приложений фильтрации по постоянному току, срок службы соответствует кривым, показанным в каталоге.
Критерий окончания срока службы - уменьшение емкости на 2 %.
Однако, это только теоретическое окончание срока службы, так как при дальнейшем понижении ёмкости конденсатор остаётся работоспособным. И, таким образом, при допустимости снижения ёмкости на 5%, срок службы будет значительно больше.

Выражение для определения максимальной рабочей температуры:

где:
maxhotspot: максимальная рабочая температура
tg0: диэлектрические потери
Rth: Тепловое сопротивление
Rs: Последовательное сопротивление
hot spot – максимальная рабочая температура составит 85°C либо 105°C, в зависимости от применения и технологии.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Здесь приведены некоторые рекомендации по выбору инженерного решения. Конечно, для каждого конкретного случая необходим точный расчёт.
В любом случае, если определяющими величинами являются только ёмкость, низкое напряжение, низкий I rms., и отсутствуют особые требования по перегрузке по напряжению, по обратному напряжению и пиковому току, то плёночная технология не будет лучшим решением.