3.2. Конденсаторы для силовой электроники

Конденсаторы для силовой электроники нашли широкое применение как при напряжениях, по форме значительно отклоняющихся от синусоидального, так и при импульсных токах большой амплитуды. Они включают в себя широкий спектр конденсаторов переменного АС и постоянного DC напряжения.

Конденсаторы это пассивные электронные компоненты которые можно найти в каждом электрическом и электронном приборе - от автомобильной и промышленной электроники до информационных систем и бытовой техники.

В основу классификации конденсаторов положено деле­ние их на группы по виду применяемого диэлектрика и по конструктивным особенностям, определяющим использование их в конкретных цепях аппаратуры. Классификация конден­саторов приведена в [12].

Вид диэлектрика определяет основные электрические пара­метры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность емкости, величину потерь и др. Конструктивные особенности определяют характерные области применения: помехоподавляющие, подстроечные, силовые, импульсные и др.

Дальнейшее деление групп конденсаторов по виду диэлект­рика связано с использованием их в конкретных цепях аппаратуры, назначением и выполняемой функцией, например, низковольтные и высоковольтные, низкочастотные и высокочастотные, импульсные и др.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального на­значения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Все остальные конденсаторы являются спе­циальными. К ним относятся: высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, силовые, пусковые и др.

Электротехнический конденсатор выполняется из токопроводящих элементов, например металлических пластин, разделенных диэлектриком. При воздействии электрического поля на диэлектрик в нем происходит смещение связанных элек­трических зарядов (электронов, ионов и более крупных заряженных частиц) в соответствии с направлением потока вектора напряженности электрического поля. В результате возникает индуцированная поляризация диэлектрика, при кото­рой центры масс положительных и отрицательных зарядов смещаются в противо­положных направлениях.

На рис. 3.8 приведена упрощенная структура рас­пределения зарядов в плоском конденсаторе. При отсутствии диэлектрика между обкладками конденса­тора, т.е. в вакууме, при допущении однородности электрического поля в конденсаторе заряд на пластине можно выразить соотношением

q_о = U , (3.7)

где U — напряжение внешнего источника; S — площадь поверхности пластины; ε₀ — электрическая постоянная, характеризующая электрические свойства ваку­ума; d — расстояние между пластинами.

Рис. 3.8. Упрощенная структура распределения зарядов в конденсаторе

При отсутствии диэлектрика емкость конденсатора С₀ = q₀/U. При введении между пластинами диэлектрика в результате поляризации на его поверхности воз­никает электрический заряд, зависящий от типа диэлектрика. Этот заряд создает поле, электрическая напряженность которого Е_δ направлена встречно электриче­ской напряженности внешнего поля Е₀, что приводит к уменьшению электриче­ской напряженности в диэлектрике:

Е = Е₀-Е_δ,

где Е₀= U/d — напряженность поля в вакууме.

Вследствие изменения напряженности поля заряд на обкладках конденсатора увеличивается:

q = ε_rq₀,

где ε_r— относительная электрическая проницаемость, учитывающая наличие диэлек­трика (для диэлектрика ε_r> 1).

Из (3.13) следует, что емкость конденсатора:

С = ε_rС₀ = . (3.8)

Коэффициент ε = ε_r ε₀ связывает векторы напряженности Е и электрической индукции D соотношением

D = εE.

Энергия, накопленная в конденсаторе, также возрастет в ε_r раз от C₀U² /2 до CU ²/2. Из рассмотренного следует, что, используя диэлектрики с высокими зна­чениями ε_r, можно существенно увеличивать емкость конденсатора без изменения его геометрических размеров.

При выборе типа конденсатора необходимо учитывать режим работы, форму и частоту тока и напряжения, конструктивное расположение, условия охлаждения, общий ресурс работы, надежность и многие другие факторы.

Емкость переменного тока (СЛС) зависит не только от температуры, но также и от частоты, при которой производится измерение. С ростом частоты от 100 до 2000 Гц емкость конденсатора снижается примерно на 4 % за счёт влияния на последовательную индуктивнисть Lпосл и сопритивление Rконд у схемы замещения (рис. 3.9).

Последовательная индуктивность схемы замещения конденсатора (собствен­ная индуктивность) зависит от выполнения выводов конденсатора и его конст­рукции.

Эквивалентное последовательное сопротивление (Rконд) так же как емкость и tgS, зависит от частоты и температуры. Индуктивное сопротивление Lпосл зависит только от частоты, в то время как С и Rконд зависят, как указывалось выше, еще и от температуры. При дальнейшем возрастании частоты достигается резо­нанс и импеданс Z = Rконд. Выше резонансной частоты преобладает индуктивное сопротивление, которое становится определяющим для Z на очень высоких для конденсатора частотах.

Изменение характеристики импеданса Z с температурой обусловлено сильным влиянием электролита, сопротивление которого возрастает при уменьшении тем­пературы.

Рис. 3.9. Схема замещения конденсатора.

Длительность эксплуатации конденсаторов влияет на их характеристики. Например, отдельные типы конденсаторов могут изменять емкость на 30 % перво­начального значения. Также со временем могут значительно изменяться tg_δ и сопротивление изоляции конденсатора, от которой зависит ток утечки.

По условиям работы конденсаторы подразделяются на неполярные конденса­торы переменного тока и фильтровые конденсаторы для цепей постоянного тока с низким уровнем пульсаций. Первая группа конденсаторов работает при воздей­ствии переменных и импульсных напряжений различной формы. При этом не исключается наличие постоянной составляющей в напряжении, соизмеримой с амплитудой пульсаций. Эти конденсаторы не имеют разнополярных выводов, т.е. не критичны к полярности воздействующего напряжения.

К другой группе относятся униполярные конденсаторы, например электролити­ческие конденсаторы с оксидным диэлектриком. Эти конденсаторы характеризу­ются высокими значениями емкости и удельными энергетическими показателями на единицу объема. Подача переменного напряжения на обкладки таких конденса­торов недопустима.

Конденсаторы переменного тока выполняют следующие основные функции в силовых электронных аппаратах:

• компенсируют реактивную мощность на частоте основной гармоники пере­менного напряжения;

• накапливают энергию для принудительной коммутации тиристоров;

• формируют траектории переключения электронных ключей в ЦФТП;

• фильтруют высшие гармоники тока и напряжения в силовых цепях перемен­ного тока.

В компенсаторах и регуляторах реактивной мощности конденсаторы обычно работают при синусоидальных напряжениях промышленной частоты. В этом слу­чае их применяют в соответствии с общепринятыми правилами эксплуатации электротехнического силового оборудования. При расчете и выборе типов конден­саторов для схем компенсаторов реактивной мощности необходимо учитывать влияние высших гармоник тока, возникающих при периодических коммутациях силовых ключей.

Рассмотрим широко используемые в силовых установках конденсаторы с бумажным диэлектриком (МКУ), электролитические алюминиевые (АЭК), плёночные, танталовые и керамические.