Wykład 9 - Zakład Elektroniki Przemysłowej

Wykład 9 - Zakład Elektroniki Przemysłowej

Politechnika Warszawska
Wydział Elektryczny
5. Elementy LTC (3)
L- indukcyjności
T- transformatory
C - kondensatory
Mieczysław Nowak
P W
I S EP
Instytut Sterowania i
Elektroniki Przemysłowej
Czerwiec/lipiec 2009
P W
IS
6. Elementy LTC
ISEP-PW
Kondensatory
Wiadomości ogólne
EP
Do konstrukcji przekształtników są używane - oprócz elementów indukcyjnych - także kondensatory. W
odróżnieniu od dławików, kondensatory są dostępne jako elementy w postaci gotowej, dostarczane przez
producentów jako handlowe szeregi stopniowane wg wartości pojemności i zróżnicowane ze względu na
charakter i wartość napięcia, które może na nich występować. Ogólnie wydzielić można dwie grupy:
kondensatory napięcia stałego i napięcia przemiennego. Spośród głównych funkcji spełnianych przez
kondensatory należy wymienić:
- filtrację napięć oraz prądów stałych i przemiennych;
- ograniczanie stromości narastania napięcia i wartości przepięć także w celu zmniejszenia łączeniowych strat
mocy w przyrządach półprzewodnikowych;
- tworzenie obwodów rezonansowych i oscylacyjnych w celu sprawnego przetwarzania energii przy
zmniejszonych stratach łączeniowych, a także do generacji impulsów komutacyjnych.
Poza dobrze znanymi typami kondensatorów o ugruntowanym szerokim zastosowaniu zgodnie wymienionymi
powyżej funkcjami od kilku lat oferowane są nowe tzw. supekondensatory ( super-//ultra-capacitors), których
głównym przeznaczeniem jest magazynowanie stosunkowo znacznych ilości energii podobnie jak ma to miejsce
w bateriach elektrochemicznych. Ponieważ cechą charakterystyczna tych kondensatorów jest zdolność
impulsowego obciążania i wymiana energii w nieporównanie większej liczbie cykli niż ma to miejsce w
bateriach elektrochemicznych stały się one potrzebnym i ważnym elementem do budowy urządzeń
energoelektronicznych.
Z punktu widzenia specyficznych właściwości podział kondensatorów stosowanych w energoelektronice
sprowadza się do wyróżnienia dwóch ich rodzajów, a mianowicie: kondensatorów niespolaryzowanych, tzn.
mogących pracować przy dowolnej polaryzacji napięcia okładzin, oraz kondensatorów spolaryzowanych, dla
których - ze względu na procesy elektrochemiczne w nich zachodzące - jest dopuszczalny wyłącznie jeden
sposób polaryzacji (kondensatory elektrolityczne).
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
8/1
P W
ISEP-PW
Kondensatory
6. Elementy LTC
I S EP
Na rysunku pokazano typową budowę kondensatora
niespolaryzowanego stosowanego w układach energoelektronicznych. Jak
widać jest on wykonywany w formie płaskiego lub cylindrycznego zwitka, w
którym warstwy metalowe są odizolowane warstwami dielektryka. Sposób
wykonania i materiał warstw oraz technika wykonania doprowadzeń mają
istotny wpływ na właściwości użytkowe. Jako okładziny kondensatora są
stosowane cienkie folie aluminiowe (kilka do kilkunastu mikrometrów), a
niekiedy - w przypadku kondensatorów pracujących przy malej składowej
zmiennej napięcia, a więc przy małym obciążeniu prądowym - warstwy
metalizacji naniesione na papier lub folię dielektryka. Tradycyjnym
rodzajem tworzywa izolującego okładziny jest papier. Korzystną
właściwością kondensatorów z metalizowanego papieru jest zdolność
samoregeneracji w przypadku wystąpienia przebicia. Wyładowanie
elektryczne powoduje odparowanie cienkiej warstwy metalizowanej i
odzyskanie w ciągu kilku mikrosekund pełnej wytrzymałości napięciowej.
Niekorzystną cechą papieru jest jednak wysoki współczynnik stratności, dlatego w nowoczesnych
kondensatorach przeznaczonych do pracy przy wielkich częstotliwościach składowej zmiennej napięcia stosuje
się izolację w postaci folii z tworzyw sztucznych (propylen lub poliester) mających niską stratność dielektryczną
w szybkozmiennym polu elektrycznym. Jeżeli przy izolacji z tworzyw sztucznych zastosuje się okładziny w
formie warstwy metalizowanej na taśmie papierowej (tzw. dielektryk mieszany) bądź bezpośrednio na folii
plastikowej, to uzyskuje się właściwości samoregeneracyjne kondensatorów. W celu zwiększenia wytrzymałości
dielektryka nasyca się go specjalnym olejem mineralnym. Dotyczy to głównie papieru, ale również folie z
tworzyw sztucznych o porowatej strukturze są poddawane nasycaniu.
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
8/2
P W
ISEP-PW
Kondensatory
6. Elementy LTC
I S EP
Na rysunku pokazano charakterystyczną budowę zwitków kondensatorów wykonywanych z różnych
materiałów. Na uwagę zasługuje sposób wykonania doprowadzeń, szczególnie istotny w przypadku
kondensatorów przeznaczonych do pracy przy dużej częstotliwości składowej zmiennej napięcia, co wiąże się z
dużymi wartościami skutecznymi prądu. W celu zmniejszenia rezystancji okładzin i samych doprowadzeń
stosuje się takie ułożenie okładzin, aby każda z nich kontaktowała się z nanoszoną drogą naparowywania metalu
powierzchnią elektrody doprowadzającej na całej swej długości. Tego rodzaju rozwiązanie (rys. c), oprócz
zwiększenia obciążalności prądowej i zmniejszenia zastępczej rezystancji, zapewnia minimalną wartość
zastępczą indukcyjności kondensatora, co w wielu zastosowaniach ma istotne znaczenie. W celu zapewnienia
odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej oraz zabezpieczenia przed ewentualnymi wyciekami oleju, (jeżeli
dielektryk jest impregnowany) zwitki są zamykane w hermetycznej obudowie metalowej lub z tworzywa
sztucznego
Różne formy wykonania zwitków kondensatorów: a) z folią metalową izolowaną papierem nasyconym olejem;
b) z warstwą izolacyjną z folii plastikowej i papieru; c) z zastosowaniem papieru dwustronnie metalizowanego i
folii l - doprowadzenie, 2 - płytka przewodząca, 3 - folia tworząca elektrody, 4 - papier nasycony olejem, 5 folia plastikowa, 6 - papier dwustronnie metalizowany
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
8/3
P W
IS
6. Elementy LTC
ISEP-PW
Kondensatory
Parametry użytkowe kondensatorów niespolaryzowanych
EP
Pojemność elektryczna C jest podstawowym parametrem kondensatora. Wartości pojemności kondensatorów są
przez producenta stopniowane w szeregach,. W przypadku kondensatorów o dużych pojemnościach wartości są
dobierane wg uznania producenta. Wartość pojemności dla danego typu materiału dielektryka jest zależna od
temperatury. Przykładowy wykres tej zależności jest pokazany na rys. a. W przypadku kondensatorów
pracujących przy podwyższonej częstotliwości napięcia przemiennego występuje także zależność ich pojemności
od wartości tej częstotliwości (rys. b).
Znamionowe napięcie kondensatora jest parametrem granicznym, podawanym jako oznaczenie typu (zwykle na
jego obudowie). W przypadku kondensatorów przeznaczonych do pracy przy napięciu stałym jako napięcie
znamionowe uznawane jest napięcie, które może występować w sposób ciągły przy określonej nieprzekraczalnej
temperaturze otoczenia. W przypadku wzrostu temperatury, dopuszczalna wartość napięcia obniża się, co widać
z wykresu na rys.c. W kondensatorach na napięcie przemienne, znamionowe napięcie dotyczy wartości
skutecznej napięcia sinusoidalnego, określanej przy zdefiniowanej temperaturze i częstotliwości tego napięcia.
Dla kondensatorów pracujących przy napięciu przemiennym jest dodatkowo określana dopuszczalna wartość
szczytowa. Wartość ta jest jedynie miarą wytrzymałości napięciowej izolacji.
a)
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
b)
c)
8/4
P W
ISEP-PW
Kondensatory
6. Elementy LTC
I S EP
Parametry użytkowe kondensatorów niespolaryzowanych
Wytrzymałość przepięciowa obowiązuje zarówno dla kondensatorów na napięcie stałe, jak i przemienne.
Wskazuje, jaka wartość napięcia może krótkotrwale wystąpić na kondensatorze nie powodując jego uszkodzenia.
Dopuszczalna składowa zmienna napięcia dotyczy kondensatorów napięcia stałego.
Jest określona na podstawie wykresu (rys. ) ujmującego zależność wartości skutecznej składowej przemiennej od
częstotliwości odniesionej do wartości znamionowej napięcia.
Dopuszczalna stromość zmian napięcia (dU/dt)max jest parametrem
istotnym w przypadku kondensatorów impulsowych, stosowanych
także w obwodach komutacji i określającym obciążalność kondensatora
krótkimi impulsami o bardzo dużej wartości szczytowej.
Współczynnik strat tgd jest bardzo istotnym parametrem, na podstawie
można określić wielkość strat mocy P wydzielanej w kondensatorze, na
występuje składowa napięcia przemiennego, zgodnie ze wzorem
P = Q tgd
przy czym Q - moc bierna pobierana przez kondensator, obliczana z
zależności
2
Q  C U 2 
I
C
w której: U, I - wartości skuteczne sinusoidalnej fali napięcia na
kondensatorze oraz przepływającego przez niego prądu.
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
8/5
P W
ISEP-PW
Kondensatory
6. Elementy LTC
I S EP
Parametry użytkowe kondensatorów
niespolaryzowanych
Współczynnik strat, odzwierciedlający straty mocy związane
ze zmiennym polem elektrycznym w dielektryku
kondensatora, zależy nie tylko od rodzaju materiału użytego
do izolacji okładzin kondensatora oraz od temperatury, ale
także w decydującym stopniu od częstotliwości
harmonicznej napięcia, występującej na kondensatorze. Na
rysunku pokazano przykładowo charakterystykę typowej
zależności tgd w kondensatorze od częstotliwości.
Ponieważ fala napięcia występującego na kondensatorach w układach energoelektronicznych często różni się od
sinusoidalnego, do dokładnego wyznaczenia strat mocy w takich warunkach konieczne jest oddzielne
wyznaczenie strat dla poszczególnych składowych harmonicznych i obliczenie całkowitych strat jako sumy,
zgodnie z zależnościami:
2


 I

P   (kCU k2tgd k )   k tgd k ) 
k 1
k 1  kC

przy czym: Uk - wartość skuteczna k-tej harmonicznej napięcia; Ik - wartość skuteczna k-tej harmonicznej prądu;
tgdk ~ współczynnik strat dla częstotliwości k-tcj harmonicznej, określony na podstawie podanego w katalogu
wykresu .
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
8/6
P W
IS
6. Elementy LTC
ISEP-PW
Kondensatory
Parametry użytkowe kondensatorów niespolaryzowanych
EP
Maksymalna dopuszczalna temperatura dielektryka kondensatora wynosi 85 C dla większości stosowanych
rodzajów izolacji. Określenie temperatury we wnętrzu zwitka kondensatora na podstawie obliczeń cieplnych,
analogicznych do tych jakie stosuje się np. w przypadku przyrządów półprzewodnikowych, jest zadaniem
trudnym dla użytkownika, gdyż producenci najczęściej nie podają informacji o właściwościach cieplnych
obwodu: zwitek-obudowa-otoczenie. Pomocny może być w tym przypadku zamieszczany w katalogach wykres
dopuszczalnych strat mocy w kondensatorze w funkcji temperatury otoczenia (rysunek). Na jego podstawie
można sprawdzić, czy dla obliczonych - zgodnie z zależnościami - strat mocy dopuszczalna temperatura we
wnętrzu kondensatora nie zostanie przekroczona.
Przykładowa zależność dopuszczalnych strat mocy w kondensatorze od temperatury otoczenia
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
8/7
P W
I S EP
ISEP-PW
Kondensatory
Parametry użytkowe kondensatorów niespolaryzowanych
6. Elementy LTC
Maksymalny dopuszczalny prąd kondensatora wynika z określonej
obciążalności prądowej doprowadzeń i połączeń galwanicznych w
jego wnętrzu. Pomijając oczywiste przypadki sinusoidalnych
przebiegów napięcia i prądu, rozpatrzenia wymagają dwa przypadki
charakterystycznych kształtów fali napięcia i prądu kondensatora
pokazane na rys. W przypadku odpowiadającym przebiegom z rys a )
wartość skuteczna prądu kondensatora przeładowanego liniowo
może być wyznaczona z zależności
I C  CU ssm
2
T
w której: Ussm - zmiana napięcia kondensatora w czasie
przeładowania t ; T - okres napięcia na kondensatorze.
W przypadku gdy przeładowanie kondensatora ma charakter
oscylacyjny, a prąd przeładowania ma ksztalt pólfali sinusoidalnej
(rys. b), obowiązuje zależność

2
IC 
2
CU ssm
T
Częstotliwość rezonansowa kondensatora fR pozwala na o kreślenie wartości indukcyjności wewnętrznej
LC = 1/4p2fR C. Na podstawie LC można określić schemat zastępczy kondensatora jako szeregowe połączenie
RLC, co w przypadku jego stosowania w obwodach służących do ograniczenia stromości narastania napięcia, a
także w obwodach rezonansowych o dużej częstotliwości, umożliwia dokładną ocenę parametrów
charakterystycznych obwodu przekształtnika.
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
8/8
P W
IS
6. Elementy LTC
ISEP-PW
Kondensatory
Kondensatory niespolaryzowane ceramiczne
EP
Inny specyficzny i niezbędny w energoelektronicznych zastosowaniach typ kondensatorów niespolaryzowanych
to kondensatory ceramiczne. Nadają się one między innymi do zastosowania przy temperaturach znacznie
wyższych niż kondensatory foliowe czy papierowe zaprezentowane powyżej. Cechuje je także bardzo mała
indukcyjność własna oraz bardzo mała stratność co oznacza że mogą być montowane we wnętrzu modułów z
strukturami półprzewodnikowymi ( np. w inteligentnych modułach mocy - IPM) by poprawić ich właściwości.
Wytwarzanie kondensatorów ceramicznych oparta jest na technologii spiekania proszków przy czym jako
dielektryk używane są spieki tlenków o wysokiej stałej dielektrycznej a metaliczne okładki - elektrody to
również wykonywane w technice proszkowej. Z punktu widzenia zastosowań w energoelektronice gdy potrzebne
są pojemności powyżej 0,1 mF użyteczne okazują się kondensatory ceramiczne wielowarstwowe (ang.
multilayer ceramic capacitors). Budowę takiego kondensatora prezentuje szkic z rysunku. Poszczególne
metaliczne elektrody są wyprowadzane naprzemian na jedną lub drugą stronę pozostając oddzielone warstwami
spiekanego ceramicznego dielektryka tworząc wielowarstwową „kanapkę”.. Maksymalna temperatura pracy jest
dużo większa niż w innych typach kondensatorów i dla wykonań specjalnych może sięgać 150 C a zatem
kondensatory ceramiczne mogą być stosowane w urządzeniach tzw „elektroniki gorącej”
Szkic obrazujący budowę wielowarstwowego
kondensatora ceramicznego 1-ceramiczne warstwy
dielektryka tworzące korpus, 2- metalizacja
tworząca okładki , 3- doprowadzenia do warstw
okładek
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
8/9
P W
IS
6. Elementy LTC
ISEP-PW
Kondensatory
Kondensatory spolaryzowane
EP
Kondensatory spolaryzowane mogą pracować tylko przy jednej polaryzacji napięcia na zaciskach, co wynika ze
specyficznej, opartej na zjawiskach elektrochemicznych, technologii wykonania okładzin i warstwy dielektryka.
Wykorzystano tu właściwość blokowania przepływu prądu w jednym kierunku przez tlenki pewnych metali, jak
aluminium lub tantal. Większe znaczenie w energoelektronice mają kondensatory elektrolityczne aluminiowe,
dla których możliwe jest uzyskanie napięć roboczych do 500 V, podczas gdy kondensatory tantalowe* pracują
przy napięciu poniżej 100 V. Główną zaletą kondensatorów spolaryzowanych jest duża wartość pojemności
uzyskiwana w jednostce objętości, dlatego stosuje się je powszechnie do filtracji i buforowego podtrzymywania
napięć stałych, uzyskiwanych przez prostowanie napięcia przemiennego.
•Kondensatory elektrolityczne tantalowe maja anodę wykonaną z proszku tantalowego o dużej powierzchni z
uwagi na porowatość. Warstewka dielektryka to pięciotlenek tantalu
Budowa kondensatorów elektrolitycznych:
a) przekrój; b) przekrój folii z warstwą
bibuły nasyconej elektrolitem 1 - obudowa,
2 - pokrywa izolacyjna, 3 - doprowadzenia,
4 - zwitek folii z bibułą nasyconą
elektrolitem, 5 - elektrolit, 6 - zawór
ciśnieniowy, 7 - folia dodatniej okładziny, 8
- bibuła nasycona elektrolitem, 9 - folia
okładziny ujemnej
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
8/10
P W
I S EP
6. Elementy LTC
ISEP-PW
Kondensatory
Kondensatory spolaryzowane - Podstawowe parametry i właściwości kondensatorów elektrolitycznych
Pojemność kondensatora jest podstawowym parametrem i określona jest zwykle z dokładnością -10 +30%.
Wartość pojemności jest zależna od temperatury i - tak jak to pokazano na rys. a) - dla niskich temperatur może
ulec zmniejszeniu o kilka do kilkunastu procent.
a)
b)
c)
Znamionowe napięcie kondensatora elektrolitycznego jest określone w wyniku technologicznego procesu
formowania warstwy dielektryka (tlenku) i ma wartość, przy której prąd resztkowy przepływający przez
kondensator pozostaje dostatecznie mały, zgodnie z wymogami technologicznymi. Napięcie to jest o
kilkanaście do kilkudziesięciu procent niższe od tzw. napięcia formowania stosowanego w procesie produkcji.
Na rysunku b) przedstawiono typową zależność pomiędzy prądem resztkowym i napięciem.
Jako typową wartość pradu resztkowego ICR, mA, określoną wzorem ICR=KRCU+3mA gdzie: KR współczynnik (KR - 0,02 mA/mF V); C - pojemność, mF; U - napięcie, V. Resztkowy prąd załączania jest
znacznie większy niż prąd resztkowy, ustalony w kondensatorze po kilkudziesięciu minutach pozostawania w
stanie polaryzacji napięciowej (rys. c)).
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
8/11
P W
I S EP
6. Elementy LTC
ISEP-PW
Kondensatory
Kondensatory spolaryzowane - Podstawowe parametry i właściwości kondensatorów elektrolitycznych
Współczynnik strat tgd jest w przypadku kondensatorów elektrolitycznych bardzo wysoki i przy częstotliwości
50 Hz wynosi, zależnie od napięcia, od 0,3 (przy niskich napięciach nominalnych) do 0,1. Przykładową
zależność tgd od częstotliwości pokazano na rys.a).
Dopuszczalna temperatura kondensatora elektrolitycznego wynosi zwykle 85 C.
Wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się prąd resztkowy, tak jak to pokazano na rys. b). W celu ograniczenia
jego wartości przy wzroście temperatury należy zmniejszyć napięcie na kondensatorze. Praca kondensatorów
elektrolitycznych w podwyższonej temperaturze obniża ich trwałość.
Impedancja kondensatora ZC odpowiada szeregowemu połączeniu pojemności, indukcyjności i rezystancji.
Typową charakterystykę częstotliwościową kondensatora elektrolitycznego przedstawiono na rys. c)
Znajomość tej charakterystyki może być konieczna w przypadku projektowania filtrów w obwodach głównych
przekształtników i w obwodach sterowania.
a)
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
b)
c)
8/12
P W
IS
6. Elementy LTC
ISEP-PW
Kondensatory
Superkondensatory
EP
Superkondersatory należą do rodziny spolaryzowanych kondensatorów elektrolitycznych. Występują
również w ich budowie pewne podobieństwa do klasycznych „elektrolitów” polegające na tym, że uzyskanie
wielkich pojemności jest głównie związane z bardzo rozwiniętą powierzchnią okładki, uzyskaną przez porowatą
strukturę jednej z elektrod. Dla pełnego wykorzystania takiej powierzchni druga z elektrod musi mieć
konsystencję płynną i jest nią elektrolit. Przy polaryzacji okładzin napięciem po obu stronach powierzchni
aktywnej elektrod gromadzą się jony i ładunki przeciwnego znaku. O ile nie zostanie przekroczona pewna
wartość napięcia nie występuje rekombinacja ładunku i powstaje układ odpowiadający kondensatorowi. Z uwagi
na bardzo małą odległość pomiędzy elektrodami tworzonymi przez powierzchnie ładunku jonów w elektrolicie i
przylegającymi ładunkami w elektrodzie stałej można przy wielkiej powierzchni tej elektrody uzyskać ogromne
wartości pojemności. . Powstały w wyniku polaryzacji elektrod układ elektryczny odpowiada stanowi
zobrazowanemu na schemacie z rysunku . Charakterystyczna obecność dwóch warstw ładunku tworzących się
stronach aktywnej powierzchni obu elektrod połączonych z doprowadzeniami powoduje, że mamy do czynienia
z układem dwóch szeregowo połączonych pojemności tak jak przedstawia ten typ kondensatorów jest określany
mianem dwuwarstwowych ( ang. electrochemical double layer ). Maksymalne napięcie pomiędzy warstwą jonów
Materia aktywna na bazie
węgla aktywnego
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
elektrody
warstwa
elektrolit
izolująca
z wyprowadzeniami
zgromadzonych na powierzchni każdej z elektrod
a ładunkiem wewnętrznym elektrody, przy
którym nie rozpoczyna się proces elektrolizy - a
tylko taki stan jest dopuszczalny - zależy od
rodzaju elektrolitu. Warunkiem uzyskania
wielkiej pojemności superkondensatorów jest
zastosowanie technologii materiałowych
zapewniających uzyskanie niezwykle rozwiniętej
powierzchni elektrod.
8/13
P W
I S EP
ISEP-PW
Kondensatory
6. Elementy LTC
Superkondensatory
Podstawową wadą superkondensatorów jest niewielka wartość napięcia dopuszczalnego dla
pojedynczego ogniwa. Podstawową techniką budowania baterii na wyższe napięcia jest
technika łączenie szeregowe niskonapięciowych ogniw. Biorąc pod uwagę fakt, że
uzyskiwane w procesie technologicznym pojemności pojedynczych ogniw cechuje duży
rozrzut (-20...+50)% należy oczekiwać nierównomiernego rozkładu napięć na poszczególnych
ogniwach. Jeżeli najwyższe napięcie kondensatora nie może przekroczyć wartości nominalnej
to jednostki o większej pojemności zostaną po zakończeniu procesu ładowania na napięciu
mniejszym od nominalnego i potencjalna pojemność energetyczna całej baterii nie zostanie
wyzyskana. Na rys.3.215 przedstawiono przykładowo schemat ilustrujący na przykładzie 3
kondensatorów ogólną zasadę wyrównywania napięcia. Jak wynika ze schematu każda para
sąsiednich kondensatorów jest skojarzona poprzez dwukierunkowy przekształtnik obniżającopodwyższający ( ang. buck-boost). Struktura taka pozwala na przekazywanie energii
pomiędzy parami sąsiadujących ze sobą kondensatorów (np. C1 i C2, bądź odwrotnie),
niezależnie od napięć występujących na nich. Przekształtnik P1 pozwala przekazywać energię
pomiędzy kondensatorami C1 i C2, natomiast przekształtnik P2 – pomiędzy C2 i C3. Metoda
ta może być rozszerzona na wielką liczbę szeregowo połączonych ogniw.
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
8/14