لم تتغير مجموعة متنوعة من أنواع المكثفات كثيرًا خلال السنوات الأخيرة ، لكن التطبيقات بالتأكيد. في هذه المقالة ، ننظر إلى كيفية استخدام المكثفات في إلكترونيات الطاقة ومقارنة التكنولوجيا المتاحة. المكثفات السينمائية تظهر مزاياها في التطبيقات القادمة مثل المركبات الكهربائية ، تغيير طاقة الطاقة الأصلية ، و المحولات في محركات الأقراص . ومع ذلك ، لا تزال الكهربيات الألومنيوم (AL) مهمة عندما تكون كثافة تخزين الطاقة هي الشرط الرئيسي.
al electrolitic أو مكثف فيلم؟
من السهل رفضه al electrolytics كتكنولوجيا الأمس ، ولكن التمايز في الأداء بينها وبين بديل الفيلم ليس واضحًا دائمًا. فيما يتعلق بكثافة الطاقة المخزنة ، أي جول/سم مكعب ، فهي لا تزال متقدمة على المكثفات السينمائية القياسية ، على الرغم من المتغيرات الغريبة مثل البلورة العالية المجزأة البولي بروبيلين المعدني قابلة للمقارنة. أيضا ، الحفاظ على lectrolytics تصنيف تموجها في درجات حرارة أعلى أفضل من المكثفات الأفلام المتنافسة. حتى قضايا الحياة والموثوقية المتصورة ليست ذات أهمية كبيرة عندما يتم اشتقاق المنحلال الكهربائية بشكل مناسب. لا تزال المنحلال الكهربائية جذابة للغاية حيث يلزم ركوب جهد حافلة DC على انقطاع التيار الكهربائي دون احتياطي للبطارية. على سبيل المثال ، عندما تكون التكلفة عاملاً قيادة ، يكون من الصعب بشكل خاص توقع المكثفات الأفلام التي تتولى من المكثفات السائبة في إمدادات الطاقة خارج الخط.
يفوز الفيلم بعدة طرق
تتمتع المكثفات السينمائية بعدة مزايا مهمة على المكثفات الأخرى: يمكن أن تكون تقييمات مقاومة السلسلة المكافئة (ESR) أقل بشكل كبير ، مما يؤدي إلى معالجة أفضل بكثير. إن تصنيفات الجهد المتفوق أيضًا ، وربما الأهم من ذلك ، يمكن لكثف الأفلام أن يتمكنوا
الشكل 1 خصائص فيلم مكثف.
الشكل 2 تباين DF مع درجة حرارة فيلم البولي بروبيلين.
بعد التوتر ، مما يؤدي إلى موثوقية نظام أفضل وعمر. ومع ذلك ، فإن القدرة على الانفجار الذاتي تعتمد على مستوى الإجهاد ، وقيم الذروة ، ومعدل التكرار. بالإضافة إلى ذلك ، لا يزال الفشل الكارثي في نهاية المطاف ممكنًا بسبب ترسب الكربون والأضرار الجانبية الناتجة عن قوس البلازما المتولد أثناء تطهير الأعطال. تتطابق هذه الخصائص مع التطبيقات الحديثة لتحويل الطاقة في السيارات الكهربائية وأنظمة الطاقة البديلة حيث لا يوجد حاجة إلى انقطاع مع قمم التموج التردد الخطية. المطلب الرئيسي هو القدرة على الحصول على وحمام تيارات تموج عالية التردد والتي قد تصل إلى المئات إن لم يكن الآلاف من الأمبير مع الحفاظ على الخسائر المقبولة والموثوقية العالية. هناك أيضًا حركة إلى فولتية الحافلات الأعلى لتقليل الخسائر الأومية عند مستويات الطاقة المعطاة. قد يعني هذا اتصال سلسلة من الإلكتروليتيك مع تصنيف الجهد القصوى المتأصل حوالي 550 فولت. لتجنب اختلال الجهد ، قد يكون من الضروري اختيار المكثفات باهظة الثمن مع قيم متطابقة واستخدام مقاومات موازنة الجهد مع خسائرها المرتبطة بها وتكلفة.
إن مشكلة الموثوقية ليست واضحة ، على الرغم من أنه في ظل الظروف الخاضعة للرقابة ، فإن الإلكتروليطات قابلة للمقارنة مع أفلام الطاقة ، مما يعني أنها ستعمل عادة على تحمل 20 ٪ فقط من الجهد الزائد قبل حدوث الضرر. في المقابل ، يمكن لمكثفات الأفلام الصمود ربما 100 ٪ من الجهد الزائد لفترات محدودة. عند الفشل ، يمكن للكهربائيات القصر والانفجار ، مما يؤدي إلى أسفل ضفة كاملة من السلسلة/المكونات المتوازية مع إفرازات كهربائية خطرة. يمكن لمكثفات الأفلام أيضًا أن تكون موثوقية النظام في ظل الظروف الأصلية للإجهاد العرضي مختلفًا تمامًا بين النوعين. كما هو الحال مع جميع المكونات ، يمكن لمستويات الرطوبة المرتفعة أن تحلل أداء مكثف الأفلام ، وبالنسبة لأفضل موثوقية ، يجب التحكم في ذلك بشكل جيد. هناك تمييز عملي آخر هو سهولة تصاعد المكثفات الأفلام - فهي متوفرة في مرفقات الصندوق المستطيلة المعزولة والفعالة من الناحية الحجرية مع مجموعة متنوعة من خيارات الاتصال الكهربائية ، من أطراف المسمار إلى العروات ، وأشرطة الحافلات ، مقارنة مع العلب المعدنية المستديرة النموذجية للكهرباء. يعطي الفيلم العازلة غير القطبية تركيبًا عكسيًا ويسمح بالاستخدام في التطبيقات التي يتم تطبيق AC ، كما هو الحال في ترشيح العاكس والمخرجات.
بالطبع ، هناك العديد من أنواع العزل الكهربائية المكثفة المتاحة ، ويعطي الشكل 1 ملخصًا لأدائها المقارن [1]. يعد فيلم البولي بروبيلين هو الفائز العام عندما تكون الخسائر والموثوقية تحت الضغط هي الاعتبارات الرئيسية بسبب انخفاض DF وانهيار عازلة عالية لكل وحدة سمك. يمكن أن تكون الأفلام الأخرى أفضل لتصنيف درجة الحرارة والسعة/الحجم ، مع ثوابت عازلة أعلى وتوافر أفلام أرق ، وفي الفولتية المنخفضة ، لا يزال البوليستر شائعًا. DF مهم بشكل خاص ومحدد على أنه تفاعل ESR/السعة ، وعادة ما يتم تحديده عند 1 كيلو هرتز و 25 درجة مئوية. ينطوي DF المنخفض مقارنةً بعزل الإلكترونية الأخرى على انخفاض التسخين وهو وسيلة لمقارنة الخسائر لكل ميكروفاراد. DF يختلف قليلاً مع التردد ودرجة الحرارة ، لكن البولي بروبيلين يؤدي بشكل أفضل. يوضح الشكلان 2 و 3 المؤامرات النموذجية.
هناك نوعان رئيسيان من الإنشاءات المكثفة للأفلام التي تستخدم الرقائق والمعادن المودعة ، كما هو موضح في الشكل 4. يتم استخدام رقائق معدنية تقريبًا حوالي 5 نانومتر بين الطبقات العازلة لقدرتها على الذروة العالية ، لكنها لا تُعرف ذاتيًا بعد الإجهاد. يتكون الفيلم المعدني بواسطة فراغ وعادة ما يودع AL عند 1200 درجة مئوية على الفيلم إلى سمك ما يقرب من 20 إلى 50 نانومتر مع درجة حرارة الفيلم تتراوح من -25 إلى -35 درجة مئوية ،
الشكل 3 تباين DF مع تواتر فيلم البولي بروبيلين.
الشكل 4 بناء مكثف الفيلم
على الرغم من أنه يمكن أيضًا استخدام سبائك الزنك (Zn) و Al-Zn. تتيح هذه العملية الشفاء الذاتي ، حيث تسبب الانهيارات في أي نقطة في جميع أنحاء العازلة تسخينًا مكثفًا محليًا ، وربما تصل إلى 6000 درجة مئوية ، مما تسبب في تشكيل بلازما. يتم تبخير المعادن حول قناة الانهيار ، مع التوسع السريع للبلازما الذي يخوّل التفريغ ، الذي يعزل العيب ويترك المكثف يعمل بالكامل. الحد من السعة هو الحد الأدنى ولكنه إضافي بمرور الوقت ، مما يجعله مؤشرًا مفيدًا لشيخوخة المكون.
تتمثل إحدى الطرق الشائعة لمزيد من تعزيز الموثوقية في تقسيم المعادن على الفيلم إلى مناطق ، وربما الملايين ، مع بوابات ضيقة تغذية التيار في الأجزاء والتصرف كصمامات للحمل الزائد. يقلل تضييق المسار الحالي الكلي للمعادن من معالجة الذروة الحالية للمكون ، لكن هامش السلامة الإضافي الذي تم تقديمه يسمح للمكثف بتصنيفه بشكل مفيد في الفولتية العليا.
تبلغ قوة البولي بروبيلين الحديثة قوة عازلة تبلغ حوالي 650 فولت/ميكرون ، وهي متوفرة بسماكة حوالي 1.9 ميكرون وما فوق ، لذلك يمكن تحقيق تصنيفات الجهد المكثف حتى عدة كيلو فولت بشكل روتيني ، مع بعض الأجزاء التي تم تصنيفها عند 100 كيلو فولت. ومع ذلك ، في الفولتية العليا ، تصبح ظاهرة التفريغ الجزئي (PD) ، والمعروفة أيضًا باسم تفريغ الإكليل ، عاملاً. PD هو انهيار الجهد العالي للميكروفويدات في الجزء الأكبر من المواد أو في فجوات الهواء بين طبقات المواد ، مما يسبب دائرة قصيرة جزئية من المسار العازلة الكلي. PD (تفريغ كورونا) يترك أثرًا طفيفًا للكربون ؛ التأثير الأولي غير ملحوظ ولكن يمكن أن يتراكم بمرور الوقت حتى يحدث انهيار إجمالي وفجور للعزل الضعيف تتبع الكربون. يتم وصف التأثير من خلال منحنى Paschen ، كما هو موضح في الشكل 5 ، وله بداية مميزة وجهد الانقراض. يوضح الشكل نقاط قوة الحقل مثالين. من المحتمل أن تنتج النقاط فوق منحنى Paschen ، A انهيار PD.
الشكل 5 منحنى Paschen ومثال قوة المجال الكهربائي.
لمواجهة التأثير ، يتم تشريب المكثفات ذات التصنيف العالي الجهد للغاية لاستبعاد الهواء من واجهات الطبقة. تميل أنواع الجهد المنخفض إلى مملوءة بالراتنج ، مما يساعد أيضًا على المتانة الميكانيكية. حل آخر هو تكوين المكثفات سلسلة في علب واحدة ، مما يقلل بشكل فعال من انخفاض الجهد عبر كل منها إلى أقل بكثير من جهد البدء. PD هو تأثير بسبب كثافة المجال الكهربائي ، وبالتالي فإن زيادة سمك العزل الكهربائي لتقليل التدرج الجهد أمر ممكن دائمًا ولكنه يزيد من الحجم الكلي للمكثف. هناك تصاميم مكثفات تجمع بين الرقائق والمعادن لتوفير حل وسط بين القدرة على الذروة الحالية والشفاء الذاتي. يمكن أيضًا تصنيف المعادن من حافة المكثف بحيث تعطي المواد الأكثر سمكًا عند الحواف معالجة تيار أفضل وإنهاء أكثر قوة عن طريق اللحام أو اللحام ، ويمكن أن يكون التقدير مستمرًا أو متدفقًا.
ربما يكون من المفيد التراجع عن خطوة إلى الوراء ومراقبة كيف يكون استخدام المكثفات الإلكترونية مفيدًا. أحد الأمثلة على ذلك في محول مكون من 90 ٪ ، و 1 كيلوواط خارج الخط مع واجهة أمامية مصححة من طاقة ، وتحتاج إلى ركوب 20 مللي ثانية ، كما هو موضح في الشكل 6. سيكون له عادة ناقل DC داخلي مع الجهد الاسمي ، VN ، من 400 V و Propting Voltage ، VD ، من 300 فولت ، أسفل تنظيم الإخراج.
يوفر المكثفات C1 بالجملة الطاقة للحفاظ على طاقة الإخراج الثابتة خلال الوقت المحدد للركوب حيث ينخفض جهد الحافلة من 400 إلى 300 فولت بعد انقطاع التيار الكهربائي. من الناحية الرياضية ، po t/h = 1/2 c (vn²-vd²) أو c = 2*1000*0.02/0.9*(400²-300²) = 634nf عند تصنيف 450 فولت.
لو المكثفات الإلكترونية يتم استخدامها ، ثم تؤدي المعادلة إلى حجم مطلوب يبلغ حوالي 52 سم 3 (على سبيل المثال ، 3 في 3) ، على سبيل المثال ، إذا كان TDK-EPCOS يتم استخدام سلسلة B43508. في المقابل ، ستكون المكثفات السينمائية كبيرة بشكل غير عملي ، والتي تتطلب ربما 15 بالتوازي في إجمالي حجم 1500 سم 3 (على سبيل المثال ، 91 في 3) إذا تم استخدام سلسلة TDK-EPCOS B32678. الفرق واضح ، لكن الاختيار سيتغير إذا كان المكثف يحتاج إلى التحكم في جهد تموج على خط DC. خذ مثالًا مشابهًا حيث يكون الجهد 400-V للحافلة من البطارية ، وبالتالي فإن التمسك غير مطلوب. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى تقليل تأثير التموج ، على سبيل المثال ، متوسط الجذر 4 فولت (RMS) من 80 A RMS عالية التردد النبضات التي اتخذتها محول المصب عند 20 كيلو هرتز. يمكن أن يكون هذا تطبيقًا كهربائيًا ، ويمكن تقريب السعة من C = IRMS/Vrippe.2.π.f = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF عند تصنيف 450 فولت.
الشكل 6 المكثف لركوب من خلال (تعليق). HVDC: عالية الجهد العاصمة.
قد يكون للإنحلال عند 180 µF ، 450 فولت تصنيفًا تموجًا يبلغ 3.5 فقط للـ RMS عند 60 درجة مئوية ، بما في ذلك تصحيح التردد (سلسلة EPCOS B43508). وهكذا ، ستكون هناك حاجة إلى 80 أ ، 23 مكثفًا بالتوازي ، مما ينتج عنه 4،140 µF غير الضروري مع حجم إجمالي قدره 1200 سم 3 (أي ، 73 في 3). هذا يتوافق مع تصنيف تموج 20 مللي أمبير/µF في بعض الأحيان للكهرباء. إذا تم النظر في المكثفات السينمائية ، الآن ، أربعة فقط بالتوازي مع EPCOS B32678 تعطي السلسلة تصنيفًا 132-A RMS Ripple Current في حجم 402 سم 3 (على سبيل المثال ، 24.5 في 3). إذا كانت درجة الحرارة مقصورة على ، على سبيل المثال ، أقل من 70 درجة مئوية ، لا يزال من الممكن اختيار حجم الحالة الأصغر. حتى لو اخترنا الإلكتروليتيك على أسس أخرى ، فإن السعة الزائدة قد تسبب مشاكل أخرى ، مثل التحكم في الطاقة في تيار inrush. بالطبع ، في حالة حدوث الجهد الزائد العابر ، ستكون مكثفات الفيلم أكثر قوة بكثير في التطبيق. مثال على ذلك سيكون في قوة للضوء ، حيث يتسبب اتصال متقطع في المسلن في الجهد الزائد على اتصال DC-Link.
هذا المثال نموذجي للعديد من البيئات اليوم ، كما هو الحال في أنظمة إمدادات الطاقة غير المنقطعة ، والرياح والطاقة الشمسية ، واللحام ، والمزولات المرتبطة بالشبكة. يمكن تلخيص اختلافات التكلفة بين الأفلام والكهرباء في الأرقام المنشورة في عام 2013 [2]. يمكن العثور على التكاليف النموذجية لـ DC-BUS من 440 VAC المصححة في الجدول 1.
التطبيقات الأخرى مخصصة لتفكك و دوائر snubber في المحولات أو العولات. هنا ، يجب استخدام بناء الأفلام/الرقائق إذا سمح الحجم ، حيث تتطلب الأنواع المعدنية خطوات تصميم وتصنيع خاصة. مع فصلك عن الفصل ، يتم وضع المكثف عبر ناقل DC لتوفير مسار محاثة منخفضة لتيارات التردد العالية ، وعادة ما يكون 1 µF لكل 100 A. بدون المكثف ، يدور التيار من خلال حلقات التنسيق العالي ، مما يسبب الفولتية العابرة (VTR) وفقًا لما يلي: vtr = -ldi/dt.
مع وجود تغييرات الحالية من 1000 A/µs ممكنة ، يمكن أن ينتج عن عدد قليل من النانو من الحث فولتية كبيرة. يمكن أن يكون لآثار لوحة الدائرة المطبوعة حثًا على حوالي 1 NH/MM ، مما يوفر ، وبالتالي ، حوالي 1 VTR/MM في هذا الموقف. وبالتالي ، من المهم أن تكون الاتصالات قصيرة قدر الإمكان. للتحكم في DV/ DT عبر المفاتيح ، يتم وضع المكثف وشبكة المقاوم/ الصمام الثنائي بالتوازي مع IGBT أو MOSFET (الشكل 7).
هذا يبطئ الرنين ، يتحكم في التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) ، ويمنع التبديل الزائف بسبب ارتفاع
الشكل 7 التبديل snubbing. الشكل 8 المكثفات الفيلم كما قمع EMI. الشكل 9 المكثفات السينمائية في تصفية محرك السيارات EMC.
DV/DT ، وخاصة في IGBTs. غالبًا ما تجعل نقطة البداية سعة snubber تقريبًا ضعف مجموع سعة الإخراج والتصاعد ، ثم يتم اختيار المقاوم لرطبة أي رنين بشكل نقدي. تمت صياغة أساليب التصميم المثلى.
غالبًا ما يتم استخدام المكثفات البولي بروبيلين المصنفة على السلامة عبر خطوط الطاقة لتقليل الوضع التفاضلي EMI (الشكل 8). قدرتهم على تحمل الجهد المباشر العابر والخلط الذاتي أمر بالغ الأهمية. يتم تصنيف المكثفات في هذه المواقف على أنها X1 أو X2 ، والتي يمكنها تحمل عابرة 4 و 2.5 كيلو فولت ، على التوالي. غالبًا ما تكون القيم المستخدمة في Microfarads لتحقيق الامتثال لمعايير التوافق الكهرومغناطيسي النموذجي (EMC) عند مستويات الطاقة العالية. يمكن أيضًا استخدام المكثفات من النوع Y في مواقع خط إلى الأرض لتخفيف ضوضاء الوضع الشائع حيث تكون قيمة PACITANCE محدودة بسبب الاعتبارات الحالية للتسرب (الشكل 8). تتوفر إصدارات Y1 و Y2 للتقييمات العابرة 8 و 5 كيلو فولت ، على التوالي. محثفات اتصال منخفضة من المكثفات الأفلام كما تساعد في الحفاظ على رواد الذات عالية.
يتمثل التطبيق المتزايد للمكثفات غير المستقطبة في تكوين مرشحات تمرير منخفضة مع محاثات السلسلة لتخفيف التوافقيات عالية التردد في ناتج AC للمحركات والمزولات (الشكل 9). غالبًا ما يتم استخدام المكثفات البولي بروبيلين لموثوثتها ، وتصنيف الجروح العالي تموج ، وكفاءة حجمية جيدة في التطبيق ، وغالبًا ما يتم تعبئة المحاثات والمكثفات معًا في وحدة واحدة. غالبًا ما تكون الأحمال مثل المحركات بعيدة عن وحدة محرك الأقراص ، ويتم استخدام المرشحات لتمكين الأنظمة لتلبية متطلبات EMC وتقليل التوتر على الكابلات والمحركات من مستويات DV/DT المفرطة .
