Выбор электродвигателя Моделирование и анализ электронных схем Основы электротехники Методические указания Основы электроники Лабораторные работы Основы теории цепей

Расчетное задание Элементы проектирования электропривода

Особенности применения электролитических конденсаторов в выпрямительных устройствах

При проектировании устройств электропитания схема фильтра и его параметры определяются исходя из требования сглаживания пульсаций выходного напряжения выпрямителя. На практике в фильтрах выпрямительных устройств наибольшее применение нашли электролитические конденсаторы (ЭК). Электролитические конденсаторы обладают относительно высокими удельными емкостями   и удельными зарядами  [14], здесь  и  - соответственно объем конденсатора, его масса и стоимость. Чаще всего на практике в силовых устройствах применяются алюминиевые электролитические конденсаторы (АЭК). Их основными зарубежными производителями (см. список интернет-ресурсов) в настоящее время являются - Hitachi, Evox Rifa, EPCOS, Hitano и др.

По исполнению алюминиевые ЭК выпускаются в основном трех типов:

- с выводами под винт (в англоязычной терминологии – screw terminals);

- с выводами “с защелкиванием” (в англоязычной терминологии – snap-in terminals), обычно предусматривают установку ЭК на печатную плату;

- стандартные двухвыводные (single-ended).

Габаритные размеры ЭК обычно указываются в документации в виде DхL, где D (мм) - диаметр и L (мм) - длина ЭК [15].

Cтандартный ряд номинальных рабочих напряжений  (в англоязычной терминологии - working voltage, W.V.) на ЭК фирмы Hitachi [15] приведен в таблице 1.2 (до 500 В). Однако иногда у этого и других производителей встречаются серии на “промежуточные” рабочие напряжения, например – 75 В, 315 В, 420 В и т.д.

Таблица 1.2.

W.V.

6,3

10

16

25

35

50

63

80

100

160

180

200

250

350

400

450

500

S.V.

8

13

20

32

44

63

79

100

125

200

225

250

300

400

450

500

550

Также в таблице 1.2 указаны предельные напряжения (в англоязычной терминологии - surge voltage, S.V.), которые способны выдержать ЭК (с соответствующими ) в течение 30 сек согласно зарубежному стандарту JIS C5141.

Большинство выпускаемых ЭК имеют допускаемые отклонения емкости ±20% (M), реже встречаются серии с допусками: ±15% (GH), ±10% (K), ±5% (J), ±3% (H), -10 ~ +50% (T), -10 ~ +100% (W) [14, 15].

Конденсаторы в составе ФУ находятся под воздействием как постоянной составляющей , так и пульсирующей составляющей  напряжения. Известно [8, 14], что при эксплуатации конденсатора необходимо выполнять во всех режимах работы следующие условия:

- сумма постоянного напряжения и амплитуды переменной составляющей не должна превышать номинального напряжения конденсатора

 ≥  +

- амплитуда переменного напряжения  не должна превышать значения напряжения, рассчитанного исходя из допустимой реактивной мощности конденсатора. В большинстве отечественных технических справочниках [14] на конденсаторы приводятся номограммы для определения допустимой пульсации  при определенной частоте.

Помимо указанных требований важно обеспечить нормальный тепловой режим конденсатора ФУ, так как его несоблюдение является одной из основных причин отказов конденсаторов.

Реактивная мощность конденсатора на переменном напряжении (токе) равна произведению напряжения  определенной частоты f, приложенного к конденсатору, на силу тока , проходящего через него, и на синус угла сдвига фаз φ между ними:

  (1.9.1)

Ток, протекающий через идеальный конденсатор, определяется его емкостным сопротивлением:

,

где ω = 2πf - угловая частота. С учетом этого формула (1.9.1) может быть приведена к известному виду [14]:

  (1.9.2)

Для идеального конденсатора угол сдвига фаз φ = -90º, поэтому  = -1.

Реактивная мощность, на которую нагружается конденсатор, не должна превышать допустимого значения, которое и определяет величину допустимой пульсации   при определенной частоте f.

В схему замещения реального конденсатора входят [16] включенные последовательно: идеальный конденсатор С, эквивалентная последовательная индуктивность  (equivalent series inductance) и эквивалентное последовательное сопротивление  (equivalent series resistance). Активное сопротивление  включает сопротивление выводов, контактного узла и сопротивления обкладок и учитывает все внутренние потери в конденсаторе и его тепловой режим. Также параллельно емкости С может быть включен резистивный элемент, учитывающий ток утечки конденсатора (leakage current).

В такой схеме замещения угол сдвига фаз φ близок к 90º, а   ≈ 1 (знак минус здесь и далее опускаем). При расчетах реальных конденсаторов применяется угол δ = (90º - φ), называемый углом потерь, который дополняет до 90º угол сдвига фаз (φ + δ) = 90º [14]. Можно показать, что

 , (1.10)

Таким образом, активная мощность потерь в конденсаторе [8]:

, (1.11)

т.е. тангенс угла потерь δ (tangent of loss angle или dissipation factor) характеризует потери энергии в конденсаторе. Для каждой серии конденсаторов указывается максимальное значение tgδ, которое, если не оговаривается особо, измеряется на частоте 100 (120) Гц при 20º C.

 Модуль полного комплексного сопротивления реального конденсатора, исходя из схемы замещения (без учета тока утечки), на частоте f переменного напряжения (тока) [14]:

 Для примера на рис. 1.13 приведены зависимости модуля полного комплексного сопротивления от частоты f ЭК серии B41231 [17].

Схема замещения реального конденсатора представляет собой последовательный резонансный контур, для которого условие резонанса:

, при этом

и резонансная частота конденсатора:

  (1.12)

На частотах ниже резонансной полное комплексное сопротивление конденсатора носит емкостной характер, на частотах выше резонансной – индуктивный. Конденсатор работает эффективно только на частотах [8]:

  (1.13)

Для ЭК разных серий резонансная частота лежит в диапазоне от нескольких кГц до МГц. Так для примера на рис. 1.13  для ЭК серии B41231 составляет порядка 10 кГц. Зная резонансную частоту и емкость ЭК можно определить .

1_10

Рис. 1.13. Зависимости модуля полного комплексного сопротивления от частоты f ЭК серии B41231 (EPCOS AG 2008).

Угол сдвига фаз φ можно определить согласно

,

взяв tg от левой и правой части этого уравнения и учтя, что , придем к выражению:

 или .

С учетом соотношения (1.13) будем считать, что характер реактивного сопротивления чисто емкостной ( >> ) [14], тогда придем к еще одной важной формуле для определения тангенса угла потерь δ [15]:

 (1.14)

Эффективным способом увеличения резонансной частоты и уменьшения   является параллельное подключение к электролитическому конденсатору другого конденсатора – керамического или пленочного небольшой емкости, но имеющего значительно большую резонансную частоту. Пульсация на выходе такой пары конденсаторов уменьшается по сравнению с включением только одного электролитического конденсатора [8].

 Если известно действующее значение тока , протекающего через конденсатор, то мощность потерь [8, 16]:

 (1.15)

Диапазон значений  выпускаемых ЭК лежит в пределах от нескольких мОм до Ом. Исследования показывают, что в области рабочих температур от 20˚С до 85˚С величина  меняется незначительно от номинальной (в пределах 30-50%) в сторону уменьшения. При температурах от 0˚С и ниже величина   существенно возрастает, что является одной из причин повышения пульсации напряжения на выходе ФУ при пониженной температуре окружающей среды. Высокими значениями , как правило, обладают ЭК серий с повышенной перегрузочной способностью к перенапряжениям, например серии SS2 и SS3 Overvoltage Resistance фирмы Hitachi [15].

В случае сложного спектрального состава тока, протекающего через конденсатор, для каждой гармоники  принимает свое значение и для вычисления полной мощности потерь необходимо суммировать потери от каждой гармоники [16]:

 (1.16)

где  - действующее значение i-ой гармоники тока,  - величина эквивалентного сопротивления для i-ой гармоники. Допустимая мощность потерь определяется допустимой температурой нагрева конденсатора и его тепловым сопротивлением.

Проектированием и конструированием занимаются в специальных организациях: проектных институтах, проектно-конструкторских и конструкторских бюро (ПКБ и КБ) и т.п. На некоторых предприятиях могут быть собственные КБ. Создаваемые в КБ узлы и детали должны быть взаимозаменяемыми, унифицированными, технологичными, а само изделие - соответствовать требованиям надежности, экономичности, безопасности и технической эстетики
Вернуться на главную сайта