ПЛёНОЧНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ AVX/ТРС Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Пленочные конденсаторы

AVX/ТРС

Несмотря на бурное развитие и совершенствование активной элементной базы и постоянное повышение степени интеграции электронных компонентов, пассивная элементная база по-прежнему остается важным элементом любого электронного устройства, от качества, технических характеристик и надежности которого зависят параметры устройства в целом. В настоящей статье предлагается краткий обзор одного из представителей пассивной элементной базы — пленочных конденсаторов известного производителя AVX/TPC.

Марина САМОЙЛОВА

[email protected]

Завод компании ТРС по производству пленочных конденсаторов находится в окрестностях старинного французского города Дижона. TPC (бывшая Tomson Passive Components, ранее — LCC) с 1997 года принадлежит корпорации AVX. На сегодняшний день ТРС занимает лидирующие позиции на рынке мощных пленочных конденсаторов для преобразовательной техники, где доля ТРС составляет 23%, в том числе для железнодорожного транспорта — 24% (среди постоянных заказчиков продукции компании ТРС такие производители, как Alstom, Bombardier, Siemens, ABB, Ansaldo, STIB, SNCB, Hyundai). Отметим также, что в последнее время весьма активно развивается рынок ветроэнергетики, где ТРС по праву занимает одно из первых мест.

Практически в любом электронном устройстве присутствует ряд пассивных компонентов, поэтому область их применения чрезвычайно широка. Классификация по областям применения для пленочных конденсаторов:

• Промышленность:

- ветрогенераторы;

- электроприводы;

- активная коррекция;

- HVDC;

- электротранспорт;

- гибридный транспорт;

- индукционный нагрев;

- зарядные устройства;

- детектор повреждения кабеля;

- вспышки;

- источники питания;

- фрагментация камней;

- подстанции;

- сварочные аппараты.

• Медицина:

- резонансные источники питания;

- дефибрилляторы.

• Транспорт:

- электроавтобусы;

- трамваи;

- метро;

- электропоезда;

- локомотивы;

- высокоскоростные поезда.

• Запасные части.

• Военные применения и научные исследования:

- электромагнитные пушки;

- высоковольтные источники питания;

- мощные лазеры.

Весь спектр пленочных конденсаторов ТРС можно разделить на конденсаторы малой, средней и высокой мощности. Конденсаторы средней мощности производят по сухой технологии, конденсаторы высокой мощности обычно являются маслонаполненными, все они изготовлены в соответствии с технологией управляемого самовосстановления, разработанной специалистами компании еще в 1979 году. Фильтровые конденсаторы составляют порядка 70% объема выпускаемой продукции. В каталогах представлены типовые решения, дающие заказчику ориентир для выбора, там же есть форма для заполнения — техническое задание для ТРС. Здесь можно указать требования по электрическим, температурным характеристикам, желаемые размеры и условия размещения, оговорить схему включения. Такой подход позволяет разработчикам ТРС думать не о конденсаторе как таковом, а о выполняемой им функции, и это подчас минимизирует количество требуемых конденсаторов, объем и, конечно, затраты. Как правило, имеется возможность получить предложение, наиболее полно удовлетворяющее требованиям поставленной задачи. Порядка 80-85% выпускаемых конденсаторов являются заказными. Например, в линейке продукции имеются конденсаторы с фронтальным расположением выводов, с водяным охлаждением, а также для работы в перевернутом положении.

Пленочные конденсаторы высокой мощности

Особый интерес представляют конденсаторы высокой мощности FIM — фильтровые TRAFIM, CAPAFIM, FILFIM и разрядные DISFIM. В 1988 году для фильтров постоянного тока на базе технологии управляемого самовосстановления были разработаны конденсаторы серии TRAFIM (polypropylene Film, Impregnated and Metallized with Aluminium — из полипропиленовой пленки, металлизированной алюминием, наполненные рапсовым маслом), обладающие сверхвысокой плотностью и, соответственно, наименьшими габаритами. Использование рапсового масла вместо газа на порядки снижает вероятность пробоя. С 1990 года выпущено более 103 000 конденсаторов, отработавших свыше 3 миллиардов часов без единого катастрофического отказа! Рассмотрим эти устройства подробнее.

Фильтровые конденсаторы FIM

Пример внешнего вида такого конденсатора показан на рис. 1.

Особенности фильтровых конденсаторов:

• Диапазон емкостей 2,6-15 600 мкФ.

• Рабочее напряжение на постоянном токе 1,2-100 кВ.

• Тестовое напряжение между выводами —

1,5 Un в течение 10 с.

• Срок службы при номинальном напряжении и максимально допустимой температуре корпуса 100 000 часов.

• Максимальная температура корпуса до +85 °С.

• Стандартное значение максимального тока 255 А.

• Низкоиндуктивное исполнение до 40 нГн.

• Высокая плотность энергии — до 500 Дж/л (500-30 кДж на конденсатор).

Рис. 1. Внешний вид фильтровых конденсаторов FIM

• Корпус из нержавеющей стали (по заказу возможен алюминиевый).

Область использования фильтровых конденсаторов FIM:

• Системы управления электроприводом:

- электропоездов;

- локомотивов;

- высокоскоростных поездов;

- судов;

- ветрогенераторов;

- насосов.

• Промышленные применения:

- защита ЛЭП от помех потребителей энергии (например, мощное сталелитейное производство);

- подстанции в метро и других аналогичных объектах.

Конденсаторы соответствуют требованиям следующих стандартов:

• IEC 61071. Конденсаторы силовые электронные: Общие положения и Требования к испытаниям на разъединение предохранителей, к испытаниям на разрушение, к испытаниям на самовосстановление и к испытаниям на долговечность.

• IEC 61881. Оборудование для подвижного состава железных дорог. Конденсаторы для силовой электроники.

• EN 61373. Транспорт железнодорожный. Оборудование для подвижного состава. Испытания на вибрацию и удар.

• IEC 60077. Оборудование электротяговое.

• IEC 60068-2-11. Испытания на воздействие внешних факторов. Соляной туман.

• IEC 60068-2-3. Испытания на воздействие внешних факторов. Влажное тепло, постоянный режим.

Необходимо отметить, что маслонаполненные конденсаторы FIM отлично работают при низких отрицательных температурах (до -60 °С). Использование в качестве наполнителя рапсового масла существенно улучшает диэлектрические свойства, никаких проблем в связи с отвердеванием (желировани-ем) масла не наблюдалось. Проведенные испытания на прочность (напряжение 1,4 Un при температурах -40 и -55 °С, в том числе

для перевернутого конденсатора), а также тер-моциклирование показали возможность работы конденсаторов при -55 °С в течение 100 000 часов. Этот факт приобретает особую актуальность для условий Крайнего Севера.

Другим немаловажным фактором является то, что такие конденсаторы хорошо работают в химически агрессивной среде горнодобывающих карьеров, например, в атмосфере сернистого газа (до 250 мг/м2 в сутки) и хлоридов (до 0,3 мг/м2 в сутки).

С усовершенствованием технологии габариты конденсаторов уменьшаются. Например, конденсатор ТИЛПМ 2006 года в 2,5 раза легче своего предшественника 2000 года. Очевидно, что существует технологический предел толщины металлизации полипропиленовой пленки, и, соответственно, габаритов конденсаторов, перейти который не удастся.

Разрядные конденсаторы DISFIM

Разрядные конденсаторы ЭКИМ производятся по той же технологии, что и фильтровые ИМ. Они обеспечивают высочайшую плотность энергии на рынке — до 2200 Дж/л! Пример внешнего вида такого конденсатора приведен на рис. 2, а основные характеристики перечислены ниже:

• Диапазон допустимых рабочих напряжений: 1,2-80 кВ.

• Энергоемкость: до 125 кДж на конденсатор.

• Корпус из нержавеющей стали, выводы залиты эпоксидной смолой.

• Высокое пиковое значение тока — до 400 Л/мкФ.

Основными областями использования таких конденсаторов являются:

• ускорители частиц;

• электронные пушки;

• системы электронной брони для военной техники;

• генераторы Маркса;

• фрагментация камней;

• стерилизация;

• приборы для обнаружения повреждения кабеля;

• лазеры для термоядерного синтеза.

Пленочные конденсаторы средней мощности

Пленочные конденсаторы средней мощности, пожалуй, имеют большую область применения по сравнению с рассмотренными выше высокомощными, поэтому представлены большей номенклатурой.

Фильтровые конденсаторы компании AVX/TPC (модели FFB, FFV3, FFVE, FFVI,

FFG, FFLB, FFLI, FFLC)

• Номинальная емкость: 1,5 мкФ — 27 мФ.

• Напряжение постоянного тока:

75-1900 В.

• Максимальная температура корпуса: 85-105 °С.

• Максимальный ток: 16,7-300 А (эфф.).

• Паразитная индуктивность: 28-100 нГн.

• Область использования:

- системы управления электроприводом;

- ветрогенераторы;

- источники питания;

- сварочные аппараты;

- цепи развязки;

- электротранспорт;

- электрокары;

- индукционный нагрев.

По запросу выпускается низкоиндуктивная версия.

Конденсаторы для цепей защиты компании AVX/TPC (модели FPX, FPG, FSB, FSV)

• Номинальная емкость: 0,01 мкФ — 6 мФ.

• Напряжение постоянного тока:

600-3000 В.

• Максимальная температура корпуса:

85 °С.

• Максимальный ток: 23-160 А (эфф.).

• Паразитная индуктивность: 5-25 нГн.

• Область использования:

- системы управления электроприводом;

- электротранспорт;

- ЮБТ-снабберы;

- диодные снабберы;

- ЕМ1-фильтры.

Конденсаторы для цепей подстройки частоты компании ЛУХ/ТРС (модели РЛТ1, ?Л12, ГЛ13, ГЛ14,7Л16, ЕЛУ)

Альтернатива слюдяным конденсаторам mica, фольговым и керамическим.

• Номинальная емкость: 80 нФ — 60 мкФ.

• Напряжение: 200-650 В (эфф.).

• Частота: 20-500 кГц.

• Максимальная температура корпуса:

85 °С.

• Максимальный ток: 10-600 А (эфф.).

• Паразитная индуктивность: <5-15 нГн.

• Область использования:

- индукционный нагрев в диапазоне частот 20-500 кГц.

Разрядные конденсаторы компании AVX/TPC (модели FDV1, FDBB)

• Номинальная емкость: 5-150 мкФ.

• Номинальное напряжение заряда: 1-3 кВ.

• Максимальный ток: 250-2800 А.

• Максимальная температура корпуса:

85 °С.

• Рабочая температура: -55.. .+85 °С.

• Тестовое напряжение между выводами: 1,2хИи ^ при 25 °С в течение 10 с.

• Тестовое напряжение между выводами и заземлением: 2хИи ^ при 25 °С в течение 1 мин.

• Плотность энергии: свыше 1500 Дж/л.

• Область использования:

- лазеры;

- электровспышки;

- дефибрилляторы.

Начиная с 1979 года было поставлено более

2,5 млн сухих конденсаторов (более 400 моделей), и не было зарегистрировано ни одного катастрофического отказа. В чем причина такого успеха ЛУХ/ТРС, какие технологии обеспечивают высочайшее качество и надежность? Можно отметить два ключевых технологических момента, позволяющих этого достичь:

1. Технология управляемого самовосстановления.

2. Использование в качестве наполнителя

мощных конденсаторов масла (рапсового).

Технология управляемого самовосстановления

Рассмотрим технологию управляемого самовосстановления. Данная технология позволяет избежать отказа конденсатора путем изолирования точек пробоя материала диэлектрика. В процессе работы конденсатор можно рассматривать как батарею из множества ячеек, что достигается особым рисунком пленки (кроме гребенчатой сегментации используются другие рисунки, являющиеся ноу-хау компании).

Схематическое изображение процесса самовосстановления пленки на примере конденсатора средней мощности показано на рис. 3.

В случае возникновения слабого места в диэлектрике энергия разряда конденсатора устремится в эту область малого сопротивления, и произойдет пробой диэлектрика. В результате ток самовосстановления потечет через точку пробоя, вокруг нее плотность тока будет настолько велика, что ме-

таллизация начнет испаряться. В итоге электрическая дуга разряда, достигнув максимальной длины, исчезает, и точка пробоя изолируется.

Самовосстановление ограничивается двумя слоями пленки. Вследствие отсутствия лавинного пробоя мы имеем отсутствие катастрофических отказов. Для конденсаторов высокой мощности, во избежание лавинного пробоя, используется специальная сегментация пленки, что позволяет отключать поврежденные сегменты во время работы конденсатора.

В процессе эксплуатации, измеряя емкость, можно контролировать срок службы, что существенно облегчает обслуживание. Принято считать окончанием срока службы падение емкости на 2%, хотя конденсатор работоспособен и после этого, а значение емкости меняется не скачком, а плавно. То есть, обнаружив в процессе измерений падение емкости на величину, близкую к критической для нас величине 2%, нужно принять решение о плановой замене конденсатора. Но устройство, содержащее данный конденсатор, при этом останется работоспособным. Таким образом, ситуация управляема, а технология получила название «управляемого самовосстановления». Итак, сведем воедино преимущества, которые дает использование данной технологии:

• Полная безопасность.

• Надежность.

• Отсутствие скачкообразного падения емкости в конце срока службы.

Еще одно ноу-хау компании ТРС — это маслонаполненные конденсаторы, которые впервые были разработаны специалистами ТРС, а первые образцы поставлены в 1990 году. Рассмотрим немного подробнее их особенности.

Сравнение маслонаполненных и газонаполненных конденсаторов

Все конденсаторы высокой мощности ЛУХ/ ТРС являются маслонаполненными. Посмотрим, чем от них отличаются газонаполненные. Напряжение пробоя в газах подчиняется закону Пашена (рис. 4) и зависит от произведения межэлектродного расстояния и давления. Для газа при давлении 1 бар оно составит 4 кВ/мм, для масла — 15 кВ/мм, для полипропилена — 600 кВ/мм. В маслонаполненных конденсаторах основное поле приложено к полипропилену, а так как его напряжение пробоя высокое, это позволяет добиться более высоких характеристик конденсатора.

При номинальном напряжении как маслонаполненные, так и газонаполненные конденсаторы медленно теряют емкость (порядка 2% после 100 000 часов работы). Важно то, что при рабочих напряжениях выше номинального масло позволяет обеспечить плавное снижение емкости и отсутствие катастрофического отказа.

Как на постоянном, так и на переменном токе, по значению электрического поля маслонаполненные конденсаторы находятся в более выигрышном положении по сравнению с газонаполненными (напри-

мер, величина электрического поля в газе на постоянном токе в 106 раз выше, чем в масле).

Рассмотрим результат неразрушающего теста реального маслонаполненного конденса-

тора ТИЛПМ на 2500 мкФ, 3000 В при температуре 55 °С (рис. 5).

Каждые 30 минут напряжение увеличивали с шагом 0,1хИи = 0,1x3000 = 300 В. При этом можно было наблюдать постепенное падение емкости. Фактически емкость падает до нуля при напряжении порядка 7040 В (превышение номинального более чем в 2 раза), что эквивалентно напряжению пробоя полипропилена 600 В/мкм (7040 В/12 мкм я 600 В/мкм). Одновременно с падением емкости происходит «разбухание» конденсатора. То есть при увеличении поперечного сечения конденсатора можно задуматься об измерении емкости и заказе нового конденсатора для замены старого.

Итак, перечислим преимущества маслонаполненных конденсаторов производства ЛУХ/ТРС по сравнению с газонаполненными конденсаторами других производителей:

• существенное увеличение пробивного напряжения;

• абсолютно безопасная работа;

• плавное снижение емкости и отсутствие катастрофического отказа;

• отличное поведение при низких температурах;

• экологическая чистота: наполнитель — пищевое рапсовое масло.

Отличия пленочных и электролитических конденсаторов

Основное преимущество пленочных конденсаторов по сравнению с электролитическими — это стойкость к перегрузкам и гораздо больший срок службы, более высокая надежность. Кроме того, пленочные конденсаторы не требуют такого пристального контроля их состояния и частой замены. Сравнение параметров пленочных и электролитических конденсаторов приведено в таблице. К сожалению, в настоящее время они уступают электролитическим конденсаторам по цене. Тем не менее европейские производители ветрогенера-торов в своих изделиях провели замену электролитических на пленочные конденсаторы ТРС. Вообще, производство ветрогенераторов в Европе в настоящее время — одно из самых

line

filter

690 V 50 Hz

HORIZONTAL

0..690 V 0..0 Hz

dV/dt

filter

Control system

crow-

bar

Encoder

PC

digital/analog

inputs/outputs

SRS

Рис. 6. Пример использования пленочных конденсаторов в ветрогенераторах

Таблица. Сравнение основных параметров пленочных и электролитических конденсаторов

Пленочные конденсаторы Электролитические конденсаторы

Допускается двукратная перегрузка по напряжению Максимальная перегрузка — в 1,2 раза

Выдерживают броски обратного напряжения Нет

Выдерживают быстрый разряд Нет

Обеспечивают эффективный ток до ~1 Дгт5/мкФ Примерно в 40 раз меньше

Нет риска выбросов вредных веществ Используется кислота

Высокая надежность Средний срок службы меньше в 10 раз, чем у пленочных

В конце срока службы максимальное уменьшение емкости 5%. Можно использовать и после заявленного срока службы Снижение до 30% емкости

Длительное хранение не влияет на характеристики После длительного хранения необходимо их восстановление

прогрессирующих направлений бизнеса. На рис. 6 показаны примеры заказных конденсаторов FFLC, специально разработанных компанией ТРС.

Другое интересное применение конденсаторов AVX/ТРС — гибридный транспорт (рис. 7). В таких приложениях назначением конденсатора является предотвращение выбросов пульсаций тока в источник питания и сглаживание изменений напряжения на шинах постоянного тока. Среди заказчиков AVX/ТРС такие фирмы с мировым именем, как General Motors, Renault и Alstom.

И, несомненно, одно из ключевых применений конденсаторов AVX/ТРС — это схемы управления электроприводом (рис. 8). Крупными заказчиками такой продукции яв-

ляются такие компании, как Siemens, ABB, Converteam.

Заключение

Из представленного обзора следует, что используемые ТРС технологии (самовосстановление, использование рапсового масла в качестве наполнителя) обеспечивают лидирующее положение ТРС как на рынке разрядных конденсаторов, так и на рынке фильтровых конденсаторов для преобразовательной техники.^

Литература

1. www.avx.com

2. www.microem.ru

FFLC

—

1

FFLI/FFLB

«%

Motor

Light Metro Tramway Electric Bus Electric Car

Electrical Fork Lift Truck

Battery or Fuel Cell

DC

AC

Capacitors

птттй

Ripple Current

J

Рис. 7. Пример использования пленочных конденсаторов в гибридном транспорте

Рис. 8. Примеры использования конденсаторов ДУХ/ТРС в системах управления электроприводом