Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny 5. Elementy LTC (3) L- indukcyjności T- transformatory C - kondensatory P W Mieczysław Nowak Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Czerwiec/lipiec 2009
Wiadomości ogólne 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). 8/1
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. 8/2
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 8/3
Parametry użytkowe kondensatorów niespolaryzowanych 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) b) c) 8/4
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 Q C U 2 2 I C w której: U, I - wartości skuteczne sinusoidalnej fali napięcia na kondensatorze oraz przepływającego przez niego prądu. 8/5
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 2 I k P ( k CUktgd k ) tgd k ) k 1 k 1 k C przy czym: U k - wartość skuteczna k-tej harmonicznej napięcia; I k - wartość skuteczna k-tej harmonicznej prądu; tgd k ~ współczynnik strat dla częstotliwości k-tcj harmonicznej, określony na podstawie podanego w katalogu wykresu. 8/6
Parametry użytkowe kondensatorów niespolaryzowanych 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 8/7
Parametry użytkowe kondensatorów niespolaryzowanych 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 CU w której: U ssm - 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 I C I C ssm 2 T 2 CUssm 2 T Częstotliwość rezonansowa kondensatora f R pozwala na o kreślenie wartości indukcyjności wewnętrznej L C = 1/4p 2 f R C. Na podstawie L C 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. 8/8
niespolaryzowane ceramiczne 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 8/9
spolaryzowane 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. 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 8/10
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 I CR, ma, określoną wzorem I CR =K R CU+3mA gdzie: K R - współczynnik (K R - 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)). 8/11
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 Z C 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) b) c) 8/12
Superkondensatory 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 zgromadzonych na powierzchni każdej z elektrod a ładunkiem wewnętrznym elektrody, przy Materia aktywna na bazie węgla aktywnego 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. warstwa elektrody izolującaelektrolitz wyprowadzeniami 8/13
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. 8/14