Силовая электроника №4'2008

Плeночные конденсаторы AVX / ТРС для преобразовательной техники

Марина Самойлова

В нашей стране назрела необходимость замены изношенного подвижного состава. В связи с этим весьма актуален вопрос разработки и производства тяговых преобразователей и преобразователей собственных нужд для железнодорожного транспорта. В данной статье приводится краткий обзор плeночных силовых конденсаторов производства компании AVX / TPC как основной составляющей элементной базы преобразовательной техники.


Завод компании ТРС (Thomson Passive Components) по производству шгеночных конденсаторов находится во французском городе Дижоне и с 1997 года принадлежит корпорации AVX. AVX/ТРС является официальным поставщиком основных мировых производителей железнодорожного транспорта — высокоскоростных поездов и поездов для метро, а также трамваев и электричек. Среди постоянных заказчиков продукции компании AVX/ТРС такие фирмы, как Alstom, Bombardier, Siemens и многие другие.

Компания разрабатывает конденсаторы с учєтом технического задания конечного потребителя, в ТЗ указаны следующие условия работы: напряжение, ток, температура, данные окружающей среды... Имеющиеся математические модели, построенные по результатам испытаний, позволяют учесть все параметры, рассчитать и предложить конденсатор именно для данной задачи. Результаты моделирования подтверждаются экспериментальными данными, которые AVX/ТРС регулярно получает от своих заказчиков — производителей железнодорожной техники.

Согласно современным требованиям можно разработать конденсаторы со сроком жизни 20-30 лет.

Одно из слагаемых успеха компании AVX/TPC — разработанная в 1979 году технология управляемого самовосстановления. Эта технология позволяет конденсатору работать без катастрофических отказов, благодаря изолированию точек пробоя материала диэлектрика. В процессе работы конденсатор можно рассматривать как батарею из множества ячеек, при этом разрушение отдельных маленьких ячеек приводит к медленному и постепенному падению емкости (рис. 1).

Схематическое изображение процесса самовосстановления пленки на примере конденсатора средней мощности показано на рис. 2.

При возникновении 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, при этом плотность тока вокруг нее будет настолько велика, что металлизация начнет испаряться. В итоге электрическая дуга разряда, достигнув максимальной длины, исчезнет, и точка пробоя изолируется.

Самовосстановление ограничивается двумя слоями пленки. Вследствие отсутствия лавинного пробоя нет и катастрофических отказов.

Для конденсаторов высокой мощности, во избежание лавинного пробоя, используется специальная сегментация пленки, что позволяет отключать поврежденные сегменты во время работы конденсатора.

Измеряя емкость в процессе эксплуатации, можно контролировать срок службы и, таким образом, существенно облегчать обслуживание конденсатора. Критерием окончания срока его службы принято считать падение емкости на 2%, хотя конденсатор работоспособен и после этого, так как значение емкости меняется не скачком, а плавно. То есть, обнаружив в процессе измерений падение емкости на величину, близкую к критическим 2%, нужно принять решение о замене конденсатора. Но устройство, содержащее данный конденсатор, при этом останется работоспособным. Таким образом, ситуация управляема, поэтому технология и получила название «управляемого самовосстановления». Итак, преимущества, которые дает использование данной технологии, таковы:

  • полная безопасность;
  • надежность;
  • отсутствие скачкообразного падения емкости в конце срока службы конденсатора.

Маслонаполненные и газонаполненные конденсаторы

Конденсаторы высокой мощности выпускаются либо маслонаполненными (AVX использует рапсовое масло), либо с наполнением газом. Компания AVX/TPC первой вышла на рынок с маслонаполненными конденсаторами. Они имеют определенные преимущества, а именно:

  • 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.

Напряжение пробоя в газах подчиняется закону Пашена (рис. 3) 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 устройства.

При номинальном напряжении как масло-наполненные, так и газонаполненные конденсаторы медленно теряют емкость (порядка 2% после 100 000 часов работы). При рабочих напряжениях выше номинального масло позволяет обеспечить плавное снижение емкости и, что важно, уберечь конденсатор от катастрофического отказа.

Как на постоянном, так и на переменном токе, по значению электрического поля масло-наполненные конденсаторы предпочтительнее по сравнению с газонаполненными (например, величина электрического поля в газе на постоянном токе на порядки — в 106 раз выше, чем в масле).

На рис. 4 приведен результат неразрушаю-щего теста реального маслонаполненного конденсатора ТRAFIM на 2500 мкФ/ 3000 В при температуре 55 °С.

Каждые 30 минут напряжение увеличивали с шагом 0,1 Χ Un = 0,1 Χ 3000 = 300 В, при этом происходило постепенное падение емкости. При напряжении порядка 7040 В (превышение номинального более, чем в 2 раза) емкость падает до нуля, что эквивалентно напряжению пробоя полипропилена 600 В/мкм (7040 В/12 мкм ≈ 600 В/мкм). Одновременно с падением емкости происходит «разбухание» конденсатора. То есть при увеличении поперечного сечения конденсатора необходимо измерить емкость и подумать о заказе нового конденсатора для замены старого.

Продукция AVX/ТРС для преобразовательной техники

Условно можно выделить две группы конденсаторов, а именно — фильтровые и для цепей развязки.

Фильтровые конденсаторы

На рис. 5 наглядно представлен спектр выпускаемой AVX/TPC продукции. К маслона-полненным относятся конденсаторы ТРЛИМ(TFM), CAPAFIM (CFM) и FILFIM (IFM). К сухим — FFLC, FFLI, FFLB, FFVE и FFVI . Как сухие, так и маслонаполненные конденсаторы выполнены по технологии управляемого восстановления.

Области применения фильтровых конденсаторов:

  • тяговые преобразователи;
  • ПСН;
  • зарядные устройства.

Особый интерес среди фильтровых представляют маслонаполненные конденсаторы FIM и сухие конденсаторы FFLC.

Фильтровые конденсаторы высокой мощности FIM

К ним относятся устройства серий TRAFIM, CAPAFIM и FILFIM (рис. 6, 7). Еще 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 шгенки, металлизированной алюминием, наполненные рапсовым маслом). Они обладают 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 млрд часов без единого катастрофического отказа! Не так давно компания AVX/ТРС объявила о начале производства очередного, 7-го поколения маслонаполненных конденсаторов серии TRAFIM, их срок службы увеличен со 100 000 до 300 000 часов.

 
    Особенности конденсаторов FIM:
  • диапазон емкостей: 2,6-15 600 мкФ;
  • рабочее напряжение на постоянном токе: 1200-100 000 В;
  • тестовое напряжение между выводами: 1,5 Un в течение 10 секунд;
  • срок службы при номинальном напряжении и максимально допустимой температуре корпуса: 100 000 часов (для поколения TRAFIM 7 — 300 000 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 Дж - 30 кДж/конденсатор);
  • корпус из нержавеющей стали (по заказу возможен алюминиевый). Особенности конденсаторовFFLC:
  • низкая реактивная мощность;
  • номинальная емкость: 1120-8800 мкФ;
  • рабочее напряжение: 680-1200 В БС;
  • максимальная температура корпуса: 85 °С;
  • рабочая температура: -40.. .+85 °С;
  • максимальный ток 7гпк: 140-300 Arm¦;

  • - паразитная индуктивность: 28-40 нГн;
    - тестовое напряжение между выводами: 1,5 х Уп БС в течение 10 с при 25 °С;
    - тестовое напряжение между выводами и корпусом: 4 кВггш при 50 Гц в течение 1 мин при 25 °С;
    - алюминиевый корпус.

Под заказ производятся конденсаторы с малыми паразитными индуктивностями, а также с напряжением до 1900 В.

На напряжениях порядка 1200-1400 В рентабельнее использовать маслонаполненные конденсаторы FIM, а при напряжениях до 1200 В — сухие FFLC.

Конденсаторы для защитных цепей

Конденсаторы серий FSB, FPX и FPG также выполнены по технологии управляемого самовосстановления (рис. 8, 9). В данном случае, чтобы обеспечить высокий импульсный ток, используется усиленная металлизация. Таким образом, осуществляется защита ЮВТ-модулей от бросков напряжения и гарантируется длительный срок службы.

    Области применения:
  • снабберные цепи;
  • защита тиристоров.
    Особенности:
  • 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.

Заказные изделия

Как уже отмечалось, компания производит в основном заказные конденсаторы, и объем такой продукции составляет 80-85%. Это представляет большой интерес для разработчиков и конструкторов, так как отпадает необходимость «подгонять» конденсатор под размеры преобразователя. Дизайн заказных конденсаторов является «know-how» и не может быть раскрыт сторонним лицам без официального согласия собственника разработки. Пример заказного конденсатора FFLC показан на рис. 10.

В заказных изделиях учитываются не только требования спецификации к электрическим параметрам и габаритам. Можно также рассмотреть вопрос о замене батареи на один конденсатор, сделать корпус не из нержавеющейстали, а из алюминия. Иногда конструкция преобразователя требует особого расположения и крепежа конденсаторов, в частности, в перевернутом виде или на боку. ТРС выпускает конденсаторы с фронтальным расположением выводов, с водяным охлаждением. На рис. 11 представлен образец ПСН для высокоскоростного поезда с использованием заказного конденсатора.

Соответствие стандартам

Еще один важный момент — соответствие международным нормам и стандартам. Компания ЛУХ/ТРС при выпуске своей продукции руководствуется такими нормами и стандартами:

  • 1ЕС 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.
  • 1ЕС 61881. Оборудование для подвижного состава железных дорог. Конденсаторы для силовой электроники.
  • 61373. Транспорт железнодорожный. Оборудование для подвижного состава. Испытания на вибрацию и удар.
  • 1ЕС 60077. Оборудование электротяговое.
  • 1ЕС 60068-2-11. Испытания на воздействие внешних факторов. Соляной туман.
  • ЕС 60068-2-3. Испытания на воздействие внешних факторов. Влажное тепло, постоянный режим.
  • ОТ Б 16-101. Транспорт железнодорожный. Характер горения. Выбор материалов.
  • Б 16-102. Транспорт железнодорожный. Характер горения. Выбор материалов применительно к электрооборудованию.

Работа при низких температурах

Для климатических условий в России большую роль играет работоспособность компонентов при низких, отрицательных температурах. Использование рапсового масла в качестве наполнителя существенно улучшает диэлектрические свойства конденсаторов, и, таким образом, маслонаполненные конденсаторы ИМ отлично работают при температурах до -60 °С.

Проведенные испытания на прочность (напряжение 1,4 Un при температурах -40 и -55 °С, в том числе для перевернутого конденсатора),а также термоциклирование показали возможность работы конденсаторов при -55 °С в течение 100 000 часов.

Вибрационная стойкость

Использование конденсаторов в подвижном составе приводит к дополнительным требованиям по их виброустойчивости. Масло-наполненные конденсаторы TFM соответствуют требованиям стандарта IEC 61373 (категория 1, класс B).

Применение конденсаторов в схемах управления электроприводом

Как уже отмечалось, одним из главных рынков для компании AVX/TPC является преобразовательная техника. На рис. 13 схематично показаны виды конденсаторов и примеры их использования. Крупными заказчиками данной продукции являются такие компании, как Siemens, ABB, Converteam.

Применение конденсаторов в гибридном транспорте

Еще одно перспективное направление в применении конденсаторов AVX/ТРС — гибридный транспорт (рис. 14). В таких приложениях назначение конденсатора — это предотвращение выбросов пульсаций тока в источник питания и сглаживание изменений напряжения на шинах постоянного тока. Среди заказчиков AVX/ТРС — фирмы General Motors, Renault, Alstom и другие.

Заключение

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

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2008_4_11.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо