Мощни кондензатори и кондензаторни батерии

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2007

Мощни кондензатори и кондензаторни батерииМощни кондензатори и кондензаторни батерииМощни кондензатори и кондензаторни батерииМощни кондензатори и кондензаторни батерииМощни кондензатори и кондензаторни батерииМощни кондензатори и кондензаторни батерииМощни кондензатори и кондензаторни батерииМощни кондензатори и кондензаторни батерииМощни кондензатори и кондензаторни батерииМощни кондензатори и кондензаторни батерииМощни кондензатори и кондензаторни батерии
 

Мощните кондензатори, наричани също силови кондензатори, имат работно напрежение не по-малко от стотина V и позволяват протичането през тях на значителни токове. Това определя големите стойности на реактивната мощност, която те могат да обменят с електрическата мрежа. Обикновено терминът мощен кондензатор се свързва с подобряването на фактора на мощност, но това е само едно от многобройните им приложения.

Статията е посветена на основните параметри и видове мощни кондензатори, както и на кондензаторните батерии. Дадени са характерни приложения.

Основни параметри

Голяма част от производителите използват наименованията и означенията на параметрите, дадени в стандарта IEC61071 на Международната електротехническа комисия. Номиналният капацитет (Rated Capacitance) CN или CR е в много широки граници – от десетина nF до близо 10 000 mF, като стойността му се дава при температура 20°С и честоти между 50 и 120 Hz. Капацитетът зависи от температурата, поради което в някои каталози се дават графики, подобни на показаната на фиг. 1. Важно е да се има предвид, че в зависимост от типа на кондензатора температурният коефициент на капацитета може да положителен (плътните криви на фиг. 1) или отрицателен (прекъснатата крива). Производственият толеранс обикновено е ±5 или ±10%, но има кондензатори и с ±20%. Измерването на капацитета се прави на основата на неговия импеданс чрез прилагане на кондензатора на напрежение до 0,5 V.

Група параметри са свързани с напреженията върху кондензатора. На първо място това е номиналното напрежение (Rated Voltage) UN, VR или Ucn, което е най-голямата стойност, която може да бъде прилагана за неограничено дълго време. За някои кондензатори тя е средноквадратичната стойност, а за други – максималната. Типично UN е между 200 V и 25 kV. На някои кондензатори се дава номиналното постоянно напрежение (DC Rated Voltage). Стойността на UN в каталозите е за температура до около 80°С, като над нея намалява дори с няколко десетки % (някои производители дават графика). Неповтарящото се импулсно напрежение (Non Repetitive Peak Voltage, Non-Recurrent Surge Voltage, Surge Voltage) Us може да се прилага за кратко време и е няколко пъти по-голямо от UN. В реалните схеми то се дължи на преходни процеси или повреда в апаратурата. Производителите го определят и измерват по различни начини - най-често като амплитудата на импулс с максимална продължителност между 50 и 500 ms или зареждане до него на кондензатора в продължение на 30 s и оставянето му да се саморазреди. Всеки кондензатор може да издържи само определено количество такива импулси или зареждания, обикновено около 1000. Максималното импулсно напрежение (Max Recurrent Peak Voltage) Up може да се прилага неограничен брой пъти, но при продължителност на импулсите до 1% от периода им. За оценка на изолацията на кондензатора се използват напрежението на тестване между изводите (Voltage Terminal to Terminal, Test Voltage T/T) VTT, което е с около 50% по-голямо от UN и се прилага за десетина секунди, и напрежението на тестване изводи-корпус (Voltage Terminal to Case, Test Voltage T/C) VTC с типични стойности 3UN - 4UN. Поради естеството на голяма част от приложенията на мощните кондензатори като параметър се дава и номиналната скорост на нарастване на напрежението (Rate of Voltage Rise) (du/dt)max. Тя е най-голямата допустима и може да бъде подавана неограничен брой пъти. Намира се в границите от десетина V/ms до 6000 V/ms. Освен нея понякога се използва максималната неповтаряща се скорост на нарастване на напрежението (Maximum Non-Repetitive Rate of Voltage Rise) (du/dt)s, която не поврежда кондензатора само ако се прилага през достатъчно големи интервали от време (в каталозите обикновено липсва количествена оценка за “голям интервал”).

Друга група параметри са свързани с токовете през кондензатора. Първият от тях е максималният ток (Maximum Current) Imax, наричан и номинален ток, който е най-голямата средноквадратична стойност. Долната му граница е около 2 А, а горната е няколко стотици А. За кратко време, но многократно, през кондензатора може да протича и по-големият импулсен ток (Рeak Current, Pulse Current) Ip = CN(du/dt)max, чиято стойност може да е до няколко стотици пъти по-голяма от Imax. Кондензаторът допуска и още по-големият неповтарящ се импулсен ток (Non-Repetitive Peak Current, Surge Current, Pulse Current Strength), изчисляван от израза Is = CN(du/dt)s.

Следващата група параметри са аналогични на тези при обикновените (не мощни) кондензатори. Тук влиза изолационното съпротивление (Insulation Resistance) IR, което е между двата извода на кондензатора и има типични стойности от стотина MW до стотина GW. При кондензаторите без вградени разрядни резистори то определя времеконстантата на саморазряд (Self-Discharge Time Constant), която може да достигне до десетина часа. Трябва да се има предвид, че IR намалява с нарастване на температурата, един пример за което са зависимостите на фиг. 2, всяка от тях за определен тип (или типове) кондензатори. Собствената индуктивност (Self Inductance) Ls се определя от размерите и формата на електродите на кондензатора и на изводите му. Тя може да има значителни стойности при големи размери на кондензаторите. Заедно с номиналния капацитет индуктивността образува последователен трептящ кръг с резонансна честота f0=1/(2LsCN), след която импедансът на кондензатора добива индуктивен характер.

При работата на кондензаторите в тях се губи електрическа енергия по две причини. Едната са загубите в изолацията между електродите, оценявани чрез параметърa ъгъл на загубите в диелектрика (Dielectric Loss Factor) tand0. Поради тях върху кондензатора се отделя активна мощност PD=pf1CNUm2tand0, където f1 и Um са честотата и амплитудата на основния хармоник на напрежението. Втората причина е омичното съпротивление Rs на електродите и изводите, върху което се губи мощност PR = I2Rs. Сумата Rs + tand0/(wC) представлява добре известното еквивалентно серийно съпротивление (Equivalent Series Resistance) ESR. Стойностите му са от 0,4 mW до1 W, като под десетина mW реално е влиянието на сечението и дължината на изводите. Например увеличаването на диаметъра на кръгли изводи с 0,2 mm може да намали ESR с около 0,5 mW. Поради това някои производители предлагат разновидности на един и същи кондензатор с различен диаметър на изводите. Величината tand= wCNxESR e параметърът ъгъл на загубите (Dissipation Factor, Loss Factor) с типични стойности между 5.10-4 и 25.10-4.

Сумата PD + PR представлява активната мощност, която се превръща в топлина и чиято максимална стойност (Maximum Power Dissipation) Pmax също понякога се дава като параметър. За нея е в сила изразът Pmax = (qHS - qA)/Rth, в който qHS е максимално допустимата температура на най-горещата точка във вътрешността на кондензатора, qA е околната температура и Rth е топлинното съпротивление (както при други електронни елементи). Типичните стойности на последното са няколко К/W. Не трябва да се забравя, че Pmax намалява с увеличаване на qA.

Във вътрешността на мощните кондензатори има свързващи проводници, а често и предпазители и разрядни резистори. Протичащият през тях ток на кондензатора обуславя отделянето на активна мощност, чиято стойност не винаги се дава в каталозите. Типичните й стойности са около 0,05 W на всеки kVAR реактивна мощност върху кондензатора.

Максималната реактивна мощност (Rated Power) QC или Qn е обменяната между кондензатора и външни елементи без опасност от повреда със стойности от около 1 kVAR до няколко стотици kVAR. Номиналната енергия WN = 0,5CNU2N е най-голямата която може да се натрупа в кондензатора и се измерва във Ws (ват-секунда) или еквивалентната й мерна единица джаул (J). Тя не винаги се дава в каталозите, тъй като може да се изчисли. При това не трябва да се забравя опасността от докосване на изводите на зареден кондензатор. С WN в него до 10 Ws чувството е на болка като от убождане, енергия между 10 и 50 Ws крие опасност от токов удар и обгаряне, а ударът при по-големи WN може да има летален изход.

Eксплоатационните условия на мощните кондензатори често налагат работата им при повишена температура и влажност на околния въздух. По принцип работният температурен обхват се отнася за околния въздух, но при наличие на източници на топлина в близост до кондензатора е правилно за максимална температура да се взима тази на корпуса му ТС. Долната граница на обхвата е между -40 и -20°С, а горната е от +85 до +105 °С. Температурата във вътрешността на кондензатора е по-висока и затова в някои каталози като параметър се дава максималната температура в най-горещата точка (Maximum Hop-Spot Temperature) THS, която не трябва да надхвърля околната с повече от 10-15°С. Друг параметър е максималната относителна влажност на въздуха, в зависимост от която има кондензатори Class C, Class F и Class G. Като пример на фиг. 3 са дадени графики за клас F на максимално допустимата околна температура в зависимост от относителната влажност. Същевременно при него средната стойност на влажността за 1 година не трябва да надхвърля 75%, като до 30 дена тя може да е 95%. Освен това класът не допуска кондензиране на влага (възможно при клас С).

Експлоатационният живот (Life Expectancy, Service Life) tL на кондензаторите също е параметър и каталожната му стойност е в сила при прилагане върху кондензатора на напрежение U, равно на UN. При по-малки напрежения експлоатационният живот нараства на (UN/U)8tL, докато работата при повишени температури го скъсява. В зависимост от стойността на tL има 4 класа (Application Class) мощни кондензатори – Class A с tL і 30 000 h (в някои кондензатори над 100 000 h), Class B с tL между 10 000 и 30 000 h, Class C с tL от 3000 до 10 000 h и Class D с tL между 1000 и 3000 h.

Видове мощни кондензатори

Класическата им структура представлява навити на руло няколко слоя метализирани изолационни ленти, откъдето е наименованието Film Capacitor. Метализацията е от алуминий и се прави чрез изпарение във вакуум. Няколко са основните разновидности в зависимост от вида на лентата и метализацията й. Най-старият и все още използван тип са хартиените кондензатори (Metallized Paper Capacitor, MP Capacitor). Тяхната хартиена лента е метализирана от едната си страна, като при навиването тя се редува с неметализирана хартия. Така полученото руло се поставя в стоманен или алуминиев корпус. Другият много по-разпространен тип са кондензаторите, в които вместо хартия се използва полипропиленово фолио, характеризиращо се с много малки диелектрични загуби. Характерен представител са кондензаторите тип МКР. Третият тип са кондензаторите с двустранно метализирана полипропиленова лента (Double Sided Metallized Film), например типове МКV и ММКР. Изолацията между съседни метализирани ленти е от същите, но без метализация. По принцип този тип кондензатори са с по-голям капацитет на единица тегло.

За повишаване на диелектричната якост и съответно на UN и за подобряване на охлаждането голяма част от мощните кондензатори са импрегнирани с минерално масло, негова смес с восък или с растително масло. Същевременно импрегнирането предовратява овлажняването и окисляването на вътрешните метални части. Не са малко кондензаторите, които се запълват (“импрегнират”) с инертен газ, който прониква дори в местата за преминаване на проводниците. Тези кондензатори имат добре уплътнен отвор за аварийно излизане на газ при прегряване, с което се избягва евентуална експлозия.

Полезно качество на всички кондензатори с метализирани ленти и описаната импрегнация е възможността им за самовъзстановяване (Self-healing) при електрически пробив. По принцип всеки диелектрик има пори и съдържа нежелани примеси. Когато напрежението върху него надхвърли определена стойност в някои от тези места материалът се разрушава и възниква електрическа искра през получения миниатюрен отвор. Високата й температура разтопява металния слой около отвора и изолацията се възстановява. Целият процес трае няколко ms и реално “остава незабелязан” за останалата част от апаратурата.

По-нататъшно подобряване на процеса на самовъзстановяване, особено в края на експлоатационния живот на кондензатора, се постига чрез сегментиране (Segmented Capacitor). При него метализираният слой представлява островчета, свързани с много тънки ленти.

Всяко самовъзстановяване е съпроводено с отделяне на малко количество газ от разрушаването на материала. При значителен брой самовъзстановявания, както и в края на експлоатационния живот, количеството газ може да стане значително и налягането във вътрешността на корпуса да нарасне до стойности, създаващи опасност от експлозия. Затова в много кондензатори е вградена защита от свръхналягане (Tear-off Fuse), която прекъсва веригата на кондензатора и прекратява отделянето на газ, но кондензаторът трябва да бъде сменен.

Наличието на течност или газ в един кондензатор създава принципна опасност от изтичането им със съответните последици за апаратурата. Поради това съществуват кондензатори, които вместо импрегниране използват пълнеж от прахообразни вещества, например смес от смоли и полиуретан, без това да влошава параметрите. Използва се наименованието сух кондензатор (Dry Capacitor). Примери са тип MSD (MSD Capacitor) и тип МKPg, като последният е разновидност на вече споменатите МКР.

За получаване на UN от няколко kV и Imax над 100 А се произвеждат кондензатори (Medium Voltage Capacitor) с алуминиево фолио като електроди, поставено отново между тънки листа от полипропилен. Импрегнирането е с масла, а предимство са твърде малките стойности на Rs и tand.

Стремежът към миниатюризация не отминава и индустриалните апаратури. Стъпка в тази посока е появата на пазара на мощни чип-кондензатори (Power Capacitor Chip) РСС с външен вид на фиг. 4. Те използват няколко слоя полимер, метализиран със сплав от алуминий и цинк за подобряване на стабилността на капацитета във времето. Стойностите на последния са между 50 и 7000 mF, постоянното напрежение UN е до 6 kV, а Imax достига до 400 А. Конструкцията е с малка Ls (няколко десетки nH), което позволява приложение и при честоти от няколко десетки kHz, например в мощни IGBT модули. Поради малките размери на РСС (напр. 195x367x80 mm за кондензатор 1000 mF/1200V) намаляването на обема на апаратурите е значително, например с около 80% на модули за корекция на фактора на мощност. Допълнително предимство е големият експлоатационен живот с типични стойности около 100 000 h. Два характерни примера са серията нисковолтови кондензатори PCC LP с капацитет до 4000 mF, UN между 100 и 600 V и Imax до 400 А и серията високоволтови кондензатори PCC НP с капацитет между 150 и 7000 mF и UN от 900 до 6000 V и Imax до 300 А.

Корпусите на мощните кондензатори в голямата си част са алуминиеви или от неръждаема стомана с кръгло или правоъгълно напречно сечение. Сравнително по-ограничено е използването на пластмасови корпуси, които осигуряват най-добра защита срещу възникване на пожар и според стандартите н някои страни (Франция) са задължителни в определени приложения (напр. тиристорни управления). Също с пластмасови корпуси са кондензаторите за монтаж върху платки, предназначени главно за филтри. Поради сравнително малките им размери те са с Imax до няколко А. За съчетаване на безопасността от пожари и добра топлопроводност се правят комбинирани корпуси от алуминий и пластмаса.

Кондензаторите за непосредствено свързване към електрическата мрежа са еднофазни (Single-Phase Capacitor), т.е. единични и трифазни (Three-Phase Capacitor), като последните може да са по схема “триъгълник” или “звезда”.

Кондензаторни батерии (Capacitor Bank) КБ

Те представляват съвкупност от кондензатори в общ корпус с предназначение да увеличат капацитета чрез успоредно свързване на кондензатори и на номиналното напрежение (последователно свързване). Изработват се за напрежения между 240 V и 25 kV и мощности от 2,5 kVAR до няколко MVAR. Най-често се свързват успоредно на електрическата мрежа, при което трябва да могат да работят нормално до напрежение 1,1UN, с ток до 1,35Imax и при реактивна мощност до 1,35QC.

Идея за структурата на КБ е дадена на фиг. 5а, като броят на успоредно свързаните кондензатори в една група и броят на групите е по-голям от показания. При това всеки от кондензаторите е реализиран по същата схема и трябва да има вграден разряден резистор, като неговите “кондензаторчета” се наричат елементи. Един от сериозните проблеми в КБ е възникването на късо съединение в елемент. Това означава шунтиране на цялата група и увеличаване на напрежението върху останалите групи. Рискът от късо съединение в друг елемент нараства, което може да доведе до повреда на кондензатора и КБ. За избягване на това се използват предпазители, които могат да бъдат свързани последователно на всеки кондензатор от КБ или на всеки елемент на кондензаторите. Съществуват и високоволтови КБ (напрежения на около 30 kV) без предпазители, свързани по схемата на фиг. 5б, като всеки кондензатор отново е по схемата на фиг. 5а. Така при n последователно свързани кондензатора в КБ и m групи във всеки от тях към напрежението U на КБ се оказват последователно свързани m x n групи. При късо съединение на една от тях напрежението върху останалите нараства с U/mn, което е незначително и безопасно при достатъчно големи m и n.

За трифазни мрежи КБ почти винаги са в свързване единична (фиг. 6а) или двойна (фиг. 6б) “звезда”, като общата точка С може да е заземена или да не е. Единичната “звезда” се използва когато реактивната мощност във всяка група последователно свързани кондензатори е до 4,6 MVAR. Повредата на КБ на трифазна мрежа обикновено е свързана с изключването на много консуматори, което е недопустимо. Поради това е желателно да се осигури непрекъснат контрол на състоянието на КБ и сигнализиране на настъпили промени с него. Множеството схеми за осигуряване на това се основават на един принцип – появата на дисбаланс на токовете в трите фази при късо съединение дори в един кондензатор. Два примера са дадени на фиг. 7. В мрежи със заземена средна точка на “звездата” при дисбаланс протича ток по заземителния проводник (фиг. 7а), който чрез токов трансформатор формира напрежението Uc. Дисбалансът в мрежи без заземена средна точка води до появата на напрежение между нея и земята, което чрез напрежителен трансформатор (фиг. 7б) също формира Uc.

Приложения

След изключването на кондензаторите и кондензаторните батерии те не трябва да представляват опасност за обслужващия персонал. Това налага автоматично да се разреждат през успоредно свързан (вграден или външен) резистор (Discharge Resistor). Според стандарта IEC60831-1 разреждането до не по-малко от 70 V трябва да става за най-много 3 min, но производителите обикновено осигуряват по-бързо разреждане (за време td) до по-малко напрежение Ud. Съпротивлението на разрядния резистор се определя от израза Rd = td/(CNln(1,41UN/Ud)) за еднофазни и трифазни по схема “триъгълник” кондензатори и е 3 пъти по-голямо при схема “звезда”. Най-често се работи с td = 1 min и Ud = 50 V. Мощността на резистора се определя по класическия начин, а свързването му към кондензаторите трябва да е непосредствено, без ключове или предпазители.

Сечението на свързващите проводници към кондензаторите и тока на задействане на предпазителите им зависи от UN, Imax и QC и трябва да е в съответствие с действащите стандарти. Масово използван е VDE1000 part 523 - например според него при UN=230 V, Imax=25 A и QC=10 kVAR трябват проводници 10 mm2 и предпазител 50 А.

Независимо от приложението трябва да се вземат мерки в процеса на експлоатация температурата на корпуса на кондензатора да не надхвърли дадената в каталога Tmax. За целта най-напред се изчислява променливият ток I=2pfCNU през кондензатора (f и U са честотата и средноквадратичната стойност на променливото напрежение) и реактивната мощност QC=UI върху него. Следва изчисляване на активната мощност P = I2Rs + QCtand, която нагрява кондензатора и максимално допустимата околна температура TAmax = TCmax - P/RthC. В нея TCmax е най-голямата желана температура на корпуса. Когато RthC не е дадено в каталога, за метални корпуси може да се използва приблизителната стойност 0,1W/K за всеки dm2 от повърхността - например при повърхност 50 dm2 съпротивлението е 5 W/K, т.е. при разсейване на 5W разликата в температурите на корпуса и въздуха е 1 К.

Едно от масовите приложения на мощните кондензатори е за подобряване на фактора на мощност. Те се наричат компенсиращи кондензатори (Compensating Capacitor) и за изпълняване на тази си функция трябва да имат достатъчна QC. Когато факторът на мощност на товар с активна мощност Р трябва да се увеличи от cosj1 на cosj2 е необходим кондензатор с QC і kP, където коефициентът k се взима от табл. 1.

Непопълнените квадратчета в нея показват невъзможност за подобряване на фактора на мощност. Например при товар с Р = 2 kW за подобряване на cosj от 0,7 на 0,96 е необходима QC = 0,729x2kW = 1,46 kVAR. За изчисляване на QC при други ъгли трябва да се използва формулата k = tgj1 - tgj2.

Пример за използването на мощен компенсиращ кондензатор за PFC на луминесцентна лампа е даден на фиг. 8. Капацитетът на С е между 2 и 20 mF и зависи право пропорционално от мощността на лампата. Подобен кондензатор се използва и в захранването на халогенни лампи и такива с метални пари. Част от кондензаторите за лампи са със защита от свръхналягане, а останалите имат температурна защита, представляваща вграден стопяем предпазител.

Друга голяма област са кондензаторите за електродвигатели (Motor Run Capacitor), основно за работа на еднофазни индукционни електродвигатели (фиг. 9а) и трифазни асинхронни електродвигатели (фиг. 9б). Кондензаторите на първите трябва да осигуряват реактивна мощност около 75% от тяхната активна мощност, като при напрежение 240 V мощност от 1 kVAR се получава от кондензатор 55 mF. Когато трифазни електродвигатели работят в еднофазна мрежа им е необходим кондензатор 70 mF за всеки kW от тяхната активна мощност. В зависимост от сигурността на работа на тези кондензатори съществуват три класа (Safety Class). Кондензаторите от Class P2 имат най-добра защита и биха могли да се повредят само при прекъсване на веригата им, тези от Class P1 са уязвими и при късо съединение по веригата, докато Class P0 са без защита. Поради масовото използване на електродвигатели съществува голямо разнообразие на мощни кондензатори за тях, като според стандарта IEC252 те трябва да имат вграден разряден резистор.

В тиристорни и IGBT управляващи блокове на постояннотокови и трифазни променливотокови електродвигатели се използват мощни кондензатори за подържане на неизменна стойност на дадено постоянно напрежение (Supporting Capacitor). Действието им на периодично бързо зареждане и разреждане определя изискването да имат импулсен ток Ip значително по-голям от максималния Imax и голяма QС. Поради високата работна честота на IGBT блоковете кондензаторите в тях трябва да имат и малка Ls.

Също с голям Ip трябва да са кондензаторите, използвани за получаване чрез разряд на мощни токови импулси, например за създаване на мощни магнитни полета и мощни светлинни импулси (лазерна обработка на материали).

На пръв поглед специфично, но в действителност твърде масово приложение е в апаратите за заваряване. Например кондензаторите в техните два изправителни блока (на входа и изхода) трябва да имат кондензатори между 0,5 и 60 mF с UN от 450 до 1000 V.

В схемите с тиристори запушвани от управляващия електрод (GTO) може да се получи недопустимо голяма скорост на нарастване на анодното им напрежение по време на запушване. Идея за RC схема, позволяваща нейното ограничаване, е дадена на фиг. 10, като мощният кондензатор (Snubber Capacitor) трябва да има достатъчно голям Ip и малка Ls.

В управлението на пещи с индукционно нагряване също се използват мощни кондензатори, обикновено от две разновидности – едната с UN между 200 V и 3 kV и работещи при мрежова честота и другата с UN от 100 V до 3 kV, предназначени за честоти до 100 kHz. Част от тези кондензатори са сред характерните примери за използване на водно охлаждане, като водата преминава отвън и отвътре на корпуса. Това охлаждане е ефективно при околна температура до 50°С, а към водата има значителни изисквания, например да е със специфична проводимост не повече от 0,5 mS/cm. Скоростта на водния поток в кондензаторите е между 1,5 и 12,5 литра в минута.

 

Стефан Куцаров

 




ЕКСКЛУЗИВНО

Top