Диэлектрики силовых пленочных конденсаторов

Опубликовано: 30 января 2014 г. в 09:00, 1536 просмотровКомментировать

Интенсивное развитие силовой электроники в новом тысячелетии, а также рост востребованности устройств компенсации реактивной мощности ( подробнее здесь) не только поставщиками электроэнергии и/или владельцами распределительных сетей, но и коммерческими структурами с активно эксплуатируемыми производственными мощностями определили значительное повышение интереса к силовым пленочным конденсаторам. В целом это обусловлено преимуществами пленочных конденсаторов, которым характерны:

  • низкие показатели эквивалентного последовательного сопротивления и коэффициента рассеяния (аббревиатуры соответственно ESR и DF), практическое отсутствие деградации тангенса угла диэлектрических потерь, минимальные потери мощности;
  • полное отсутствие миграции металла электродов или выщелачивания, как в керамических конденсаторах при практически аналогичных диапазонах плотности энергии;

Тип конденсатора

Плотность энергии, Дж/см3

Рабочая температура, (oC)

RepetitionRate,
(Hz)

Пленочные

1-10

125

10*5

Керамические

0.1 - 10

>200

10*5

Электролитические

1.5 - 5

60

10*2

Слюдяные

0.2 – 0.5

>300

>10*6

  • более высокие скорость разряда, плотность энергии и рабочие температуры, чем у электролитических конденсаторов;
  • на порядок большая плотность энергии, чем у слюдяных и вакуумных конденсаторов;
  • уникальная способность самовосстановления при пробое благодаря быстрым сменам фазового состояния полимера(из твердого в парообразное и наоборот), что повышает живучесть и долговечность эксплуатации пленочного конденсатора и, соответственно конденсаторной батареи и всей установки компенсации реактивной мощности.

Справка: Теоретически и de facto способность к самовосстановлению при локальном пробое электрода(за счет расплавления электрической дугой и перехода в парообразное состояние полимера-диэлектрика, «обволакивания» и изоляции поврежденного участка электрода застывшим полимером) характерна только для металлизированных пленочных конденсаторов с толщиной металлизированного слоя не более 3/10 толщины диэлектрика. В причисляемых к пленочным фольговых конденсаторах при пробое вероятность сваривания электродов-слоев фольги достаточно высокая и поэтому их некорректно относить к самовосстанавливающимся. Самовосстановление в фольгово-металлизированных пленочных конденсаторах следует считать условным и в целом зависит от конструктивных особенностей конденсатора и его рабочих характеристик.

Помимо этого:

  • любой локальный пробой электрода в пленочном конденсаторе снижает его емкость в среднем на 0.1%, но риски провоцирования локальным повреждением лавинообразных пробоев зависят от толщины диэлектрика в конденсаторе, поскольку в процессе образования плазмы на первом этапе «самозаживления» прилегающие слои диэлектрика повреждаются и изменяют свои свойства;

Рис. Самовосстановление при единичном пробое,
где Р — плазма полимера, S — поврежденные участки прилегающих слоев диэлектрика

  • в результате фазовых переходов полимера при самовосстановлении повышается внутреннее давление в корпусе конденсатора и при определенном числе пробоев давление достигает критических значений, что вызывает срабатывание предохранительных вставок (при их наличии) или разрыв/повреждение корпуса;
  • увеличение температуры внутри конденсатора на каждые десять градусов относительно рабочей, а также превышение рабочего напряжения на зажимах конденсатора на каждые 10% в среднем уменьшает реальную долговечность пленочных металлизированных конденсаторов вдвое.

Рис. Зависимость долговечность пленочных конденсаторов
от превышения рабочей температуры (сверху) и рабочего напряжения (снизу).

  • полимерная пленка-диэлектрик стабильна в большом диапазоне температур и давлений, не склонна к диэлектрической диссипации, деградации материала, имеет небольшой удельный вес и высокую технологичность, что позволяет формировать мощные пленочные конденсаторы при компактных размерах и малом весе.

Полимеры для пленок-диэлектриков силовых пленочных конденсаторов

Несмотря на продолжающееся производство ограниченных объемов пленочных конденсаторов на базе металлизированной бумаги, что связывают с финансовой доступностью материала и довольно низкими диэлектрическими потерями в конденсаторах типа МР, а также многослойных со смешанным (Misch-Dielektrika) диэлектриком (бумажно-полимерных) типов MKV (с металлизацией диэлектрика с двух сторон) и MPK(с металлизацией диэлектрика с одной стороны), эксперты рынка прогнозируют постепенный вывод бумаги из производства из-за ее гигроскопичности и склонности к деградации, что определяет необходимость пропитки маслом, воском, эпоксидной смолой и т.д., а значит повышение сложности и затратности технологического процесса.

Наиболее популярными полимерами-диэлектриками для пленочных конденсаторов сегодня стали полипропилен (Polypropylen — РР), полиэстер (Polyester — PET), полиэтиленнафталат (Polyethylennaphtalat — PEN), поликарбонат (Polycarbonat — РС), полиэтиленсульфид (Polyphenylensulfid — PPS), полиимид (Polyimide — PI), Поливинилиденфторид(Polyvinylidenefluoride — PVDF). В таблицах ниже сведены основные свойства полимеров-диэлектриков и пленочных конденсаторов на их основе.

Таблица. Основные свойства полимеров-диэлектриков пленочных конденсаторов


Свойства

Материал

PET

PEN

PPS

PP

Диэлектрическая проницаемость при 1 кГц

3,3

3,0

3,0

2,2

Минимальная допустимая толщина пленки, мкм

0,7

0,9

1,2

3,0

Поглощение влаги (гигроскопичность), %

Низкое

0,4

0,05

<0,1

Электрическая прочность, В / мкм

580

500

470

650

Номинальное напряжение (постоянный ток), В

50 ... 1000

16 ... 250

16 ... 100

40 ... 2000

Типовой диапазон емкости

100 пФ ... 22 мкФ

100 пФ ... 1 мкФ

100 пФ ... 0.47мкФ

100 пФ ... 10 мкФ

Максимальная рабочая температура, ° C

125/150

150

150

105

ΔC/C в диапазоне температур, %

± 5

± 5

± 1,5

± 2,5

Тангенс угла диэлектрических потерь (× 10 -4) для частот

при 1 кГц

50 ... 100

42 ... 80

2 ... 15

1 ... 5

при 10 кГц

110 ... 150

54 ... 150

2.5 ... 25

2 ... 8

на частоте 100 кГц

170 ... 300

120 ... 300

12 ... 60

2 ... 25

при 1 МГц

200 ... 350

-

18 ... 70

4 ... 40

Постоянная времени R Iso · C, сек

при 25 ° C

≥ 10000

≥ 10000

≥ 10000

≥ 100,000

при 85 ° C

1000

1000

1000

10000

Диэлектрическая абсорбция, %

0,2 ... 0,5

1 ... 1,2

0,05 ... 0,1

0,01 ... 0,1

Макс спец. емкость,нФ * В / мм 3

400

250

140

50

Таблица. Свойства пленочных конденсаторов с различными диэлектриками-полимерами

Тип конденсатора по диэлектрику

Диэлектрическая проницаемость на частоте 1 кГц

Электрическая прочность, V/μm

DF, %

Макс. Рабочая температура, (oC)

Плотность энергии, Дж/см3

Плотность энергии в % от теоретич.

Теоретич.

Практич.

Polycarbonate (PC)

2.8

350

<1

150

3.6

0.5-1

28

Polypropylene (PP)

2.2

500

<0.1

105

4.1

1-1.5

36

Polyester (PET)

3.3

400

<1.5

125

4.9

1-1.5

30

Polyvinylidenefluoride (PVDF)

12

200

1-5

105

19.1

2.4

12

Polyethylenenapthalate (PEN)

3.2

440

<1

137

4.4

1-1.5

34

Polyphenylenesulfide (PPS)

3.0

360

<0.2

200

4.1

1-1.5

36

Таблица. Диэлектрическая константа пленочных конденсаторов с различными диэлектриками-полимерами на разных частотах

Тип конденсатора

Диэлектрическая

константа

на частотах, Гц

100

1000

10000

100000

1000000

Polycarbonate (PC)

2.8

2.8

2.7

2.7

2.7

Polypropylene (PP)

2.2

2.2

2.2

2.2

2.2

Polyester (PET)

3.3

3.3

3.2

3.2

3.2

Polyvinylidenefluoride (PVDF)

12.0

11.0

10.2

9.6

7.0

Polyethylenenapthalate (PEN)

3.2

3.1

3.0

3.0

3.0

Polyphenylenesulfide (PPS)

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

Polyimide (PI)

3.5

3.5

3.5

3.5

3.5

Из приведенных таблиц видно, что:

  • пленочные конденсаторы на основе полипропилена и полиэстера могут работать при очень высоких напряжениях и с хорошей надежностью, имеют значительные величины напряжения пробоя. Им характерны низкие диэлектрические потери, превосходная частотная характеристика, низкий коэффициент рассеяния (DF) (для полипропилена), отличная самовосстанавливающаяся способность, а также ценовая доступность. В то же время рабочие температуры конденсаторов на базе диэлектрика-полипропилена довольно низкие (105°С), а коэффициент рассеяния полиэстера по факту ниже только, чем аналогичный показатель конденсаторов с диэлектрикомполивинилиденфторидом (PVDF);
  • пленочные конденсаторы на базе пленок изполивинилиденфторида отличаются более высокой, чем у полипропиленовых конденсаторов плотностью энергии, однако ограничивают их использованиенелинейность диэлектрической постоянной и напряжения, невысокое сопротивление изоляции, плохая самовосстанавливающаяся способность, большой коэффициент рассеяния (DF), высокие токи утечки, относительно более низкие напряжения пробоя и дороговизна поливинилиденфторида;
  • для пленочных конденсаторов с диэлектриком-полиэтилентерефталатом и полиэстером характерны разумные величины диэлектрической постоянной, достаточно высокая рабочая температура (125 °С для полиэстера и 137 °С для полиэтилентерефталат) и экономичность по материалу (оптимальны пленки толщиной менее мкм), но эти преимущества отчасти нивелируются довольно высоким коэффициентом рассеяния, увеличивающимся с повышением температуры и частоты;
  • конденсаторам на базе пленок из полиэтиленнафталата, поликарбоната, полиэтиленсульфида и полиимида характерны стабильность диэлектрической константы на разных частотах, средние значения плотности энергии и электрической прочности, однако высокие значения коэффициента рассеяния (за исключением полиэтиленсульфида почти аналогичного по DF с полипропиленом) и de facto в разы меньшая долговечность при эксплуатации даже с небольшим превышением рабочей температуры или напряжения;
  • пленочные конденсаторы на базе пленок изполивинилиденфторида заметно выделяются впечатляющей диэлектрической проницаемостью, плотностью энергии благодаря особенностям его кристаллической структуры из блоков мономеров {CH2 -CF2-} с двумя дипольными моментами (один связан с CF2 , другой с CH2), которая при экструзии пленки трансформируется в бета фазу с предпочтительной ориентацией полимерных цепей в плоскости пленки, что определяет отличные пьезоэлектрические и пироэлектрические свойствам полимера. Вместе с тем, конденсаторы на базе пленок из поливинилиденфторида дорогие, имеют низкое сопротивление изоляции, небольшое напряжение пробоя, отличаются значительными токами утечки, а также плохой технологичностью полимера, что при изготовлении пленки обуславливает значительные потери брака, неравномерность толщины пленки, появление разрывов при намотке и т.д.

Информация о компании

Нюкон, ООО
Конденсаторный завод «Нюкон» производит: моторные, светотехнические, косинунсные и силовые конденсаторы. На базе завода работает цех производства шкафов УКРМ и АУКРМ. Продукция завода сертифицирована, обладает стабильно высоким качеством, и пользуется постоянным спросом не только в России, но и за рубежом. Отличительной чертой завода являются не только клиентоориентированые цены, но и быстрые сроки выполнения заказов. Будем рады Вашему обращению в нашу Компанию.

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.