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, |
---|---|---|---|
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.