Пленочные металлизированные конденсаторы для электроприводов и электродвигателей. Преимущества и недостатки металлизированных пленочных конденсаторов.
Пленочные конденсаторы для электроприводов и электродвигателей конструктивно представляют собой намотку из полимерной пленки-диэлектрика (в несколько микрометроов), одна сторона которой покрыта способом металлизации тонким слоем проводящего металла (цинка, алюминия толщиной в десятки нанометров). Два конца обмотки способом напыления в вакууме покрываются частицами расплавленного металла (Schoop process – шоопировка), чтобы обеспечить электрический контакт с внешней цепью.
Первые пленочные конденсаторы представляли собой просто пластиковую пленку, свернутую между двумя слоями металлической фольги, но большинство современных устройств изготавливаются путем вакуумного осаждения металлических электродов на пластиковый диэлектрик. Эти сборки с металлизированной пленкой имеют гораздо более тонкие электроды, что определяет высокие значения удельной энергии (от 3 Дж/см3).
Наиболее часто используемым полимерным диэлектриком в силовых конденсаторах на сегодня остается полипропилен (Polypropylene – РР), но он имеет относительно низкую температуру плавления, и поэтому полиэтилентерефталат (polyethylene terephtalate – PET) предпочтителен для условий эксплуатации, где требуются температуры выше 105°C.
Конденсаторы с диэлектриком из поликарбоната (polycarbonate – PC) также применимы для использования при (сравнительно) высоких температурах (пороговые значения 125°C), однако сейчас они считаются морально устаревшими и имеют более высокую цену, чем полипропиленовые.
Металлизированные пленочные конденсаторы на базе полифениленсульфида (polyphenymene sulfide – PPS) и полиэтиленнафталата (polyethylene naphthalate – PEN) рассчитаны на температуру эксплуатации до 150°C, имеют разный коэффициент диэлектрических потерь, но более дорогие, чем конденсаторы с полипропиленовым диэлектриком.
Таблица. Электрические параметры основных полимеров-диэлектриков пленочных металлизированных конденсаторов.
| Тип диэлектрика | Относительная диэлектрическая проницаемость, ε | Диэлектрическая прочность, MV/m | Максимальная рабочая температура Tmax, °C | Коэффициент диэлектрических потерь tg δ х10-4 |
| РР (полипропилен) | 2.2 | 550 | 100 | 2 |
| РС (поликарбонат) | 2.8 | 450 | 125 | 15 |
| РЕТ (полиэтилентерефталат) | 3.3 | 400 | 125 | 50 |
| PEN (полиэтиленнафталат) | 3.0 | 400 | 150 | 40 |
| PPS (полифениленсульфид) | 3.0 | 450 | 150 | 6 |
Преимущества и недостатки металлизированных пленочных конденсаторов
Самым большим недостатком электролитических конденсаторов считается короткий срок службы, который может быть во много раз меньше, чем у эквивалентного пленочного металлизированного конденсатора (в зависимости от условий). Выход из строя алюминиевых электролитических конденсаторов обычно происходит из-за дрейфа параметров, вызванного испарением электролита через торцевое уплотнение под действием чрезмерных термических и электрических напряжений.
В свою очередь металлизированным пленочным конденсаторам наряду со сравнительно большим сроком службы характерен выход из строя без разрушения из-за процесса, известного как самовосстановление.
В условиях эксплуатации дефекты диэлектрического материала могут привести к локальному пробою диэлектрической пленки и такие случаи возникают в результате внезапного и локализованного разряда части накопленного заряда под действием температуры и давления. Пробой диэлектрика происходит, когда приложенное электрическое поле значительно превышает то, которое может выдержать диэлектрик, и в основном из-за наличия в диэлектрике примесей или газовых включений, которые приводят к локальному усилению приложенного поля.
Фактически, когда в определенных областях диэлектрика электрическое поле становится критическим, внутри полимерной пленки или даже на границе раздела диэлектрик/электрод могут возникать разряды, сопровождающиеся разрушением определенных молекулярных связей. Во время этих интенсивных разрядов в диэлектрическом материале образуются отверстия в виде проколов, но тонкий слой металлизации вблизи места дефекта испаряется, а место становится электрически изолированным, что и определяет суть процесса «самовосстановления».
Основным ограничением применения металлизированных пленочных конденсаторов является их неспособность обеспечить высокую удельную емкость, и существенную температурную зависимость сроков службы из-за процессов деградации диэлектрика.
Действительно, повышение температуры может вызвать изменения в химической структуре полимера, что является результатом термической активации некоторых неактивных (при низких температурах) химических реакций. Деградация полимера может быть результатом избыточного поступления энергии в цепи макромолекул – когда такая энергия концентрируется на химической связи и превышает ее энергию активации, происходит пробой.
Чаще всего химические реакции протекают по «свободно-радикальному» процессу при потере молекулой одного или нескольких электронов. Причиной возникновения таких явлений могут быть высокие температуры, ионное, ультрафиолетовое излучение или даже примеси, которые действуют как химические триггеры. Фактически наличие свободного радикала или одного электрона придает молекуле высокую нестабильность, а восстановление идет через химические реакции с окружающими соединениями, которые вызывают разделения или сшивку основной цепи полимера, что приводит к прогрессирующей деградации макромолекул.
