№6 / 2011 / статья 5

Силовая часть: алюминиевые электролиты Vishay для транспорта и нефтедобычи

Андрей Самоделов (г. Москва)

Надежность работы силовых устройств в немалой степени зависит от качества используемых компонентов. В первую очередь это относится к фильтровым и накопительным конденсаторам, которые должны обладать высокой удельной емкостью, малыми утечками, большим допустимым импульсным током, способностью длительной работы при резких скачках напряжения, широким температурным диапазоном и большим сроком службы. Всем этим требованиям в полной мере отвечает продукция компании Vishay — ведущего поставщика пассивных электронных компонентов.

Алюминиевые электролитические конденсаторы чаще всего выпускаются в трех конструктивных исполнениях: аксиальном, радиальном под печатный монтаж и радиальном с резьбовыми контактами. В силовых приложениях чаще всего используются радиальные конденсаторы. Это связано с тем, они обеспечивают наилучшую эффективность отвода тепла от корпуса конденсатора.

Чтобы максимально увеличить срок службы конденсаторов, их следует располагать в наименее нагревающейся части печатной платы или устройства. Принудительное воздушное охлаждение и/или установка на радиатор также могут способствовать увеличению срока службы почти в четыре раза, особенно в комбинации с усиленной конструкцией отрицательного электрода (катода).

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов является стандартной техникой, которая позволяет использовать их при напряжениях до 1200 В. В таких случаях необходимо уделять особое внимание правильному распределению напряжения между последовательно соединенными конденсаторами.

Для монтажа на печатные платы компания Vishay предлагает двух-, трех- или четырехвыводные радиальные конденсаторы с высокой удельной емкостью, рассчитанные на большой импульсный ток и большой срок эксплуатации.

Для промышленных приложений повышенной мощности выпускаются серии конденсаторов с резьбовыми выводами (исполнение ST) и с болтом на корпусе для крепления (серии ST BOLT, STB), некоторые из которых имеют корпус увеличенного размера. Паразитная индуктивность конденсатора (ESL) может способствовать возникновению переходных процессов. Для конденсаторов большого размера с резьбовыми выводами значение ESL не превышает 13 нГ.

В таблицах 1 и 2 приведены серии алюминиевых конденсаторов компании Vishay, наиболее часто используемые в силовых приложениях.

Таблица 1. Конденсаторы для печатного монтажа с радиальным расположением выводов  

Серия Отличительные особенности
157 PUM-SI Стандартная, 85°C
159 PUL-SI Стандартная, 105°C
193 PUR-SI Низкое значение ESR, большой ток пульсаций, 105°C
198 PHR-SI Большой ток пульсаций, экстремально большой срок службы, 85°C
096 PLL-4TSI Четырехвыводные, 85°C

 

Таблица 2. Конденсаторы с резьбовыми выводами для силовых промышленных приложений 

Серия Отличительные особенности
102 PHR-ST/STB Большой срок службы, большой ток пульсаций, 85°C
104 PHL-ST/STB Большой ток пульсаций, 105°C
500 PGP Высокое соотношение C/V, 85°C

Рассмотрим принципы выбора конденсаторов для конкретных типов приложений.

 

Конденсаторы для систем управления
электродвигателями (драйверов)

Драйверы электродвигателей используются для управления частотой вращения вала электродвигателей различных типов во всех приложениях, от малых насосов и моторов для бытовых стиральных машин и систем центрального отопления и кондиционеров воздуха до огромных электродвигателей, которые применяются в промышленных устройствах (рис. 1).

 

Типовая блок-схема системы управления электродвигателем

 

Рис. 1. Типовая блок-схема системы управления электродвигателем

 

Выбор наилучших конденсаторов
для систем управления электродвигателями

Конденсаторы с алюминиевыми обкладками часто используются в цепях постоянного тока систем управления как однофазными, так и трехфазными электродвигателями. Алюминиевые электролитические конденсаторы используются в качестве буферных накопителей энергии, чтобы обеспечить устойчивую работу инвертора, управляющего электродвигателем, в режиме переключения. Кроме того, конденсаторы выполняют функцию фильтра, препятствующего проникновению высокочастотных помех, возникающих при переключении инвертора, в силовую сеть.

Ключевым критерием при выборе электролитических конденсаторов является величина пульсаций тока. Пульсации тока содержат две компоненты:

  • Низкочастотные пульсации (50…200Гц), возникающие при выпрямлении входного переменного напряжения.
  • Высокочастотные пульсации, обусловленные работой инвертора и лежащие обычно в диапазоне частот 8…20кГц.

Для нормальной работы драйвера необходимо правильно выбирать минимальную емкость используемых конденсаторов.

 

Каков же будет выбор?

Для использования в системах управления электродвигателями компания Vishay рекомендует использовать конденсаторы серии 198 PHR-SI для печатного монтажа и серии 102 PHR-ST с резьбовыми выводами. Пример выбора конденсаторов показан в таблицах 3 и 4.

Таблица 3. Конденсаторы серии 198 PHR-SI для систем управления ЭД  

Электрические характеристики и информация для заказа конденсаторов 198 серии
UR, В CR @100 Гц, мкФ Размер корпуса
D x L, мм
IR @100 Гц
85°C, А
IL1 @1 мин, мА IL5 @5 мин, мА ESR @100 Гц, мОм Z @10 кГц, мОм Код для заказа по каталогу MAL2198…
Тип. Макс. Тип. Макс. 2-выв. 3-выв.
400 470 35 x 45 2,72 1132 380 129 203 80 153 36471E3 16471E3
450 560 35 x 60 3,10 1516 508 100 171 60 120 57561E3 77561E3

 

Таблица 4. Конденсаторы серии 102 PHR-ST для систем управления ЭД

Электрические характеристики и информация для заказа конденсаторов 102 серии
UR, В CR @100 Гц, мкФ Размер корпуса
D x L. мм
IR @100 Гц
85°C, А
IL5 @5 мин, мА ESR Макс. @100 Гц, мОм Z Макс. @20 кГц, мОм Код для заказа по каталогу
HIGH POST M5 DISC HIGH CURRENT M6 DISC
Испол-нение ST MAL2102… Испол-нение ST BOLT MAL2102… Испол-нение ST MAL2102… Испол-нение ST BOLT MAL2102…
250 4700 76 x 105 15,3 2,35 29 19 23472E3 63472E3 43472E3 83472E3
400 3300 76 x 105 13,4 2,64 40 27 26332E3 66332E3 46332E3 86332E3
450 5600 76 x 146 17,3 5,04 23 15 17562E3 57562E3 37562E3 77562E3

 

Конденсаторы для инверторов
солнечных батарей

С 2005 года наметился глобальный рост интереса к различным устройствам и технологиям получения электроэнергии из возобновляемых источников, в особенности — к использованию солнечных батарей. Наиболее важным блоком устройств преобразования солнечной энергии являются преобразователи (инверторы). Инверторы используются для высокоэффективного преобразования напряжения постоянного тока, вырабатываемого панелями солнечных батарей, в обычное напряжение переменного тока, пригодное для подачи в электрическую сеть или для питания бытовой техники. Инверторы для солнечных батарей выпускаются в широком диапазоне рабочих мощностей. В зависимости от общей мощности системы преобразователи делятся на: одиночные инверторы для бытового применения мощностью до 3 кВт, сдвоенные линейные инверторы мощностью до 10 кВт и мощные центральные инверторы мощностью до 500 кВт (рис. 2).

 

Типовая блок-схема инвертора для солнечной батареи

 

Рис. 2. Типовая блок-схема инвертора для солнечной батареи

 

Выбор наилучшего конденсатора
для инверторов солнечных батарей

Силовые конденсаторы используются в цепях постоянного тока инверторов солнечных электростанций для создания запаса энергии, достаточного для плавной работы DC/AC-преобразователя. В зависимости от диапазона мощностей, максимально допустимого напряжения, доступного объема, требований к сроку службы и стоимости решения могут использоваться либо алюминиевые, либо силовые пленочные конденсаторы. Компания Vishay может предложить оба типа конденсаторов для данного применения.

Правильность выбора алюминиевых конденсаторов зависит от того, какой из двух главных режимов работы используется:

Нормальный режим. В данном режиме система отслеживания точки максимальной мощности (MPP) будет поддерживать пониженное напряжение на конденсаторах в комбинации с довольно большим уровнем пульсаций тока и повышенной температурой внутри корпуса инвертора.

Автономный режим. В этом режиме солнечные батареи отключены от сети, и напряжение на конденсаторах может вырасти до максимального выходного значения, достигаемого солнечной батареей. В таком режиме на конденсатор не воздействуют импульсные токи, и температура в корпусе инвертора также уменьшена. Этот режим работы определяет требования к рабочему напряжению конденсатора в условиях слабой или средней нагрузки при средней температуре внутри корпуса инвертора.

Срок службы конденсаторов определяется, в основном, значением импульсного тока и температурой внутри корпуса в нормальном режиме работы.

Типичное выходное напряжение для панелей солнечных батарей составляет 600, 800 и 1000 В. Для перекрытия такого диапазона напряжений необходимо последовательное соединение двух или более алюминиевых конденсаторов. Точное распределение падения напряжения жизненно важно для нормальной работы конденсаторов, но может вызвать значительное падение КПД устройства при использовании, например, выравнивающих резисторов.

Следующим важным параметром при выборе конденсаторов является общая емкость, которая должна быть достаточной для обеспечения плавной работы преобразователя.

 

Каков же будет выбор?

Для работы в инверторах солнечных батарей малой мощности компания Vishay предлагает двух-, трех- или четырехвыводные конденсаторы для печатного монтажа с размером корпуса от 30×40 мм до 45×100 мм. Для центральных инверторов можно использовать конденсаторы серии 104 PHL-ST с резьбовыми выводами размером до 90×220 мм. Пример выбора конденсаторов показан в таблице 5.

Таблица 5. Варианты выбора конденсаторов для инверторов солнечных батарей  

Серия Емкость, мкФ Размер D*H, мм UR, В UC, В IR @100 Гц, А Срок службы, час
UR, 85°C UC, IR, 105°C
193 PUR-SI 330 30 x 50 500 400 2,3 2 000 10 000
157 PUM-SI 680 35 x 60 500 420 3,2 1 000 7 000
095 PLL-4TSI 1000 45 x 70 500 450 3,8 5 000 5 000
159 PUL-SI 1200 35 x 80 320 5,1 7 000
104 PHL-ST 4700 76 x 175 500 450 12,1 20 000 10 000

 

Конденсаторы для тяговых приложений

Тяга — это общий термин для обозначения приводов в поездах или железнодорожном подвижном составе. В данную прикладную категорию можно включить как системы электропривода, так и электрические системы, обеспечивающие торможение, освещение и электропитание. Типовая блок-схема тягового приложения аналогична схеме, показанной на рисунке 1.

 

Выбор наилучших конденсаторов для тяговых приложений

Алюминиевые конденсаторы используются в двух главных областях тяговых приложений:

  • В цепях постоянного тока систем управления приводами на базе больших электродвигателей в подвижном составе;
  • В цепях постоянного тока во вспомогательных источниках питания подвижного состава.

В обоих случаях конденсаторы используются как в качестве энергетического буфера для стабилизации работы импульсных инверторов, управляющих большими электродвигателями, или вспомогательных силовых систем, так и в качестве фильтра для предотвращения проникновения высокочастотных помех, вызванных работой мощных ключей, в питающую сеть.

Ключевым критерием выбора конденсаторов будет величина высокочастотных пульсаций тока с частотой 8…20 кГц, создаваемых инвертором.

Следует выбирать значение емкости, обеспечивающее нормальную работу драйвера. Паразитная индуктивность (ESL) может привести к возникновению переходных процессов. Для конденсаторов с резьбовыми выводами значение ESL не превышает 13 нГ.

При напряжении до 1200 В можно последовательно соединить три конденсатора одинакового номинала, чтобы обеспечить равное падение напряжения на них. При более высоких значениях напряжения и жестких режимах эксплуатации выравнивание напряжения следует осуществлять с помощью пленочных резисторов, также выпускаемых Vishay.

 

Каков же будет выбор?

Для использования в приводах подвижного состава компания Vishay рекомендует использовать конденсаторы серий 102 PHR-ST или 104 PHL-ST с резьбовыми выводами и усиленной конструкцией отрицательного электрода для лучшего охлаждения. Пример выбора конденсаторов показан в таблицах 6 и 7.

Таблица 6. Конденсаторы серии 102 PHR-ST для тяговых приложений  

Электрические характеристики и информация для заказа конденсаторов 102 серии; 85°C – 10 000 час
UR, В CR @100 Гц, мкФ Размер корпуса
D x L, мм
IR  @100 Гц
85°C, А
IL5 @5 мин, мА ESR Макс. @100 Гц, мОм Z Макс. @20 кГц, мОм Код для заказа по каталогу
HIGH POST M5 DISC HIGH CURRENT M6 DISC
Испол-нение ST MAL2102… Испол-нение ST BOLT MAL2102… Испол-нение ST MAL2102… Испол-нение ST BOLT MAL2102…
350 15 000 90 x 220 31,2 10,5 10 8 45153E3 85153E3
400 10 000 76 x 220 22,1 8,0 14 11 16103E3 56103E3 36103E3 76103E3

 

Таблица 7. Конденсаторы серии 104 PHL-ST для тяговых приложений  

Электрические характеристики и информация для заказа конденсаторов 104 серии; 105°C – 5 000 час
UR, В CR @100 Гц, мкФ Размер корпуса
D x L, мм
IR @100 Гц
85°C, А
IL5 @5 мин, мА ESR Макс. @100 Гц, мОм Z Макс. @20 кГц, мОм Код для заказа по каталогу
HIGH POST M5 DISC HIGH CURRENT M6 DISC
Испол-нение ST MAL2104… Испол-нение ST BOLT MAL2104… Испол-нение ST MAL2104… Испол-нение ST BOLT MAL2104…
350 15 000 90 x 220 25,6 10,5 13 12 45153E3 85153E3
400 10 000 90 x 220 22,1 8,0 17 14 46103E3 86103E3

 

Конденсаторы для источников
бесперебойного питания (ИБП — UPS)

Источники бесперебойного питания (ИБП, UPS) используются для поддержания питания нагрузки во время коротких отключений электроэнергии. ИБП бывают оффлайновые и онлайновые, и могут отличаться по максимальной мощности нагрузки и времени автономной работы (рис. 3).

 

Типовая блок-схема источника бесперебойного питания

 

Рис. 3. Типовая блок-схема источника бесперебойного питания

 

Выбор лучшего конденсатора для ИБП

Алюминиевые конденсаторы идеально подходят для использования в цепях постоянного тока ИБП любой системы. Они используются как энергетический буфер для выходного DC/AC-преобразователя в момент переключения ИБП из режима работы от сети в режим работы от аккумуляторов. Кроме того, конденсаторы работают как фильтр, препятствующий проникновению высокочастотных помех от преобразователя в питающую сеть.

Ключевым параметром при выборе конденсаторов является предельно допустимая величина пульсаций тока, которые состоят из двух компонент: низкочастотных пульсаций (50…200 Гц), связанных с выпрямлением входного напряжения, и высокочастотных (10…40 кГц) помех, вызванных работой DC/AC-преобразователя.

Желательно вычислить минимальную емкость конденсатора, гарантирующую устойчивую работу устройства.

При последовательном соединении конденсаторов в ИБП необходимо позаботиться о правильном распределении падения напряжения на них, чтобы значительно не уменьшить КПД.

 

Каков же будет выбор?

Для использования компания Vishay рекомендует использовать конденсаторы серии 198 PHR-SI для печатного монтажа в источниках бесперебойного питания небольшой мощности, и серии 102 PHR-ST с резьбовыми выводами — в больших промышленных установках. Пример выбора конденсаторов показан в таблице 8 и 9.

Таблица 8. Конденсаторы серии 198 PHR-SI для ИБП  

Электрические характеристики и информация для заказа конденсаторов 198 серии; 85°C
UR, В CR @100 Гц, мкФ Размер корпуса
D x L, мм
IR @100 Гц
85°C, А
IL1 @1 мин, мА IL5 @5 мин, мА ESR @100 Гц, мОм Z @10 кГц, мОм Код для заказа по каталогу MAL2198…
Тип. Макс. Тип. Макс. 2-выв. 3-выв.
400 470 35 x 45 2,72 1132 380 129 203 80 153 36471E3 16471E3
450 560 35 x 60 3,10 1516 508 100 171 60 120 57561E3 77561E3

 

Таблица 9. Конденсаторы серии 102 PHR-ST для ИБП  

Электрические характеристики и информация для заказа конденсаторов 102 серии; 85°C – 10 000 час
UR, В CR @100 Гц, мкФ Размер корпуса
D x L, мм
IR @100 Гц
85°C, А
IL5 @5 мин, мА ESR Макс. @100 Гц, мОм Z Макс. @20 кГц, мОм Код для заказа по каталогу
HIGH POST M5 DISC HIGH CURRENT M6 DISC
Испол-нение ST MAL2102… Испол-нение ST BOLT MAL2102… Испол-нение ST MAL2102… Испол-нение ST BOLT MAL2102…
250 4700 76 x 105 15,3 2,35 29 19 23472E3 63472E3 43472E3 83472E3
400 3300 76 x 105 13,4 2,64 40 27 26332E3 66332E3 46332E3 86332E3
450 5600 76 x 146 17,3 5,04 23 15 17562E3 57562E3 37562E3 77562E3

 

Конденсаторы для силовых импульсных устройств

Силовыми импульсными приложениями называются приложения, в которых энергопотребление имеет форму короткого импульса вместо плоского профиля. Хорошим примером таких приложений может служить сварочное оборудование, рентгеновские установки и высокочастотные плазменные резаки.

 

Типовая блок-схема импульсного силового устройства

 

Рис. 4. Типовая блок-схема импульсного силового устройства

 

Выбор наилучшего конденсатора
для импульсного силового устройства

Алюминиевые конденсаторы идеальны для использования в качестве энергетических буферов, которые имеют повышенную энергетическую отдачу, способствующую выполнению главной функции приложения.

Основным параметром в таких приложениях является минимальная емкость электролитического конденсатора, определяющая амплитуду импульса энергии, которую сможет отдать приложение.

Вторым важным параметром является паразитная индуктивность конденсатора (ESL), большие значения которой могут вызвать переходные процессы. Для конденсаторов с резьбовыми выводами значение ESL не превышает 13 нГ.

Кроме того, следует позаботиться о том, чтобы напряжение на конденсаторе не превышало предельно допустимое значение.

Работа в режиме полного разряда требует использования специальной конструкции конденсатора, в то время как разряд до 30…40% от максимального напряжения может значительно продлить его срок службы.

 

Каков же будет выбор?

Для высоковольтных промышленных приложений, таких как профессиональная сварка, высокочастотные плазменные резаки и рентгеновское оборудование, рекомендуется использовать алюминиевые конденсаторы с резьбовыми выводами в больших корпусах, имеющие усиленную конструкцию отрицательного электрода. Пример выбора конденсаторов показан в таблице 10.

Таблица 10. Выбор конденсаторов для силовых импульсных устройств  

Серия Исполнение UR, В Cap, мкФ Размер D x H, мм Срок службы
при 85°C, час
157 PUM-SI Радиальное 300 1 000 35 x 50 5 000
159 PUL-SI Радиальное 450 560 35 x 60 5 000
102 PHR-ST С резьбовыми выводами 350 15 000 90 x 220 10 000
102 PHR-ST С резьбовыми выводами 400 10 000 76 x 220 10 000
500 PGP-ST С резьбовыми выводами 450 16 000 90 x 220 2 000

 

Заключение

Хочется отметить, что широчайшая номенклатура пассивных компонентов компании Vishay, в том числе и алюминиевых конденсаторов, рассмотренных в данной статье, способна удовлетворить самым взыскательным требованиям разработчика. Компания постоянно следит за высочайшим качеством своих изделий и в минимальные сроки реагирует на появление на рынке новых приложений, требующих применения пассивных компонентов повышенной надежности.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: discret.vesti@compel.ru

 

 

Наши информационные каналы

Теги: ,
Рубрики:

О компании Vishay

Vishay Intertechnology является одним из крупнейших в мире производителей дискретных полупроводников и пассивных электронных компонентов, в том числе диодов, транзисторов, оптико-электронных продуктов, интегральных схем (ИС), резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов. Компания располагает заводами в шестнадцати странах, с общим числом служащих более чем 25 000 человек. Компания Vishay выросла за счет приобретений, включающие такие имена торговых марок в области дискретных электронных ...читать далее