Sel nädalal jätkame eelmise nädala artikliga.

1.2 Elektrolüütkondensaatorid

Elektrolüütkondensaatorites kasutatav dielektrik on alumiiniumi korrosiooni teel tekkiv alumiiniumoksiid, mille dielektriline konstant on 8–8,5 ja tööelektriline tugevus umbes 0,07 V/A (1 µm = 10000 A). Sellist paksust pole aga võimalik saavutada. Alumiiniumkihi paksus vähendab elektrolüütkondensaatorite mahtuvustegurit (erimahtuvust), kuna alumiiniumfooliumi tuleb heade energiasalvestusomaduste saavutamiseks alumiiniumoksiidkile moodustamiseks söövitada ja pind moodustab palju ebatasaseid pindu. Teisest küljest on elektrolüüdi takistus madalpinge korral 150 Ωcm ja kõrgepinge (500 V) korral 5 kΩcm. Elektrolüüdi suurem takistus piirab elektrolüütkondensaatori talutavat efektiivvoolu, tavaliselt 20 mA/µF-ni.

Nendel põhjustel on elektrolüütkondensaatorid konstrueeritud maksimaalseks pingeks, mis on tavaliselt 450 V (mõned üksikud tootjad projekteerivad 600 V jaoks). Seetõttu on kõrgemate pingete saavutamiseks vaja neid kondensaatoreid järjestikku ühendada. Kuna aga iga elektrolüütkondensaatori isolatsioonitakistus on erinev, tuleb iga kondensaatoriga ühendada takisti, et tasakaalustada iga järjestikku ühendatud kondensaatori pinget. Lisaks on elektrolüütkondensaatorid polariseeritud seadmed ja kui rakendatud vastupinge ületab 1,5 korda Un, toimub elektrokeemiline reaktsioon. Kui rakendatud vastupinge on piisavalt pikk, siis kondensaator lekib. Selle nähtuse vältimiseks tuleks iga kondensaatori kõrvale selle kasutamisel ühendada diood. Lisaks on elektrolüütkondensaatorite pingeimpulsi takistus üldiselt 1,15 korda Un ja headel kondensaatoritel võib see ulatuda 1,2 korda Un-ni. Seega peaksid projekteerijad nende kasutamisel arvestama mitte ainult püsiseisundi tööpingega, vaid ka ülepingega. Kokkuvõttes saab koostada järgmise võrdlustabeli kilekondensaatorite ja elektrolüütkondensaatorite vahel, vt joonis 1.

2. Rakenduse analüüs

Filtritena kasutatavad alalisvooluühenduse kondensaatorid vajavad suurt voolutugevust ja mahtuvust. Näiteks on joonisel 3 mainitud uue energiaga sõiduki peamine mootori ajamisüsteem. Selles rakenduses mängib kondensaator lahtisidumise rolli ja vooluringil on suur töövool. Kile alalisvooluühenduse kondensaatori eeliseks on see, et see talub suuri töövoolusid (Irms). Võtke näiteks 50–60 kW uue energiaga sõiduki parameetrid, mille parameetrid on järgmised: tööpinge 330 Vdc, pulsatsioonipinge 10 Vrms, pulsatsioonivool 150 Arms @ 10 kHz.

Seejärel arvutatakse minimaalne elektriline võimsus järgmiselt:

Seda on kilekondensaatorite disainimisel lihtne rakendada. Eeldades, et kasutatakse elektrolüütkondensaatoreid ja voolutugevuseks arvestatakse 20 mA/μF, arvutatakse elektrolüütkondensaatorite minimaalne mahtuvus ülaltoodud parameetrite täitmiseks järgmiselt:

Selle mahtuvuse saavutamiseks on vaja mitut paralleelselt ühendatud elektrolüütkondensaatorit.

Ülepinge rakendustes, näiteks kergraudteel, elektribussis, metroos jne, on pantograafi ja pantograafi vaheline kontakt transpordi ajal katkendlik, kuna need voolud on veduri pantograafiga ühendatud pantograafi kaudu. Kui need kaks ei ole kontaktis, toetab toiteallikat DC-L tindikondensaator ja kui kontakt taastub, tekib ülepinge. Halvimal juhul toimub lahtiühendamisel alalisvooluühenduse kondensaatori täielik tühjenemine, kus tühjenduspinge on võrdne pantograafi pingega ja kui kontakt taastub, on tekkiv ülepinge peaaegu kaks korda suurem kui nimivõimsus Un. Kilekondensaatorite puhul saab alalisvooluühenduse kondensaatorit käsitleda ilma täiendavate kaalutlusteta. Elektrolüütkondensaatorite kasutamisel on ülepinge 1,2 Un. Võtke näiteks Shanghai metroo. Un = 1500 Vdc, elektrolüütkondensaatori puhul tuleb arvestada pingega:

Seejärel tuleb kuus 450 V kondensaatorit järjestikku ühendada. Kilekondensaatori kasutamisel on lihtne saavutada 600 V kuni 2000 V või isegi 3000 V alalisvoolu pinge. Lisaks tekitab kondensaatori täieliku tühjenemise korral kahe elektroodi vahel lühise, mis tekitab alalisvooluühenduse kondensaatori kaudu suure sisselöögivoolu. Elektrolüütkondensaatorite puhul on see tavaliselt erinev, et vastata nõuetele.

Lisaks saab DC-Link kilekondensaatoreid võrreldes elektrolüütkondensaatoritega konstrueerida nii, et need saavutaksid väga madala ESR-i (tavaliselt alla 10 mΩ ja isegi madalama <1 mΩ) ja iseinduktiivsuse LS (tavaliselt alla 100 nH ja mõnel juhul alla 10 või 20 nH). See võimaldab DC-Link kilekondensaatori paigaldada otse IGBT-moodulisse, mis võimaldab integreerida siini DC-Link kilekondensaatorisse, välistades seega vajaduse spetsiaalse IGBT neeldumiskondensaatori järele kilekondensaatorite kasutamisel, säästes projekteerijale märkimisväärse summa raha. Joonistel 2 ja 3 on näidatud mõnede C3A ja C3B toodete tehnilised andmed.

3. Kokkuvõte

Algusaegadel olid DC-Linki kondensaatorid kulu ja suuruse tõttu enamasti elektrolüütkondensaatorid.

Elektrolüütkondensaatoreid mõjutab aga pinge ja voolu taluvus (ESR on kilekondensaatoritega võrreldes palju kõrgem), seega on suure mahtuvuse saavutamiseks ja kõrgepinge kasutamise nõuete täitmiseks vaja ühendada mitu elektrolüütkondensaatorit järjestikku ja paralleelselt. Lisaks tuleks elektrolüüdi materjali lenduvust arvestades seda regulaarselt vahetada. Uued energiarakendused nõuavad üldiselt 15-aastast toote eluiga, seega tuleb seda selle aja jooksul 2–3 korda vahetada. Seetõttu on kogu masina müügijärgse teenindusega seotud märkimisväärsed kulud ja ebamugavused. Metalliseerimiskatte tehnoloogia ja kilekondensaatorite tehnoloogia arenguga on ohutu kile aurustamise tehnoloogia abil võimalik toota suure mahtuvusega alalisvoolufiltrikondensaatoreid pingega 450 V kuni 1200 V või isegi kõrgemal, kasutades üliõhukest OPP-kilet (kõige õhem 2,7 µm, isegi 2,4 µm). Teisest küljest muudab alalisvooluühenduse kondensaatorite integreerimine siinilatti invertermooduli konstruktsiooni kompaktsemaks ja vähendab oluliselt vooluringi hajuinduktiivsust, et vooluringi optimeerida.