C 2.2 PAPIERCONDENSATOREN
onder deze kop behandelen we voornamelijk diëlektrische papiersoorten. Tegelijkertijd moeten we zeggen dat combinaties van papier en plastic, dat wil zeggen gemengde diëlektrie, vrij algemeen zijn.
c 2.2.1 papier / folie
De geschiedenis van de commerciële condensator begon met diëlektrische papierfolie en elektroden van aluminiumfolie. Omdat papier poreus is, moet het geïmpregneerd worden om corona-Effecten en flashovers te voorkomen. Het wordt gedaan door het gebruik van gesmolten was of verschillende soorten oliën, onder andere minerale en siliconenoliën. De oliën verhogen de spanningsstabiliteit, maar verminderen tot op zekere hoogte de er. Vezelpapier heeft een er ≈ 6,6 en de minerale olie ≈ 2.3 wat de geïmpregneerde wikkeling een er geeft variërend tussen 3,1 en 4,5. De verschillen zijn vooral afhankelijk van de wikkeldruk die door de trekkracht tijdens de wikkeling wordt geproduceerd.
Vroeger werden ten minste twee geïmpregneerde papierfolies gebruikt vanwege het karakter van het papier. Vandaag gemengde dielectrics worden vaak gebruikt waar het papier is in combinatie met kunststof folies, meestal polyester (PET) of polypropyleen.
omdat de samenvattende tabellen na elk gepresenteerd materiaaltype de impregneermiddelen en gemengde diëlektrische stoffen niet afzonderlijk behandelen, vermelden we enkele van hun kenmerken in onderstaande tabel C2-2.
tabel C2-2. Tan δ, 1 kHz, en er voor sommige gemengde diëlektriemen.
oliegeïmpregneerd papier wordt vooral gebruikt in stroom -, net-en doorvoercondensatoren. In dit handboek beperken we ons tot die kleinere types die tot de elektronische componenten behoren. Ze vormen een vervagende component categorie die meer en meer wordt vervangen door kunststof diëlektrische.
in gewone net-en doorvoercondensatoren voor consumentendoeleinden bevatten de omhulsels slechts een geringe hoeveelheid olie. Het grootste deel ervan zit in de papierfolies. De impregnatie wordt in vacuüm op de voltooide wikkeling uitgevoerd, waarna eerst krant werd zorgvuldig in dukhovke gedroogd.
C 2.2.2 MP (gemetalliseerd papier)
de eerste gemetalliseerde filmcondensator werd gebouwd met gemetalliseerd papier. De MP folie lijkt in principe op die in Figuur C2-18.
figuur C2-18. Doorsnede door een MP folie.
als impregneermiddelen overheersen vaste stoffen zoals epoxy, maar in bepaalde soorten kunnen plantaardige oliën voorkomen. De impregnering beschermt ook de zinkmetallisatie tegen waterige corrosie en oxidatie. Omdat het papier poreus is en op bepaalde punten onzuiverheden of zwakheden kan bevatten, moet men in professionele toepassingen gebruik maken van ontwerpen met ten minste twee lagen papierfolies. Het risico dat een zwakke plek in een folie tegenover een andere in de volgende laag terechtkomt, wordt geminimaliseerd. In plaats van een extra papier folie tegenwoordig gemengde dielectrics zijn meer en vaker gebruikt met een polyester of polypropyleen film samen met de gemetalliseerd papier folie. Ook voorkomen varianten met een gemetalliseerde plastic folie en een geïmpregneerd papierfolie.
de echte MP condensator raakte ooit buiten gebruik, maar tegelijkertijd met de ervaringen van de plastic folies is het getuige geweest van een goed gemotiveerde renaissance. Het heeft vooral te maken met de noodzaak van tijdelijke beschermingscondensatoren in nettoepassingen. Volgens tabel C2-1 is de koolstofafzetting uit zelfgenezingen die tijdens de fabricage worden geproduceerd – zogenaamde openingen-uniek laag voor cellulosematerialen, terwijl de benodigde energieafgifte stopt op volledig onschadelijke niveaus (ΔV ≈ -10 mV… -1 V). Zie Figuur C2-24.
naast de MP condensator heeft een ander voordeel bij pulstoepassingen. Pulsen betekenen steile spanningsverstijgingstijden en hoge laad-en ontladingsstromen. De gebruikelijke zinkmetallisatie samen met een eindspuitmetaal bestaande uit een zinkverbinding (shooping metal) geeft net die lage ESR in de contactinterface die nodig is om een lokale verwarming te vermijden. Repetitieve cursussen van pulse gebeurtenissen kunnen anderzijds leiden tot interne verwarming vanwege de diëlektrische verliezen. Als de condensator wordt gebruikt als een energieopslag pulszender zal een deel van de energie verloren gaan in de diëlektrische verliesweerstand Rd. De spanning Vc van de opgeladen condensator zal bij de ontlading spanning worden verdeeld in Vd en VL (figuur C2-19).
figuur C2-19. Energieverlies in de diëlektrische energie bij een pulsbelasting.
c 2.2.3 transiënte onderdrukking / X-en Y-condensatoren
In de groep van RFI – condensatoren die bescherming moeten bieden tegen interferentie met radiofrequenties zijn de zogenaamde X-en Y-condensatoren opgenomen. Ze zijn aangesloten op het lichtnet volgens figuur C2-20. Daar dienen ze ook een ander belangrijk doel. Transiënten slaan namelijk relatief vaak op elk live net. Ze kunnen van buiten komen, maar kunnen ook worden gegenereerd door onze eigen apparatuur.
tussen 80 en 90 % van alle transiënten van het net duren tussen 1 en 10 microseconden, zijn hoger dan 1000 V, hebben spanningsverstijgingstijden van 200 tot 2000 V / microseconden en treden ten minste 10 keer per dag op. We beseffen dat hun schade moet worden geëlimineerd. Het wordt gedaan door de x-condensatoren die dus zijn aangesloten tussen de lijnen van het net.
De y-condensatoren vertegenwoordigen een ander type tijdelijke onderdrukking. Ze zijn verbonden tussen een van de elektriciteitsleidingen en de geaarde afdekking van elektrische apparatuur. Hier hebben we een extra hoge beveiliging tegen kortsluiting nodig om te voorkomen dat de apparatuur onder spanning wordt gezet en daardoor ernstig lichamelijk letsel veroorzaakt. Bovendien moet de Y-condensator een beperkte capaciteit hebben om geen schadelijke hoge stromen door het menselijk lichaam te veroorzaken bij een mogelijk open circuit in de aarddraad (zie figuur C2-20).
figuur C2-20. Aansluiten van X-en Y-condensatoren.
om na te gaan of de x – en Y-condensatoren werkelijk bestand zijn tegen optredende transiënten, moeten zij de volgende drie tests zonder opmerkingen doorstaan.
- levenstest volgens IEC 384-14, 1000 uur bij Tuc en 1,25 xVR + 1000 Vrms per uur voor 0,1 s.
figuur C2-21. Levensduur van X-en Y-condensatoren.
- Spanningstest volgens 384-14. Drie pulsen van Vp = 2,5 tot 5 kV afhankelijk van het type condensator.
figuur C2-22. Piekspanningstest van X-en Y-condensatoren.
- laad-en lozingstest volgens IEC 384-14. 10 000 pulsen bij 100 V / s en 2xVR.
figuur C2-23. Laad – en ontlaadtest van X-en Y-condensatoren.
X-en Y-condensatoren moeten door de nationale keuringsinstanties zijn goedgekeurd om in de respectieve landen te kunnen worden gebruikt. In de catalogi van manufaturers kon het worden geschreven ” goedgekeurd door SEMKO “(Zweden), door DEMKO (Denemarken), door VDE (Duitsland), door UL (USA), door BSI (Groot-Brittannië) enz. Nu worden alle Europese check routines verzameld in één standaard, EN 13 24 00. De Amerikaanse normen worden verzameld onder UL en de Canadese onder CSA.
MP of MK?
In X-en Y-condensatortoepassingen moeten we rekenen op zelfherstellende storingen. De spanningsdaling veroorzaakt door een zelfgenezing hangt af van de energie die wordt verbruikt om diëlektrische en metallisatie te verdampen. Hier zijn MPs met hun zinkmetallisatie superieur geweest aan plastic filmcondensatoren die van oudsher een Al-metallisatie hebben ondergaan, waarvan het verdampingsproces vele malen meer energie vereist dan Zn. Tegenwoordig worden kunststof filmcondensatoren (MK) echter op de markt gebracht met metallisatie legeringen op basis van de gunstige eigenschappen van zink, maar zonder de neiging tot waterige corrosie.
verder bestaan er speciale ontwerpen van gemetalliseerde kunststoffolie waarbij een gesegmenteerde metallisatie wordt gebruikt, soms een structuurmetallisatie genoemd. Het oppervlak is verdeeld in onderling afgebakende elementen die via smalle poorten binnen het bereik van de laadstroom liggen. Bij een zelfgenezing verbrandt de stroom ze. Zie voorbeeld in Figuur C2-25 en -26 hieronder. Het oppervlaktelement wordt geïsoleerd en de ontladingsstroom van andere elementen wordt afgesneden, evenals de beginspanningsval. Men krijgt ongeveer dezelfde energiebeperking als door een zelfgenezing in een MP condensator, vooral als de structuur metallisatie wordt gecombineerd met keuzes van moderne metalliseren legeringen. Figuur C2-24 toont typische zelfherstellende effecten op de spanningsval over een condensator.
figuur C 2-24. Typische spanning daalt DVC bij een self-healing (SH) in een MP en een MK condensator onder spanning. SHMP ” SHMK-structuur.
de gemetalliseerde kunststoffolies (MK) die tot nu toe werden gebruikt, zijn polyester (MKT) en polypropyleen (MKP). De laatste hoeft niet te worden structuur gemetalliseerd als gevolg van de uitstekende zelf-helende chemie. Gecombineerd met zeer dunne ZnAl metalliseren krijgt het ontwerp dezelfde kenmerken als de structuur gemetalliseerd MK. Bovendien zijn de hoogfrequente eigenschappen superieur aan die van andere films.
figuur C 2-25. Voorbeeld van een structuur gemetalliseerde folie en de zelfherstellende stroom.
metalliseren in gestructureerde oppervlakelementen stelt grote eisen aan het ontwerp. Zelfs als er kosteneffectieve methoden worden ontwikkeld, brengen zij een zekere prijsstijging met zich mee. De vereenvoudigde gesegmenteerde metallisatie in Figuur C2-25 bestaat eigenlijk uit een rasterachtig patroon dat over het gehele oppervlak wordt verdeeld.
figuur C2-26. Raster-achtig metallisatiepatroon.
een andere, en zeer interessante, structuur metallisatie bestaat uit gemetalliseerde cirkelvormige oppervlakken bovenop een dunne, hoge oppervlakteweerstand metallisatie die het totale oppervlak bedekt. De zwakke ronde gewrichten dienen samen met de dunne onderliggende metallisatie als fuserende elementen. De fusing functie wordt begunstigd door een metallisatie van zink of lage energie legering.
figuur C2-27. Schema van gesegmenteerde metallisatie.
elke zelfgenezing vermindert de capaciteit overeenkomstig de oppervlaktevermindering. De auteur is van mening dat de MP condensator nog steeds superieur is aan de structuur gemetalliseerde MK types. Maar, natuurlijk, beide types voldoen aan de huidige normen en veiligheidseisen.
C 2.2.4 temperatuur-en frequentieafhankelijkheden
volgende diagrammen tonen enkele typische grafieken voor de temperatuur-en frequentieafhankelijkheid van papiercondensatoren.
figuur C2-28. Capaciteit C versus temperatuur T voor MP en olie geïmpregneerd papier condensatoren.
figuur C2-29. Typische frequentieafhankelijkheid van de capaciteit voor papiercondensatoren.
figuur C2-30. Typische temperatuurafhankelijkheid van de dissipatiefactor voor een MP condensator.
figuur C2-31. Typische frequentieafhankelijkheid van de dissipatiefactor voor een MP condensator.
figuur C2-32. Typisch curvegebied voor de temperatuurafhankelijkheid van de IR voor MP condensatoren.
figuur C2-33. Voorbeelden van impedantie versus frequentie voor MP Condensatoren met verschillende capaciteit en lead ruimte.
in Figuur C1-17 kunnen we zien hoe de impedantiecurve de bodem van ESR-verliezen raakt zoals een buigzame curve lang voordat de capacitieve tak de inductieve doorsnijdt. In Figuur C2-33 draait de impedantiecurve echter af in een scherp punt rond de resonantiefrequentie. De verschillen hebben te maken met de verliezen. In componenten met een laag verlies zoals filmcondensatoren bereikt de afnemende capacitieve reactantiecurve gebieden rond de resonantiefrequentie voordat deze bij de beperkende ESR-bijdrage komt. Hier daalt de reactantie nog sneller dan volgens de initiële curve als gevolg van de tegenwerkende inductieve reactantie.
De Punt van de impedantiecurve in Figuur C2-33 is in een grotere vergroting niet zo scherp dat in het diagram wordt aangegeven. Zie voorbeeld in Figuur C2-43.
(in Condensatoren met vrij hoge verliezen, zoals bijvoorbeeld elektrolyten, bereiken de reactantiecurves de ESR-bijdrage bij frequenties ver van de resonantiefrequentie. Hier produceert de dipool afhankelijke capaciteit vermindering van een afwijking naar boven van de aanvankelijke reactantie curve, zoals weergegeven in de figuren C1-17 en 20).
c 2.2.5 Storingsmodi
penetrerend vocht vormt de grootste bedreiging voor papiercondensatoren omdat het papier vochtigheid absorbeert die op zijn beurt de IR beïnvloedt en de diëlektrische energie beschadigt. Voor hermetische componenten, zie C 2.1.9. In folie condensatoren interne, vrij opgehangen aansluitdraden lopen het risico van trillen tot verstoring.
overzichtstabel
net als bij weerstanden sluiten we elke materiaalgroep af met een overzichtstabel. Er zijn twee elektrodeontwerpen: gemetalliseerd en folie. Wanneer we in de rubrieken schrijven folie of ontmoette het dus verwijst naar het elektrode type.
ABC van CLR: hoofdstuk C condensatoren
Papiercondensatoren
:
EPCI European Passive Components Institute experts original articles
CLR Passive Components Handbook by P-O. Fagerholt*