Силовые пленочные конденсаторы и их эффективность в возобновляемых источниках энергии.
06 декабря 2017
Стоимость технологий использования возобновляемых источников энергии значительно снизилась с начала 1990-х годов из-за постоянного совершенствования производства, а относительно недавняя эволюция технологий интеллектуальных сетей позволила возобновляемым источникам энергии обоснованно бороться с ископаемыми видами топлива. Основным преимуществом использования ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть и природный газ, над возобновляемыми источниками энергии - является потенциальная энергия, которую они хранят в себе, и которую можно использовать по требованию. В тоже время, возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра, представляют собой неконтролируемую выходную мощность из-за меняющихся условий окружающей среды и, как следствие, обеспечивают различный ток в сети, что может вызвать проблемы с балансом загрузки данной сети. В ответ на это инженеры разработали новую технологию интеллектуальных сетей, конденсаторы следующего поколения и другие передовые методы хранения энергии, призванные помочь сбалансировать нестабильные показатели возобновляемых источников энергии и сохранить их способность конкурировать с ископаемыми видами топлива.
Среди различных технологических решений - конденсаторы имеют самую высокую удельную мощность. Это позволяет им заряжаться и разряжаться быстрее, чем источникам питания и другим технологиям хранения электроэнергии. Это делает их эффективным решением для мгновенной подачи энергии, в том случае, когда мощность сети падает ниже надлежащих значений. Силовые пленочные конденсаторы являются особенно выгодным решением для высоковольтных сетей электроснабжения благодаря тому, что они демонстрируют высокую эффективность, длительный срок службы, отличную надежность, и ограниченные температурные эффекты. Также они не имеют движущихся частей и, в отличие от других способов хранения энергии, практически не требуют никакого обслуживания.
Полипропиленовые силовые конденсаторы часто используются в приложениях с высоким напряжением питания из-за их высокой диэлектрической прочности, малой объемной массы и чрезвычайно низкой диэлектрической постоянной (tanδ). Эти конденсаторы также имеют низкие потери и, в зависимости от применения, могут быть выполнены с гладкой или шероховатой пленкой, в последнем варианте ее пропитывают маслом. Пленочные конденсаторы могут быть изготовлены из влажной, пропитанной маслом алюминиевой металлизированной пленки, из сухой, сегментированной пленки и из сухой, сегментированной пленки, пропитанной безмасляным силиконом. Конденсаторы с технологией масляной пленки обычно используются для схем разгрузки, высоковольтных схем фильтрации постоянного или переменного тока и схем коррекции коэффициента мощности. Конденсаторы с сухой, сегментированной пленкой применяются в самых различных областях, например: схемы средней мощности, демпферные схемы, схемы фильтрации, приложения ЭМИ. Конденсаторы с пленкой, пропитанной безмасляным силиконом, обычно используются для схем в промежутке между низковольтными и высоковольтными приложениями.
Новые гибридные и высококристаллические технологии диэлектрической пленки позволили инженерам разработать неполярные полипропиленовые пленочные конденсаторы, которые обладают более широким температурным диапазоном и более высокими вольтамперными характеристиками. Однако достижение более высокой эффективности обычно связано с ограниченными возможностями токовой обработки. Чтобы преодолеть эти ограничения, инженеры разработали тонкопленочные конденсаторы с двумя пленочными катушками в параллели. Конструкция такого конденсатора с четырьмя выводами обеспечивает эффективную передачу энергии, одновременно сохраняя высокую энергоемкость конденсатора. Эти конденсаторы также можно использовать массивом для обеспечения более высокого напряжения.
В последнее время тонкие полипропиленовые (ПП) пленки используют в комплексе с металлизированными подложками (так называемый металлопленочный тип). Это позволяет создавать конденсаторы в небольших корпусах, специально предназначенных для использования в современной компактной силовой электронике. Небольшие размеры корпусов встречаются все чаще из-за массового производства.
Новые типы силовых пленочных конденсаторов, как правило, используют более тонкую металлизированную пленку, чем их предшественники, чтобы удовлетворить требования к уменьшению размера и веса, которые затрагивают почти все аспекты индустрии электронного дизайна. Слои пленки обычно имеют толщину всего от 2 до 5 микрон, что физически ограничивает их возможности передачи тока. Существует решение, чтобы преодолеть это ограничение - использовать более широкие слои пленки, что позволяет увеличить пропускную способность при передачи тока, за счет большей площади поверхности (C = eA/d). Использование различных процессов металлизации, включая двойную металлизацию по краю, также позволило увеличить токовые характеристики в новых типах конденсаторов.
Для того, чтобы дополнительно улучшить конструктив конденсатора, разработчики выбирают высококристаллический полипропилен, разработанный для того, чтобы иметь меньше некристаллических фаз, чем альтернативные варианты. Такие пленки обеспечивают работу конденсатора при температурах до 105°C для долгосрочных применений и до 115°C для приложений, для которых не требуются особо длительные сроки использования. Чтобы улучшить металлизацию и сегментацию конструкции, разработчики стремятся избегать генерации лавинного эффекта. Это может быть достигнуто путем управления безопасной областью пленки в период, когда происходит процесс самовосстановления.
Пленочные конденсаторы доступны в различных конфигурациях и исполнениях и обеспечивают более безопасные решения, чем алюминиевые электролитические элементы, которые имеют ограниченный диапазон напряжения и высокий риск утечки. Также электролиты физически не могут безопасно и эффективно обрабатывать высокие ток и напряжение при определенных значениях емкости.
В следующей таблице приведено краткое сравнение пленочных конденсаторов и алюминиевых электролитических конденсаторов.
ПЛЕНОЧНЫЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ Макс. импульс напряжения: До двух номиналов До 1,2 номинала Обратная полярность: Да Нет Irms (макс. среднекв. ток): До 1 Arms на µF 0,025 Arms на µF Среднее время безотк. Работы: 10 Млн часов 1 Млн часов Жизненный цикл: > 100 000 часов 40 000 часов Срок хранения: Не ограничено До 1 года Экологическая безопасность: Да Нет
В итоге можно сказать следующее, усовершенствованные силовые пленочные конденсаторы - это критически важная технология, которая активно поддерживает непрерывную эволюцию высоковольтных возобновляемых источников энергии и интеллектуальных сетей. Их способность обеспечивать высокую эффективность, длительный срок службы, надежность, ограниченные температурные эффекты, максимальную плотность энергии среди сопоставимых технологий и отсутствие проблем в конце срока службы, и при этом, минимальные требования по обслуживанию, делает их идеальным решением для приведения в норму нестабильных выходов энергии из возобновляемых источников. Они могут значительно повысить общую эффективность энергосистем и впоследствии ускорить как рыночное продвижение, так и возможный триумф альтернативных источников энергии. Все серии пленочных конденсаторов производителя AVX можно посмотреть по ссылке: http://www.avx.com/products/film-capacitors/
Производители: