Kondensatory foliowe z tworzywa sztucznego - ogólne informacje

Kondensator foliowy jest kondensatorem z dielektrykiem wykonanym z tworzyw sztucznych – najczęściej z polipropylenu, polipropylenu metalizowanego lub poliestru. Kondensatory z dielektrykiem z tworzyw sztucznych charakteryzują się małą stratnością, która wynika z małej rezystancji elektrod oraz dużej rezystancji izolacji.

W kondensatorach tego typu możliwe jest osiągnięcie dużych prądów (rzędu kilka tysięcy Amperów) i napięć znamionowych (rzędu kilkudziesięciu tysięcy woltów), co umożliwia stosowanie ich w układach energoelektronicznych jako kondensatory komutacyjne, tłumiące, filtrujące, a także w urządzeniach do kompensacji mocy biernej, w generatorach do grzania indukcyjnego i w układach wysokonapięciowych.

Kondensatory foliowe z tworzywa sztucznego można podzielić na dwie główne grupy na podstawie ich budowy: kondensatory film-foil (foliowe) i kondensatory foliowe metalizowane. Połączenie tych dwóch technologii prowadzi do powstania trzeciej grupy kondensatorów, która posiada zalety obu powyższych grup.

Kondensatory film-foil (foliowe)

Typowy kondensator foliowy składa się z dwóch elektrod z folii metalowej, pomiędzy którymi znajduje się folia z tworzywa sztucznego, która służy jako dielektryk.

Grubość folii metalowej wynosi zwykle od 5 do 9 µm, a folia z tworzywa sztucznego musi być wystarczająco gruba, aby zagwarantować niezbędną niezawodność kondensatora pod względem wytrzymałości na napięcie oraz długoterminowej wydajności i niezawodności.

Kondensatory foliowe, które nie są zdolne do samoregeneracji (patrz powiązany paragraf A-3) zwykle wymagają grubości dielektryka większej niż w przypadku kondensatorów foliowych metalizowanych, o takich samych wartościach napięcia.

Oznacza to, że biorąc pod uwagę ten sam typ dielektryka, pojemność i napięcie znamionowe, typowe wymiary kondensatorów foliowych są większe niż kondensatorów foliowych metalizowanych.

Obecność elektrod z folii metalowej zapewnia wysoką rezystancję izolacji, bardzo dobrą stabilność pojemności, niskie straty nawet przy wysokich częstotliwościach, doskonałą zdolność obsługi impulsów i wytrzymywanie wysokich prądów.

Kondensatory foliowe nie mają właściwości samoregenerujących.

Kondensatory z powłoką metaliczną / Budowa z metalizacją segmentową

W metalizowanych kondensatorach foliowych elektrody metalowe są osadzane próżniowo bezpośrednio na powierzchni folii dielektrycznej.

Różne stopy metali, ich kształt i grubość warstwy metalicznej wpływają w istotny sposób na charakterystykę, zachowanie, osiągi, gęstość energii i typowe przeznaczenie kondensatorów.

Wyjątkową zaletą technologii kondensatorów z powłoką metaliczną jest właściwość samoregeneracji.

Ekstremalnie cienka warstwa metalu (typowa grubość od 0,02 do 0,0Sµm dla metalizacji „płaskiej”) oraz dostępność warstw dielektrycznych o małej grubości pozwalają na produkcję kondensatorów o mniejszych wymiarach niż foliowe, przy tym samym napięciu znamionowym.

Stykanie metalizowanych kondensatorów foliowych odbywa się poprzez natryskiwanie stopów metali na końcówkach uzwojeń, a następnie spawanie terminali z tymi powierzchniami natryskiwanymi. Zapewnia to niską indukcyjność oraz niskie straty.

Kondensatory z powłoką metaliczną zazwyczaj nie gwarantują wysokiej odporności na impulsy.

Niemniej jednak, średnio-wysoką zdolność obsługi impulsów można osiągnąć dzięki technologii folii metalizowanej, przy użyciu specjalnych folii z metalizacją ze wzmocnionymi krawędziami stykowymi i określonymi stopami metali lub przy zastosowaniu konstrukcji połączenia szeregowego wewnętrznego.

Specjalna konstrukcja metalizacji, taka jak profil nachylenia (zmienna R, grubość metalizacji i kombinacja stopów metali wzdłuż szerokości folii) może być wykorzystana do uzyskania wysokiej gęstości energii, wysokiej wydajności i specjalnych właściwości, skoncentrowanych na konkretnych potrzebach zamówienia.

Segmentowa konstrukcja metalizacji warstwy metalicznej nad dielektrykiem jest ukształtowana w taki sposób, aby umożliwić izolację niewielkiej jej części w przypadku miejscowego zwarcia lub awarii.

Celem jest uzyskanie przywrócenia pełnej funkcjonalności przy znikomej utracie pojemności, powstrzymując propagację energii związanej z rozprzestrzenianiem się na inne odcinki uzwojenia. Zapobiega to możliwości wystąpienia niebezpiecznych awarii, które mogą spowodować zniszczenie elementów i sprzętu, w którym są używane, z niebezpieczeństwem dymu, pożaru i wybuchu. Może to być szczególnie krytyczne, gdy kilka jednostek jest połączonych równolegle w celu uzyskania banków o wysokiej energii i dużej pojemności. W przypadku szczególnie obciążających warunków pracy lub przeciążeń, może to skutkować rozłączeniami zachodzącymi z energią rozładowania pełnej baterii kondensatorów przez punkt rozłączenia (lokalne ryzyko przeciążenia). Z tego powodu w takich warunkach rozmieszczenia należy brać pod uwagę wersje wykonania z segmentacją. Jednak ten teoretycznie wyższy poziom bezpieczeństwa oznacza niższą wydajność wolumetryczną, możliwy wzrost równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) i związanego z nią współczynnika rozproszenia (DF) w stosunku do porównywalnej metalizacji niesegmentowanej (patrz powiązany rysunek). Również lrms max. oceny są odpowiednio nieznacznie obniżone. Te ostatnie względy zależą również od projektu wzoru segmentowego, co zazwyczaj jest związane z przewidywanym zastosowaniem.

Samoregeneracja

Proces samoregeneracji (czyszczenia) polega na usuwaniu niedoskonałości, dziurek po szpilkach i defektów powłoki dielektrycznej, które po przyłożeniu napięcia do kondensatora mogą powodować trwałe awarie napięcia.

Łuk elektryczny, który występuje podczas awarii, odparowuje i zmienia charakterystykę metalizowanej powierzchni wokół zwarcia, izolując ubytek: kondensator niemal natychmiast odzyskuje pełną zdolność do pracy.

Czas potrzebny do samoregeneracji jest zwykle krótszy niż kilka µs, a łuk elektryczny występuje tylko wtedy, gdy niezbędna energia jest dostępna jako energia ładowania lub energia zewnętrzna.

Dzięki konstrukcji kondensatora samoregeneracja występuje tylko sporadycznie (charakterystyka metalizacji folii, grubość folii dielektrycznej oraz układanie i połączenie folii w uzwojeniu), nawet gdy maksymalne dozwolone napięcie jest stale stosowane do kondensatora aż do górnej granicy temperatury. Co więcej, tylko ułamki całkowitej energii zmagazynowanej w kondensatorze są rozpraszane podczas procesu samoregeneracji, dlatego związany z tym spadek napięcia pozostaje niski, chyba że występują potencjalnie krytyczne warunki pracy i układu. Proszę odnieść się do punktu A2.

Kondensatory z możliwością samoregeneracji są oznaczone symbolem „SH” lub „#”, jeśli jest to określone przez zatwierdzenie normatywne. W przypadku projektowania metalizacji segmentowej proszę odnieść się do paragrafu A2.

Wpływ czyszczenia na dwie różne budowy metalizacji folii.

a i b: metalizacja niesegmentowa; c i d: przykłady metalizacji segmentowej.

*Specjalna folia bazowa i wykonanie do zastosowań w wysokich temperaturach