نواصل هذا الأسبوع مقال الأسبوع الماضي.

1.2 المكثفات الإلكتروليتية

المادة العازلة المستخدمة في المكثفات الإلكتروليتية هي أكسيد الألومنيوم المتكون من تآكل الألومنيوم، بثابت عزل كهربائي يتراوح بين 8 و8.5 وقوة عزل كهربائي فعالة تبلغ حوالي 0.07 فولت/أمبير (1 ميكرومتر = 10000 أمبير). مع ذلك، لا يمكن تحقيق هذا السُمك. يؤدي سُمك طبقة الألومنيوم إلى تقليل عامل السعة (السعة النوعية) للمكثفات الإلكتروليتية، إذ يتطلب الأمر حفر رقائق الألومنيوم لتكوين طبقة من أكسيد الألومنيوم للحصول على خصائص تخزين طاقة جيدة، مما ينتج عنه أسطح غير مستوية. من جهة أخرى، تبلغ مقاومة الإلكتروليت 150 أوم.سم للجهد المنخفض و5 كيلو أوم.سم للجهد العالي (500 فولت). تحد المقاومة العالية للإلكتروليت من التيار الفعال الذي يمكن أن يتحمله المكثف الإلكتروليتي، والذي يبلغ عادةً 20 مللي أمبير/ميكروفاراد.

لهذه الأسباب، تُصمَّم المكثفات الإلكتروليتية لجهد أقصى يبلغ 450 فولتًا (بعض الشركات المصنعة تُصمِّمها لجهد يصل إلى 600 فولت). لذا، للحصول على جهود أعلى، من الضروري توصيل المكثفات على التوالي. مع ذلك، ونظرًا لاختلاف مقاومة العزل لكل مكثف إلكتروليتي، يجب توصيل مقاومة بكل مكثف لموازنة جهد المكثفات الموصولة على التوالي. إضافةً إلى ذلك، تُعتبر المكثفات الإلكتروليتية أجهزة مستقطبة، وعندما يتجاوز جهد الانحياز العكسي المطبق 1.5 ضعف جهد العتبة (Un)، يحدث تفاعل كيميائي كهربائي. وعندما يستمر جهد الانحياز العكسي لفترة كافية، قد ينفجر المكثف. لتجنب هذه الظاهرة، يجب توصيل صمام ثنائي (دايود) بجوار كل مكثف عند استخدامه. علاوةً على ذلك، تبلغ مقاومة اندفاع الجهد للمكثفات الإلكتروليتية عمومًا 1.15 ضعف جهد العتبة (Un)، ويمكن أن تصل في الأنواع الجيدة منها إلى 1.2 ضعف جهد العتبة (Un). لذا، ينبغي على المصممين مراعاة كل من جهد التشغيل في الحالة المستقرة وجهد الاندفاع عند استخدامها. باختصار، يمكن رسم جدول المقارنة التالي بين المكثفات الفيلمية والمكثفات الإلكتروليتية، انظر الشكل 1.

2. تحليل التطبيق

تتطلب مكثفات وصلة التيار المستمر، عند استخدامها كمرشحات، تصميمات ذات تيار عالٍ وسعة كبيرة. ومن الأمثلة على ذلك نظام محرك القيادة الرئيسي لمركبة تعمل بالطاقة المتجددة، كما هو موضح في الشكل 3. في هذا التطبيق، يؤدي المكثف دور الفصل، وتتميز الدائرة بتيار تشغيل عالٍ. يتميز مكثف وصلة التيار المستمر ذو الطبقة الرقيقة بقدرته على تحمل تيارات تشغيل عالية (Irms). على سبيل المثال، عند استخدام مركبة تعمل بالطاقة المتجددة بقدرة 50-60 كيلوواط، تكون المعايير كالتالي: جهد التشغيل 330 فولت تيار مستمر، جهد التموج 10 فولت RMS، تيار التموج 150 أمبير RMS عند 10 كيلوهرتز.

ثم يتم حساب الحد الأدنى للسعة الكهربائية على النحو التالي:

يسهل تطبيق هذا في تصميم المكثفات الفيلمية. بافتراض استخدام مكثفات إلكتروليتية، وباعتبار 20 مللي أمبير/ميكروفاراد، تُحسب السعة الدنيا للمكثفات الإلكتروليتية لتحقيق المعايير المذكورة أعلاه كما يلي:

يتطلب هذا الأمر توصيل مكثفات إلكتروليتية متعددة على التوازي للحصول على هذه السعة.

في تطبيقات الجهد الزائد، مثل القطارات الخفيفة والحافلات الكهربائية ومترو الأنفاق، ونظرًا لأن هذه المصادر الكهربائية متصلة بجامع التيار في القاطرة عبر جامع التيار، فإن التلامس بين جامع التيار وجامع التيار يكون متقطعًا أثناء النقل. عندما ينقطع التلامس، يتم تزويد مصدر الطاقة بواسطة مكثف DC-Link، وعند استعادة التلامس، يتولد جهد زائد. أسوأ الحالات هي تفريغ مكثف DC-Link بالكامل عند فصله، حيث يكون جهد التفريغ مساويًا لجهد جامع التيار، وعند استعادة التلامس، يكون الجهد الزائد الناتج ضعف جهد التشغيل المقنن تقريبًا. بالنسبة للمكثفات الفيلمية، يمكن التعامل مع مكثف DC-Link دون أي اعتبارات إضافية. أما في حالة استخدام المكثفات الإلكتروليتية، فيبلغ الجهد الزائد 1.2Un. على سبيل المثال، في مترو شنغهاي، حيث Un = 1500 فولت تيار مستمر، يكون الجهد الذي يجب مراعاته للمكثف الإلكتروليتي كما يلي:

بعد ذلك، يتم توصيل المكثفات الستة ذات جهد 450 فولت على التوالي. في حال استخدام تصميم مكثف غشائي، يمكن بسهولة تحقيق جهد يتراوح بين 600 و2000 فولت تيار مستمر، أو حتى 3000 فولت تيار مستمر. إضافةً إلى ذلك، تُشكّل الطاقة الناتجة عن تفريغ المكثف بالكامل تفريغًا كهربائيًا قصير الدائرة بين القطبين، مما يُولّد تيارًا عاليًا عند بدء التشغيل عبر مكثف وصلة التيار المستمر، وهو ما يختلف عادةً عن المكثفات الإلكتروليتية لتلبية المتطلبات.

بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع المكثفات الإلكتروليتية، يمكن تصميم مكثفات DC-Link الفيلمية لتحقيق مقاومة مكافئة منخفضة للغاية (عادةً أقل من 10 ملي أوم، وأحيانًا أقل من 1 ملي أوم) وحث ذاتي منخفض (عادةً أقل من 100 نانو هنري، وفي بعض الحالات أقل من 10 أو 20 نانو هنري). يسمح هذا بتركيب مكثف DC-Link الفيلمي مباشرةً في وحدة IGBT عند استخدامها، مما يتيح دمج قضيب التوصيل في المكثف، وبالتالي الاستغناء عن مكثف امتصاص IGBT مخصص عند استخدام المكثفات الفيلمية، مما يوفر على المصمم مبلغًا كبيرًا من المال. يوضح الشكلان 2 و3 المواصفات الفنية لبعض منتجات C3A وC3B.

3. الخاتمة

في الأيام الأولى، كانت مكثفات DC-Link في الغالب مكثفات إلكتروليتية بسبب اعتبارات التكلفة والحجم.

مع ذلك، تتأثر المكثفات الإلكتروليتية بقدرة تحمل الجهد والتيار (مقاومة داخلية مكافئة أعلى بكثير مقارنةً بالمكثفات الفيلمية)، لذا من الضروري توصيل عدة مكثفات إلكتروليتية على التوالي والتوازي للحصول على سعة كبيرة وتلبية متطلبات استخدام الجهد العالي. إضافةً إلى ذلك، ونظرًا لتطاير مادة الإلكتروليت، يجب استبدالها بانتظام. تتطلب تطبيقات الطاقة الجديدة عمومًا عمرًا افتراضيًا للمنتج يبلغ 15 عامًا، لذا يجب استبدالها من مرتين إلى ثلاث مرات خلال هذه الفترة. وبالتالي، توجد تكلفة كبيرة وإزعاج في خدمة ما بعد البيع للجهاز بأكمله. مع تطور تقنية الطلاء المعدني وتقنية المكثفات الفيلمية، أصبح من الممكن إنتاج مكثفات ترشيح تيار مستمر عالية السعة بجهد يتراوح من 450 فولت إلى 1200 فولت أو حتى أعلى باستخدام فيلم OPP فائق الرقة (أرقها 2.7 ميكرومتر، بل وحتى 2.4 ميكرومتر) باستخدام تقنية تبخير الفيلم الآمن. من ناحية أخرى، فإن دمج مكثفات DC-Link مع قضيب التوصيل يجعل تصميم وحدة العاكس أكثر إحكاما ويقلل بشكل كبير من الحث الطفيلي للدائرة لتحسين الدائرة.