نواصل هذا الأسبوع مع مقالة الأسبوع الماضي.

1.2 المكثفات كهربائيا

العازل المستخدم في المكثفات الإلكتروليتية هو أكسيد الألومنيوم الذي يتكون من تآكل الألومنيوم، مع ثابت عازل من 8 إلى 8.5 وقوة عازلة عاملة تبلغ حوالي 0.07 فولت / أمبير (1 ميكرومتر = 10000 أمبير).ومع ذلك، ليس من الممكن تحقيق مثل هذا السماكة.تقلل سماكة طبقة الألومنيوم من عامل السعة (السعة النوعية) للمكثفات الإلكتروليتية لأنه يجب حفر رقائق الألومنيوم لتشكيل طبقة أكسيد الألومنيوم للحصول على خصائص جيدة لتخزين الطاقة، وسيشكل السطح العديد من الأسطح غير المستوية.من ناحية أخرى، فإن مقاومة الإلكتروليت هي 150Ωcm للجهد المنخفض و5kΩcm للجهد العالي (500V).المقاومة العالية للإلكتروليت تحد من تيار RMS الذي يمكن أن يتحمله المكثف الإلكتروليتي، عادةً إلى 20 مللي أمبير / ميكروفاراد.

لهذه الأسباب تم تصميم المكثفات الإلكتروليتية لأقصى جهد نموذجي يبلغ 450 فولت (بعض الشركات المصنعة الفردية تصمم 600 فولت).ولذلك، من أجل الحصول على جهود أعلى من الضروري تحقيقها عن طريق توصيل المكثفات على التوالي.ومع ذلك، بسبب الاختلاف في مقاومة العزل لكل مكثف إلكتروليتي، يجب توصيل مقاوم بكل مكثف من أجل موازنة جهد كل مكثف متصل على التوالي.بالإضافة إلى ذلك، المكثفات الإلكتروليتية هي أجهزة مستقطبة، وعندما يتجاوز الجهد العكسي المطبق 1.5 مرة Un، يحدث تفاعل كهروكيميائي.عندما يصبح الجهد العكسي المطبق طويلًا بما فيه الكفاية، سوف ينسكب المكثف.ولتفادي هذه الظاهرة يجب توصيل صمام ثنائي بجانب كل مكثف عند استخدامه.علاوة على ذلك، فإن مقاومة ارتفاع الجهد للمكثفات الإلكتروليتية تكون عمومًا 1.15 مرة Un، ويمكن أن تصل المقاومة الجيدة إلى 1.2 مرة Un.لذلك يجب على المصممين أن يأخذوا في الاعتبار ليس فقط جهد التشغيل الثابت ولكن أيضًا جهد التيار الزائد عند استخدامها.باختصار، يمكن رسم جدول المقارنة التالي بين المكثفات الفيلمية والمكثفات الإلكتروليتية، انظر الشكل 1.

2. تحليل التطبيق

تتطلب مكثفات DC-Link كمرشحات تصميمات ذات تيار عالي وسعة عالية.ومن الأمثلة على ذلك نظام قيادة المحرك الرئيسي لمركبة الطاقة الجديدة كما هو مذكور في الشكل 3.في هذا التطبيق، يلعب المكثف دور الفصل وتتميز الدائرة بتيار تشغيل عالي.يتمتع مكثف الفيلم DC-Link بميزة القدرة على تحمل تيارات التشغيل الكبيرة (Irms).خذ معلمات مركبات الطاقة الجديدة بقدرة 50 إلى 60 كيلووات كمثال، المعلمات هي كما يلي: جهد التشغيل 330 فولت تيار مستمر، جهد التموج 10 فولت في الدقيقة، تيار التموج 150 ذراع عند 10 كيلو هرتز.

ثم يتم حساب الحد الأدنى للسعة الكهربائية على النحو التالي:

هذا سهل التنفيذ لتصميم مكثف الفيلم.بافتراض أنه تم استخدام المكثفات الإلكتروليتية، إذا تم أخذ 20mA/μF في الاعتبار، يتم حساب الحد الأدنى للسعة للمكثفات الإلكتروليتية لتلبية المعلمات المذكورة أعلاه على النحو التالي:

وهذا يتطلب مكثفات إلكتروليتية متعددة متصلة على التوازي للحصول على هذه السعة.

في تطبيقات الجهد الزائد، مثل السكك الحديدية الخفيفة والحافلات الكهربائية ومترو الأنفاق، وما إلى ذلك. وبالنظر إلى أن هذه القوى متصلة بمنساخ القاطرة من خلال المنساخ، فإن الاتصال بين المنساخ والمنساخ يكون متقطعًا أثناء رحلة النقل.عندما لا يكون الاثنان على اتصال، يتم دعم مصدر الطاقة بواسطة مكثف الحبر DC-L، وعندما يتم استعادة الاتصال، يتم إنشاء الجهد الزائد.أسوأ الحالات هي التفريغ الكامل لمكثف DC-Link عند فصله، حيث يكون جهد التفريغ مساويًا لجهد المنساخ، وعند استعادة الاتصال، يكون الجهد الزائد الناتج تقريبًا ضعف جهد التشغيل المقدر Un.بالنسبة للمكثفات الفيلمية، يمكن التعامل مع مكثف DC-Link دون أي اعتبارات إضافية.في حالة استخدام المكثفات الإلكتروليتية، يكون الجهد الزائد 1.2Un.خذ مترو شنغهاي كمثال.Un=1500Vdc، بالنسبة للمكثف الإلكتروليتي الذي يأخذ الجهد في الاعتبار هو:

ثم يتم توصيل المكثفات الستة بجهد 450 فولت على التوالي.إذا تم استخدام تصميم مكثف الفيلم في 600Vdc إلى 2000Vdc أو حتى 3000Vdc فإنه يمكن تحقيقه بسهولة.بالإضافة إلى ذلك، فإن الطاقة في حالة التفريغ الكامل للمكثف تشكل تفريغ دائرة قصيرة بين القطبين، مما يولد تيار تدفق كبير عبر مكثف DC-Link، والذي عادة ما يكون مختلفًا بالنسبة للمكثفات الإلكتروليتية لتلبية المتطلبات.

بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع المكثفات الإلكتروليتية، يمكن تصميم المكثفات الغشائية DC-Link لتحقيق ESR منخفض جدًا (عادةً أقل من 10mΩ، وحتى أقل من <1mΩ) ومحاثة ذاتية LS (عادةً أقل من 100nH، وفي بعض الحالات أقل من 10 أو 20nH) .يسمح ذلك بتثبيت مكثف فيلم DC-Link مباشرة في وحدة IGBT عند تطبيقه، مما يسمح بدمج شريط الناقل في مكثف فيلم DC-Link، وبالتالي القضاء على الحاجة إلى مكثف ممتص IGBT مخصص عند استخدام مكثفات الفيلم، مما يوفر المصمم مبلغا كبيرا من المال.الصورة 2.و3 يوضح المواصفات الفنية لبعض منتجات C3A وC3B.

3 - الخلاصة

في الأيام الأولى، كانت مكثفات DC-Link في الغالب عبارة عن مكثفات إلكتروليتية نظرًا لاعتبارات التكلفة والحجم.

ومع ذلك، تتأثر المكثفات الإلكتروليتية بقدرة تحمل الجهد والتيار (ESR أعلى بكثير مقارنة بالمكثفات الغشائية)، لذلك من الضروري توصيل العديد من المكثفات الإلكتروليتية على التوالي والتوازي من أجل الحصول على سعة كبيرة وتلبية متطلبات استخدام الجهد العالي.بالإضافة إلى ذلك، بالنظر إلى تطاير المواد المنحل بالكهرباء، يجب استبدالها بانتظام.تتطلب تطبيقات الطاقة الجديدة عمومًا عمرًا افتراضيًا للمنتج يصل إلى 15 عامًا، لذا يجب استبداله من 2 إلى 3 مرات خلال هذه الفترة.ولذلك، هناك تكلفة كبيرة وإزعاج في خدمة ما بعد البيع للجهاز بأكمله.مع تطور تكنولوجيا طلاء المعدنة وتقنية مكثفات الأفلام، أصبح من الممكن إنتاج مكثفات مرشح DC عالية السعة بجهد يتراوح من 450 فولت إلى 1200 فولت أو حتى أعلى مع فيلم OPP فائق النحافة (أنحف 2.7 ميكرومتر، حتى 2.4 ميكرومتر) باستخدام تكنولوجيا تبخير الفيلم الآمن.من ناحية أخرى، فإن دمج مكثفات DC-Link مع شريط الناقل يجعل تصميم وحدة العاكس أكثر إحكاما ويقلل بشكل كبير من الحث الشارد للدائرة لتحسين الدائرة.