• О компании
• Контакты
• Продукция

Основные параметры высоковольтных конденсаторов

Подобрать нужный конденсатор и определить его параметры порой не такая простая задача. Для этого необходимо понимание всех характеристик конденсатора. Рассмотрим их по порядку.

Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой:

,

где  — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единица),  — электрическая постоянная, численно равная 8,854187817… ^.10^-12 (эта формула справедлива, лишь когда d много меньше линейных размеров пластин).

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

Следовательно  С=С₁+C₂+...+С_n.

Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счёт разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна:

или  .

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Плотность энергии

Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита. Например, у конденсатора EPCOS B4345 ёмкостью 12000 мкФ x 450 В и массой 1.9 кг плотность энергии составляет 639Дж/кг или 845Дж/л. Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным её высвобождением, например, в пушке Гаусса

Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.

Паразитные параметры

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью. С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим образом:

C - собственная ёмкость конденсатора;

r - сопротивление изоляции конденсатора;

R - эквивалентное последовательное сопротивление;

L - эквивалентная последовательная индуктивность.

Электрическое сопротивление изоляции конденсатора — r

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением r = U/I_ут , где U — напряжение, приложенное к конденсатору, I_ут — ток утечки.

Эквивалентное последовательное сопротивление — R

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор.

В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor plague(англ.)).

Существуют специальные приборы (ESR-метры) для измерения этого достаточно важного параметра конденсатора, по которому можно часто определить пригодность его дальнейшего использования в определённых целях. Этот параметр, кроме собственно ёмкости (ёмкость — это основной параметр) — часто имеет решающее значение в исследовании состояния старого конденсатора, стоит ли использовать его в определённой схеме, или он прогнозируемо выйдет за пределы допустимых отклонений.

Эквивалентная последовательная индуктивность — L

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности.

Саморазряд

С течением времени конденсатор теряет энергию за счёт саморазряда.

Тангенс угла потерь

Тангенс угла потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол:

 ,

где  — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь . Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности P_а к реактивной P_р при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная , называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ — относительное изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом, значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой:

,

где ΔT — увеличение температуры в °C или °К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость ёмкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами ёмкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение ёмкости в рабочем диапазоне температур.

Диэлектрическое поглощение

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или адсорбция электрического заряда. Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора. Подобный эффект можно наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с органическими диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полиэтилентерефталат, поликарбонат.

Классификация конденсаторов

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).

Конденсаторы с газообразным диэлектриком.

Конденсаторы с жидким диэлектриком.

Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.

Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка.

Импульсные конденсаторы.

Импульсные конденсаторы

Конденсаторы,  используемые  в  ГИТ,  чаще  всего  работают  в режиме,  близком  к  короткому  замыканию:  колебательный  разряд  на малую индуктивность при частоте колебаний 10⁴ – 10⁷ Гц.  Основное  требование,  предъявляемое  к  конденсатору –  запасать максимально  возможную  энергию  в  единице  объема.  Она определяется  рабочей  напряженностью  Е_Р,  при  которой  работает изоляция и диэлектрической проницаемостью ε изоляции.

К  основным  факторам,  ограничивающим  Е_Р,  относятся:

кратковременная  прочность  изоляции  секций  конденсатора;

разрушение  диэлектрика  частичными  разрядами (ЧР);

тепловой режим конденсатора.

Если  конденсатор  работает  в  частотном  режиме,  то  ЕР определяется тепловым пробоем конденсатора. Если тепловой режим не является определяющим, то ЧР в толще диэлектрика и на закраинах секций являются определяющими. 

Удельная  энергия  активного  объема  конденсатора  определяется диэлектрической  проницаемостью  ε  диэлектрика  и  рабочей напряженностью электрического поля Е_Р .

Для  изготовления  импульсных  конденсаторов  применяются диэлектрики  на  основе  конденсаторной  бумаги,  синтетических пленок, пропитанных жидким диэлектриком с   ε = (2-7)ε₀. Допустимая рабочая  напряженность  Е_доп  раб определяется  кратковременной прочностью  изоляции  и  длительной  прочностью  или  процессами старения диэлектрика в импульсном режиме. Основное  значение при этом  имеют  тип  применяемого  диэлектрика  и  режим  работы конденсатора.

Назначение   Е_доп раб   оказывают   основное   влияние    следующие  факторы:  гарантированный  ресурс  конденсатора,  надежность,  форма импульса в разрядном режиме, частота повторения импульсов. Перечисленные  характеристики  режима  работы  определяют условия  старения  изоляции,  которое  происходит,  в  основном,  из-за ЧР.  Развитие  ЧР  во  включениях  при  импульсном  напряжении принципиально не отличается от того, что происходит на переменном напряжении.

Развитие частичных разрядов в изоляции

а – при синусоидальном напряжении;     б – при импульсном напряжении 

U_BM -  амплитуда  напряжения,  которая  была  бы  достигнута  на

включении без ЧР;

U_ВЗ - напряжение зажигания разряда во включении;

U_ВП - напряжение погасания разряда во включении.

Число  ЧР  за  один  полупериод  Т/2  определяется  из  следующих cоотношений

Для большинства типов отечественных и зарубежных импульсных конденсаторов объемная энергия составляет 0,1 МДж/м³ при рабочей напряженности 70-100 кВ/мм.

Основной путь увеличения объемной энергии – это использование либо  новых полимерных  пленок,  обладающих  повышенной электрической  прочностью  и  большой  ε (наприер, полиэтиленфтолат),  либо пленочно-бумажной изоляции с пропиткой касторовым маслом.

Индуктивность  импульсных  конденсаторов.  В  ГИТах  больших энергий  индуктивность  конденсаторов  не  играет  большой  роли,  а  в генераторах  малых  энергий –  имеет  определяющую  роль.

Индуктивность  конденсатора  LC  включает  индуктивность  пакета секции LП.C, индуктивность соединительных шин LШ и индуктивность выводов LВ.К.

Индуктивность  пакета  секции  L_П.C  зависит  от  индуктивности секции  L′c  и  схемы  соединения  секций.  Если  n_c  –  число последовательно  соединенных  секций,  m_c –  число  параллельно соединенных секций в группе, то

Конденсаторные  секции по  способу  выполнения  обкладок можно разбить на 2 основные группы: рулонные и пластинчатые.

Особенности  конденсаторов,  работающих  при  большой частоте  повторяемости  импульсов

В  этих  конденсаторах  Ер ограничена тепловым режимом. Энергия, выделяемая в конденсаторе W_ВЫД. С   в   разрядном  режиме,  зависит от параметров нагрузки. Если R_С  – эквивалентное активное сопротивление конденсатора с энергией W_С, R_Н  –  активное  сопротивление  нагрузки,  R_КОНТ. -  эквивалентное активное  сопротивление  разрядного  контура (разрядников, соединительных элементов), то

где  W_О = W_C + N_C –  энергия,  запасенная  в  батарее  конденсаторов накопителя;

N_C –  количество  параллельно  включенных  конденсаторов  в накопителе.

Таким образом, если Rн и R_КОНТ. достаточно малы, даже при малом RС  в  конденсаторах  будет  выделяться  значительная  доля  запасенной энергии.

Для  уменьшения  потерь  в  конденсаторе  целесообразно использовать диэлектрик секций с малым tg δ при частоте колебаний разрядного  контура.  Таким  диэлектриком  является  пленочный  или бумажно-пленочный  диэлектрик  с  применением  неполярных полимерных  пленок (полипропилена,  полиэтилена  и  др.)  и неполярных пропитывающих составов (конденсаторного масла и др.).

К  конденсаторам  высоковольтных  импульсных  устройств предъявляются требования минимальной собственной индуктивности и  минимального  объема  системы  обкладок  и  диэлектриков,  чтобы соединительные проводники не вносили в разрядный контур больших индуктивностей.

Характеристики некоторых высоковольтных конденсаторов

Мы предлагаем высоковольтные конденсаторы, параметры которых лежат в следующих диапазонах:

1. Диапазон рабочих напряжений 0...125 кВ;

2. Диапазон емкостей 1…250 мкФ;

3. Диапазон энергий 100…3000 кДж;

4. Диапазон частоты следования разрядных импульсов 0.2…20 Гц;

5. Диапазон собственной индуктивности 50…2000 нГн;

6. Диапазон разрядного тока 1…1000 кА;

7. Ресурс конденсаторов до 10⁸ имп.