Элементная база ГИТ. Импульсные конденсаторы

Общий вид рулонной секции (а) и пакета пластинчатых секций (б).

-----------

-----------

-----------------------------

--------------------------------------

--------------------------------------------

------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------

3.3 Элементная база ГИТ.

3.3.1. Импульсные конденсаторы.

При разработках импульсных конденсаторов емкостных накопителей энергии стремятся обеспечить следующие требования:

1)  максимально возможную плотность энергии в единице объема (ω_max);

2)  малую внутреннюю индуктивность (min L_C);

3)  минимальные потери энергии в разрядном режиме (min Q_C);

4)  достаточный срок службы, т.е. количество разрядов (N ≥ 10⁴);

5)  высокая динамическая прочность внутренних соединений секций и выводов конденсатора;

6)  удобную конструкцию токовыводов, обеспечивающих малоиндуктивное соединение конденсатора с другими элементами накопителя.

3.3.1.1. Объемная энергия.

Удельная энергия активного объема конденсатора ω = (ε×ε_O×E₂)/2 определяется диэлектрической проницаемостью ε используемого диэлектрика и рабочей напряженностью электрического поля Е. Как правило, используются диэлектрики с ε = 2¸7. Для большинства типов отечественных и зарубежных импульсных конденсаторов объемная энергия составляет около 0,1 МДж/м³ при рабочей напряженности поля 70 – 100 кВ/мм. Основным направлением увеличения объемной энергии и повышения рабочей напряженности является разработка новых полимерных пленочных материалов, обладающих повышенной Е_пр при большой площади электродов и высокой диэлектрической проницаемости. Хорошие результаты получены с использованием комбинированной пленочно-бумажной и пленочной изоляции на основе полиэтилентерефталатной пленки (лавсан) с пропиткой касторовым маслом или синтетическим жидким диэлектриком.

Рабочую напряженность пленочно-бумажной выбирают так, чтобы бумажная составляющая работала при напряженности Е_б, соответствующей работе изоляции импульсных конденсаторов с бумажной изоляцией. При этом средняя рабочая напряженность комбинированного диэлектрика зависит от относительного объемного содержания в нем пленки a:

где ε_б и ε_п – диэлектрическая проницаемость бумаги и пленки.

Отсюда следует, что при ε_б > ε_п имеет место Е_комб > Е_б. Диэлектрическая проницаемость комбинированного диэлектрика:

Тогда удельная энергия конденсатора с комбинированным диэлектриком:

где ω = ε_б×Е_б²/2 – удельная энергия конденсатора с бумажным диэлектриком.

Как видно из последнего выражения, с ростом a при ε_б > ε_п удельная энергия ω_комб возрастает тем больше, чем больше отношение ε_б/ε_п. Однако это справедливо, пока Е_комб не ограничивается электрической прочностью пленки. Так для лавсановой пленки толщиной 10 мкм это ограничение наступает при a = 0,5 (50% пленки), выше которого w начинает падать. Проиллюстрируем это графически:

          В общем случае рациональное значение a определяется характеристиками пленки и зависит от её толщины. Применение бумажно-пленочной изоляции и пленочной изоляции позволяет создавать определенные типы конденсаторов, имеющих объемную энергию до 0,5 МДж/м³. Однако серийно конденсаторы с такой плотностью не выпускаются. Прогресс в этом направлении возможен на пути разработки новых полимеров с высокими ε и Е_раб.

3.3.1.2. Индуктивность импульсных конденсаторов.

Индуктивность импульсных конденсаторов при построении накопителей большой энергии является параметром второстепенным, т.к. при большом числе параллельно включенных конденсаторов их индуктивность часто значительно меньше индуктивности других элементов накопителя (кабелей, шин, коммутаторов, нагрузки). Малая индуктивность конденсаторов играет решающую роль в накопителях малой энергии W ~ 10³ – 10⁴ Дж и в тех, в которых приняты специальные меры по уменьшению индуктивности отдельных элементов.

Индуктивность конденсатора состоит из следующих слагаемых:

L_K = L_П.С. + L_С.Ш. + L_В.К., где:

L_П.С. – индуктивность пакета секций,

L_С.Ш. – индуктивность соединительных шин,

L_В.К. – индуктивность вывода конденсатора.

Для уменьшения индуктивности соединительных шин и индуктивности выводов в обязательном порядке используется бифилярное исполнение со встречно протекающими токами.

Индуктивность пакета секций L_П.С. зависит как от индуктивности секций L_С, так и от схемы соединения секций. Если n_C – число последовательно соединенных секций, m_C – число параллельно соединенных секций, то:

L_П.С. = L_С∙ n_C/ m_C

3.3.1.3. Особенности частотных конденсаторов

При работе импульсных конденсаторов с высокой частотой повторения импульсов необходим учет выделяющейся в них энергии. Рабочая напряженность поля в таких конденсаторах ограничена тепловым режимом. Энергия, выделяющаяся в конденсаторе W_c при разряде, зависит от параметров нагрузки. Если R_c – эквивалентное активное сопротивление конденсатора с энергией W₀, R_н – эквивалентное эффективное сопротивление нагрузки, R_к – эквивалентное активное сопротивление разрядного контура (разрядников, соединяющих элементов), то:

где W₀=w∙N_c – энергия батареи, N_c – количество параллельно включенных конденсаторов в накопителе.

Таким образом, если R_к и R_н достаточно малы, то даже при малых R_с в конденсаторах будет выделяться значительная доля запасенной энергии.

Для уменьшения потерь в конденсаторе применяют диэлектрик секций с малым tgδ при частоте колебаний разрядного контура. Таким требованиям удовлетворяет пленочный или бумажно-пленочный диэлектрик с применением неполярных полимерных пленок (полиэтилен, полипропилен и др.) и неполярных пропитывающих составов (конденсаторное масло, фенилксилилэтан и др.). При этом может быть обеспечена добротность порядка 100 при частоте 0.5÷1 МГц.