این هفته ادامهی مقالهی هفتهی گذشته را میخوانیم.
۱.۲ خازنهای الکترولیتی
دیالکتریک مورد استفاده در خازنهای الکترولیتی، اکسید آلومینیوم است که از خوردگی آلومینیوم تشکیل میشود و ثابت دیالکتریک آن ۸ تا ۸.۵ و مقاومت دیالکتریک کاری آن حدود ۰.۰۷ ولت بر آمپر (۱ میکرومتر = ۱۰۰۰۰ آمپر) است. با این حال، دستیابی به چنین ضخامتی امکانپذیر نیست. ضخامت لایه آلومینیوم، ضریب ظرفیت (ظرفیت ویژه) خازنهای الکترولیتی را کاهش میدهد، زیرا فویل آلومینیوم باید برای تشکیل یک فیلم اکسید آلومینیوم، حکاکی شود تا ویژگیهای ذخیرهسازی انرژی خوبی به دست آید و سطح آن سطوح ناهموار زیادی را تشکیل میدهد. از سوی دیگر، مقاومت ویژه الکترولیت برای ولتاژ پایین ۱۵۰ اهم سانتیمتر و برای ولتاژ بالا (۵۰۰ ولت) ۵ کیلو اهم سانتیمتر است. مقاومت ویژه بالاتر الکترولیت، جریان RMS قابل تحمل خازن الکترولیتی را معمولاً به ۲۰ میلیآمپر بر میکروفاراد محدود میکند.
به همین دلایل، خازنهای الکترولیتی برای حداکثر ولتاژ معمول ۴۵۰ ولت طراحی شدهاند (برخی از تولیدکنندگان برای ۶۰۰ ولت طراحی میکنند). بنابراین، برای دستیابی به ولتاژهای بالاتر، لازم است با اتصال سری خازنها به آنها دست یافت. با این حال، به دلیل تفاوت در مقاومت عایق هر خازن الکترولیتی، باید یک مقاومت به هر خازن متصل شود تا ولتاژ هر خازن متصل به سری متعادل شود. علاوه بر این، خازنهای الکترولیتی قطعات قطبی هستند و هنگامی که ولتاژ معکوس اعمال شده از ۱.۵ برابر Un بیشتر شود، یک واکنش الکتروشیمیایی رخ میدهد. هنگامی که ولتاژ معکوس اعمال شده به اندازه کافی طولانی باشد، خازن نشت میکند. برای جلوگیری از این پدیده، هنگام استفاده از هر خازن، باید یک دیود در کنار آن متصل شود. علاوه بر این، مقاومت ضربه ولتاژ خازنهای الکترولیتی عموماً ۱.۱۵ برابر Un است و مقاومت ضربه خوب آنها میتواند به ۱.۲ برابر Un برسد. بنابراین طراحان باید هنگام استفاده از آنها نه تنها ولتاژ کار حالت پایدار، بلکه ولتاژ ضربه را نیز در نظر بگیرند. به طور خلاصه، جدول مقایسه زیر بین خازنهای فیلم و خازنهای الکترولیتی را میتوان رسم کرد، به شکل ۱ مراجعه کنید.
۲. تحلیل کاربرد
خازنهای DC-Link به عنوان فیلتر، نیاز به طراحی جریان بالا و ظرفیت بالا دارند. به عنوان مثال، سیستم محرک موتور اصلی یک وسیله نقلیه انرژی نو، همانطور که در شکل 3 ذکر شده است، قابل استفاده است. در این کاربرد، خازن نقش جداکننده را ایفا میکند و مدار دارای جریان کاری بالایی است. خازن DC-Link لایهای این مزیت را دارد که میتواند جریانهای کاری بزرگ (Irms) را تحمل کند. به عنوان مثال، پارامترهای یک وسیله نقلیه انرژی نو 50 تا 60 کیلووات را در نظر بگیرید، پارامترها به شرح زیر هستند: ولتاژ کاری 330 ولت dc، ولتاژ ریپل 10 ولت rms، جریان ریپل 150 آمپر در 10 کیلوهرتز.
سپس حداقل ظرفیت الکتریکی به صورت زیر محاسبه میشود:
پیادهسازی این روش برای طراحی خازن لایهای آسان است. با فرض اینکه از خازنهای الکترولیتی استفاده شود، اگر 20 میلیآمپر بر میکروفاراد در نظر گرفته شود، حداقل ظرفیت خازنهای الکترولیتی برای برآورده کردن پارامترهای فوق به صورت زیر محاسبه میشود:
برای بدست آوردن این ظرفیت، به چندین خازن الکترولیتی موازی نیاز است.
در کاربردهای اضافه ولتاژ، مانند قطار سبک شهری، اتوبوس برقی، مترو و غیره. با توجه به اینکه این توانها از طریق پانتوگراف به پانتوگراف لوکوموتیو متصل میشوند، تماس بین پانتوگراف و پانتوگراف در طول سفر حمل و نقل متناوب است. هنگامی که این دو با هم تماس ندارند، منبع تغذیه توسط خازن جوهر DC-L پشتیبانی میشود و هنگامی که تماس برقرار میشود، اضافه ولتاژ ایجاد میشود. بدترین حالت، تخلیه کامل توسط خازن DC-Link هنگام قطع اتصال است، که در آن ولتاژ تخلیه برابر با ولتاژ پانتوگراف است و هنگامی که تماس برقرار میشود، اضافه ولتاژ حاصل تقریباً دو برابر مقدار نامی Un عملیاتی است. برای خازنهای فیلم، خازن DC-Link را میتوان بدون ملاحظات اضافی مدیریت کرد. اگر از خازنهای الکترولیتی استفاده شود، اضافه ولتاژ 1.2Un است. به عنوان مثال، متروی شانگهای را در نظر بگیرید. Un=1500Vdc، برای خازن الکترولیتی، ولتاژ در نظر گرفته شده به صورت زیر است:
سپس شش خازن ۴۵۰ ولتی باید به صورت سری متصل شوند. اگر از طراحی خازن لایهای در ۶۰۰ ولت مستقیم استفاده شود، به راحتی میتوان به ۲۰۰۰ ولت مستقیم یا حتی ۳۰۰۰ ولت مستقیم دست یافت. علاوه بر این، انرژی در صورت دشارژ کامل خازن، یک اتصال کوتاه بین دو الکترود ایجاد میکند و جریان هجومی بزرگی را از طریق خازن DC-Link ایجاد میکند که معمولاً برای خازنهای الکترولیتی متفاوت است تا الزامات را برآورده کند.
علاوه بر این، در مقایسه با خازنهای الکترولیتی، خازنهای لایهای DC-Link میتوانند طوری طراحی شوند که ESR بسیار پایینی (معمولاً زیر 10mΩ و حتی کمتر از 1mΩ) و LS خودالقایی (معمولاً زیر 100nH و در برخی موارد زیر 10 یا 20nH) داشته باشند. این امر به خازن لایهای DC-Link اجازه میدهد تا هنگام استفاده، مستقیماً در ماژول IGBT نصب شود و باس بار در خازن لایهای DC-Link ادغام شود، بنابراین هنگام استفاده از خازنهای لایهای، نیاز به یک خازن جاذب IGBT اختصاصی از بین میرود و طراح مقدار قابل توجهی در هزینه صرفهجویی میکند. شکلهای 2 و 3 مشخصات فنی برخی از محصولات C3A و C3B را نشان میدهند.
۳. نتیجهگیری
در روزهای اولیه، خازنهای DC-Link به دلیل ملاحظات هزینه و اندازه، عمدتاً خازنهای الکترولیتی بودند.
با این حال، خازنهای الکترولیتی تحت تأثیر قابلیت تحمل ولتاژ و جریان قرار میگیرند (ESR بسیار بالاتر در مقایسه با خازنهای فیلم)، بنابراین برای دستیابی به ظرفیت بالا و برآورده کردن الزامات استفاده از ولتاژ بالا، لازم است چندین خازن الکترولیتی به صورت سری و موازی متصل شوند. علاوه بر این، با توجه به تبخیر مواد الکترولیت، باید مرتباً تعویض شود. کاربردهای انرژی جدید عموماً به طول عمر محصول 15 سال نیاز دارند، بنابراین باید در این مدت 2 تا 3 بار تعویض شود. بنابراین، هزینه و دردسر قابل توجهی در خدمات پس از فروش کل دستگاه وجود دارد. با توسعه فناوری پوشش فلزی و فناوری خازن فیلم، تولید خازنهای فیلتر DC با ظرفیت بالا با ولتاژ از 450 ولت تا 1200 ولت یا حتی بالاتر با فیلم OPP فوق نازک (نازکترین 2.7 میکرومتر، حتی 2.4 میکرومتر) با استفاده از فناوری تبخیر فیلم ایمنی امکانپذیر شده است. از سوی دیگر، ادغام خازنهای DC-Link با باس بار، طراحی ماژول اینورتر را فشردهتر کرده و اندوکتانس سرگردان مدار را تا حد زیادی کاهش میدهد تا مدار بهینه شود.
زمان ارسال: ۲۹ مارس ۲۰۲۲