สัปดาห์นี้เราจะมาต่อด้วยบทความของสัปดาห์ที่แล้ว

1.2 ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า

ไดอิเล็กตริกที่ใช้ในตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าคืออะลูมิเนียมออกไซด์ที่เกิดจากการกัดกร่อนของอะลูมิเนียม โดยมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริก 8 ถึง 8.5 และความเป็นฉนวนในการทำงานประมาณ 0.07V/A (1µm=10000A)อย่างไรก็ตามไม่สามารถบรรลุความหนาดังกล่าวได้ความหนาของชั้นอลูมิเนียมจะช่วยลดปัจจัยด้านความจุ (ความจุเฉพาะ) ของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า เนื่องจากต้องแกะสลักอลูมิเนียมฟอยล์เพื่อสร้างฟิล์มอลูมิเนียมออกไซด์เพื่อให้ได้ลักษณะการเก็บพลังงานที่ดี และพื้นผิวจะทำให้เกิดพื้นผิวที่ไม่เรียบจำนวนมากในทางกลับกัน ความต้านทานของอิเล็กโทรไลต์คือ 150Ωcm สำหรับแรงดันไฟฟ้าต่ำ และ 5kΩcm สำหรับไฟฟ้าแรงสูง (500V)ความต้านทานที่สูงขึ้นของอิเล็กโทรไลต์จะจำกัดกระแส RMS ที่ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าสามารถทนได้ โดยทั่วไปอยู่ที่ 20mA/µF

ด้วยเหตุนี้ ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจึงได้รับการออกแบบให้มีแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ 450V ทั่วไป (ผู้ผลิตแต่ละรายออกแบบมาสำหรับ 600V)ดังนั้นเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นจึงจำเป็นต้องเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบอนุกรมอย่างไรก็ตาม เนื่องจากความแตกต่างในความต้านทานของฉนวนของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแต่ละตัว จึงต้องเชื่อมต่อตัวต้านทานกับตัวเก็บประจุแต่ละตัวเพื่อให้สมดุลแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแต่ละอนุกรมนอกจากนี้ ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ายังเป็นอุปกรณ์โพลาไรซ์ และเมื่อแรงดันย้อนกลับที่ใช้เกิน 1.5 เท่าของ Un จะเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเมื่อแรงดันย้อนกลับที่ใช้นานเพียงพอ ตัวเก็บประจุจะหกออกมาเพื่อหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์นี้ ควรเชื่อมต่อไดโอดไว้ข้างตัวเก็บประจุแต่ละตัวเมื่อใช้งานนอกจากนี้ ความต้านทานแรงดันไฟกระชากของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าโดยทั่วไปคือ 1.15 เท่า Un และค่าที่ดีสามารถเข้าถึง 1.2 เท่า Unดังนั้นนักออกแบบควรพิจารณาไม่เพียงแต่แรงดันไฟฟ้าในสภาวะคงตัวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแรงดันไฟกระชากเมื่อใช้งานด้วยโดยสรุป สามารถวาดตารางเปรียบเทียบระหว่างตัวเก็บประจุแบบฟิล์มและตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าได้ดังต่อไปนี้ ดูรูปที่ 1

2. การวิเคราะห์การใช้งาน

ตัวเก็บประจุ DC-Link เป็นตัวกรองต้องมีการออกแบบกระแสสูงและความจุสูงตัวอย่างคือระบบขับเคลื่อนมอเตอร์หลักของรถยนต์พลังงานใหม่ดังแสดงในรูปที่ 3ในการประยุกต์ใช้งานนี้ ตัวเก็บประจุมีบทบาทในการแยกส่วน และวงจรมีกระแสไฟฟ้าทำงานสูงตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-Link มีข้อดีคือสามารถทนต่อกระแสการทำงานขนาดใหญ่ (Irms)ยกตัวอย่างพารามิเตอร์ยานพาหนะพลังงานใหม่ 50~60kW พารามิเตอร์มีดังนี้: แรงดันไฟฟ้าขณะทำงาน 330 Vdc, แรงดันกระเพื่อม 10Vrms, กระแสกระเพื่อม 150Arms@10KHz

จากนั้นคำนวณความจุไฟฟ้าขั้นต่ำดังนี้:

นี่เป็นเรื่องง่ายสำหรับการออกแบบตัวเก็บประจุแบบฟิล์มสมมติว่ามีการใช้ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า หากพิจารณาถึง 20mA/μF ค่าความจุไฟฟ้าขั้นต่ำของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะถูกคำนวณเพื่อให้ตรงตามพารามิเตอร์ข้างต้นดังต่อไปนี้:

ต้องใช้ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าหลายตัวเชื่อมต่อแบบขนานเพื่อให้ได้ความจุนี้

ในการใช้งานที่มีแรงดันไฟฟ้าเกิน เช่น รถไฟฟ้ารางเบา รถเมล์ไฟฟ้า รถไฟใต้ดิน ฯลฯ เมื่อพิจารณาว่ากำลังเหล่านี้เชื่อมต่อกับเครื่องคัดลอกหัวรถจักรผ่านเครื่องคัดลอก การสัมผัสระหว่างเครื่องคัดลอกและเครื่องคัดลอกจะไม่ต่อเนื่องในระหว่างการเดินทางในการขนส่งเมื่อทั้งสองไม่ได้สัมผัสกัน แหล่งจ่ายไฟจะได้รับการสนับสนุนจากตัวเก็บประจุหมึก DC-L และเมื่อหน้าสัมผัสกลับคืนมา แรงดันไฟฟ้าเกินจะถูกสร้างขึ้นกรณีที่แย่ที่สุดคือการคายประจุโดยสมบูรณ์โดยตัวเก็บประจุ DC-Link เมื่อตัดการเชื่อมต่อ โดยที่แรงดันไฟฟ้าคายประจุเท่ากับแรงดันไฟฟ้าคัดลอก และเมื่อหน้าสัมผัสกลับคืนมา แรงดันไฟเกินที่เกิดขึ้นจะเกือบสองเท่าของ Un พิกัดการทำงานสำหรับตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม ตัวเก็บประจุ DC-Link สามารถจัดการได้โดยไม่ต้องพิจารณาเพิ่มเติมหากใช้ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าเกินคือ 1.2Unใช้รถไฟใต้ดินเซี่ยงไฮ้เป็นตัวอย่างUn=1500Vdc สำหรับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าเพื่อพิจารณาแรงดันไฟฟ้าคือ:

จากนั้นให้เชื่อมต่อตัวเก็บประจุ 450V หกตัวแบบอนุกรมหากใช้การออกแบบตัวเก็บประจุแบบฟิล์มใน 600Vdc ถึง 2000Vdc หรือแม้กระทั่ง 3000Vdc ก็ทำได้อย่างง่ายดายนอกจากนี้ พลังงานในกรณีที่คายประจุตัวเก็บประจุจนหมดจะทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสอง ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าพุ่งขนาดใหญ่ผ่านตัวเก็บประจุ DC-Link ซึ่งโดยปกติแล้วตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะแตกต่างกันไปเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนด

นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแล้ว ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-Link สามารถได้รับการออกแบบเพื่อให้ได้ ESR ที่ต่ำมาก (โดยทั่วไปจะต่ำกว่า 10mΩ และต่ำกว่า <1mΩ) และ LS แบบเหนี่ยวนำตัวเอง (โดยทั่วไปจะต่ำกว่า 100nH และในบางกรณีต่ำกว่า 10 หรือ 20nH) .ช่วยให้สามารถติดตั้งตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-Link ลงในโมดูล IGBT ได้โดยตรงเมื่อใช้งาน ทำให้บัสบาร์สามารถรวมเข้ากับตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-Link ได้ จึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุแบบดูดซับ IGBT เฉพาะเมื่อใช้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม ซึ่งช่วยประหยัด ผู้ออกแบบเป็นเงินจำนวนมากรูปที่ 2.และ 3 แสดงข้อกำหนดทางเทคนิคของผลิตภัณฑ์ C3A และ C3B บางส่วน

3. บทสรุป

ในสมัยแรกๆ ตัวเก็บประจุ DC-Link ส่วนใหญ่เป็นตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า เนื่องจากการพิจารณาราคาและขนาด

อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าได้รับผลกระทบจากความสามารถในการทนแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า (ESR สูงกว่ามากเมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเชื่อมต่อตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าหลายตัวแบบอนุกรมและขนานเพื่อให้ได้ความจุขนาดใหญ่และตรงตามข้อกำหนดของการใช้ไฟฟ้าแรงสูงนอกจากนี้ เมื่อพิจารณาถึงการระเหยของวัสดุอิเล็กโทรไลต์ ควรเปลี่ยนเป็นประจำโดยทั่วไปการประยุกต์ใช้พลังงานใหม่จะต้องมีอายุการใช้งาน 15 ปี ดังนั้นจึงต้องเปลี่ยน 2 ถึง 3 ครั้งในช่วงเวลานี้ดังนั้นจึงมีค่าใช้จ่ายและความไม่สะดวกอย่างมากในการบริการหลังการขายของเครื่องจักรทั้งหมดด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเคลือบโลหะและเทคโนโลยีตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม ทำให้สามารถผลิตตัวเก็บประจุกรอง DC ความจุสูงที่มีแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 450V ถึง 1200V หรือสูงกว่านั้นด้วยฟิล์ม OPP แบบบางพิเศษ (2.7µm ที่บางที่สุด หรือ 2.4µm) โดยใช้ เทคโนโลยีการทำให้ฟิล์มนิรภัยกลายเป็นไอในทางกลับกัน การรวมตัวเก็บประจุ DC-Link เข้ากับบัสบาร์ทำให้การออกแบบโมดูลอินเวอร์เตอร์มีขนาดกะทัดรัดยิ่งขึ้น และลดการเหนี่ยวนำการจรจัดของวงจรได้อย่างมากเพื่อปรับวงจรให้เหมาะสมที่สุด