Влияние формы и частоты напряжения на работу конденсаторов

Конденсаторы переменного тока выполняют следующие основные функции в силовых электронных аппаратах:

• — компенсируют реактивную мощность на частоте основной гармоники напряжения;
• — накапливают энергию для принудительной коммутации тиристоров;
• — формируют траектории переключения электронных ключей в составе ЦФТП;
• — фильтруют высшие гармоники тока и напряжения в цепях переменного тока.

В конденсаторах фильтров высших гармоник также протекают несинусоидальные токи, спектральный состав которых необходимо учитывать при выборе типа и параметров конденсаторов.

Несинусоидальные токи и напряжения приводят к росту потерь мощности в конденсаторе, а также изменению ряда важнейших параметров. Известно, что при синусоидальном напряжении потери в конденсаторе пропорциональны тангенсу угла потерь в диэлектрике. Увеличение потерь активной мощности приводит к необходимости снижать при повышении частоты допустимое действующее значение напряжения на конденсаторе. Увеличение действующих значений токов высших гармоник создает опасность выхода из строя контактных выводов и других элементов конструкции конденсатора, что также приводит к необходимости снижения допустимых действующих значений напряжений на конденсаторе с ростом частоты. Типичная зависимость допустимого действующего значения синусоидального напряжения на конденсаторе переменного тока (в относительных единицах) приведена на рис. 2.12 (см. работу [5]).

Рис. 2.12. Зависимость амплитуды допустимого напряжения конденсатора

от частоты

Электролитические конденсаторы являются основными элементами фильтров постоянного тока. В рабочем режиме конденсаторы находятся под постоянным воздействием как постоянной, так и переменной составляющих напряжения. Обычно в технических условиях на электролитические конденсаторы в качестве основных параметров кроме значений емкости указываются номинальное значение постоянной составляющей и допустимое значение переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц. Однако при более высоких частотах следует учитывать и другие факторы, вызывающие уменьшение проводимости конденсатора как элемента в целом и, как следствие, снижение его фильтрующей способности [5]. Так, при синусоидальном токе фильтрующая способность определяется полным сопротивлением конденсатора Z_c, которое соответствует схеме замещения, представленной на рис. 2.13, а, где С_д — емкость, обусловленная диэлектриком; г_д, г_эл — активные сопротивления, соответствующие потерям в диэлектрике и электролите, а Ь_э — эквивалентная индуктивность секции и выводов. Согласно схеме замещения при частоте /.

где

На рис. 2.13, б в качестве примера приведена зависимость относительного значения полного сопротивления (Z^) от частоты для конденсаторов типа К50−20 при температуре окружающей среды 25 °C. Штриховой линией показана частотная характеристика идеального конденсатора (к = 0, г_эл = 0).

Рис. 2.13. Специфика работы конденсатора К50−20:

а — схема замещения электролитического конденсатора; б — зависимость полного сопротивления от частоты Из приведенных зависимостей следует, что фильтрующая способность конденсаторов К50−20 начинает снижаться при частотах свыше 10 кГц, а при частотах более 20 кГц применение их становится нецелесообразным. При частотах выше указанных следует использовать конденсаторы с органическим или керамическим диэлектриком.

Если форма переменной составляющей протекающего через конденсатор тока отлична от синусоиды, то эффективность фильтрации конденсатора также изменяется. Например, при больших значениях di/dt составляющие переменного напряжения на выводах конденсатора, обусловленные индуктивностью Ь_э, возрастают и могут значительно превышать переменную составляющую напряжения непосредственно на емкости С_д.

Для предварительных оценок на этапах проектирования электронных аппаратов достаточно учитывать основные, преобладающие гармоники в пульсации напряжения на конденсаторе, используя для расчетов принцип наложения. Полученные данные следует уточнять экспериментально, в частности измеряя действующие значения токов (при помощи термоамперметров), а также температуру корпуса конденсатора и окружающей среды.