Questa settimana proseguiamo con l'articolo della scorsa settimana.
1.2 Condensatori elettrolitici
Il dielettrico utilizzato nei condensatori elettrolitici è ossido di alluminio, formato dalla corrosione dell'alluminio, con una costante dielettrica compresa tra 8 e 8,5 e una rigidità dielettrica di circa 0,07 V/A (1 µm = 10000 A). Tuttavia, non è possibile raggiungere uno spessore così elevato. Lo spessore dello strato di alluminio riduce il fattore di capacità (capacità specifica) dei condensatori elettrolitici, poiché la lamina di alluminio deve essere incisa per formare un film di ossido di alluminio che consenta di ottenere buone caratteristiche di accumulo di energia, e la superficie presenterà numerose irregolarità. D'altra parte, la resistività dell'elettrolita è di 150 Ωcm per bassa tensione e di 5 kΩcm per alta tensione (500 V). L'elevata resistività dell'elettrolita limita la corrente RMS che il condensatore elettrolitico può sopportare, tipicamente a 20 mA/µF.
Per questi motivi, i condensatori elettrolitici sono progettati per una tensione massima tipica di 450 V (alcuni produttori li progettano per 600 V). Pertanto, per ottenere tensioni più elevate è necessario collegare i condensatori in serie. Tuttavia, a causa della differenza di resistenza di isolamento tra i vari condensatori elettrolitici, è necessario collegare una resistenza a ciascun condensatore per bilanciare la tensione di ogni condensatore collegato in serie. Inoltre, i condensatori elettrolitici sono dispositivi polarizzati e, quando la tensione inversa applicata supera 1,5 volte Un, si verifica una reazione elettrochimica. Se la tensione inversa applicata si protrae per un tempo sufficiente, il condensatore si scarica. Per evitare questo fenomeno, è opportuno collegare un diodo in prossimità di ciascun condensatore durante l'utilizzo. Inoltre, la resistenza alle sovratensioni dei condensatori elettrolitici è generalmente di 1,15 volte Un, e i modelli migliori possono raggiungere 1,2 volte Un. Pertanto, i progettisti devono considerare non solo la tensione di lavoro a regime, ma anche la tensione di picco quando li utilizzano. In sintesi, è possibile tracciare la seguente tabella comparativa tra condensatori a film e condensatori elettrolitici, vedere Figura 1.
2. Analisi dell'applicazione
I condensatori DC-Link utilizzati come filtri richiedono progetti ad alta corrente e alta capacità. Un esempio è il sistema di azionamento del motore principale di un veicolo a energia alternativa, come illustrato in Figura 3. In questa applicazione, il condensatore svolge una funzione di disaccoppiamento e il circuito presenta un'elevata corrente di esercizio. Il condensatore DC-Link a film ha il vantaggio di poter sopportare elevate correnti di esercizio (Irms). Prendendo come esempio i parametri di un veicolo a energia alternativa da 50~60 kW, questi sono i seguenti: tensione di esercizio 330 Vdc, tensione di ripple 10 Vrms, corrente di ripple 150 Arms@10 KHz.
La capacità elettrica minima viene quindi calcolata come segue:
Questo è facile da implementare nella progettazione di condensatori a film. Supponendo che vengano utilizzati condensatori elettrolitici, se si considera 20 mA/μF, la capacità minima dei condensatori elettrolitici per soddisfare i parametri sopra indicati viene calcolata come segue:
Ciò richiede più condensatori elettrolitici collegati in parallelo per ottenere questa capacità.
Nelle applicazioni ad alta tensione, come tram, autobus elettrici, metropolitane, ecc., considerando che queste alimentazioni sono collegate al pantografo della locomotiva tramite il pantografo stesso, il contatto tra pantografo e pantografo è intermittente durante il viaggio. Quando i due non sono in contatto, l'alimentazione è supportata dal condensatore DC-L, e quando il contatto viene ripristinato, si genera una sovratensione. Il caso peggiore è una scarica completa del condensatore DC-Link quando viene scollegato, dove la tensione di scarica è pari alla tensione del pantografo e, quando il contatto viene ripristinato, la sovratensione risultante è quasi il doppio della tensione operativa nominale Un. Per i condensatori a film, il condensatore DC-Link può essere gestito senza ulteriori considerazioni. Se vengono utilizzati condensatori elettrolitici, la sovratensione è di 1,2 Un. Prendiamo come esempio la metropolitana di Shanghai. Un=1500Vdc, per il condensatore elettrolitico la tensione da considerare è:
Quindi i sei condensatori da 450 V devono essere collegati in serie. Se si utilizza un condensatore a film, si possono facilmente raggiungere tensioni da 600 Vdc a 2000 Vdc o anche 3000 Vdc. Inoltre, l'energia nel caso di scarica completa del condensatore forma una scarica di cortocircuito tra i due elettrodi, generando una grande corrente di spunto attraverso il condensatore del collegamento CC, che di solito è diversa per i condensatori elettrolitici per soddisfare i requisiti.
Inoltre, rispetto ai condensatori elettrolitici, i condensatori a film DC-Link possono essere progettati per raggiungere valori di ESR molto bassi (tipicamente inferiori a 10 mΩ e persino inferiori a 1 mΩ) e un'autoinduttanza LS (tipicamente inferiore a 100 nH e, in alcuni casi, inferiore a 10 o 20 nH). Ciò consente di installare il condensatore a film DC-Link direttamente nel modulo IGBT, permettendo l'integrazione della barra di distribuzione nel condensatore stesso ed eliminando la necessità di un condensatore di assorbimento dedicato per l'IGBT, con un notevole risparmio per il progettista. Le figure 2 e 3 mostrano le specifiche tecniche di alcuni prodotti C3A e C3B.
3. Conclusion
Agli inizi, i condensatori DC-Link erano per lo più condensatori elettrolitici per ragioni di costo e dimensioni.
Tuttavia, i condensatori elettrolitici sono influenzati dalla capacità di tenuta in tensione e corrente (ESR molto più elevata rispetto ai condensatori a film), quindi è necessario collegare più condensatori elettrolitici in serie e in parallelo per ottenere una grande capacità e soddisfare i requisiti di utilizzo ad alta tensione. Inoltre, considerando la volatilizzazione del materiale elettrolitico, è necessario sostituirlo regolarmente. Le applicazioni nel settore delle energie rinnovabili generalmente richiedono una durata del prodotto di 15 anni, quindi è necessario sostituirlo da 2 a 3 volte durante questo periodo. Pertanto, vi sono costi e disagi considerevoli per l'assistenza post-vendita dell'intera macchina. Con lo sviluppo della tecnologia di metallizzazione e della tecnologia dei condensatori a film, è stato possibile produrre condensatori di filtro CC ad alta capacità con tensione da 450 V a 1200 V o anche superiore con film OPP ultrasottile (il più sottile 2,7 µm, persino 2,4 µm) utilizzando la tecnologia di vaporizzazione del film di sicurezza. D'altro canto, l'integrazione dei condensatori DC-Link con la barra di distribuzione rende il design del modulo inverter più compatto e riduce notevolmente l'induttanza parassita del circuito, ottimizzandone le prestazioni.
Data di pubblicazione: 29 marzo 2022