Стражи больших энергий: мощные конденсаторы Vishay из линейки ESTA

Силовая электроника на сегодняшний день является одной из востребованных и быстроразвивающихся областей техники. К основным тенденциям данной отрасли можно отнести улучшение силовых характеристик управляющих полупроводниковых приборов и применение систем интеллектуального управления. Не менее важным является стремление к экономичным и энергосберегающим решениям.

Vishay ESTA является одним из немногих мировых производителей, предлагающих практически полный спектр силовых конденсаторов для различных условий и сфер применения — фильтрации гармоник, уменьшения энергопотерь, стабилизации напряжения, улучшения массогабаритных характеристик.

Один из целевых сегментов рынка конденсаторов Vishay — энергогенерирующие установки, «зеленые» технологии — ветряные электростанции и солнечные панели.

Кроме этого силовые конденсаторы Vishay находят свое применение в высоко-, средне- и низковольтных сетях транспортировки и распределения электроэнергии. Их эффективная работа позволяет снизить потери энергии на передачу и, как следствие, снизить выбросы СО2 в атмосферу.

Еще одна область применения включает в себя RFI-фильтры, преобразователи напряжения в тяговых и промышленных двигателях.

Конденсаторы для печей индукционного нагрева

Основная функция силовых конденсаторов в печах индукционного нагрева — подстройка рабочих контуров. Сейчас помимо печей, работающих на токах промышленной частоты (как правило, это печи высокой мощности или печи старой конструкции), более популярными в применении (и более экономичными) становятся индукционные печи с полупроводниковыми преобразователями частоты (тиристорными или транзисторными). Реализуются два варианта исполнения стационарных мощных полупроводниковых преобразователей:

• Инвертор тока с параллельной батареей конденсаторов;
• Инвертор напряжения с последовательной батареей конденсаторов.

Конденсаторы Vishay для печей индукционного нагрева (рис. 1) отвечают требованиям стандартов EN 60110/1 (2) и IEC 60110/1.

Рис. 1. Конденсаторы для печей индукционного нагрева

Конденсаторы для сетей промышленной частоты (50/60 Гц) напряжений 230…3000 В мощностью до 800 кВар; для средней частоты — 150…100000 Гц, мощностью до 10000 кВар. Основные серии:

• Phao- 850…3000В (50/60Гц), однофазные с естественным охлаждением, -25…40°С;
• Phao…/mF- среднечастотные конденсаторы (~4000Гц) с естественным охлаждением, -10…65°С;
• Phawo…k- 230…2500В, частоты от 150 до 5000Гц, водяное охлаждение (температура воды на выходе максимум 40°С), температурный диапазон 1…50°С (возможно подключение датчиков давления или температуры);
• Phawo…kS- 230…3000В, частоты от 150 до 10000Гц, с промежуточными выводами (до8), водяное охлаждение (температура воды на выходе максимум 40°С), температурный диапазон 1…50°С (возможно подключение датчиков давления или температуры);
• Phawo- 500…1000В, частоты от 10 до 100кГц, с промежуточными выводами (6), водяное охлаждение (температура воды на выходе максимум 40°С), температурный диапазон 1…50°С;
• Phawoz- 230…2500В, частоты от 1000 до 10000Гц, с двойными выходами для повышения нагрузки, водяное охлаждение (температура воды на выходе максимум 40°С), температурный диапазон 1…50°С (возможно подключение датчика давления);
• Phmkp- 230…525В (50/60Гц), однофазные с естественным охлаждением, -25…40°С;
• Phmkp…-DR/Phmkpg…-DR- 200…1000В (50/60Гц), однофазные с естественным охлаждением, -25…40°С, самовосстанавливающиеся с аварийным отключением в случае избыточного давления или возникновения утечки.

Основные преимущества:

• Компактное исполнение;
• Адаптация под приложения заказчика;
• Возможность работы в экстремальных условиях;
• Легкость интеграции;
• Низкая индуктивность.

Техническая реализация

Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.

Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.

Конденсаторы для силовой электроники

Конденсаторы для источников питания, стабилизаторов, преобразователей напряжения или частоты работают в условиях больших коммутируемых токов, реактивных нагрузок, с напряжением различной формы. Типичные области применения включают в себя:

• Преобразователи напряжения в локомотивах, электропоездах, городском электротранспорте, промышленных источниках питания;
• Источники питания постоянного тока;
• Промышленные источники питания;
• Системы тестирования высоковольтных линий;
• Импульсные разрядники.

Предлагаемые Vishay конденсаторы для силовой электроники (рис. 2) отвечают требованиям стандартов IE C 61071, IEC 61881, также возможна адаптация продукции под спецификации заказчика.

Рис. 2. Конденсаторы для силовой электроники

Ассортимент конденсаторов позволяет сделать оптимальный выбор практически для любого типа приложений с переменным напряжением вплоть до 24 кВ, для постоянного напряжения — до 125 кВ с уровнями концентрации энергии в конденсаторе до 15 кДж.

Серия DCMKP — низкоиндуктивные конденсаторы (<30 нГн), способные выдерживать импульсные токи до 600 А, устойчивые к ударным и вибрационным нагрузкам. Предназначены для фильтрации напряжения, развязки по постоянному току, накопления энергии в промышленных и тяговых двигателях. Номиналы 50…20000 мкФ, работа с напряжением 900…4250 В.

Серии EC, ET — высоковольтные конденсаторы, выполненные по технологии комбинированного диэлектрика (полиэстер, полипропилен, конденсаторная ткань) с масляным наполнением в герметичном корпусе. Могут применяться в системах с охлаждением воздухом, маслом, охлаждающей жидкостью типа SF6. Разработаны специально для систем фильтрации высоковольтного напряжения:

• Сглаживание пульсаций напряжения;
• Контуры индукционных печей;
• Источники питания радиопередатчиков;
• Источники питания рентгеновских аппаратов.

Диапазон номинальных значений 1 нФ…2 мкФ; (от 500 пФ до 2 мкФ для серии ЕТ), диапазон напряжений 1000…100000 В.

EMKP — серия цилиндрических конденсаторов с малыми потерями на высоких частотах для применений:

• Во входных/выходных фильтрах переменного тока;
• В устройствах демпфирования и уменьшения переходных искажений;
• В системах коммутации нагрузки;
• Для гальванической развязки и фильтрации постоянного напряжения;
• Защита от перенапряжения.

Номиналы 0,1…470 мкФ для рабочих напряжений 400…2400 В.

Серия EPR — высоковольтные конденсаторы, выполненные по технологии комбинированного диэлектрика (полиэстер/полипропилен, конденсаторная ткань) с масляным наполнением в герметичном полипропиленовом корпусе с креплениями на болт М10, устойчивы к механическим ударам и вибрациям.

Основное целевое применение:

• Развязывающие конденсаторы;
• Высоковольтные разрядники;
• Импульсные источники;
• Радары, лазеры, источники рентгеновского излучения.

Номиналы 2 нФ…2 мкФ, диапазон возможных рабочих напряжений 1000…300000 В (постоянное напряжение).

Конденсаторы для фильтров постоянного тока серии ER сочетают хорошие электрические характеристики с компактными размерами, устойчивы к механическим ударам и вибрациям, обладают широким температурным диапазоном -55…85°С.

Ориентированы на применение:

• В аудиоаппаратуре;
• В импульсных источниках питания;
• В цепях генераторов;
• При фильтрации радиопомех;
• В настраиваемых фильтрах;
• При сглаживании пульсаций напряжения.

Номиналы 10 нФ…100 мкФ при напряжениях до 30 кВ.

GLI…A — серия конденсаторов с низкой индуктивностью и низкими потерями на высоких частотах (4х10-4 на 2 кГц), предназначенная для конверторов напряжения и частоты, промышленных и тяговых двигателей, источников бесперебойного питания, медицинского оборудования. Номиналы 1 пФ…230 мкФ при напряжениях 700…2150 В.

HDKMP — конденсаторы для сетей постоянного тока с высоким уровнем среднеквадратичного тока до 150 А и пиковым током до 25 кА, обладают низкой индуктивностью и устойчивостью к механическим воздействиям. Основное целевое применение — фильтры питания в различных силовых установках (тяговые двигатели, ветровые турбины, источники бесперебойного питания).

Достоинства и недостатки конденсаторных изделий

Электрическое поле – это?

К числу достоинств изделий рассматриваемого класса следует отнести:

• Низкую удельную стоимость (из расчета на единицу ёмкости);
• Высокие показатели ёмкостной плотности и КПД циклов заряда-разряда (до 95% и выше);
• Надёжность, долговечность и экологическая чистота;
• Прекрасные показатели удельной мощности;
• Достаточно широкий диапазон температур, при которых возможна их эксплуатация;
• Наибольшая из всех возможных для изделий данной категории скорость заряда и разряда;
• Допустимость полной потери ёмкости (практически до нуля).

Ещё одно немаловажное преимущество СК – их сравнительно малые размеры и вес (по отношению к другим типам электролитических изделий).

Размеры СК

Среди присущих им «минусов» хотелось бы отметить следующие недостатки:

• Относительно малая плотность накапливаемых энергий;
• Низкий показатель вольтажа, приходящегося на единицу ёмкости элемента;
• Высокий уровень неконтролируемого саморазряда.

Добавим к этому не до конца проработанную технологию производства изделий.

Низковольтные конденсаторы для силовой электроники

Низковольтные (относительно, конечно — «всего» 230…1000 В) применения конденсаторов включают в себя, прежде всего, компенсацию перепадов напряжения и фильтрацию гармоник в системах, использующих токи промышленной частоты (50…60 Гц). Предназначены для работы с напряжениями диапазона 230…1000 В с уровнями энергий порядка 2,5…56,2 кВар для алюминиевых корпусов и до 500 кВар в стальном корпусе. Выпускаются в сериях для применения внутри помещений — PhMKD и для условий внешней среды — PhMKDg (рис. 3).

Рис. 3. Низковольтные конденсаторы для силовой электроники

В качестве преимуществ можно указать низкий коэффициент потерь, компактные размеры, хорошее рассеяние излишнего тепла, длительное время наработки на отказ (свыше 150000 часов), соответствие стандартам EN 60831/1 и 2, EIC 60831/1 и 2.

Перспективы применения

В ближайшем будущем предполагается практически повсеместное использование суперконденсаторов, которые будут внедряться в большинство энергоёмких производств (включая медицинскую отрасль, аэрокосмическую промышленность и военную технику).

Одновременно с их внедрением всё более повышается удельная емкость этих изделий, что в перспективе позволит полностью заменить батареи конденсаторами. Также намечается процесс интегрирования суперконденсаторов в различные структуры современного электронного производства, включая изготовление управляющих и регулирующих элементов.

В заключение отметим, что конденсаторные изделия этого класса позволяют внедрить в жизнь экологически чистые способы экономии энергии, намного более перспективные, чем все известные до сих пор. В ближайшее время предполагается дальнейшее расширение сфер применения этих технологий, которые могут захватить всю автотранспортную отрасль, а также устройства связи и мобильную технику.

Высоковольтные конденсаторы для силовой электроники

Основное назначение:

• Шунтирующие конденсаторы;
• Фильтрация гармоник;
• Последовательные конденсаторы;
• Конденсаторы для статической компенсации реактивной мощности;
• Конденсаторы для высоковольтных линий электропередач постоянного тока;
• Ограничители напряжения и фильтры.

Высоковольтные конденсаторы Vishay выпускаются вплоть до уровней напряжения 24 кВ и мощности до 900 кВар. Предлагаются также банки конденсаторов, позволяющие оперировать напряжениями до 800 кВ.

Выпускаются в версиях с одной и двумя контактными втулками, предлагаются одно- и трехфазные конденсаторы (рис. 4).

Рис. 4. Высоковольтные конденсаторы для силовой электроники

Конструктивные решения позволяют объединять отдельные конденсаторы в банки и конденсаторные поля с защитой от дисбаланса фаз.

Использование двойного электрического слоя

На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)

Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.

Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell

Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

Конденсаторы для высоковольтных источников питания

Высоковольтные источники питания находят применение в системах формирования медицинских изображений, CRT-мониторах, электростатическом нанесении покрытий (автомобильная индустрия), электростатических фильтрах (промышленные помещения).

Высоковольтные конденсаторы Vishay соответствуют стандартам EN 50176, EN 50177, EN 50223, EN 50348. Диапазоны рабочих постоянных напряжений 1…100 кВ (рис. 5).

Рис. 5. Конденсаторы для высоковольтных источников питания

Конденсаторы являются компактным, гибким, надежным решением для высоковольтных источников питания широкого спектра назначений и областей промышленности. Предлагаются в виде высоковольтных систем серий BG 1971-000-9000A, BG 1971-000-9700 и BG 1972-6100-010, BG 1972-6123-01.

BG 1971-000-9000A, BG 1971-000-9700 — компактные приборы с интегрированной платой управления для систем нанесения жидкой краски или напыления порошковых покрытий. Напряжение питания 30 В при токе потребления 1,5…5 А, выходное напряжение до 100 кВ, ток 250…500 мкА.

BG 1972-6100-010, BG 1972-6123-01 — компактные высоковольтные генераторы в цилиндрическом корпусе с напряжением питания 1…24 В и выходным напряжением до 100 кВ.

Суперконденсатор своими руками

Можно изготовить суперконденсатор своими руками. Поскольку конструкция его состоит из электролита и электродов, нужно определиться с материалом для них. Для электродов вполне подойдет медь, нержавейка или латунь. Можно взять, к примеру, пятикопеечные старые монеты. Нужен будет еще угольный порошок (в аптеке можно купить активированный уголь и измельчить его). В качестве электролита «сгодится» обычная вода, в которой растворить нужно поваренную соль (100:25). Раствор смешивается с угольным порошком, чтобы получилась консистенция замазки. Теперь ее слоем в несколько миллиметров необходимо нанести на оба электрода.

Осталось подобрать прокладку, разделяющую электроды, сквозь поры которой свободно будет проходить электролит, но задерживаться будет угольный порошок. Подойдет для этих целей стеклоткань или поролон.

Электроды – 1,5; обмазка угольно-электролитная – 2,4; прокладка – 3.

В качестве кожуха использовать можно пластмассовую коробочку, просверлив в ней предварительно отверстия для проводов, припаянных к электродам. Подсоединив провода к батарейке, ожидаем, пока зарядится конструкция «ионикс», названная так потому, что на электродах образоваться должна разная концентрация ионов. Проверить заряд проще с помощью вольтметра.

Есть и другие способы. Например, используя оловянную бумагу (станиолевую фольгу – обертку от шоколадки), куски жести и парафинированную бумагу, изготовить которую можно самостоятельно, нарезав и погрузив на пару минут в расплавленный, но не кипящий, парафин полоски папиросной бумаги. Ширина полосок должна быть пятьдесят миллиметров, а длина от двухсот до трехсот миллиметров. Вынув полоски из парафина, необходимо соскоблить тупой стороной ножа парафин.

Пропитанную парафином бумагу складывают в виде гармошки (как на рисунке). С обеих стороны в промежутки вкладываются листы станиолевые, которые соответствуют размеру 45х30 миллиметров. Подготовив, таким образом, заготовку, ее складывают, затем, проглаживают теплым утюгом. Оставшиеся станиолевые концы снаружи соединяют между собой. Можно использовать для этого картонные пластинки и латунные с жестяными обоймами, к которым позже припаиваются проводники для того, чтобы при монтаже можно было припаять конденсатор.

Емкость конденсатора зависит от количества станиолевых листочков. Она равна, например, тысяче пикофарад при использовании десяти таких листков, и двум тысячам, если их количество увеличить вдвое. Такая технология пригодна для изготовления конденсаторов емкостью до пяти тысяч пикофарад.

Если же необходима большая емкость, то необходимо иметь старый микрофарадный бумажный конденсатор, представляет собой который, рулон из ленты, состоящей из полос парафинированной бумаги, между которыми проложена полоса фольги станиолевой.

Для определения длины полос, пользуются формулой:

l = 0,014 С/а , где емкость необходимого конденсатора в пФ — С; ширина полос в см – а: длина в см – 1.

Отмотав от старого конденсатора полоски нужной длины, обрезают со всех сторон на 10 мм фольгу, чтобы между собой не дать соединиться обкладкам конденсатора.

Вновь ленту нужно свернуть, но сначала припаяв многожильные провода к каждой полоске фольги. Сверху конструкцию обклеивают плотной бумагой, а на края бумаги, которые выступают, заделывают два монтажных провода (жестких), к которым припаиваются с внутренней стороны гильзы бумажной выводы от конденсатора (см. рисунок). Последний шаг – заливка конструкции парафином.

Литература

1. Vishay — Vishay ESTA — Vishay Brands// https://www.vishay.com/company/brands/esta/

2. Power Capacitors// www.vishay.com/docs/49631/49631_vmn-pl0332-1104.pdf

3. Vishay — Capacitors — Induction Heating// https://www.vishay.com/capacitors/hcp-ind-heating/

4. Vishay — Capacitors — Power Electronic// https://www.vishay.com/capacitors/app-power-electronic/hcp-power-elec/

5. Vishay — Capacitors — Low voltage AC// https://www.vishay.com/capacitors/app-low-voltage-ac/hcp-low-volt-ac/

6. Vishay — Capacitors — Pha… Power Capacitors — High Voltage Power Capacitors https://www.vishay.com/capacitors/list/product-13045/

7. Vishay — Capacitors — HV Power Supplies// https://www.vishay.com/capacitors/app-hv-power-supplies/hcp-hv-power-supplies/.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail

Vishay Precision Group Inc. запустила в производство VHZ Hermetic (Z-Foil) — новую серию сверхпрецизионных резисторов в герметичном корпусе

Предлагаемые изделия имеют следующие области применения: первичное и вторичное выпрямление, обратная связь в операционных усилителях, прецизионные делители напряжения, шунты измерительных приборов.

Технические характеристики:

• Величина ТКС ±0,2ppm/°C (-55…125°C)
• Уход номинала после 10000 часов работы (0,15Вт; 70°C) не более 0,005%
• Номиналы 5 Ом…121 кОм
• Заказ нестандартного номинала (1К2345) не влияет на стоимость изготовления
• Устойчивость к электростатическому напряжению 25кВ
• Рассеиваемая мощность 0,6Вт при 70°C; 0,3Вт при 125°C
• Наводимая термоЭДС 0,1мкВ/°C
• Безындуктивный и безъемкостной корпус
• Уровень токовых шумов менее -40дБ
• Уход номинала под воздействием напряжения менее 0,1ppm/В
• Стабилизация номинала в течение 1с после шокового температурного воздействия (уход номинала 10ppm)
• Паразитная индуктивность менее 0,08мкГн.

Компания Vishay Intertechnology Inc. запустила в производство новые серии низкопрофильных индуктивностей в форм-факторе 1212 серии IHLP

Предлагаемые изделия имеют максимальную рабочую частоту 1 МГц, диапазон рабочих температур -55…125°C.

Области применения: DC/DC-преобразователи, распределенные системы питания, питание FPGA в электронных устройствах.

IHLP-1212AB-11:

• Номиналы 0,22…0,56мкГн
• Диапазон токов насыщения 6,7…9,3А
• Сопротивление по постоянному току 9,5…18,7мОм

IHLP-1212AE-11:

• Номиналы 0,22…1мкГн
• Диапазон токов насыщения 5,3…9А
• Сопротивление по постоянному току 9,5…29,5мОм

•••

Особенности конструкции и производители

Плотность тока

Электроды этого изделия изготавливаются из специального пористого материала, покрытого сверху тонким слоем активированного угля. В качестве электролитического состава используются смеси неорганического или органического происхождения. Основные его отличия от привычного конденсатора состоят в следующем:

• Между обкладками в этом изделии размещается не обычный слой диэлектрика, а вдвое толще, что позволяет получить очень тонкий зазор. Такая конструкция обеспечивает возможность накапливать электроэнергию в больших объёмах (электрическая ёмкость в этом случае значительно возрастает);
• Далее суперконденсатор, в отличие от других образцов, аккумулирует и расходует заряд достаточно быстро;
• Благодаря использованию двойного слоя диэлектрика повышается общая площадь электродов, а габариты при этом остаются прежними. Технические характеристики изделия при этом заметно улучшаются.

К особенностям этих конденсаторов, появившихся в 1962 году, также следует отнести энергетическую структуру их электродов, один из которых имеет электронную проводимость, а другой – так называемую «ионную». В результате этого в процессе их зарядки осуществляется разделение противоположных по знаку зарядов, приводящее к накапливанию на обкладках положительного и отрицательного потенциала (смотрите фото).

Разделение зарядов в СК

В 1971 году лицензию на производство этих уникальных изделий получила известная японская корпорация NEC, успешно освоившая к этому времени практически все электротехнические направления. Именно ей удалось продвинуть и окончательно утвердить на рынке электронных изделий уникальную технологию производства суперконденсаторов. С 2000-х годов она успешно освоена практически во всех экономически развитых странах мира.