книги / Основы конденсаторной техники

8.2. Особенности прохождения переменного тока через конденсатор. Фильтровые и защитные конденсаторы

При включении конденсатора в цепь постоянного тока протекающий через него ток быстро спадает до очень малой величины тока утечки iут, т.е. можно считать, что конденсатор

не пропускает постоянного тока. Сечение обкладок в этом случае может быть малым. В конденсаторе, включенном в цепь переменного тока, чередуются процессы зарядки и разряда, обусловливающие протекание значительного тока через конденсатор. Приходится выбирать сечение обкладок таким образом, чтобы они могли выдержать ток, протекающий через конденсатор.

Если считать, что конденсатор – это чистая емкость, т.е. он не имеет индуктивности L и активного сопротивления r, то ток будет определяться емкостным сопротивлением конденсатора:

В этом случае при переменном напряжении ток

При синусоидальном напряжении ток через чистую ем-

кость опережает изменение напряжения на угол π2 :

u =U sin ωτ; i = I sin ωτ− π2 .

Из формулы (11) следует, что даже при небольшом напряжении и небольшой емкости ток, протекающий через конденсатор, может быть велик при высокой частоте, что следует учитывать при расчете высокочастотных конденсаторов. То

41

обстоятельство, что конденсатор практически не пропускает постоянный ток, а пропускает переменный ток, причем оказывает токам высокой частоты меньшее сопротивление, используется в практике при изготовлении электрических фильтров. Такие фильтры часто применяются для разделения постоянной

ипеременной составляющей выпрямленного напряжения.

ВП-образном фильтре (рис. 19, а) значительная часть пе-

ременной составляющей ответвляется в конденсатор С1, так

как его сопротивление переменному току значительно меньше сопротивления катушки индуктивности L. В то же время катушка индуктивности представляет малое сопротивление постоянному току. Емкость С2 служит для окончательного сгла-

живания кривой выпрямленного напряжения.

Рис. 19. Схема электрического П-образного фильтра (а) и форма кривых напряжения (б)

42

Резкое снижение реактивного сопротивления конденсатора с повышением частоты, согласно формуле (10), позволяет использовать их для подавления радиопомех, применяя конденсатор в качестве шунта, отводящего на землю высокочастотные токи помех.

8.3.Индуктивность конденсаторов

иполное сопротивление

Для того чтобы учесть наличие в конденсаторе активного сопротивления r (Ом) и индуктивности L (Гн), кроме емкости C (Ф), вместо XC надо пользоваться полным сопротивлением

43

Индуктивность конденсаторов очень мала и ее выражают в микро- и наногенри. Например, воздушный образцовый конденсатор емкостью С = 100 пФ имеет индуктивность

L = 10…20 нГн; при емкости С = 1000 пФ L = 30…50 нГн.

В намотанных спиральных конденсаторах большая индуктивность может быть обусловлена витками спирали. В связи с этим вместо обычной намотки со скрытой фольгой (рис. 21, а) была предложена «безындукционная» намотка с выступающей фольгой (рис. 21, б). При такой намотке обкладки смещаются к противоположным торцам секции, что дает возможность замыкания накоротко всех витков спирали. Недостаток – увеличенный вес фольги.

Рис. 21. Различные типы намотки спиральных конденсаторов: а – со скрытой фольгой; б – с выступающей фольгой

Малые значения индуктивности L можно получить и при обычной намотке, если располагать выводные контакты обеих обкладок ближе друг к другу (рис. 22). В намотанном конденсаторе со скрытой фольгой индуктивность в основном определяется длиной той части обкладок, которая заключена между выводными контактами.

В этой части конденсатора направления токов в обеих обкладках в каждый момент времени совпадают, магнитные поля этих токов складываются и это обусловливает наличие индуктивности. Преимущество безындукционной намотки при совмещенных выводных контактах – уменьшение активного сопротивления обкладок, что дает некоторое снижение активного сопротивления r при резонансе и уменьшает потери в конден-

44

док. Ставят по два контакта на одну обкладку, чтобы обеспечить противоположные направления токов.

При последовательном включении индуктивности L складываются, а при параллельном включении складываются их обратные значения, поэтому при параллельном соединении индуктивность конденсатора будет меньше, чем индуктивность отдельных секций. Это является одним из способов снижения индуктивности высоковольтных импульсных конденсаторов, используемых в качестве накопителей энергии.

Рис. 23. Схема развертки намотанных конденсаторов: а – параллельное соединение секций; б – последовательное соединение секций

Для того чтобы свести к минимуму индуктивность соединительных проводов, применяют специальные проходные конденсаторы (рис. 24).

С

Рис. 24. Присоединение защитных конденсаторов к линии, несущей помехи: а – обычный защитный конденсатор; б – проходной конденсатор

46

В проходных конденсаторах имеется внутреннее отверстие, сквозь которое пропускается медная шинка, к ней присоединяется один вывод конденсатора, а второй подсоединяется к корпусу. Шинка изолируется от корпуса конденсатора и включается в разрыв защищаемой линии; корпус конденсатора подсоединяется к земле. Емкость таких конденсаторов надо измерять между любым из изолированных выводов и корпусом. В таком конденсаторе соединительные провода имеют минимальную длину и создают малую индуктивность.

8.4. Кажущаяся и реактивная мощность конденсатора. Включение конденсатора в цепь переменного тока

При использовании конденсаторов в силовой технике при низкой частоте, а также в контурах мощных радиопередатчиков и электротермических установок при высокой частоте встречаются следующие мощности:

Для качественных конденсаторов угол ϕ =90°, а sin ϕ≈1, поэтому

Pр ≈ P =UIC ≈U 2ωC.

Для силовых конденсаторов вместо емкости часто указывается реактивная мощность. В этих случаях емкость конденсатора можно вычислить по формуле

С = UP2pω [Ф].

Конденсаторы можно использовать для улучшения коэффициента мощности промышленных установок с индуктивной нагрузкой путем параллельного присоединения конденсаторов к отдельным индуктивным приемникам (индивидуальная ком-

47

пенсация) или путем включения батареи конденсаторов на шины подстанции (централизованная компенсация).

При параллельном включении конденсатора в цепь с индуктивным приемником (рис. 25), вектор емкостного тока IC

опережает на 180° вектор индуктивного тока IL ; поэтому, подбирая соответственно емкость батареи, можно получить или полную компенсацию вектора IL , т.е. довести значение сдвига фаз приемника до нуля, или же уменьшить этот сдвиг от значения ϕ1 до заданного значения угла ϕ2 , резко снизив ре-

активную составляющую тока нагрузки. При этом уменьшается полный ток, что снижает потери в линии и разгружает источник энергии (генератор, трансформатор), от которого питается приемник.

Рис. 25. Уменьшение угла сдвига фаз при параллельном включении конденсатора

Если угол сдвига фаз приемника, потребляющего активную мощность, надо уменьшать от ϕ1 до ϕ2 , то необходимая

для этого мощность конденсатора может быть рассчитана по формуле

PC = PA (tg ϕ1 −tg ϕ2 ).

48

Особенно большое значение имеет применение конденсаторов для улучшения коэффициента мощности индуктивных печей, обладающих низким значением cosϕ (≈ 0,1).

Последовательное включение конденсаторов в линию электропередач используется для компенсации реактивного падения напряжения в линии электропередач, повышения пропускной способности линии, для уменьшения влияния толчков тока на стабильность напряжения в распределительных линиях при включении мощных приемников. Регулирующее действие последовательно включенных конденсаторов, пропорциональное току в линии, происходит мгновенно. Схема последовательного включения конденсатора и изменение векторной диаграммы после включения конденсатора показаны на рис. 26.

Рис. 26. Последовательное включение конденсатора в линию передачи: а – линия без конденсатора; б – линия с конденсатором

49

На рис. 26 обозначено:

Uген – напряжение на выводах источника энергии; Uп – напряжение на выводах приемника;

I – ток в линии;

rл, X л, Zл – активное, реактивное и полное сопротивления линии;

XC – реактивное сопротивление конденсатора;

rн, Xн – активное и реактивное сопротивления приемника

энергии.

Включение конденсатора приводит к уменьшению вектора напряжения Uген (при заданной величине Uп ), к уменьше-

нию угла сдвига фаз между векторами Uген и Uп. Для опреде-

ления мощности батареи, необходимой для емкостной компенсации при последовательном включении конденсаторов в линию, выбирают определенную степень компенсации, т.е. отношение реактивного сопротивления конденсатора к реак-

тивному сопротивлению линии: kл = ХС – степень компенса-

Хл

ции. Зная Хл и выбрав kл, можно найти ХС и вычислить емкость на одну фазу Сф:

Затем можно найти UС и I = UC = 2π f UC C.

ХС

Реактивную мощность можно вычислить, используя выражение

Pp =3UC2 ωC.

В цепях переменного тока конденсаторы находят применение как пусковые в схемах конденсаторных электродвигателей (рис. 27).

50