Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Справочник по расчету режимов работы электрических конденсаторов

..pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
10.73 Mб
Скачать

1.3. Максимальный разрядный ток в колебательном режиме

 

1,1

—0,136(уя

4,0

—0,349Ua/R

1,4

-0,410(/„/Я

5,0

—0,298t/0/tf

1,7

-0,465U J R

10,0

0,17IU0/R

2,0

—0,464U0/R

15,0

-0,120 UJR

3,0

-0,405U0/R

20,0

-0,0925U0/R

знака: А =

ехр фТ'),

а также

логарифмическим

декрементом колеба-

вий D = In А = РГ ,

где Р = R/2L; V = 2я/ / l/LC — R2/iL 2 — период

затухающих колебаний.

 

 

Сопротивление R оказывает существенное влияние на скорость

затухания

колебательного разряда. В предельном случае R — 0 (разряд

через идеальную индуктивность) и Т' = Т0= КЕС. Такие колеба­ ния — незатухающие, так как энергия полей не рассеивается и попе­ ременно переходит из электрического поля в магнитное. Величину Т0

называют периодом незатухающих колебаний, а формулу Т0= 2я V LC

формулой Томсона. Угловая частота незатухающих колебаний со0 =* 1/ У LC равна резонансной частоте, при этом (Jc> UL и i будут из­

меняться

гармонически с частотой

со._При R Ф 0 со < со0 и Т' < Т0.

В предельном случае,

когда R = 2

L/C, т. е. б = со0, получаем со=0

и Т ' — оо.

При

этом

колебательный разряд

переходит

в апериоди­

ческий.

/

 

 

 

 

 

 

Тепловой режим конденсатора характеризуется его температур­

ным полем,

т. е.

совокупностью

численных

значений

температуры

в различных точках в данный момент времени, возникших в результа­ те тепловых воздействий. Различают внутренние тепловые воздейст­

вия

[ 34, 36|, определяемые мощностью тепловыделения, рассеива­

емой

конденсатором, и

характером

режима теплового нагружения,

и внешние, определяемые

условиями

эксплуатации.

Режимы теплового нагружения конденсаторов делятся на непре­ рывные и прерывистые. В непрерывном режиме мгновенная мощность тепловыделения не равна нулю во всем рассматриваемом интервале времени (рис. 1.5, а, б). В прерывистом режиме существуют интервалы времени, на которых мгновенная мощность тепловыделения становит­ ся равной нулю (рис. 1.5, в).

По характеру изменения мощности тепловыделения во времени режимы нагружения бывают простыми (рис. 1.5, а), сложными (рис. 1.5, б), циклическими (периодическими) (рис. 1.6, а) и ациклическими (апериодическими) (рис. 1.6, б). Тепловые режимы электрических кон­ денсаторов можно классифицировать по двум признакам:

1)по достижению мгновенной температурой установившегося значения;

2)по характеру изменения мгновенной и средней за цикл темпе­ ратуры конденсатора.

По первому признаку тепловые режимы делятся на длительные,

ПКР и кратковременные (КР). При длительном тепловом режиме (рис. 1.7, а) температура всех точек конденсатора за время работы (/р) дости-

11

гает установившихся значений. В ПКР температуры различных точек конденсатора в любой момент времени не достигают установившихся значений (рис. 1.7, б). Здесь и в дальнейшем будем рассматривагь цик­ лические ПКР.

р

tpt tp2 Тц

6

Рис. 1. 5. Диаграмма изменения мощности и тем­ пературы тепловыделения конденсаторов в непрерыв­ ном (а) и [прерывистых (б

и в) режимах теплового на­ гружения

Р ,

—| Тц=чаг

 

П п

.

Тц, т Тцг

Тцз п t

 

а

5

Рис. 1. 6. Схема циклического (а) и ациклического (б) преры­ вистых режимов теплового нагружения

р

 

р

 

-----

 

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

^

1

т

 

п

 

.

1 ^

 

*

ъ L A

 

1 7

tp I tn

 

t

tp

и

i

 

и

t

 

 

 

' ’ Тц

r

 

 

Тц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к

 

 

 

 

Рис. 1. 7. Схемы длительного (а), повторно-кратковре-менного (б) и кратковременного (в) режимов теплового нагружения

В КР за время tp тепловой режим не устанавливается, а за время паузы tu — устанавливается (рис. 1.7, в). Любой из названых тепло­

вых режимов может возникнуть как в прерывистом, так и в непрерыв­ ном циклических режимах теплового нагружения.

С точки зрения обеспечения заданного по ТУ электрического ре­ жима работы, длительный тепловой режим является наиболее тяжелым.

12

Основные соотношения, характеризующие тепловой режим кон­ денсатора по признаку достижения мгновенной температурой устано­ вившегося значения, приведены в табл. 1.4.

По второму признаку различают стационарный, квазистационарный и нестационарный тепловые режимы.

В стационарном тепловом режиме конденсатора температура любой его точки не меняется во времени, поэтому такой режим возможен при неп­ рерывной постоянной тепловой нагрузке (P(0=const) и неизменных усло­ виях эксплуатации. На практике -бывают случаи, когда интервалы /р и tn значительно меньше тепловой постоянной хт, и колебания мгно­

венной температуры на цикле повторения Тц незначительны (см. рис.

1.5,

б, б,). Такие тепловые режимы приближенно можно считать ста­

ционарными, а условием их су­

1.4. Классификация теплового

ществования

является соотноше­

ние

 

 

режима по признаку достижения

К ^

(^макс

^мин) /^макс ^ 0,05,

мгновенной температурой

 

где К — коэффициент пульсаций температуры

В квазистационарном тепло­ вом режиме колебания мгновенной температуры на цикле повторения значительные > 0,05), однако среднее за цикл значение темпера­ туры Тср неизменно от цикла к цик­

Тепловой режим Соотношения

Длительный

о о > ( п/тг > 0

ПКР

У тт < з; У тт < 3

лу.

Квазистационарный тепловой

 

 

режим возможен в случае длитель­

КР

У * т < 3 ; У * т > .3

ного

ПКР и КР как при преры­

 

 

вистых, так и непрерывных тепло­ вых нагрузках.

В нестационарном тепловом режиме значения мгновенной и сред­ ней за цикл температур меняются во времени.

Основные условия существования тепловых режимов, связываю­ щие параметры циклических тепловых нагрузок с тепловым парамет­ ром конденсатора тт> приведены в табл. 1. 5.

Большое влияние на тепловой режим конденсатора оказывают внешние тепловые воздействия, которые по характеру изменения делят­

ся на длительные, медленно и быстро изменяющиеся.

для ап­

Длительные внешние тепловые воздействия

характерны

паратуры и устройств, размещенных в

зданиях

и отсеках,

имеющих

собственные централизованные системы

кондиционирования, терморе­

гулирования, и учитываются температурой окружающего

воздуха,

задаваемой в ТУ на конденсаторы.

Медленно изменяющиеся внешние тепловые воздействия харак­ терны для аппаратуры, тепловой режим которой существенно зависит от температуры окружающей среды, и связаны с суточными и сезонны­ ми изменениями температуры окружающей среды

Быстро изменяющиеся внешние тепловые воздействия характерны для бортовой аппаратуры, размещенной в негерметичных отсеках само­ летов, ракет, и вызваны изменением температуры окружающей среды при изменениях скорости и высоты полета.

1.5. Условия существования

тепловых режимов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Режим теплового нагружения

 

Тепловой режим

Прерывистый

 

Непрерывный

 

 

 

 

Длительный стационарный

3 <

<Р/Тт;

у т т <

3 <

W

 

*р2/Хт ^

 

 

 

 

 

 

 

 

 

< 0,05

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<0,05

 

 

квазистационарный

3 <

/р/тт; 0,05 <

3 < у / у

0,05 <

 

 

 

 

 

< V TT

 

 

 

< W

Xr

 

ПКР

стационарный

У тт < з; *П/ Тт <

*pl/TT<

3» *р2/Тт <

 

 

 

 

 

 

 

 

<0,05

 

 

 

<0,05

 

 

квазистационарный

у т т < 3 ; 0,05/п/тт<

 

 

 

3; о,05у/тт<

 

 

 

 

 

< 3

 

 

 

 

 

< 3

 

КР

квазистационарный

у т т < 3; 3 <

V / TT <

з ; 3 <

 

 

 

 

 

<

 

 

 

 

< W

Xr

 

2. ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

 

 

 

 

КОНДЕНСАТОРОВ И РЕГЛАМЕНТАЦИЯ ДОПУСТИМЫХ

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК

 

 

 

 

 

 

Под работоспособностью понимается такое состояние

конденсато­

ра, при

котором его параметры соответствуют всем требованиям, при­

веденным в ТУ на конденсаторы.

Для

обеспечения

заданной работо­

способности и требуемых показателей надежности

конденсаторов необ­

ходимо

учитывать

ряд электрофизических,

тепловых

и

эксплуатаци­

онных факторов. Основными критериями,

учитывающимися при выбо­

ре и расчете допустимых электрических

и

тепловых

нагрузок конден­

саторов

при работе, являются:

с

ним

температура

наиболее нагре­

тепловыделение

и связанная

той точки;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

токов;

локальное и интегральное воздействие импульсных

электрическое

(ионизационное

и

электрохимическое)

старение

изоляции.

 

также

эксплуатационные

факторы,

такие

Необходимо учитывать

как [6] температура окружающей среды; влажность; атмосферное

дав­

ление; наличие, характер и концентрация агрессивных

газовых

сред;

наличие

и степень

интенсивности

 

проникающей

радиации

и факторов

космического пространства; механические (вибрации, удары)

и акусти­

ческие (шумы) нагрузки; условия теплообмена.

 

 

 

 

 

и те­

В данном справочнике рассмотрены основные электрические

пловые

факторы,

определяющие

 

работоспособность

 

конденсаторов!

14

а также приведены

параметры,

задаваемые

в нормативно-техниче­

ской документации

(НТД).

широко применяются {более подроб­

но

В настоящее время

особенно

аттестованные

виды

конденсаторов, а также

последние перспектив­

ные

разработки

конденсаторов с

высокими

удельными массогабарит­

ными характеристиками. Все это

вызывает

необходимость более пол­

ной

регламентации

допустимых

электрических

и тепловых нагрузок

конденсаторов конкретных типов.

 

 

Особенно актуальна в настоящее время оценка и регламентация тепловых режимов конденсаторов в связи с усиливающейся тенденци­ ей к сокращению габаритов, с одной стороны, и резким возрастанием удельных тепловыделений, — с другой. Отсутствие в НТД необхо­ димых параметров не позволяет потребителю адекватно оценить тепло­

вой

режим конденсатора в конкретных

условиях, а

следовательно,

и сделать вывод о допустимости того

или

иного

электрического

ре­

жима.

 

 

 

 

 

 

 

 

оце­

нок

Анализ существующих способов регламентации, экспертных

разработчиков

аппаратуры,

собственных

исследований

авторов

в вопросах применения конденсаторов в РЭА [36] позволяет

сформули­

ровать следующий

способ регламентирования

электрических

и тепло­

вых

нагрузок конденсаторов

(нормируются

следующие величины).

 

1. Допустимое

значение пикового

напряжения на конденсаторе —

(Jnn доп (Равное испытательному напряжению).

 

 

 

 

 

2. Допустимое

значение

(амплитудное

67м

доп,

действующее

Uд> доп, полный размах Up доп) рабочего напряжения.

3. Полное тепловое сопротивление R T и Кт ~ /?т U/RTJ г Ле RT н—

наружное тепловое

сопротивление

конденсатора.

доп значе­

4. Допустимые

действующие

/д доп и амплитудное/м

ния токов.

температура 7"M доп наиболее нагретой

части кон­

5. Допустимая

денсатора.

диапазон температур окружающей среды Т0 мин

6. Допустимый

И То. макс*

Рассмотренный выше способ регламентации допустимых нагрузок является более полным, позволяющим потребителю в широких преде­ лах варьировать параметрами электрической нагрузки, в частности, повышать ее путем применения принудительного теплоотвода.

3.ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КОНДЕНСАТОРОВ

ИИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

По виду применяемого диэлектрика, от

которого зависят электри­

ческие

характеристики,

конструкция

и область

применения,

конден­

саторы

можно подразделить на следующие группы.

 

 

бумаж­

1.

Конденсаторы

с

твердым органическим

диэлектриком:

ные (К40,

К41 — фольговые,

К42 — металлизированные),

пленочные

полистирольные (К70 — фольговые,

К71 — металлизированные), пле­

ночные

фторопластовые

(К72),

пленочные

полиэтилентерефталатные

(ПТЭФ

или лавсановые).— (К73 — металлизированные,

К74 — фоль­

говые),

с

комбинированным диэлектриком

(бумага +

пленка,

плен­

ка + пленка) — К75,

лакопленочные

(К76),

пленочные

поликарбо-

натные (К77), пленочные полипропиленовые (К78).

 

13453—68):

2.

Конденсаторы

с

оксидным диэлектриком

(ГОСТ

электролитические алюминиевые (К50)—фольговые, электролитические

15

1.6. Некоторые характеристики

основных типов

 

бумажных конденсаторов

 

 

 

Диапазон

номи­

 

Интервал

 

нальных емкостей

 

Минимальная

Тип

 

^ном» в

рабочих

конденсатора

 

температур,

наработка,

^мин»

^макс

 

°С

тыс. ч

пФ

мкФ

 

 

 

К40У-9*

4.7 •

102

1,0

200

 

4.7 .

103

0,68

400

 

4.7 •

10*

0,47

630

 

103

0,22

630

К40У-5**

0,25 •

10е

6,0

600

 

104

4,0

1000

 

104

2,0

1500

 

-

 

 

 

 

К42У-2**

4,7 •

104

1,0

160

 

4,7 •

104

1,0

250

 

3,3 . 104

0,47

400

 

1,5 •

104

0,22

630

 

104

0,22

1000

К42-11***

3,3 •

106

10,0

125

К42-15***

2,5»

Ю5

2,0

400

5 •

105

20,0

630

 

1,0 •

10е

20,0

1000

МБГЧ***

2,5 . №

10,0

250 (50 Гц)

 

105

1,0

280 (50 Гц)

 

2,5 .

. 4,0

500 (50

Гц)

 

2,5 •

105

2,0

750 (50

Гц)

 

2,5 •

105

1,0

100 (50

Гц)

 

104

6,0

2500

 

104

2,0

4000

 

107

20,0

2500

 

К41-1*

4 • 106

20,0

4000

 

104

10,0

6300

 

104

6,0

10 000

 

101

2,0

16000

 

104

0,5

25 000

 

 

104

0,1

40 000

 

10,0 (до 85 °С),

- 6 0 ... + 125 5,0 (85-.-125 °С)

—60. *.+85

10,0

в том числе

 

2,0 при

Т =

 

= 70...80 °С

 

и 8,0 при Т

 

выше

70 °С

—60* **+70

 

 

—60----НОО1

5,0 (до

70 °Q

 

 

—60---

+70

5,0

2,0 (до 70 °С)

—60. ‘ .+70 (МБГЧ-1)

—60* • • + 125 (МБГЧ-2)

—6 0 ...+ 125

5,0

16

Продолжение табл. 1.6

 

Диапазон номи­

 

Интервал

 

Тип

нальных емкостей

 

Минимальная

 

 

^НОМ’ в

рабочих тем­

конденсатора

 

 

ператур,

наработка,

 

^мин»

^макс»

 

°С

тыс. ч

 

пФ

мкФ

 

 

 

К42-18***

0,3

400

—60-----1-85

6,0

К42-19***

2 • 108

20,0

250

—25 ...+ 5 5

10,0

 

106

16,0

500

 

 

 

П р и м е ч а н и е .

Для всех

видов конденсаторов пропитка неполярная.

*Электроды фольговые, контактирование с торца (выступающая фольга)

**Вкладные контакты.

***Электроды металлизированные.

танталовые (К51 —

фольговые,

R52 — объемно-пористые), оксид­

нополупроводниковые

(К53 — танталовые, алюминиевые, ниобиевые

ииз других металлов).

3.Конденсаторы с твердым неорганическим диэлектриком, кера­ мические (КЮ, К15), стеклокерамические (К22), стеклоэмалевые (К23),

стеклянные (К21), слюдяные (КЗ 1, К32).

воздушные (К60),

4. Конденсаторы с газообразным диэлектриком:

вакуумные (Кб1).

к конденсаторам

Перечисленные группы конденсаторов относятся

постоянной емкости. Имеются также конденсаторы

переменной

емко­

сти, вакуумные (КП1), подстроечные с воздушным диэлектриком

(КТ2),

подстроечные с твердым диэлектриком (КТ4), а также нелинейные конденсаторы — вариконды (ВК-2).

По конструкции электродов первая группа конденсаторов

подраз­

деляется на конденсаторы с фольговыми, металлизированными

и ком­

бинированными электродами. Тип электродов конденсаторов

первой

группы во многих случаям ограничивает возможность

применения

конденсаторов в режимах с большими импульсными токами.

конден­

По величине удельных диэлектрических потерь различают

саторы с

твердым органическим полярным (е = 3. . .7),

слабополяр­

ным (е =

2,5. . .3,0)

и неполярным (е = 2,0. . .2,5) диэлектриками.

В качестве твердых полярных диэлектриков используется

бумага

(КОН-П),

ПЭТФ

и их

комбинации. Поскольку полярный

диэлектрик

характеризуется

большими потерями на переменном токе,

то изготов­

ляемые из него конденсаторы предназначаются в основном для работы на постоянном или переменном напряжении низкой частоты.

В настоящее

время бумажные конденсаторы применяются еще до­

статочно широко

(например,

МБГЧ). Ввиду больших потерь на пере­

менном напряжении [tg 6 «

(5. . .10) • 10~3], бумажные конденсато­

ры целесообразно применять на частотах до (200. . . 500) Гц. При боль­ ших токовых нагрузках целесообразно применять бумажные конден­

саторы с

фольговыми электродами

(К40У-9,

К40У-5). В связи с повы­

шенной

абсорбцией электрических

зарядов

бумажные конденсаторы

не рекомендуется использовать в цепях, где

происходят быстрые про­

цессы зарядки и разрядки.

 

 

17

Рис. 1.8. Зависимость tg6 от температуры (а, б) и от частоты (в, г) металлобумажных конденсаторов с неполярной пропиткой (а, в) и типа МБГЧ-750В-0,5 мкФ (б, г): 1 — конденсаторы с полужидкой про­ питкой при Г = 20 °С; 2 с твердой пропиткой при. Т = 20 °С; 3 — с твердой пропиткой при Т — 70 °С

йС/С

1

5 0 ,нГц

о

 

£

 

 

Ы Гц

 

\

-4 0 -2 i0 о

k 0 6<0 8 0 Н10 т,

/ - г

 

и

 

т

 

Рис. 1.9. Температурно-частотные характеристики емкости конденсаторов: а — металлобумажных, б — типа МБГЧ-1-750В- 0,5 мкФ,

В табл. 1.6 приведены некоторые характеристики основных типов бумажных и металлобумажных конденсаторов. На рис. 1.8, а — г и 1.9, а, б показаны характерные температурно-частотные характери­ стики tg б и емкости бумажных и металлобумажных конденсаторов.

ПЭТФ-конденсаторы по конструкции существенно не отличаются от бумажных. Они изготовляются как с фольговыми, так и с металлизи­ рованными электродами и использу­ ются в тех же целях, что и бумажные при повышенных требованиях к сопро­ тивлению изоляции и абсорбции. Удель-

Рис.

1.10.

Зависимость tg б

фольго­

вых ПЭТФ-конденсаторов от

частоты

при температуре 20 °С

 

 

ные

массогабаритные характеристики

ПЭТФ-конденсаторов выше, чем

у бумажных,

ввиду того, что сейчас

удается получать пленку малых

толщин (3 мкм). В сравнении

с металлобумажными металлопленочные

конденсаторы

могут выдерживать меньшее число пробоев, при которых

Рис 1.11. Зависимость tg б (а) и емкости (б) металлизированных ГТЭТФ конденсаторов от температуры при частоте 1000 Гц

сохраняется эффект самовосстановления. Эти конденсаторы можно при­ менять при более высоких температурах, чем бумажные, ввиду более высокой термостойкости ПЭТФ пленки по сравнению с бумагой. На низких номинальных напряжениях ПЭТФ-конденсаторы превосходят бумажные по объему и простоте конструкции, поскольку являются непропитанными.

Для изготовления ПЭТФ-кон­ денсаторов на повышенное пере­ менное напряжение требуется их пропитка, которая по сравнению

Рис.

1.12.

Зависимости

tg б

от

температуры

конденсаторов

К73-16-63В

при частоте

1000 Гц и

Сн,

равной

0,47 мкФ (/);

1,0 мкФ

(2);

1,5

мкФ (3);

6,8

мкФ

(4)\

40,0 мкФ

(5)

 

 

 

е бумажными затруднена, ввиду низких адгезионных свойств пленки. Поэтому широко применяются конденсаторы с комбинированным по­ лярным бумажно-пленочным диэлектриком ПЭТФ + КОН-11, что позволяет повысить электрическую прочность и сопротивление изоля­ ции по сравнению с чисто бумажными конденсаторами. Среднее значе-

Рис. 1.13. Зависимости tg6KOH-

денсаторов

К73-16-250В-0,33

мкФ от температуры

(а) и час­

тоты (б); температурно-частот­

ные характеристики

емкости

(в) (1 — 100

Гц; 2 — 1 кГц; 3 —

5 кГц; 4 — 10 кГц; 5 — 50 кГц)

ние рабочей напряженности поля . комбинированного

диэлектрика

значительно выше, чем у бумажного. Область применения конденса­ торов с комбинированным диэлектриком аналогична бумажным при повышенных требованиях к электрической прочности и надежности. К основным широко применяемым типам комбинированных конденгаторов относятся К75-10, К75-12, К75-24, К75-40.

Высокой удельной емкостью средц конденсаторов с пленочным полярным органическим диэлектри­ ком обладают лакопленочные кон-

Рис. 1.14. Зависимости tg6 лако­ пленочных конденсаторов К76-1 от температуры: на частоте 50 Гц (/); 1000 Гц (2); 5000 Гц (3)

денсаторы, приближающиеся к электролитическим. По сравнению с по­ следними они имеют значительно лучшие электрические характеристики и допускают эксплуатацию при знакопеременном напряжение Поэто­ му лакопленочные конденсаторы могут заменять электролитические при повышенных значениях переменной составляющей напряжения.

'20