Главная » Мануалы

1 2 3 4 ... 33

Расчет конденсатора сюдится к нахождению оптимальных размеров, обеспечивающих получение заданных значений электрических характеристик конденсатора, и надежности работы при наименьших затратах на его производство. В частных случаях, если конденсатор применяется в особо ответственной аппаратуре, его стоимость может иметь второстепенное значение, и главное внимание приходится уделять получению наивысших возможных характеристик или наименьшего объема и веса.

Обычно при расчете заранее известен тип диэлектрика, используемого в рассчитываемом конденсаторе. В этом случае для выполнения расчета должны быть заданы три основных параметра: номинальная емкость конденсатора С^; номинальное рабочее напряжение Up, рабочая частота /р.

Для мощных конденсаторов переменного тока вместо емкости может быть указана реактивная мощность

Рр = г/соСн - 27uf;/pC . (1-1)

Зная значение реактивной мощности, напряжения и частоты, из этой формулы находим выражение для вычисления емкости

с. = 44-

Если в расчетном задании предполагается, что конденсатор предназначен для работы при постоянном напряже-



НИИ (f = 0), то под постоянным иногда понимают выпрямленное напряжение. В этом случае в криюй напряжения будут две составляющие: постоянная и переменная. Переменная составляющая может вызывать заметный нагрев конденсатора, а также влиять на его ионизационные характеристики. Кратковременная электрическая прочность конденсатора будет определяться суммой постоянной и амплитудной переменной составляющих. Поэтому в расчетном задании должны быть оговорены частота и амплитуда переменной составляющей пульсирующего (выпрямленного) напряжения.

При работе конденсатора в цепях переменного тока, где возможно наличие высших гармоник, следует указать частоту и амплитудное значение тех высших гармоник, которые наиболее резко выражены в кривой напряжения. Наличие высших гармоник опасно потому, что вследствие увеличения потерь при заметном отклонении кривой напряжения от синусоиды может возникнуть дополнительный разогрев конденсатора.

Если конденсатор используется при импульсном напряжении, то необходимо оговорить форму импульсов и частоту их следования. При этом важно указать, изменяется ли полярность импульсов.

Обычно для конденсаторов с заданным типом диэлектрика характерно определенное соотношение между рабочим Up и испытательным f/ncn напряжениями. Если в условиях работы конденсатор будет подвергаться кратковременному воздействию больших перенапряжений, для чего

может потребоваться увеличение отношения по сравнению с обычным значением, то это также надо огоюрить в расчетном задании.

Кроме величины Up, в расчетном задании должна быть указана продолжительность воздействия напряжения на конденсатор, т. е. срок службы конденсатора, поскольку в различных условиях применения конденсаторов эта величина может колебаться от сотен тысяч часов до нескольких часов и даже меньше. Для импульсных конденсаторов вместо срока службы может быть указано максимальное суммарное количество импульсов, которое может воздействовать на конденсатор за все время его работы. Если к конденсатору предъявляется требование об определенной на-аежности его работы, то в расчетном задании обычно ука-



зывается максимально допустимое значение интенсивности отказов в

Под интенсивностью отказов понимают относительное количество конденсаторов, выходящих из строя в единицу времени (в один час) при испытании на длительную работу под номинальным напряжением ири верхнем пределе допускаемой рабочей температуры,

где X - длительность испытания;

п = Ni - Ni - число конденсаторов, вышедших из строя

за это время; Ni - общее число конденсаторов в испытуемой

партии в начале испытания; N2 - оставшееся работоспособным количество

конденсаторов в этой же партии в конце

испытания, т. е. по истечении времени t. Иногда величину К определяют и при других значениях напряжения и температуры, причем надо иметь в виду, что при увеличении приложенного к конденсатору напряжения и температуры окружающей среды Я возрастает, т. е. ухудшается надежность конденсатора. Иногда величину К определяют не только при старении под напряжением, но и в условиях хранения конденсаторов. В этом случае выход конденсатора из строя характеризуется не пробоем, а потерей герметичности, выходом параметров за пределы допускаемых норм и т. п.

При расчете конденсатора величину К вычислить нельзя, но ее приходится принимать во внимание при выборе запаса электрической прочности (увеличивая его, если задана повышенная надежность, т. е. пониженное значение К), при выборе системы герметизации и т. д.

Для проведения теплового расчета конденсатора необходимо, чтобы в расчетном задании был указан верхний предел рабочей температуры окружающей среды to. максг при котором будет использоваться конденсатор. Эта величина имеет также значение при выборе конструктивного оформления конденсатора, в частности системы его герметизации. Для правильного выбора внешнего конструктивного оформления необходимо указать также условия влажности окружающей среды и давления воздуха. Влажность (комнатная.



повышенная в условиях хранения или работы в неотапливаемых помеш,ениях, высокая в условиях работы на открытом воздухе, тропическая в условиях работы при одновременном воздействии высокой влажности и повышенной температуры) имеет решающее значение при выборе системы герметизации. Давление воздуха в окружающей среде влияет на разрядные напряжения изоляции выюдов конденсатора, а потому должно быть учтено при расчете изоляторов.

Представляет интерес также и нижний предел температуры окружающей среды to; мин, особенно при использовании жидких диэлектриков в конструкции конденсатора для целей пропитки или заливки. В этом случае при расчете приходится учитывать изменение объема жидкости, залитой

* в конденсатор, при колебаниях температуры во всем возможном диапазоне ее изменения.

Если известен тип диэлектрика, то в большинстве случаев этим определяется и тип конструкции основы конденсатора - конденсаторной секции: плоская, цилиндрическая или спиральная (намотанная). Иногда при одном и том же

диэлектрике можно применить несколько конструкций: при отсутствии специальных соображений по выбору варианта конструкции необходимо рассчитать несколько вариантов и выбрать оптимальный.

Если в расчетном задании не указан тип диэлектрика, го расчет надо начинать с его выбора. Эта задача облегчается гем, что сочетание заданных значений Сн, f/p и уже предопределяет использование лишь нескольких диэлектриков из тех, которыми располагает современное конденсаторо-строение.

Для облегчения правильного выбора типа диэлектрика в расчетном задании желательно иметь следующие дополнительные сведения о характеристиках конденсатора: точность значения емкости (допустимое отклонение емкости от номинального значений АСн); температурный коэффициент емкости ТКЕ или допустимые изменения емкости, по сравнению с ее значением при 20° С, при крайних значениях рабочей температуры to. ыин и о. макс (если не требуется линейность изменения емкости при изменениях температуры); максимально допустимое значение тангенса угла потерь tg 8; минимально допустимое значение сопротивления изоляции конденсатора (/?из)мин или минимальная постоянная времени (/?изС) н.



Учитывая совокупность этих требований, можно выбрать один определенный диэлектрик. Если можно выбрать два или более различных диэлектрика, то необходимо рассчитать каждый из них, а затем уже выбрать оптимальный вариант.

Основным при расчете конденсатора является правильный выбор толщины диэлектрика d, так как от нее зависят как размеры конденсатора, так и надежность его работы. По существу каждый раз приходится идти на компромисс между двумя противоположными требованиями: обеспечить повышенную надежность, для чего требуется увеличивать d, или обеспечить наименьшие значения веса, объема и стоимости конденсатора, для чего требуется уменьшать d.

Как будет показано ниже, в первом приближении объем v конденсатора изменяется пропорционально квадрату толщины диэлектрика, поэтому снижение толщины d является существенным способом удешевления конденсатора и снижения его габаритных размеров.

Для конденсаторов постоянного тока и низкой частоты величина d обычно устанавливается на основе расчета электрической прочности конденсатора; для ряда типов высокочастотных конденсаторов величина d находится из теплового расчета и потом только проверяется в отношении запаса электрической прочности.

с' применением полупроводниковых приборов в электронной технике резко снизились предельные значения Up для многих типов конденсаторов. В связи с этим при расчете конденсаторов низкого напряжения можно не рассчитывать величину d, а просто выбрать, из технологических соображений, наименьшее ее значение для данного диэлектрика. Обычно для таких материа.5ов, как бумага, синтетические пленки, слюда, приходится ориентироваться на минимальные значения толщины, оговоренные в соответствующих ГОСТ или ТУ.

В настоящее время для получения слоев диэлектриков очень малой толщины отрабатываются новые технологические приемы (испарение в вакууме, катодное распыление, термическое и химическое окисление, пиролитическое разложение, полимеризация в газовом разряде, нанесение тон- -ких слоев и т. п.). В этом случае даже при малых напряжениях толщину диэлектрика d следует выбирать с учетом электрической прочности.



После определения величины d необходимо выбрать конструкцию конденсаторной секции -основы конденсатора, что обычно определяется заданным или выбранным типом диэлектрика, а также номинальными параметрами конденсатора, указанными в расчетном задании. В соответствии с конструкцией выбирается расчетная формула, связывающая емкость с толщиной диэлектрика и основными размерами обкладок. Используя выбранную формулу емкости, заданное значение Сн и найденное значение d, а также выбирая из конструктивных соображений соотношение ширины и длины обкладок, в случае плоского или спирального конденсатора, и задаваясь длиной обкладки или диаметром цилиндрического конденсатора, можно найти размеры активной части диэлектрика. Для установления размеров конденсаторной секции приходится дополнительно выбирать размеры закраин (расстояние от края обкладки до края диэлектрика), исходя из расчета на отсутствие перекрытия или основываясь на технологических соображениях, и толщину обкладок из соображений механической прочности, т. е. из технологических соображений или на основе расчета величины потерь в обкладках (для конденсаторов повышенной или высокой частоты).

После установления размеров конденсаторной секции (в некоторых случаях, размеров пакета секций, если применяется их последовательное, параллельное или смешанное соединение) устанавливаются размеры конденсатора на основе выбора внешнего конструктивного оформления, а также расчета изоляции от корпуса, если он металлический. При этом, если толщина диэлектрика была выбрана только на основе расчета электрической прочности, тс после определения внешних размеров следует провести тепловой расчет конденсатора в случае его предназначения для работы при переменном или импульсном напряжении (при повышенной частоте повторения импульсов), а также при постоянном напряжении, если верхний предел рабочей температуры велик (порядка 100° и выше) *.

Потери обычно определяются при разработке новых типов конденсаторов, когда для теплового расчета нельзя воспользоваться практическими данными по измерению угла потерь у аналогичных конденсаторов, которые уже выпус-

* В системе СИ температура измеряется по шкале Кельвина Tjf=t + + 273,15, где - температура в °К; t - температура в °С.



кались производстюм. Индуктивность рассчитывается в тех случаях, когда от конденсатора требуется минимальное значение этого параметра (шунтирование токов высокой частоты, накопление энергии с последующим кратковременным разрядом и т. п.).

§ 2. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ

Конденсатор необходимо рассчитать так, чтобы его электрическая прочность обеспечивалась как при юздей-ствии на него испытательного напряжения или кратковременных перенапряжений (кратковременная прочность), так и при длительном воздействии номинального рабочего напряжения (длительная прочность). Как в первом, так и во втором случае не должно быть пробоя через толщу диэлек-. трика или по закраинам (поверхностный пробой). При этом надо учитывать не только активный (основной) диэлектрик, разделяющий обкладки конденсатора, но также изоляцию между секциями и от корпуса (при использовании металлического кожуха или металлических обжимных пластин) и внешнюю изоляцию выводов конденсатора (выюдные изоляторы, изоляция выюдных проюдников и т. д.).

Основное внимание при расчетах уделяется активному диэлектрику, толщина которого определяет удельную емкость конденсатора, а потому должна быть возможно малой. Для изоляции от. корпуса или изоляции выводов можно принимать значительно большие толщины. Площадь электродов, по*которым подводится напряжение к активному диэлектрику, обычно много больше, чем для изоляции от корпуса и для изоляции выводов; в связи с этим возрастает опасность пробоя через активный диэлектрик.

Расчет электрической прочности сводится к нахождению допускаемых значений напряженности: £исп - при кратковременном и Ер - при длительном воздействии напряжения. Затем определяются два значения толщины диэлектрика:

di = Hd, = P (1-4)

исп

и выбирается наибольшее. Обычно расчет ведут на длительную работу конденсатора, т. е. определяют Ер, по нему находят значение толщины,- а затем определяют величину Ецсп, соответствующую данной толщине и заданному испытательному напряжению, и проверяют, обеспечит ли это

И



значение £исп при кратковременном пробое нужную величину запаса электрической прочности

= = 1. (1-5)

где k - коэффициент запаса.

Обычно принятое в произюдстве соотношение гаран-

тирует необходимый запас электрической прочности при испытательном напряжении, если правильно выбрано допускаемое значение напряженности Ер.

Однако в условиях эксплуатации конденсатор иногда подвергается юздействию больших перенапряжений, вследствие чего может потребоваться увеличение [/исп по сравнению с обычным значением. В этом случае может оказаться, что по условиям кратковременной электрической прочности толщину диэлектрика придется взять большей, чем это требуется для обеспечения длительной электрической прочности. Поэтому конденсаторы рассчитывают на электриче-Ыую прочность как при кратковременном, так и при длительном действии напряжения.

Расчет электрической прочности при кратковременном действии напряжения

Расчет ведется, исходя из заданного значения испытательного напряжения и^сп, которое кратковременно должен выдержать конденсатор при испытании в Течение небольшого промежутка времени, обычно порядка нескольких секунд, реже - 1 мик. Время испытания оговаривается в техническом задании или же определяется действующими ГОСТ или ТУ, если рассчитывается конденсатор, уже выпускаемый произюдстюм. Величина [/ сп устанавливается с учетом тех кратковременных перенапряжений, которые могут юздейстювать на конденсатор в реальных условиях применения.

Величина допускаемого значения напряженности электрического поля в диэлектрике конденсатора при его испытании выбирается с известным запасом по отношению к кратковременной пробивной напряженности Е^р. кр. При выборе коэффициента запаса k необходимо учитывать зависимость Епр. кр от многих факторов, в частности от времени выдержки даже в области малых значений времени (секунда - мину-



та). Поэтому желательно, чтобы принятые для расчета Е^сп значения Епр были получены при таких значениях времени, или возможно близких к ним, которые предусмотрены для испытания конденсатора кратковременным воздействием напряжения.

Сведения об электрической прочности выбранного диэлектрика могут быть двоякого характера: средние значения Ещ, или полные данные об испытании образцов, позволяющие оценить отклонения Е„р отдельных образцов от среднего значения.

Если имеется только среднее значение, полученное при испытании некоторого количества однотипных образцов, причем количество этих образцов и неизбежный разброс данных от среднего значения неизвестен, то значение £исп должно быть установлено с известным запасом по отношению к среднему значению

еисп<. (1-6)

Ориентировочно надо взять не менее 2, рассчитывая на разброс порядка ± 50% для диэлектрика небольших толщин и небольшой площади электродов. Если площадь электродов увеличенная, а толщина диэлектрика повышенная, то разброс может достигать значений . ±(25-

ЗО) %, однако для надежности можно сохранять значение ki = 2.

Если fnp находится непосредственно из опыта, то наряду со средним значением можно располагать полными результатами опыта (рис. 1), выраженными кривой зависимости

интегральной вероятности пробоя (суммарное относительное количество образцов по отношению ко всей партии, которое пробивается при заданном значении Е^р или при любом меньшем).

При испытании достаточно большого количества образцов можно найти по кривой значение исп. при котором вероятность пробоя не будет превышать некоторого опреде-


Рис. 1. Кривая разброса электрической прочности.




Рис. 2. Кривая зависимости средней пробивной напряженности от толщины диэлектрика при кратковременном воздействии напряжения.

ленного минимального значения яр, например 1 или 0,1% и т. п. При этом пользоваться средним значением £пр и вю-дить коэффициент запаса для учета разброса от средних значений уже не требуется.

Однако необходимо учесть, что величина £пр при кратковременном испытании существенно зависит от толщины диэлектрика и от площади электродов. Технология изготовления образцов, на которых производится определение Е„р,

должна быть возможно ближе к технологии изготовления рассчитываемого конденсатора.

Предположим, что имеется неравномерное электрическое поле, характерное для конденсаторов плоского или намотанного типа, а также для обычных трубчатых конденсаторов, причем характер картины поля у испытуемых образцов, используемых для нахождения £пр, такой же, как и для рассчитываемого конденсатора. В этом случае кривая зависимости кратковременной электрической прочности от толщины диэлектрика в общем виде показана на рис. 2. В области небольших толщин наблюдается снижение Ещ, с уменьшением толщины за счет усиливающегося влияния слабых мест в диэлектрике; в области больших толщин £пр снижается с ростом толщины за счет влияния краеюго эффекта (в этой области пробой происходит преимущественно только у краев обкладки). Значения £пр. по которым выбирается £исп, должны быть получены при той же толщине, которая будет использована в рассчитываемом конденсаторе. Практически желательно иметь кривую £пр = f((I) для выбранного типа диэлектрика в том интервале толшдн, которые могут быть использованы в конденсаторостроении.

Пр криюй из рис. 2 видно, что при некотором значении толщины donx значение Епр достигает максимума fnp. макс-Такой же характер кривой будет получен, если применить слоистый диэлектрик (бумажный, пленочный и другие конденсаторы), а по оси абсцисс отложить число слоев тонкого диэлектрика, разделяющих обкладки. При этом максимальное значение £пр будет соответствовать некоторому оптимальному числу слоев Попт. Необходимо иметь в виду, что 14



1 2 3 4 ... 33

Яндекс.Метрика