Minggu ini kita sambung dengan artikel minggu lepas.

1.2 Kapasitor elektrolitik

Dielektrik yang digunakan dalam kapasitor elektrolitik ialah aluminium oksida yang terbentuk daripada kakisan aluminium, dengan pemalar dielektrik 8 hingga 8.5 dan kekuatan dielektrik kerja kira-kira 0.07V/A (1µm=10000A). Walau bagaimanapun, ketebalan sedemikian tidak mungkin dicapai. Ketebalan lapisan aluminium mengurangkan faktor kapasiti (kapasitans tentu) kapasitor elektrolitik kerana kerajang aluminium perlu diukir untuk membentuk filem aluminium oksida bagi mendapatkan ciri penyimpanan tenaga yang baik, dan permukaannya akan membentuk banyak permukaan yang tidak sekata. Sebaliknya, kerintangan elektrolit ialah 150Ωcm untuk voltan rendah dan 5kΩcm untuk voltan tinggi (500V). Kerintangan elektrolit yang lebih tinggi mengehadkan arus RMS yang boleh ditahan oleh kapasitor elektrolitik, biasanya kepada 20mA/µF.

Atas sebab-sebab ini, kapasitor elektrolitik direka bentuk untuk voltan maksimum 450V tipikal (sesetengah pengeluar individu mereka bentuk untuk 600V). Oleh itu, untuk mendapatkan voltan yang lebih tinggi, adalah perlu untuk mencapainya dengan menyambungkan kapasitor secara bersiri. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh perbezaan rintangan penebat setiap kapasitor elektrolitik, perintang mesti disambungkan kepada setiap kapasitor untuk mengimbangi voltan setiap kapasitor yang disambungkan secara bersiri. Di samping itu, kapasitor elektrolitik adalah peranti terkutub, dan apabila voltan songsang yang dikenakan melebihi 1.5 kali ganda Un, tindak balas elektrokimia berlaku. Apabila voltan songsang yang dikenakan cukup panjang, kapasitor akan tumpah keluar. Untuk mengelakkan fenomena ini, diod harus disambungkan di sebelah setiap kapasitor apabila ia digunakan. Selain itu, rintangan lonjakan voltan kapasitor elektrolitik secara amnya adalah 1.15 kali ganda Un, dan yang baik boleh mencapai 1.2 kali ganda Un. Jadi pereka harus mempertimbangkan bukan sahaja voltan kerja keadaan mantap tetapi juga voltan lonjakan apabila menggunakannya. Secara ringkasnya, jadual perbandingan berikut antara kapasitor filem dan kapasitor elektrolitik boleh dilukis, lihat Rajah 1.

2. Analisis Aplikasi

Kapasitor DC-Link sebagai penapis memerlukan reka bentuk arus tinggi dan kapasiti tinggi. Contohnya ialah sistem pemacu motor utama kenderaan tenaga baharu seperti yang dinyatakan dalam Rajah 3. Dalam aplikasi ini, kapasitor memainkan peranan penyahgandingan dan litar mempunyai arus operasi yang tinggi. Kapasitor DC-Link filem mempunyai kelebihan kerana dapat menahan arus operasi yang besar (Irms). Ambil parameter kenderaan tenaga baharu 50~60kW sebagai contoh, parameternya adalah seperti berikut: voltan operasi 330 Vdc, voltan riak 10Vrms, arus riak 150Arms@10KHz.

Kemudian kapasiti elektrik minimum dikira sebagai:

Ini mudah dilaksanakan untuk reka bentuk kapasitor filem. Dengan mengandaikan bahawa kapasitor elektrolitik digunakan, jika 20mA/μF dipertimbangkan, kapasitans minimum kapasitor elektrolitik dikira untuk memenuhi parameter di atas seperti berikut:

Ini memerlukan berbilang kapasitor elektrolitik yang disambungkan secara selari untuk mendapatkan kapasitans ini.

Dalam aplikasi voltan lampau, seperti rel ringan, bas elektrik, kereta api bawah tanah, dan sebagainya. Memandangkan kuasa ini disambungkan ke pantograf lokomotif melalui pantograf, sentuhan antara pantograf dan pantograf adalah terputus-putus semasa perjalanan pengangkutan. Apabila kedua-duanya tidak bersentuhan, bekalan kuasa disokong oleh kapasitor dakwat DC-L, dan apabila sentuhan dipulihkan, voltan lampau dijana. Kes terburuk ialah nyahcas lengkap oleh kapasitor DC-Link apabila diputuskan sambungan, di mana voltan nyahcas adalah sama dengan voltan pantograf, dan apabila sentuhan dipulihkan, voltan lampau yang terhasil hampir dua kali ganda daripada Un operasi yang dinilai. Bagi kapasitor filem, kapasitor DC-Link boleh dikendalikan tanpa pertimbangan tambahan. Jika kapasitor elektrolitik digunakan, voltan lampau ialah 1.2Un. Ambil Shanghai metro sebagai contoh. Un=1500Vdc, untuk kapasitor elektrolitik untuk mempertimbangkan voltan ialah:

Kemudian enam kapasitor 450V hendaklah disambungkan secara bersiri. Jika reka bentuk kapasitor filem digunakan dalam 600Vdc hingga 2000Vdc atau 3000Vdc, ia mudah dicapai. Di samping itu, tenaga dalam kes nyahcas sepenuhnya, kapasitor membentuk nyahcas litar pintas antara kedua-dua elektrod, menghasilkan arus masuk yang besar melalui kapasitor DC-Link, yang biasanya berbeza untuk kapasitor elektrolitik bagi memenuhi keperluan.

Di samping itu, berbanding kapasitor elektrolitik, kapasitor filem DC-Link boleh direka bentuk untuk mencapai ESR yang sangat rendah (biasanya di bawah 10mΩ, dan juga <1mΩ yang lebih rendah) dan kearuhan kendiri LS (biasanya di bawah 100nH, dan dalam beberapa kes di bawah 10 atau 20nH). Ini membolehkan kapasitor filem DC-Link dipasang terus ke dalam modul IGBT apabila digunakan, membolehkan bar bas disepadukan ke dalam kapasitor filem DC-Link, sekali gus menghapuskan keperluan untuk kapasitor penyerap IGBT khusus apabila menggunakan kapasitor filem, menjimatkan sejumlah besar wang pereka. Rajah 2 dan 3 menunjukkan spesifikasi teknikal beberapa produk C3A dan C3B.

3. Kesimpulan

Pada zaman dahulu, kapasitor DC-Link kebanyakannya merupakan kapasitor elektrolitik disebabkan oleh pertimbangan kos dan saiz.

Walau bagaimanapun, kapasitor elektrolitik dipengaruhi oleh keupayaan menahan voltan dan arus (ESR yang jauh lebih tinggi berbanding kapasitor filem), jadi perlu menyambungkan beberapa kapasitor elektrolitik secara siri dan selari untuk mendapatkan kapasiti yang besar dan memenuhi keperluan penggunaan voltan tinggi. Di samping itu, memandangkan pengewapan bahan elektrolit, ia harus diganti secara berkala. Aplikasi tenaga baharu secara amnya memerlukan jangka hayat produk selama 15 tahun, jadi ia mesti diganti 2 hingga 3 kali dalam tempoh ini. Oleh itu, terdapat kos dan kesulitan yang besar dalam perkhidmatan selepas jualan keseluruhan mesin. Dengan perkembangan teknologi salutan metalisasi dan teknologi kapasitor filem, adalah mungkin untuk menghasilkan kapasitor penapis DC berkapasiti tinggi dengan voltan dari 450V hingga 1200V atau lebih tinggi dengan filem OPP ultra nipis (2.7µm paling nipis, malah 2.4µm) menggunakan teknologi pengewapan filem keselamatan. Sebaliknya, penyepaduan kapasitor DC-Link dengan bar bas menjadikan reka bentuk modul inverter lebih padat dan mengurangkan kearuhan sesat litar dengan ketara untuk mengoptimumkan litar.