книги / Справочник по расчету режимов работы электрических конденсаторов

Продолжение табл. 8,3

151

Jl4, 361. Так, например, если исходить из принятой для частичных разрядов (ЧР) модели, то при условии, отсутствия ЧР на участках на­ пряжения и (t), где du(t)idt*a 0, изменение срока службы конденса­ тора, при действии на него напряжения трапецеидальной формы с раз­ махом Uр, частотой повторения Fnи длительностью фронтов /ф(с) при­

ближенно выражается соотношением [14, 361

1 = ^ (U^/Up)0 Fl/Fn (1/2/ф

где — срок службы конденсатора при синусоидальном напряжении амплитудой £/м и частотой Fx.

Из последнего соотношения, если считать', что С/м доп — допусти­

мая амплитуда синусоидального напряжения для обеспечения срока службы т1, можно найти допустимый размах трапецеидального напря­ жения для обеспечения требуемого срока службы (долговечности) т

Выражение (3.89) применимо для случаев, когда работа конден­ саторов происходит в области, где ЧР имеют интенсивность начальных.

нагреву, допустимому току и необходимой долговечности) в качестве истинного значения допустимого размаха принимается минимальное из всех значений, а в результате сопоставления его с требуемым разма­ хом уточняется габарит конденсатора.

б. МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО ВЫБОРА КОНДЕНСАТОРА ДЛЯ КОНКРЕТНОГО РЕЖИМА

Опыт эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) показы­ вает, что нарушение нормальною функционирования радиоэлектрон­ ных устройств по причине выхода из строя конденсаторов составляет около 3 % от общего числа отказов. Более половины этих отказов яви­ лись следствием неправильного выбора конденсаторов [13]. Следова­ тельно, обоснованные рекомендации по правильному выбору конден­ саторов с учетом их электрических и тепловых нагрузок, стабильно­ сти параметров, механических, климатических и других факторов, влияющих на работоспособность конденсаторов, имеют важное значе­ ние для повышения надежности РЭА на этапе ее проектирования.

Одной из основных задач разработчиков аппаратуры является зада­ ча выбора оптимального конденсатора (минимальных габаритов и массы). При этом режим его работы с учетом разумного запаса должен быть близок к предельно допустимому. Такой критерий выгоден и в эконо­ мическом аспекте, так как имеет место экономия материалов, идущих на изготовление конденсатора, снижается стоимость аппаратуры, улуч­ шаются ее массо-габаритные характеристики, снижается стоимость транспортировки аппаратуры.

Исходными данными для выбора конденсатора являются: номинальная емкость и допустимое ее отклонение при изменении

условий эксплуатации; требуемые показатели надежности;

153

требуемый электрический режим — величина и форма, времен* ные или частотные параметры воздействующих на конденсатор напря­

нать с анализа параметров конденсаторов, предназначенных для дан­ ной области применения. Промышленность, наряду с конденсаторами широкого применения, выпускает конденсаторы целевого назначения (для импульсных модуляторов РЭА, коммутирующие для тиристорны» преобразователей, фильтровые и т. д.). Поэтому целесообразно начать выбор из числа специально выпускаемых для этой цели конденсаторов. Помимо конденсаторов целевого назначения, следует подобрать наи­ более подходящие конденсаторы широкого применения, обеспечиваю­ щие максимальную удельную энергию. По основным параметрам им­ пульсного режима (частота повторения импульсов Fn и длительность

сатора (или группу конденсаторов).

В ходе этой предварительной работы необходимо иметь в виду весь комплекс исходных данных, который возможно позволит сокра­ тить число предварительно выбранных конденсаторов.

2. Расчет потерь в' конденсаторе. Исходными данными для расче­ та являются:

характеристики электрического режима — размах несинусоидаль­ ного напряжения, его форма, временные параметры, характер нагру­

жения; известные параметры эквивалентной схемы конденсатора — пара­

метры единичных релаксаторов Ri, Q , т* (для ориентировочных рас­ четов можно воспользоваться данными табл. 2.6);

требуемая номинальная емкость конденсатора.

Расчет мощности потерь производится в соответствии с рекомен­ дациями гл. 2.

3. Анализ теплового режима конденсатора — целесообразно про­ водить одним из методов, описанных в § 1—3 гл. 3, учитывая их просто­ ту и достаточную для инженерных расчетов точность. По характеру нагрузки (непрерывная, кратковременная, циклическая), рассчитанной выше мощности потерь и известном ее изменении во времени Рп(7),

известных тепловых параметрах конденсатора Rr и тг определяются основные тепловые характеристики режима i>р(/), i>n(7J, 0макс, 0МИН, 0ср.

4. Определение максимально допустимого размаха импульсного напряжения. Данные анализа теплового режима и результат расчета мощности потерь позволяет определить допустимый размах несинусои­ дального напряжения Up доп. При правильно выбранном типономинале

Uр доп, рассчитанное в соответствии с рекомендациями § 4 гл. 3 должно

быть близким к заданному (требуемому) размаху импульсного напряже­ ния Up треб, но не меньше, т. е: Up доп > треб. В противном случае

расчеты следует повторить для другого типономинала (большего габа­ рита).

154

5.Проверка токовых нагрузок конденсатора — производится в со­ ответствии с методикой, изложенной в § 4 гл. 3.

6.Проверка надежностных характеристик конденсатора (его ре­ сурса). Проводится в соответствии с рекомендациями § 4 гл. 3.

6, МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПЕРЕПАДОВ В КОНДЕНСАТОРАХ

В практике конденсаторостроения для экспериментальной опенки температуры на поверхности конденсатора и в. его центре используют ся в основном контактные методы. Суть этих методов состоит в непо­ средственном измерении температуры посредством малогабаритных термопар или термисторов, помещенных как на поверхности конден­ сатора, так и встроенных в него. Реализация такого метода связана со следующими недостатками*

1)нарушается целостность конструкции конденсатора;

2)приклеивание термобатареи приводит к значительным погреш­

ностям из-за отвода тепла датчиками и проводами;

3)встроенные термопары вносят изменения в конструкцию кон­

денсатора и снижают его электрическую прочность; 4) для ряда конструкций конденсаторов, например, для объемно­

пористых структур, встраивание термопар практически невозможно; 5) инерционность измерения, исключающая практическую целе­ сообразность его применения, где требуется измерять мгновенные зна­

чения быстроизменяющихся температур.

В связи е этим разработан метод оценки температуры активной области конденсатора косвенным путем, используемый в полупро­ водниковой технике.

Измеряются температурные зависимости основных электрофизи­ ческих параметров конденсатора (С, tg 6, /?из, / ут, Z) и проводится их

анализ с целью выявления наиболее термочувствительного из них в требуемом интервале температур. Зависимость термочувствительно­ ного параметра (ТЧП) от температуры при равномерно прогретом объе­

Сравнение двух зависимостей позволяет определить среднеинтеграль­ ную температуру Ту активной части конденсатора. Согласно резуль­

где К — коэффициент пропорциональности, который для конденсато­ ров, применяемых в РЭА, не превышает 1,2.

Среднеповерхностную температуру можно измерить бесконтакт­ ным малоинерционным методом, например, путем регистрации тепло­

155

вого излучения инфракрасным пирометром (болометром) или одним из контактных методов.

Погрешность косвенного измерения температуры с помощью ТЧП связана с погрешностями процесса градуировки и его измерения.

Погрешность градуировки обу­ словлена качеством термостатирования, точностью поддержания темпера­ туры и равномерностью температур­ ного поля термостата. Погрешность измерения ТЧП определяется по­ грешностью прибора, используемого для измерения, и коммутационными погрешностями. Коммутационные по­ грешности возникают при переключе-

Рис. 3.12. Зависимость коэффициен­ та теплоотдачи алюминиевых электро­ литических конденсаторов от площа­ ди боковой поверхности: 1 — при Фн =

= 10 °С; 2 — при Он = 30°С

нии греющего (рабочего) тока на измерительный, обусловлены возни­ кающими при этом переходными процессами и зависят от способа ком­ мутации.

На основании экспериментальных данных для электролитических конденсаторов построены зависимости ат = / (S, д н) (рис. 3.12).

Рис. 3.13. К определению Ов по зависимости tg6 от температуры кон­

денсаторов (градуировочная (1) и рабочая (2) зависимости): а — К73- 16-63В-6,8 мкФ; б — К73-16-63В-10 мкФ; в — К73-16-63В-0,47 мкФ; г —

К73-16-63В-1,0 мкФ (рабочие зависимости tg6 от температуры: 2 — при Я,, 5 — при Ра)

156

Как показали эксперименты для пленочных конденсаторов наибо­ лее значительным ТЧП является tg б.

При равномерном ступенчатом прогреве (ступень 10 °С) всего объе­ ма конденсатора получены градуировочные зависимости tg б = / (Л . Так, в частности, на рис. 1.12 показаны такие зависимости для различ­

конденсатора, тем эффективнее должно быть принудительное охлаж­ дение для снижения перегрева диэлектрика. Последнее является ком­ петенцией потребителей, так как в их распоряжении все возможности по осуществлению различных способов принудительного охлаждения.

Целесообразно разработчикам указывать в ТУ на конденсаторы ве­ личины внутренних тепловых сопротивлений RTB. Потребители же,

подбирая RT 1Г исходя из конкретных условий работы конденсатора,

должны добиваться того, чтобы перегрев диэлектрика не превышал допустимого значения. В этой связи были проведены исследования

157

тепловых режимов конденсаторов К50-24 в условиях принудительного охлаждения.

На рис. 3.14—3.15 показаны экспериментальные кривые зависи­ мости внутренних и наружных тепловых сопротивлений и их отноше­ ние от площади боковой поверхности конденсаторов К50-24, а также от интенсивности принудительного охлаждения (скорости движения

лили при применении принудительного охлаждения снизить /?т в 3 —

Рис. 3.15. Зависимость тепловых сопротивлений конденсаторов К50-

5 раз и тем самым увеличить электрическую нагрузку по напряжению в 1,7 — 2,2 раза по сравнению с естественными условиями охлаждения.

Проведенные испытания конденсаторов К50-24 в условиях прину­ дительного охлаждения и при повышенных нагрузках (недопустимых при естественном теплоотводе) дали положительные результаты.

Режимы и результаты испытаний приведены в табл. 3.4.

3.4. Режимы и результаты испытаний конденсаторов К50-24 при принудительном охлаждении

158