Esta semana continuamos con el artículo de la semana pasada.
1.2 Condensadores electrolíticos
El dieléctrico utilizado en los condensadores electrolíticos es óxido de aluminio, formado por la corrosión del aluminio, con una constante dieléctrica de 8 a 8,5 y una rigidez dieléctrica de trabajo de aproximadamente 0,07 V/A (1 µm = 10 000 A). Sin embargo, no es posible alcanzar un espesor mínimo. El espesor de la capa de aluminio reduce el factor de capacitancia (capacitancia específica) de los condensadores electrolíticos, ya que la lámina de aluminio debe grabarse para formar una película de óxido de aluminio y así obtener buenas características de almacenamiento de energía, lo que genera una superficie irregular. Por otro lado, la resistividad del electrolito es de 150 Ω·cm para baja tensión y de 5 kΩ·cm para alta tensión (500 V). La mayor resistividad del electrolito limita la corriente RMS que puede soportar el condensador electrolítico, generalmente a 20 mA/µF.
Por estas razones, los condensadores electrolíticos están diseñados para un voltaje máximo típico de 450 V (algunos fabricantes los diseñan para 600 V). Por lo tanto, para obtener voltajes más altos, es necesario conectarlos en serie. Sin embargo, debido a la diferencia en la resistencia de aislamiento de cada condensador electrolítico, se debe conectar una resistencia a cada condensador para equilibrar el voltaje de cada condensador conectado en serie. Además, los condensadores electrolíticos son dispositivos polarizados, y cuando el voltaje inverso aplicado supera 1,5 veces Un, se produce una reacción electroquímica. Si el voltaje inverso aplicado es lo suficientemente prolongado, el condensador se desbordará. Para evitar este fenómeno, se debe conectar un diodo junto a cada condensador cuando se utilice. Además, la resistencia a sobretensiones de los condensadores electrolíticos es generalmente 1,15 veces Un, y los de buena calidad pueden alcanzar 1,2 veces Un. Por lo tanto, los diseñadores deben considerar no solo el voltaje de trabajo en estado estacionario, sino también la sobretensión al utilizarlos. En resumen, se puede elaborar la siguiente tabla comparativa entre condensadores de película y condensadores electrolíticos (véase la figura 1).
2. Análisis de la aplicación
Los condensadores de enlace de CC que funcionan como filtros requieren diseños de alta corriente y alta capacidad. Un ejemplo es el sistema de accionamiento del motor principal de un vehículo de nueva energía, como se muestra en la figura 3. En esta aplicación, el condensador actúa como desacoplador y el circuito presenta una alta corriente de funcionamiento. El condensador de enlace de CC de película tiene la ventaja de poder soportar grandes corrientes de funcionamiento (Irms). Tomando como ejemplo los parámetros de un vehículo de nueva energía de 50 a 60 kW, los parámetros son los siguientes: tensión de funcionamiento 330 Vcc, tensión de rizado 10 Vrms, corriente de rizado 150 Arms a 10 kHz.
Entonces, la capacidad eléctrica mínima se calcula de la siguiente manera:
Esto es fácil de implementar para el diseño de condensadores de película. Suponiendo que se utilizan condensadores electrolíticos, si se considera 20 mA/μF, la capacitancia mínima de los condensadores electrolíticos se calcula para cumplir con los parámetros anteriores de la siguiente manera:
Para obtener esta capacitancia, se requieren varios condensadores electrolíticos conectados en paralelo.
En aplicaciones de sobretensión, como trenes ligeros, autobuses eléctricos, metro, etc., dado que estas fuentes de alimentación se conectan al pantógrafo de la locomotora a través del mismo, el contacto entre ambos es intermitente durante el trayecto. Cuando no hay contacto, la alimentación se mantiene mediante el condensador de tinta DC-L, y al restablecerse el contacto, se genera la sobretensión. El peor caso es una descarga completa del condensador DC-Link al desconectarse, donde la tensión de descarga es igual a la tensión del pantógrafo, y al restablecerse el contacto, la sobretensión resultante es casi el doble de la tensión nominal de funcionamiento Un. Para condensadores de película, el condensador DC-Link puede manejarse sin consideraciones adicionales. Si se utilizan condensadores electrolíticos, la sobretensión es de 1,2Un. Tomemos como ejemplo el metro de Shanghái. Un = 1500 V CC; para un condensador electrolítico, la tensión a considerar es:
Luego, los seis condensadores de 450 V deben conectarse en serie. Si se utiliza un diseño de condensador de película, se pueden alcanzar fácilmente tensiones de 600 V CC a 2000 V CC o incluso 3000 V CC. Además, la energía que se libera al descargar completamente el condensador genera un cortocircuito entre los dos electrodos, produciendo una gran corriente de irrupción a través del condensador del enlace de CC, lo cual suele ser diferente para los condensadores electrolíticos y así cumplir con los requisitos.
Además, en comparación con los condensadores electrolíticos, los condensadores de película DC-Link pueden diseñarse para lograr una ESR muy baja (normalmente inferior a 10 mΩ, e incluso menor que 1 mΩ) y una autoinductancia LS muy baja (normalmente inferior a 100 nH, y en algunos casos inferior a 10 o 20 nH). Esto permite instalar el condensador de película DC-Link directamente en el módulo IGBT, integrando la barra colectora en el condensador de película DC-Link y eliminando así la necesidad de un condensador absorbente IGBT específico, lo que supone un ahorro considerable para el diseñador. Las figuras 2 y 3 muestran las especificaciones técnicas de algunos productos C3A y C3B.
3. Conclusión
En sus inicios, los condensadores del enlace de CC eran en su mayoría condensadores electrolíticos debido a consideraciones de costo y tamaño.
Sin embargo, los condensadores electrolíticos se ven afectados por la capacidad de soportar voltaje y corriente (ESR mucho mayor en comparación con los condensadores de película), por lo que es necesario conectar varios condensadores electrolíticos en serie y en paralelo para obtener una gran capacidad y cumplir con los requisitos de uso de alto voltaje. Además, considerando la volatilización del material electrolítico, debe reemplazarse regularmente. Las aplicaciones de energías renovables generalmente requieren una vida útil del producto de 15 años, por lo que debe reemplazarse de 2 a 3 veces durante este período. Por lo tanto, existe un costo considerable e inconveniente en el servicio posventa de toda la máquina. Con el desarrollo de la tecnología de recubrimiento de metalización y la tecnología de condensadores de película, ha sido posible producir condensadores de filtro de CC de alta capacidad con voltajes de 450 V a 1200 V o incluso superiores con película OPP ultrafina (el más delgado de 2,7 µm, incluso 2,4 µm) utilizando tecnología de vaporización de película segura. Por otro lado, la integración de los condensadores del enlace de CC con la barra colectora hace que el diseño del módulo inversor sea más compacto y reduce considerablemente la inductancia parásita del circuito para optimizarlo.
Fecha de publicación: 29 de marzo de 2022