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用于风车发电的高压薄膜电容器

Craig Hunter?? Gilles Terzulli?? AVX公司?? 2007年05月15日 ?? 收藏0

  风力是全球范围内快速发展的一个市场。矿物燃料的高价和对环境影响的关注是其两大推动因素。此外,风车发电的效率也不断提高。原因之一在于发电系统内的高电压,其中电容器实际位于变流器的内部(见图1)。

图1用于风车应用典型电路图的直流电滤波电容器位置


  直流电滤波功能在于修匀电压波形并限制波纹电压的量级。具备最高至48000mF 的超高电容值的AVX薄膜电容器确实能够对风力发电站有所助益。以前的许多风力系统都使用电压在500VDC左右的电容器,但今天电压范围却在600VDC~1200VDC。在这一范围内,非气体浸渍的薄膜电容器比之前采用的电解电容器更具技术优势。

  薄膜电容器的一大优点在于克服内部缺陷的能力。用于直流电滤波电容器的最新介电薄膜覆有很薄的金属层。如果存在缺陷,金属会升华并由此将缺陷隔离,有效地自行恢复电容器。鉴于风力系统通常位于偏远区域,这一功能可以大大降低维护成本,确保在安装的系统中获得更高的使用效率。

  薄膜与铝技术比较

  基于现有的干膜技术,电压梯度在放电应用和直流电滤波应用中分别可达500V/mm 以上和250V/mm。这些薄膜电容器的设计符合CEI 1071标准。也就是说,它们可以应付最高相当于额定

电压两倍的多重电压浪涌而不会大幅减低产品使用寿命。与此同时,设计师在具体确定系统时只需说明标称电压要求。

  通过比较,由于加工技术的原因,电解电容器中使用的铝箔厚度是达到高电压的关键因素。但是,出于平衡,电压越高,可用电容就越低。此外,相比低电压的150kΩ/cm,高电压(500V)电解质导电率可达5kΩ/cm 。同时,较之薄膜电容器的1A/mF,这也将均方电流值限制在约20mA/mF。对直流电连接电容器的一大要求是其处理波纹电流的能力。在这一方面,薄膜电容器优势明显。采用铝电解需要使用多个电容器。原因不在于电容值,而仅仅是为了处理电流。运用薄膜电容器意味着设计师只需考虑系统所需的最小电容值。由此,采用薄膜技术的设计通常更节省空间。为达到目前设计和使用的系统所需的高电压,有必要将多个电解电容器串联连接,由此还需平衡电压。这需要在每个电容器上连接一个电阻器,原因在于每个装置的绝缘电阻各不相同。

  采用电解电容器需要注意的另一个问题是,如果发生反向电压或高于额定电压1.5倍的过电压,其将导致化学反应。如果持续时间够长,电容器将完全失效。这在由于电解质蒸发而导致电容器爆炸或放压时可能发生。为避免这种情况,系统设计师需要并联连接一个二极管以消除电势问题。这就是说,虽然就技术而言,铝电解可以串联以达到现有风力应用所需的高电压,但其中还存在一些重要不足,需要启用额外组件或谨慎设计来确保成功运作。另一个问题是浪涌电压。铝电解抵御浪涌电压的能力限制在标称电压的1.2倍左右。也就是说,设计师在具体确定这些电容器的类型时必须将浪涌电压考虑在内。

  高压薄膜电容器(1200V以上)采用无毒有机油浸技术,最高工作电压可达100kV。这些电容器连同之前讨论的干膜技术可以认作为是环保解决方案,因为它们不使用酸,因此对系统本身没有危害。 两种类型的薄膜电容器同时还可以任意存储,和电解电容器不同,它们并没有“干枯”/耗尽的问题。

  不过,薄膜电容器的主要优点还在于预期寿命。我们的内部数据显示,AVX的自控自复直流电滤波电容器在运行10万小时之后最高只有2%的电容降低。加上与铝电解相比,装置发生完全失效的可能微乎其微。也就是说,在安装的风力系统的整个使用寿命期间都无需更换电容器。可以为用户省下大笔的维护费用。

  总结

  系统电压在风力/风车应用中持续增高。随着电压要求的提高,其已越过对铝电解来说代表一大难关的600V界限。铝电解电压有限,需要串联连接以适于这一应用。就空间而言,这将大大增加成本,在设计和安装方面也更加复杂。薄膜电容器(干膜和无毒有机油浸类型两种)具有突出的技术优势,包括更长的使用寿命、环保性能以及处理各种极易发生的“应用中”技术问题的能力(过电压和反向电压)。 考虑到这些系统通常用于偏远区域,要求尽量减少维护并降低故障时间,在这类直流电滤波应用中使用薄膜电容器的好处不容质疑。


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风车发电? 高压薄膜? 电容器?

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