Конденсаторы. 
Силовая электроника

Конденсатор — устройство, способное накапливать и отдавать большие порции электрической энергии. Электротехнический конденсатор обычно выполняется на основе токопроводящих элементов (например, металлических пластин), разделенных диэлектриком. При воздействии электрического поля на диэлектрик в последнем происходит смещение связанных электрических зарядов (электронов, ионов и более крупных заряженных частиц), соответствующее направлению потока вектора напряженности электрического поля. В результате возникает индуцированная поляризация диэлектрика, при которой центры масс положительных и отрицательных зарядов смещаются в противоположных направлениях. На рис. 1.22 приведена упрощенная структура распределения зарядов в плоском конденсаторе при подключении внешнего источника с напряжением U. Возникающий на поверхности диэлектрика заряд создает поле с электрической напряженностью направленное встречно внешнему полю Е₀ = U/d, что приводит к уменьшению напряженности внутри диэлектрика. Емкость конденсатора может быть выражена в виде.

где S — площадь поверхности каждой из пластин; d — расстояние между пластинами; е₀ = 8,857 • 10 ¹² Ф/м — электрическая постоянная, характеризующая электрические свойства вакуума; е,. — относительная электрическая проницаемость диэлектрика (г,. > 1). Величина е,. характеризует увеличение заряда, емкости и энергии, накопленной в конденсаторе, по сравнению с отсутствием диэлектрика (в вакууме).

В зависимости от требований к конденсатору, области его использования, особенностей производства и других факторов на практике применяют различные диэлектрические материалы. В силовых цепях с постоянным и пульсирующим напряжением большое распространение получили электролитические конденсаторы, в частности, изготовленные из оксидированной алюминиевой фольги, являющейся обкладкой, и диэлектрика. Элект;

Рис. 1.22. Упрощенная структура распределения зарядов в плоском конденсаторе ролитический конденсатор имеет электрические выводы для подключения напряжения соответствующей полярности.

Основными параметрами конденсаторов являются: емкость, тангенс угла потерь, ток утечки, сопротивление изоляции. Кроме того, в зависимости от типа конденсатора указывают допустимые значения напряжений в разных режимах или реактивную мощность, допустимый уровень накапливаемой энергии и др.

Тангенс угла потерь при синусоидальном напряжении определяется как отношение активной мощности Р и реактивной мощности Q:

При выборе типа конденсатора необходимо учитывать большое число различных факторов: режим работы, форму и частоты воздействующих токов и напряжений, конструктивное расположение и условия охлаждения, общий ресурс работы, надежность и многое другое. Необходимо учитывать длительность эксплуатации конденсаторов, так как их характеристики могут значительно изменяться со временем.

Силовая электроника является областью, в которой условия работы конденсаторов наиболее многообразны и специфичны. Целесообразно по условиям работы выделить неполярные конденсаторы переменного тока и фильтровые конденсаторы для цепей постоянного тока с низким уровнем пульсаций. Первая группа конденсаторов работает под воздействием переменных и импульсных напряжений различной формы.

Конденсаторы переменного тока выполняют следующие основные функции в силовых электронных устройствах:

• • компенсируют реактивную мощность на частоте основной гармоники переменного напряжения;
• • накапливают энергию для принудительной коммутации тиристоров;
• • формируют траектории переключения электронных ключей в составе ЦФТП;
• • фильтруют высшие гармоники тока и напряжения в силовых цепях переменного тока;
• • выполняют функции накопителей электрической энергии.

В компенсаторах и регуляторах реактивной мощности конденсаторы обычно работают при синусоидальных напряжениях на промышленной частоте. Коммутирующие конденсаторы, как правило, работают в режимах быстрых перезарядов из одной полярности в другую в процессе коммутации тиристоров. Такие режимы работы приводят к воздействию на конденсатор импульсных токов с достаточно крутыми фронтами импульсов. В конденсаторах фильтров высших гармоник также протекают несинусоидальные токи, спектральный состав которых необходимо учитывать при выборе типа и параметров конденсаторов.