Annons

Likspänningskondensatorer för Microgenerator Age

Mikrogenerering av el i sol- och vindkraftsanläggningar, kräver effektiva korrigeringskretsar för att ta bort övertoner och spänningsvariationer. Geoff Imlach från kondensatortillverkaren KEMET visar här hur det påverkar kondensatorval och kondensatorutvecklingen.

 

 

EU:s mål att 20 procent av energin skall komma från återanvändbara källor år 2020 är bara ett av många åtaganden från flera initiativ för grön energi runt om i världen. De inte bara driver fram installationer för återvinningsbar energi hos stora företag utan även uppmuntrar egen energiframställning i hemmet s k mikrogenerering. Framtagning av konsumentskydd som Solar Keymark och Microgeneration Certification Scheme (MCS) i Storbritannien för produkter och installationer bekräftar denna marknads mognad. I själva verket är bara med MCS fler än 7500 solcellspaneltyper och fler än 20 små vindkraftverk i effektklassen 6 till 22 kW certifierade.
För produkttillverkare beror framgång på konsument- och företagsmarknaderna på fortsatt innovation för att minska generatorstorlek och kostnad och samtidigt öka energieffektiviteten. Dessa krav gäller alla energikomponenter som likspänningsomvandlare, växelriktare och energiinsamlingsutrustningar, solcellspaneler och vindkraftverk.

Korrigeringsskretsar
Korrigeringskretsar behövs i vindkraftverk eller solcellspaneler för att ta bort de fluktuationer som ofta förekommer i den råa utsignalen från solcellspaneler eller turbiner för att få sinusformad utsignal till att kraftförsörja lokala laster och föras ut på kraftnätet. I ett vindkraftverk levererar den turbindrivna generatorn växelström som innehåller varierande grad av övertoner och spänningsvariationer beroende på faktorer som varierande vindhastighet. Övertonerna tas till stor del bort med filter på ingången till en likspänningsomvandlare som matar en likspänningslänk till en växelriktare
Växelriktaren ger en högkvalitativ sinusspänning med rätt spänning. Men ofta installeras ett växelspänningsfilter på utgången av växelriktaren som framgår av fig 1.


Fig 1. Generell omvandlararkitektur i vinddriven grön energiproduktion

I solcellsinstallationer är de individuella solpanelerna, som ger en spänning på 0,5-0,6 V, seriekopplade för att få högre spänning. Denna spänning kopplas i sin tur till en likspänningsomvandlare som matar en mikroväxelriktare som är direkt monterad på varje panel eller till en central växelriktare via en likspänningslänk med spänning mellan 450 och 1500 V beroende på tillämpningen.
Likspänningsomvandlaren kan vara en hel- eller halvbrygga som vanligtvis byggs med IGBT:er med fast frekvens på c:a 20 kHz. Konventionella MOSFET:ar kan arbeta på högre frekvens vilket kan öka effektiviteten och minska storleken men de klarar inte de höga spänningar som normalt behövs. Mer avancerade typer som substratteknologierna ”super-junction” eller kiselkarbid klarar höga arbetsspänningar uppåt 600 till 1200 V i vanliga kapslingar och kan utgöra värdefulla nya konstruktionsmöjligheter.
Snabb switchning i IGBT:er eller MOSFET:ar i bryggkoppling kan generera spikar på upp till 4 kV. Dessa spikar kan tas bort med en kapacitiv ”snubber” kopplad nära bryggans utgång. Dubbelmetalliserad eller metalliserad/film aluminiumpolyesterfilm och polypropylenfilmskondensatorer som har tillräckligt hög stabilitet och kan klara av de svåra temperaturkraven kan användas härför.
Rippelströmmar finns på likspänningslänken efter utgången från bryggan. Denna länk är ansluten till systemets växelriktare och rippelströmmarna orsakas av spänningsswitchning och spänningsfluktuationer beroende på faktorer som kretsinduktans och ofiltrerad energi från solpanelers eller vindturbiners utgångar. För att få bort eventuellt farliga rippelströmmar och få en stabil spänning på likspänningslänken används vanligen ett kondensatorbatteri. Högspända filmkondensatorer eller aluminiumelektrolytkondensatorer är lämpliga för detta ändamål.

Kondensatorer för likspänningslänken
Ett kondensatorbatteri ökar emellertid vikt och kostnad, men detta är nödvändigt för att förhindra effekterna av att rippelströmmar kommer igenom. Kondensatorerna stabiliserar spänningen på likspänningslänken. En viktig effekt av dessa rippelströmmar är att de genererar I2R-uppvärming beroende på varje kondensators parasitresistans (Equivalent Series Resistance, ESR).
Nya kondensatorgenerationer kommer från företag som KEMET. Dessa är speciellt konstruerade för att användas i likspänningslänkar i tillämpningar som alstring av förnyelsebar energi och andra högeffektstillämpningar som elektriska lyftanordningar och drivsystem i elfordon. Konstruktionen av kondensatorer för likspänningslänkar syftar till att kunna öka hanteringen av rippelströmmar genom att minska ESR, öka förmågan att klara höga arbetstemperaturer och att garantera säkra felmoder om de under lång tid utsätts för förhöjd rippelström.
Förbättringarna i komponentkonstruktionen gör att apparatkonstruktörer kan åstadkomma behövlig rippelströmsbegränsning med färre individuella kondensatorer. Detta kan hjälpa till med att minska systemstorleken och mängden material. Genom att minska den interna uppvärmningen i likspänningslänkarnas kondensatorer kan konstruktörer också förenkla värmehantering och kylning genom att specificera mindre eller billigare kylkroppar.

Kondensatorförbättringar
I grunden för den senaste generationen komponenter ligger innovativa material och processer som egenutvecklade, högkonduktiva elektrolyter. När de används i elektrolytkondensatorer, kan dessa minska ESR och därför minska den interna uppvärmningen. Dessutom har KEMET bevisade meriter på att tillverka kondensatorer med lågt ESR genom att optimera detaljer som elektrodfoliernas yta, tjockleken och densiteten på pappersseparatorerna samt anslutningarna till metalliska terminaler.
I kombination med förbättringar i kondensatorutveckling och -konstruktion, möjliggör avancerad tillverkningsutrustning exakt kontroll över den lindningsprocess som används för att tillverka elektrolytkondensatorer. Extra noggrannhet i detta steg möjliggör högre arbetsspänning för en givet dielektrisk tjocklek. Dessutom kan högnoggrann visionövervakad automatisk svetsning tillverka termineringarna exakt och med hög repeterbarhet och ytterligare bidra till ett genomgående lågt ESR.
Andra forskningsvägar har varit KEMET:s egna elektrodmetalliseringstekniker, som effektivt förbättrat hanteringen av rippelströmmar i filmkondensatorer, och samarbete med filmleverantörer för att skapa nya typer av filmkondensatorer som klarar att säkert arbeta långa tider med hög temperatur.
Nya kondensatorfamiljer som är optimerade för tillämpningar som sol/vindgeneratorer är KEMET:s radialfilmslikspänningskondensatorer C4AE (fig 2). Dessa är metalliserade polypropylenfilmskondensatorer (MKP) som har fördelar som hög spänningstålighet från 450 till 1100 V och klarar att arbeta upp till 105 0C. Dessutom är dessa lämpliga att montera direkt på kretskort (PCB) vilket gör att de kan användas i kompakta hemutrustningar.


Fig 2. PCB-monterade kondensatorer som KEMET:s radialfilmskondensatorer C4AE för låg till mellaneffekt är idealiska för användning i mikrogeneratortillämpningar

För mellan- till högeffektstillämpningar har de metalliserade polypropylenkondensatorerna i aluminiumkapsel med skruvanslutningar, C44U, hög rippelströmstålighet, hög kapacitanstäthet och långt driftstid. Denna familj finns i spänningsområdet 700 till 1300 V. Kondensatorerna har hög kapacitans i förhållande till yttermåtten. Ett alternativ om inbyggnadshöjden är kritisk är de metalliserad lågprofilspolypropylenkondensatorena C4DE med kapacitans upp till 380 µF/400 V eller 100 µF/1000 V med en maximal bygghöjd på endast 64 mm. Kundanpassade konfigurationer kan också övervägas om speciella krav på kapacitans, spänning, storlek eller annat gör att man inte kan använda standardkondensatorer.
Utvecklingen av en marknad för hemutrustningar för generering av elektricitet kommer att släppa lös den fulla konsumentkraften på den gröna energisektorn. Genom att använda de bästa kondensatorerna på nyckelområden som likspänningslänken kan konstruktörer förenkla den termiska konstruktionen och öka energieffektiviteten och samtidigt minska lösningen storlek och att nå ett konkurrenskraftigt pris.
Geoff Imlach, Product Manager Film and Electrolytic Business Group Americas, KEMET

Comments are closed.