Нагрев и охлаждение конденсаторов
Использование постоянного тока для питания систем освещения
07/11/2022
Физическая природа света и цвета
07/11/2022По обкладкам и выводам конденсатора протекают токи, и порой довольно протекают электрические токи, и порой довольно значительные. Так при изменении напряжения со скоростью 1000 В в одну микросекунду через выводы конденсатора емкостью 10 мкФ протекает ток 10 000 А.
Эти токи приводят нагреву выводов, обкладок, контактного узла (места соединений выводов и обкладок). Кроме того, большие переменные токи создают быстро изменяющиеся магнитные поля, вызывающие вихревые токи в корпусе конденсатора, главным образом в его крышке, особенно если она сделана из стали — ферромагнитного материала.
В диэлектрике, находящемся в переменном электрическом поле, за счет активной составляющей абсорбционного тока, обусловленной потерями энергии при поляризации, также выделяется тепло.
Распределение источников тепла в конденсаторе неравномерно. Так, тепловыделение в диэлектрике зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика и тангенса угла диэлектрических потерь, которые в свою очередь зависят от температуры. А поскольку температура конденсатора в различных точках неодинакова, то и тепловыделение будет неравномерным, хотя и распределенным по всему объему, занятому диэлектриком.
Расчеты и эксперименты показывают, что перепад температуры в крупногабаритных конденсаторах достигает 35 — 45 оC.
Еще большая неоднородность связана с тепловыделением в обкладках, контактном узле, выводах и крышке конденсатора, занимающих малый объем и сосредоточенных в определенном месте конденсатора.
Одновременно с тепловыделением происходит процесс теплопередачи, т. е. эвакуации тепла из более нагретых областей (обычно внутри конденсатора) в более холодные (на всю поверхность). Далее с поверхности конденсатора тепло отдается охлаждающей среде — чаше всего воздуху.
Если скорость выделения тепла зависит от выделяющейся в конденсаторе мощности, то теплопередача определяется перепадом температур (температурным напором), теплопроводностью материалов конденсатора.
В установившемся тепловом режиме количество образующегося тепла равно отдаваемому с его поверхности охлаждающей среде. В этом случае разность между максимальной температурой внутри конденсатора Тм и температурой охлаждающей среды То пропорциональна мощности тепловыделения Р:
Тм — То = P (Rв + Rн) = PRт.
Коэффициент пропорциональности, или тепловое сопротивление (Rт) равен сумме внутреннего теплового сопротивления Rв, связанного с теплопередачей, и наружного Rн, связанного с теплоотдачей.
Деление полного теплового сопротивления на наружное и внутреннее допустимо только для конденсаторов, у которых температура на поверхности примерно одинакова во всех точках поверхности близка к изотермической.
Если температура на поверхности распределена неравномерно (в одних местах она ниже, а в других выше), то такое деление недопустимо в аилу неопределенности в оценке перепадов температур внутри и снаружи конденсатора. В последнем случае необходимо использовать понятие и величину полного теплового сопротивления (Rt).
Внутреннее сопротивление зависит только от теплопроводности диэлектрической системы конденсатора и определяется его конструкцией. Внешнее сопротивление зависит от поверхности конденсатора, коэффициента теплоотдачи, расположения конденсатора на шасси и в батарее, от условий охлаждения.
Эта составляющая может быть значительно снижена за счет увеличения площади поверхности конденсатора (радиаторная конструкция), расположения конденсаторов с большими зазорами и принудительного охлаждения воздушного (обдув вентилятором) или водяного.
Разумеется, воздействовать на эту составляющую полного теплового сопротивления имеет смысл, если она соизмерима или больше, чем Rв у конденсаторов с полярными диэлектриками, имеющими значительную температурную зависимость от диэлектрической проницаемости диэлектрика и тангенса угла диэлектрических потерь.
При определенной мощности тепловыделения может нарушиться тепловая устойчивость или стабильность. Это явление связано с нарушением теплового баланса конденсатора.
Вследствие роста температуры внутри конденсатора возрастает тангенс угла диэлектрических потерь, а следовательно, и мощность тепловыделения, которая в свою очередь увеличивает температуру.
Происходит лавинообразный рост температуры внутри конденсатора, заканчивающийся электротепловым пробоем или термическим разрушением диэлектрика и конденсатор выходит из строя.
Для обеспечения тепловой стабильности необходимо, чтобы кривая мощности тепловыделения от температуры внутри конденсатора Р(Т) пересекалась с прямой мощности теплоотвода:
P = (Tм — To) / (Rв + Rн).
Точка пересечения соответствует установившимся значениям температуры и мощности тепловыделения. Для устойчивости процесса также необходимо, чтобы прямая теплоотдачи шла круче, чем касательная к кривой тепловыделения в точках их пересечения.
Для реальных конденсаторов линия теплоотдачи отклоняется от прямой из-за зависимостей наружного теплового сопротивления от мощности тепловыделения (оно падает с увеличением этой мощности) и внутреннего теплового сопротивления от начальных условий и мощности тепловыделения.
Тепловая стабильность конденсаторов возможна при правильном выборе соответствующих диэлектриков и нагрузок на них.
В конденсаторах при больших импульсных электрических нагрузках могут возникать локальные перегревы элементов конструкции.
При коротких и редких импульсах тока диэлектрик конденсатора не успевает нагреться, однако слабым местом здесь становится контактный узел и выводы конденсатора, где в основном сосредоточивается тепловыделение.
Происходит локальный нагрев этих частей до высоких температур достаточных для перегорания предохранителей или обкладок у контактного узла. Последнее часто наблюдается у конденсаторов с металлизированными обкладками при превышении допустимых нагрузок.
Не всегда выделение тепла в конденсаторе является вредным явлением. Конечно, неразумно использовать конденсатор как нагревательный элемент, например для отопления помещений. Но в ряде случаев технологические конденсаторы создаются именно для нагрева диэлектрика. Этот высокочастотный нагрев диэлектрика широко используется при сушке, в порошковой металлургии, полимеризации, вулканизации эластометров и т. д.
