Теоретическая часть

Ёмкостные накопители запасают энергию электрического поля.

Источник электропитания может быть как постоянного, так и переменного тока в виде электромагнитных генераторов или статических устройств.

При замыкании коммутатора зарядной цепи и разомкнутом коммутаторе разрядного устройства батарея конденсаторов заряжается от источника питания. В емкостной батарее за время зарядного процесса t_з накапливается энергия, (дж)

W_и =

где С_н – ёмкость конденсатора, Ф,

U – напряжение зарядки, В.

От источника питания за время t_з потребляется средняя мощность Р_ср.з = W_н · t_з^-1. Разряд происходит за время t_р ≤ t_з при замыкании коммутатора зарядного устройства. В нагрузке выделяется разрядная мощность Р_н = W_н · t_р^-1· η_р, где η_р – КПД разрядки контура.

При t_р << t_з на интервале времени разряда происходит многократное увеличение мощности по отношению к средней, потребляемой от источника питания на интервале времени зарядного процесса t_з.

На рис.1 показан периодический процесс «заряд-разряд». Между зарядом и разрядом в общем случае существует послезарядная пауза t_пз, а после заряда, перед повторением следующего цикла, послеразрядная пауза – t_пр. Таким образом, период зарядно-разрядного цикла t_ц = t_з + t_р + t_пз + t_пр.

Рис. 1. Циклограмма режима работы ёмкостного накопителя

На циклограмме (рис.1) показаны зарядный i_з (t) и разрядный i_р(t) токи неизменного направления и напряжения на ёмкостном накопителе неизменной полярности в циклическом режиме «заряд-разряд». Такой режим обычно имеет место при использовании источника питания постоянного тока.

После заряда на интервале t_пр напряжение на ёмкостном накопителе может быть как равно 0, так и некоторому остаточному значению U_со.

Зарядно-разрядные процессы накопителя характеризуются следующими основными параметрами:

- передаваемой в разрядный контур энергией

W_н =

где U_р и U_со – напряжения на накопителе перед разрядом и остаточные напряжения на накопителе после разряда в конце предшествующего цикла;

- среднециклической мощностью

Р_ср.ц = W_н / t_ц;

- мгновенной зарядной мощностью, потребляемой накопителем

Р _Cн (t) = u_Сн (t) · i_з (t);

- коэффициентом преобразования мощности

К_р = (W_н · t_р^-1 · η_е) / (W_н · t_ц^-1) = Р_н / Р_ср.ц >> 1.

КПД зарядного контура

η_з = W_н / (W_н + W_п),

где W_н - энергия потерь, выделенных в виде теплоты в накопителе, сопротивлениях зарядной цепи и источника электропитания;

КПД разрядного контура

η_р = W_р.н / W_н,

где W_р.н – энергия, выделенная в нагрузке в процессе разряда.

Удельные характеристики конденсаторов ёмкостных накопителей оценивают по отношению к объёму или массе. Удельная энергия по объёму V_к и массе M_к конденсатора определяется отношениями

W_{к Vуд} = W_к / V_к; W_{к Муд} = W_к / M_к ,

W_к - запасаемая в конденсаторе энергия.

Типы конденсаторов

В различных типах конденсаторов ёмкостных накопителей используют газообразные, жидкие и твёрдые диэлектрики.

По типу диэлектрика конденсаторы подразделяются на следующие основные группы:

- воздушные;

- с твёрдым диэлектриком (слюдяные, керамические, бумажные, плёночные);

-с жидким диэлектриком (масляные, водяные и т.п.);

- электролитические и с двойным электрохимическим слоем;

- бумажно - масляные;

- плёночные с вакуумной пропиткой диэлектрика.

Воздушные конденсаторы, конденсаторы с твёрдым диэлектриком и электролитические используются в основном в радиотехнике, автоматике и бытовых приборах.

Конденсаторы с жидким диэлектриком в настоящее время находят ограниченное применение. Масляные конденсаторы применялись раньше в ёмкостных накопителях. Современные ёмкостные накопители выполняются с плёночными и плёночно-бумажными конденсаторами с вакуумной пропиткой диэлектрика, а иногда и с бумажно - масляными. В некоторых случаях при низких напряжениях ёмкостного накопителя (не более 100 – 200 в) и положительных температурах (не более 40 ⁰С) применяют электролитические конденсаторы.

Основным элементом активного объёма конденсатора является секция (рис. 2). Наиболее распространённым типом секций является рулонная секция. Для секций со скрытой фольгой ширина фольги несколько уже плёнки – на удвоенное значение закраин, составляющее 7 – 10 мм. В секциях с выступающей фольгой ширина фольги выбирается так, чтобы фольга выступала с каждого торца секции на 2-3 мм от краёв плёнки, что позволяет все витки фольги соединять с торцевых сторон секции и сделать выводы обкладок, тогда как в первом случае выводы секций выполняются посредством металлических вкладышей.

Рис. 2. Полуразобранная (а) секция и секция в сборе (б): 1 —секция; 2 —конденсаторная бумага (пленка); 3— обкладка из алюминиевой фольги; 4, 5, 7 —металлические вкладыши (4, 7— выводы секции); 6 — плавкий предо­хранитель

В зависимости от номинальной ёмкости, напряжения и разрядного тока конденсаторы составляются из последовательно соединённых групп секций, каждая из которых может состоять из нескольких параллельно соединённых секций.

Большинство малоиндуктивных конденсаторов ёмкостных накопителей выполняются в металлическом баке либо с металлической крышкой, имеющей фиксационный малоиндуктивный коаксиальный вывод, либо с изолированной крышкой, имеющей выводы в виде двух болтов, разделённых изоляционной перегородкой. Пространство между изоляционной крышкой и стенками металлического бака заполнено конденсаторным маслом, которое выполняет роль изолятора и улучшает охлаждение.