Диссертация (Исследование работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при повышенных электрических нагрузках), страница 2

В последние десятилетия наметилась тенденция вытеснениясегнетокерамическими конденсаторами электролитических и, в ряде случаев,пленочных конденсаторов из электронной аппаратуры. Область применениясегнетокерамическихконденсаторовтакжерасширяетсявсторонувысоковольтной импульсной преобразовательной техники – силовых инверторов ивыпрямителей, отличающихся высокими токовыми нагрузками. В силу различныхпричин сегнетокерамические конденсаторы в составе указанной аппаратуры могутиспытывать кратковременные и длительные перегрузки, что негативно сказываетсяна сроке службы конденсатора и аппаратуры в целом.

Между тем доляконденсаторов в современной аппаратуре достигает 25 – 30 % от всех элементовсхемы. Срок службы сегнетокерамических конденсаторов в обычных режимахэксплуатации достигает 10 – 20 тыс. ч. Технические условия (ТУ) не позволяютоценить работоспособность конденсаторов в условиях повышенных электрическихи тепловых нагрузок. Вместе с тем имеются такие виды электронной иэлектротехническойаппаратуры,которыеэксплуатируютсявтечениеотносительно коротких сроков службы.

В условиях сокращенных сроков службыиспользование сегнетокерамических конденсаторов в составе такой аппаратурыблагодаря их высоким удельным характеристикам могло бы существенно повыситьмассогабаритные и технико-экономические характеристики оборудования за счетувеличения нагрузки на конденсатор относительно регламентируемой ТУ.Прогнозирование работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при7повышенных нагрузках затруднено практическим отсутствием литературныхсведений по данному вопросу и сильными нелинейными зависимостямиэлектрофизических параметров конденсаторов от температуры и напряжения.

Вэтойсвязипредставляетсяактуальнымпроведениесоответствующихэкспериментальных и теоретических исследований.На основании изложенных рассуждений была определена цель работы:Обосновать возможность применения сегнетокерамических конденсаторовпри повышенных электрических нагрузках в условиях коротких сроков службы.Для достижения поставленной цели были сформулированы следующиезадачи:1)Разработать необходимые методики и установки для изученияработоспособности сегнетокерамических конденсаторов в условиях повышенныхнагрузок;2)Экспериментальноисследоватьнелинейныеэлектрофизическиехарактеристики сегнетокерамических конденсаторов в широком диапазонетемператур, частот и напряженностей электрического поля;3)Экспериментально исследовать влияние параметров нагрузки на срокслужбы различных типов сегнетокерамических конденсаторов;4)Провести соответствующее математическое моделирование режимовработы исследуемых конденсаторов.Научная новизна:1)Полученытемпературно-частотныеитемпературно-полевыехарактеристики сегнетокерамических конденсаторов в широком диапазоневоздействующих факторов: частот 0.1 Гц – 5 МГц, напряженностей электрическогополя 0.1 – 20 кВ/мм, температур 20 – 300 ℃.

Обнаружена спадающая полеваязависимость фактора потерь, пропорциональная E-2 при температурах до 240 ℃, иее последующий степенной рост;2)Полученытемпературные зависимостиудельной проводимостисегнетокерамических конденсаторов в диапазоне температур 20 – 300 ℃,8обнаружено два характерных участка проводимости, соответствующих разнымэнергиям активации. Анализ полученных зависимостей выявил существованиемеханизма резкого роста потерь в высокотемпературной области, которыйобусловлентермоактивационнымхарактеромудельнойпроводимостисегнетоэлектрика;3)Установлены закономерности зависимостей среднего срока службыдля исследуемых типов конденсаторов от напряжения в диапазоне 20 – 700 с длякоэффициента перегрузки kп = 2 – 11 относительно Uном и частот 100 Гц, 400 Гц, 1кГц. Обнаружено, что срок службы исследуемых конденсаторов описываетсястепенным законом вида τсл ~ A·U-n, с характерными значениями n = 1 – 2, при этомkп обратно пропорционален частоте приложенного напряжения;4)Предложена и теоретически обоснована математическая модельнелинейнойзависимостиемкостисегнетокерамическогоконденсатораотнапряжения;5)Полученыточныеаналитическиерешенияиэнергетическиесоотношения характеристик процессов заряда-разряда нелинейной емкости.Результаты расчета подтверждаются экспериментальными данными.Теоретическая и практическая значимость:1)Разработаныметодикиопределениятемпературно-частотныхитемпературно-полевых характеристик сегнетокерамических конденсаторов вдиапазоне частот от 0.1 Гц до 5 МГц, температур от 20 до 300 ℃ и напряжений до120 В;2)Разработаныметодикиизученияудельнойпроводимостисегнетоэлектрика и кратковременной электрической прочности конденсаторов напостоянном напряжении и их температурных зависимостей в диапазонетемператур от 20 до 300 ℃;3)Созданэкспериментальныйстенддляисследованияработоспособности конденсаторов при повышенных электрических нагрузках9вплоть до 12·Uном, в том числе разработана методика измерения температурыповерхности конденсатора с помощью метода радиационной пирометрии;4)Установлено, что функции распределения электрической прочностидля всех конденсаторов подчиняются нормальному закону, при этом средняяэлектрическая прочность конденсаторов X7R и Y5V линейно спадает стемпературой, уменьшаясь на 67 и 64 % относительно комнатной температурысоответственно, а конденсаторов Z5U и Н50 – остается практически постояннойвплоть до 240 ℃, уменьшаясь на 24 и 22 % относительно комнатной температурысоответственно;5)Получены зависимости эффективных емкости и тангенса угладиэлектрическихпотерьисследуемыхконденсаторовотнапряженностиэлектрического поля и от величины перегрева поверхности конденсатора.Обнаружено,чтоконденсаторытипаX7Rобладаютмаксимальнымkпотносительно рабочей напряженности электрического поля;6)Предложенаиобоснованаметодикаопределениянелинейнойзависимости емкости сегнетокерамического конденсатора от напряжения спомощью импульсного разряда испытуемого конденсатора.Методология и методы исследованияДля исследования работоспособности сегнетокерамических конденсаторовприповышенныхэлектрическихнагрузкахбылсозданспециальныйиспытательный стенд, отличающийся возможностью получать напряженияразличной формы с действующим значением до 600 В и частотой от 45 Гц до 1 кГцв условиях непрерывного мониторинга температуры конденсаторов.

Дляпроведения экспериментальных исследований были разработаны методикиизучениятемпературно-частотныхконденсаторов,методикииизучениятемпературно-полевыхтемпературнойхарактеристикзависимостиудельнойпроводимости сегнетоэлектрика и кратковременной электрической прочностиконденсаторов,атакжеметодикаизмеренияконденсатора с помощью радиационной пирометрии.температурыповерхности10Исследования проводились на серийно выпускаемых конденсаторах какотечественного, так и импортного производства различных групп температурнойстабильности емкости (ТСЕ) емкостью 0.47 – 1 мкФ и номинальным напряжением50 В.Положения, выносимые на защиту:1)Полученный комплекс экспериментальных данных нелинейныхэлектрофизических характеристик сегнетокерамических конденсаторов позволяетпрогнозировать их работоспособность в диапазоне частот 0.1 Гц – 5 МГц,температур 20 – 300 ℃ и напряжений до 120 В.2)Полученные температурные зависимости электрической прочностиисследуемых конденсаторов типа X7R и Y5V спадают линейно с температурой, вто время как для конденсаторов типа Z5U и Н50 – меняются незначительно.3)Выявленнаязависимостьсрокаслужбысегнетокерамическихконденсаторов при повышенных нагрузках подчиняется степенному закону τсл ~A·U-n, где n = 1 – 2.4)Механизмотказасегнетокерамическихконденсатороввисследованных режимах – тепловой пробой, обусловленный термоактивационнымхарактером удельной проводимости и ее полевой зависимостью в области высокихтемператур.5)Предложенная математическая модель нелинейной зависимостиемкости сегнетокерамического конденсатора от напряжения и полученные на ееоснове точные аналитические решения адекватно описывают экспериментальныерезультаты для режимов заряд-разряд.6)Результатынелинейнойрасчетазависимостипоемкостиразработаннойметодикесегнетокерамическогоопределенияконденсатораотнапряжения с помощью импульсного разряда испытуемого конденсатораудовлетворительно согласуются с данными прямых измерений.11Реализация результатов работыРезультаты диссертационной работы были использованы в АО «НИИ«ГИРИКОНД», а также в учебном процессе кафедры «Техника высокихнапряжений, электроизоляционная и кабельная техника» ФГАОУ ВО «СПбПУ»для студентов, обучающихся по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика иэлектротехника» (акты использования прилагаются).Достоверность полученных результатов обеспечивается использованиемсовременной измерительной аппаратуры, большим объемом экспериментальныхданных и их корректной статистической обработкой, а также использованиемсовременных программных пакетов MathCAD и MATLAB для выполненияматематических расчетов и численного моделирования электрофизическихпроцессов.Личный вклад автора определяется участием в постановке задачисследования, разработке и создании экспериментальных установок, а такжеметодикизмерения,проведенииэкспериментальныхитеоретическихисследований, обработке и анализе полученных данных.