چرا خازن های مخزن ذخیره سازی با انرژی بالا انتخاب ایده آل برای برنامه های قدرت پالس هستند

در دنیای خواستار سیستم های قدرت پالس ، که در آن آزاد کردن انرژی عظیم در میکرو ثانیه مهم است ، انتخاب خازن بسیار مهم است. برخلاف خازن های استاندارد ، خازن مخزن به طور خاص برای ذخیره سازی با انرژی بالا و تخلیه سریع طراحی شده اند. در این مقاله به خصوصیات منحصر به فرد خازن های مخزن می پردازد و به بررسی این موضوع می پردازد که چرا آنها قهرمان بلامنازع در برنامه های کاربردی از تجهیزات پزشکی گرفته تا تحقیقات علمی هستند. ما اصول مهندسی پشت برتری آنها را کشف خواهیم کرد ، آنها را با فناوری های جایگزین مقایسه می کنیم و یک راهنمای روشنی برای انتخاب مؤلفه مناسب برای نیازهای قدرتمند خود ارائه می دهیم.

خازن مخزن چیست و چگونه کار می کند؟

در هسته آن ، الف خازن مخزن یک مؤلفه الکترونیکی منفعل است که به طور خاص برای ذخیره مقدار زیادی از انرژی الکتریکی طراحی شده و آن را در یک پشت سر هم بسیار کوتاه و قدرتمند آزاد می کند. اصطلاح "مخزن" به طور مناسب عملکرد خود را توصیف می کند: برای انرژی الکتریکی به عنوان یک مخزن یا مخزن عمل می کند. اصل اساسی که حاکم بر عملکرد آن است ، فرمول انرژی ذخیره شده است: E = ½cv² ، جایی که E در ژول ها انرژی است ، C در Farads خازن است و V ولتاژ است. این معادله دو اهرم اصلی را برای به حداکثر رساندن ذخیره انرژی نشان می دهد: افزایش ظرفیت و به طور مؤثر ، در ولتاژهای بسیار بالایی کار می کند. خازن های مخزن با مواد و هندسه هایی ساخته می شوند که به آنها امکان مقاومت در برابر این ولتاژهای شدید و جریانهای عظیم تولید شده در هنگام تخلیه را می دهد. طراحی داخلی آنها عناصر انگلی مانند مقاومت سری معادل (ESR) و القاء سری معادل (ESL) را به حداقل می رساند ، که دشمنان اصلی تحویل قدرت پالس کارآمد هستند. با به حداقل رساندن این عناصر انگلی ، خازن می تواند تقریباً تمام انرژی ذخیره شده خود را به بار تقریباً فوراً به بار منتقل کند ، و آن را برای آن مناسب می کند مدارهای تخلیه پر انرژی .

• مخزن انرژی: عملکرد اصلی جمع آوری انرژی در طی یک دوره نسبتاً طولانی تر و نگه داشتن آن تا زمان لازم است.
• تخلیه سریع: طراحی شده با ESR و ESL کم برای فعال کردن زمان تخلیه زیر میلی ثانیه ، قدرت اوج عظیم را فراهم می کند.
• ساخت و ساز قوی: از دی الکتریک های ویژه (مانند پلی پروپیلن) و مواد الکترود برای تحمل ولتاژ بالا و استرس جریان بالا استفاده می کند.
• مدیریت حرارتی: ساخت و ساز آنها اغلب شامل ویژگی هایی برای از بین بردن گرمای تولید شده در طول چرخه بار/تخلیه شدید است.

نقش مهم در برنامه های قدرت پالس

فن آوری قدرت پالس شامل تجمع انرژی در یک بازه زمانی طولانی تر و انتشار آن در یک بازه زمانی بسیار کوتاه تر است ، در نتیجه یک خروجی قدرت اوج عظیم که بسیار فراتر از قدرت ورودی است. اینجاست خازن مخزن غیر قابل تعویض می شود توانایی آن در خدمت به عنوان یک بانک انرژی با چگالی بالا ، پایه و اساس فناوری های بی شماری مدرن است. به عنوان مثال ، در تصویربرداری پزشکی ، تجهیزات مانند دستگاه های MRI و ژنراتور اشعه ایکس برای ایجاد تصاویر تشخیصی دقیق به انفجارهای بسیار دقیق و قدرتمند نیاز دارند. بانک خازن شارژ می شود و سپس انرژی خود را در یک فلاش کنترل شده آزاد می کند تا اشعه ایکس لازم یا پالس میدان مغناطیسی را تولید کند. به طور مشابه ، در تحقیقات علمی ، شتاب دهنده های ذرات و آزمایش های فیزیک پر انرژی به آرایه های عظیم خازن های مخزن متکی هستند تا زمینه های قدرتمند الکترومغناطیسی مورد نیاز برای تسریع ذرات زیر اتمی را به سرعت نزدیک به سرعت ایجاد کنند. قابلیت اطمینان و عملکرد این خازن ها به طور مستقیم بر موفقیت و ایمنی این آزمایشات تأثیر می گذارد.

• سیستم های پزشکی: قدرت لوله های اشعه ایکس ، سیستم های MRI و دفیبریلاتورها که در آن یک پالس کنترل شده و پر انرژی برای ایمنی بیمار و کیفیت تصویر بسیار مهم است.
• تحقیقات علمی: رانندگی لیزر ، شتاب دهنده ذرات و سیستم های حصر پلاسما در آزمایش های فیوژن.
• فرآیندهای صنعتی: در برنامه های کاربردی مانند تشکیل الکترومغناطیسی ، برش لیزر و تصفیه آب از طریق میدان های الکتریکی پالس استفاده می شود.
• نظامی و هوافضا: فن آوری های فعال مانند سیستم های رادار ، رادار پالس شده و اقدامات متقابل جنگ الکترونیکی.

مزایای اصلی نسبت به فن آوری های جایگزین

مهندسان هنگام طراحی یک سیستم قدرت پالس شده ، ممکن است گزینه های دیگری مانند باتری ها یا سرمایه گذاران فوق العاده را در نظر بگیرند. با این حال ، خازن مخزنs مجموعه ای از مزایای منحصر به فرد را ارائه دهید که آنها را به عنوان انتخاب برتر برای سناریوهای قدرت پالس واقعی تبدیل می کند. باتری ها انرژی زیادی را ذخیره می کنند اما به دلیل مقاومت داخلی بالای آنها ، آن را بسیار آهسته آزاد می کنند. آنها برای چگالی انرژی طراحی شده اند ، نه چگالی قدرت. فوق العاده سرمایه گذاران (یا ابررسانا) این شکاف را تا حدودی برطرف می کنند و چگالی قدرت بالاتری را نسبت به باتری ها ارائه می دهند ، اما هنوز هم به طور معمول از نرخ تخلیه شدید ارائه شده توسط خازن های تخصصی مخزن کم می شوند. تمایز دهنده اصلی بی نظیر است قابلیت قدرت اوج از یک خازن مخزن. این می تواند میلیون ها وات تقریباً فوراً تحویل دهد ، یک شاهکار و نه باتری و نه سرمایه گذاران فوق العاده نمی توانند به آن دست یابند. علاوه بر این ، آنها عمر چرخه استثنایی را ارائه می دهند ، که اغلب صدها هزار چرخه شارژ/تخلیه با حداقل تخریب را تحمل می کنند ، که برای برنامه های کاربردی که به مرور زمان نیاز دارند بسیار مهم است.

نحوه انتخاب خازن مخزن سمت راست

انتخاب مناسب خازن مخزن یک فرآیند ظریف است که نیاز به بررسی دقیق چندین پارامتر وابسته به هم دارد. یک انتخاب اشتباه می تواند منجر به خرابی سیستم ، کاهش عملکرد یا حتی خطرات ایمنی شود. فرایند انتخاب با درک روشنی از نیازهای برنامه شما آغاز می شود: چقدر انرژی لازم برای ذخیره شدن ، چقدر سریع نیاز به آزاد شدن دارد و این چرخه چند بار تکرار می شود. پارامترهای اساسی برای تجزیه و تحلیل ، خازن و رتبه ولتاژ هستند که مستقیماً انرژی ذخیره شده را تعریف می کنند (E = ½CV²). با این حال ، فراتر از این اصول ، عناصر انگلی به طور حتم بسیار مهم هستند. کم ESR (مقاومت سری معادل آن) برای به حداقل رساندن گرمایش داخلی (ضررهای I²R) در حین تخلیه بسیار حیاتی است که می تواند یک خازن را از بین ببرد. به همین ترتیب ، کم ESL (القاء سری معادل) برای دستیابی به سریعترین زمان افزایش ممکن برای نبض فعلی ضروری است. نادیده گرفتن ESL می تواند سرعت تخلیه را محدود کند و هدف استفاده از خازن مخزن را شکست دهد.

• خازن و ولتاژ (محصول CV): انرژی کل (ژول) مورد نیاز را تعیین کنید و یک خازن را با رتبه ولتاژ بسیار بالاتر از ولتاژ عملیاتی خود برای ایمنی و طول عمر انتخاب کنید.
• ESR (مقاومت سری معادل آن): به دنبال کمترین ESR ممکن برای به حداکثر رساندن کارآیی و به حداقل رساندن تولید گرما در طی تخلیه های جریان بالا باشید.
• ESL (القاء سری معادل): برای دستیابی به سریعترین نرخ تخلیه ، خازن ها را با طراحی غیر القایی (به عنوان مثال ، فیلم انباشته) انتخاب کنید.
• مواد دی الکتریک: پلی پروپیلن یک انتخاب رایج برای مقاومت دی الکتریک بالا و از بین رفتن کم آن است ، اما سایر مواد ممکن است برای فرکانس خاص یا دامنه دما مناسب باشند.
• امید و قابلیت اطمینان زندگی: برگه داده های سازنده را برای مشخصات طول عمر در ولتاژ و دمای عملیاتی مورد نظر خود مرور کنید.

درک ESR و ESL برای عملکرد بهینه

واقعاً تسلط بر اجرای a خازن مخزن در الف مدار تخلیه پر انرژی ، درک عمیقی از خصوصیات غیر ایده آل آن ، یعنی ESR و ESL ، قابل مذاکره نیست. مقاومت سری معادل (ESR) مجموع تلفات مقاومت در داخل خازن ، از جمله مقاومت سرب ، مقاومت به الکترود و تلفات دی الکتریک است. در طی یک تخلیه با جریان بالا ، قدرت به عنوان گرما در ESR توسط I² * ESR از بین می رود. این گرما در صورت عدم مدیریت صحیح می تواند باعث فراری حرارتی فاجعه بار شود. بنابراین ، برای بانکهای خازن فعلی بالا ، یک ESR پایین مهمترین پارامتر برای کارآیی و قابلیت اطمینان است. از طرف دیگر ، القاء سری معادل (ESL) میزان تغییر فعلی (DI/DT) را در حین تخلیه محدود می کند. ESL بالا باعث کاهش زمان افزایش پالس می شود و می تواند باعث نوسانات زنگ در مدار شود. برای به حداقل رساندن ESL ، تولید کنندگان خازن از هندسه های ویژه ای مانند فیلم های انباشته یا زبانه های مسطح استفاده می کنند و طراحان سیستم باید از تکنیک های دقیق طرح بندی استفاده کنند ، و با استفاده از تکنیک های طرح بندی دقیق ، و نگه داشتن اتوبوس کوتاه و گسترده.

• تأثیر ESR: مستقیماً بر کارایی ، تولید گرما و حداکثر جریان تخلیه قابل دستیابی تأثیر می گذارد.
• تأثیر ESL: سرعت نبض را تعیین می کند. ESL پایین تر برای برنامه های دقیق و سریع تر و سریع تر می شود.
• اندازه گیری انگلی: ESR و ESL وابسته به فرکانس هستند و باید در فرکانس مربوط به پالس تخلیه اندازه گیری یا مشخص شوند.
• ملاحظات حرارتی: همیشه افزایش دمای مورد انتظار را بر اساس جریان ESR و RMS محاسبه کنید تا اطمینان حاصل شود که در محدوده ایمن باقی مانده است.

طراحی و نگهداری یک بانک خازن

برای بسیاری از کاربردهای پر انرژی ، یک خازن واحد کافی نیست. مهندسان باید طراحی کنند بانک خازن - آرایه ای از چندین خازن مخزنs برای دستیابی به ولتاژ ، خازن و سطح انرژی به صورت موازی و/یا سری متصل شده است. طراحی یک بانک پیچیده تر از اتصال اجزای سازنده است. مهمترین موفقیت آن تضمین شارژ و تخلیه متعادل در تمام واحدهای جداگانه است. بدون تعادل ، برخی از خازن ها تحت فشار قرار می گیرند و منجر به نارسایی زودرس می شوند. این به طور معمول با استفاده از مقاومت های متعادل کننده در هر خازن در یک سری سری برای تساوی ولتاژ حاصل می شود. علاوه بر این ، طرح فیزیکی بانک برای به حداقل رساندن القاء و مقاومت انگلی در اتصال ، که می تواند بر ESR و ESL کلی سیستم حاکم باشد ، بسیار مهم است. سرانجام ، یک سیستم ایمنی قوی از جمله مقاومت های خونریزی ، محافظت از ولتاژ بیش از حد و محفظه های مناسب اجباری است ، زیرا انرژی ذخیره شده می تواند کشنده باشد و یک خطر فلش قوس قابل توجهی را ایجاد کند.

• سری/پیکربندی موازی: اتصالات سری امتیاز ولتاژ را افزایش می دهد. اتصالات موازی ظرفیت و توانایی فعلی را افزایش می دهد.
• تعادل ولتاژ: برای رشته های سری برای جلوگیری از بیش از امتیاز ولتاژ آن مهم است.
• طرح کم القاء: به جای سیم های گرد از اتوبوس های مسطح و مسطح استفاده کنید و مسیرهای اتصال را تا حد امکان کوتاه نگه دارید.
• سیستم های ایمنی: مدارهای تخلیه خودکار ، فیوزها و موانع فیزیکی را برای محافظت از پرسنل وارد کنید.
• نگهداری و آزمایش: به طور مرتب از خازن ، ESR و مقاومت عایق برای شناسایی خازن های ناکام قبل از ایجاد خرابی در بانک ، بررسی کنید.

پرسش

تفاوت بین خازن شروع و خازن مخزن چیست؟

در حالی که هر دو خازن هستند ، آنها اهداف بسیار متفاوتی را ارائه می دهند. یک خازن شروع ، که معمولاً در موتورهای AC تک فاز مورد استفاده قرار می گیرد ، یک تغییر فاز برای تولید گشتاور شروع را فراهم می کند و فقط برای یک یا دو ثانیه در مدار است. برای استفاده متناوب طراحی شده است. بوها خازن مخزن ، با این حال ، برای ذخیره پر انرژی و تخلیه بسیار سریع ، اغلب در کسری از ثانیه. این دستگاه با موادی ساخته شده است که می تواند جریان های تخلیه بسیار بالاتر و چرخه های بسیار بیشتری را تحمل کند. تفاوت اصلی در تمرکز طراحی آنها نهفته است: شروع خازن ها برای تغییر فاز لحظه ای ، خازن های مخزن برای ذخیره انرژی متراکم و انتشار انفجاری.

چه مدت یک خازن مخزن می تواند شارژ خود را نگه دارد؟

زمان احتباس اتهام a خازن مخزن یک ویژگی طراحی اصلی نیست. با توجه به جریان نشت داخلی ذاتی مواد دی الکتریک ، تمام خازن ها به آرامی با گذشت زمان خود را تخلیه می کنند. مدت زمان لازم برای از دست دادن یک خازن شارژ بخش قابل توجهی از بار خود می تواند بسته به نوع دی الکتریک ، کیفیت و دما ، از چند دقیقه تا چند هفته متغیر باشد. به دلایل ایمنی ، بزرگ خازن ولتاژ بالا بانک ها تقریباً همیشه مجهز به مقاومتهای اتوماتیک "خونریزی" هستند که به طور فعال انرژی ذخیره شده را در طی چند دقیقه پس از پایین آمدن سیستم به یک سطح امن تخلیه می کنند. هرگز فرض نکنید که یک خازن بدون تأیید تجهیزات مناسب تخلیه می شود.

آیا می توانم از یک خازن الکترولیتی معمولی برای قدرت پالس استفاده کنم؟

استفاده از خازن های الکترولیتی آلومینیومی استاندارد برای کاربردهای قدرت پالس قابل توجه بسیار دلسرد و احتمالاً خطرناک است. خازن های الکترولیتی با هدف کلی دارای ESR و ESL نسبتاً بالایی هستند که باعث می شود آنها برای تخلیه سریع و مستعد گرم شدن بیش از حد و نارسایی انفجاری تحت استرس با جریان بالا ناکارآمد شوند. آنها برای فیلتر منبع تغذیه و ذخیره انرژی در سناریوهای کم مصرف طراحی شده اند. خازن مخزن برای بانکهای خازن فعلی بالا به طور خاص با موادی مانند فیلم فلزی ساخته شده است تا ESR و ESL بسیار کم به نمایش بگذارند و آنها را برای خواسته های شدید قدرت پالس ایمن و قابل اطمینان می کنند. استفاده از نوع خازن اشتباه ، خرابی دستگاه ، آسیب به سایر مؤلفه ها و خطرات ایمنی جدی را به خطر می اندازد.

علائم خازن مخزن در حال شکست چیست؟

شناسایی یک شکست خازن مخزن برای حفظ قابلیت اطمینان و ایمنی سیستم بسیار مهم است. علائم متداول شامل یک برآمدگی قابل مشاهده یا پارگی این پرونده است که نشان دهنده ایجاد فشار داخلی از تولید گاز به دلیل گرمای بیش از حد یا تجزیه دی الکتریک است. از نظر الکتریکی ، افزایش قابل توجهی در مقاومت سری معادل (ESR) یک شاخص اصلی تخریب است که منجر به کاهش کارایی و افزایش تولید گرما در طول کار می شود. افت قابل اندازه گیری در خازن از مقدار اسمی آن نیز نشانگر عدم موفقیت است. در الف بانک خازن ، یک واحد ناکامی می تواند کل سیستم را بی نظیر کند و استرس را بر روی خازن های سالم قرار دهد. تعمیر و نگهداری منظم پیشگیری ، از جمله خازن و آزمایش ESR ، توصیه می شود قبل از فاجعه بار ، خرابی ها را بدست آورید.

آیا هنگام کار با خازن های مخزن خطرات ایمنی وجود دارد؟

بله ، کار با خازن مخزن شامل خطرات ایمنی قابل توجهی است که باید جدی گرفته شود. خطر اصلی ولتاژ بالا و انرژی بالا ذخیره شده است که می تواند حتی در صورت قطع منبع اصلی انرژی ، باعث ایجاد شوک الکتریکی شدید یا حوادث فلش قوس شود. یک خازن شارژ می تواند برای مدت طولانی شگفت آور ، هزینه کشنده خود را نگه دارد. همیشه روشهای دقیق برچسب زدن را دنبال کنید و از یک ابزار تخلیه به درستی با رتبه بندی استفاده کنید تا با اطمینان از پایانه های خازن قبل از کار کوتاه کنید. علاوه بر این ، جریانهای زیاد درگیر می توانند باعث شوند که ترمینال ها بسیار گرم شوند و خطر سوختگی ایجاد کنند. همیشه تجهیزات محافظ شخصی مناسب (PPE) ، از جمله دستکش دارای ولتاژ و عینک ایمنی را بپوشید و فقط در صورت آموزش صحیح روی این سیستم ها کار کنید. $