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1、學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名: 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、 保密 ,在_年解密
2、后適用本授權(quán)書。2、 不保密 。(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”)作者簽名: 年 月 日 導(dǎo)師簽名: 年 月 日 54畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 題 目: 電介質(zhì)薄膜發(fā)熱的計(jì)算與分析 Title :The Thermal Rating and Analysis of Dielectric Film院 系: 電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名: 指導(dǎo)教師: 20XX年 X 月 X 日摘要:金屬化膜電容器在電場(chǎng)作用下,電容器電極電阻和介質(zhì)損耗(即等效串聯(lián)電阻)的存在而使電容器發(fā)熱。其中一部分熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中去。另一部分熱量則使電容器內(nèi)部的溫度升高。這就可能導(dǎo)致電容器的電學(xué)性能發(fā)生變
3、化。同時(shí),長期受熱可使介質(zhì)加速老化,縮減壽命,嚴(yán)重時(shí)可發(fā)展為熱擊穿,導(dǎo)致電容器損壞。另外在脈沖放電下,金屬化膜電容器的發(fā)熱還會(huì)影響通流能力和耐壓能力,對(duì)相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行有極大的影響。金屬化膜電容器的熱計(jì)算主要是對(duì)既定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),計(jì)算其在一定的運(yùn)行條件下的溫升,通常指電容器達(dá)到熱平衡后,材料各關(guān)鍵部位到環(huán)境的溫升,特別是介質(zhì)最熱點(diǎn)到外殼和外殼到環(huán)境的溫升。本文首先探討了金屬化膜電容器發(fā)熱的來源以及影響金屬化膜電容器發(fā)熱的因素,以及在重復(fù)頻率脈沖的作用下的來源和主導(dǎo)因素;第二步通過建立重復(fù)頻率脈沖模型;第三步通過構(gòu)建金屬化膜電容器的結(jié)構(gòu)模型來確定傳熱計(jì)算的模型從而運(yùn)用相應(yīng)的傳熱學(xué)理論來計(jì)算內(nèi)部溫
4、升和外部散熱;第四步運(yùn)用一些典型的具體數(shù)值來計(jì)算一些具體的金屬化膜電容器的發(fā)熱問題;最后通過對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果以及研究已有的資料數(shù)據(jù)得出有關(guān)金屬化膜電容器發(fā)熱的一些基本結(jié)論。關(guān)鍵詞:金屬化膜電容器 溫升 散熱 發(fā)熱功率 傳熱系數(shù)Abstract: When a metalized film capacitor is operating under electric field, capacitor will be heated because of the electrode resistance and dielectric loss(equivalent series resistance)
5、. One part of the heat dissipates to the outside, the other part contributes the capacitor internal temperature rise. This may lead to changes in the electrical properties of capacitors. Long-term heat makes media accelerate aging, reduces life expectancy. When serious, it may develop to thermal bre
6、akdown and result in damage of capacitors. Heating of metalized film capacitors has a great impact on the through-flow capacity and voltage resistance capacity, and also the stable operation of the equipment. The thermal rating of a metalized film capacitor is mainly for established product structur
7、e. Under specific operating conditions, the temperature rise is often referred to that the capacitor has reached thermal equilibrium, the temperature rise of the the key points to the environment, and in particular the temperature rise is the media's hottest spots to the housing and the housing
8、to the environment. This article firstly discusses heating sources and factors of metalized film capacitors that affect the heat of metalized film capacitors. Under the effect of repetition frequency pulse, which sources and factors are dominant factors. The second step, through the establishment of
9、 repetition frequency pulse model, we calculate the calorific value of capacitor at work. The third step, by building the structure model of metalized film capacitors we determine the heat transfer calculation model to use the heat transfer theory to calculate temperature rise of internal and extern
10、al heat and other related parameters. The fourth step, using models and the construction of a formula, with some typical numerical the problem to calculate the heat of metalized film capacitors can be solved. Finally, through analysis and calculation of results and study on existing data, we can con
11、clude some basic conclusions of the heating of metalized film capacitors. Key words: metalized film capacitor temperature rise heat dissipation the heating power heat transfer coefficient目 錄摘要.2Abstract.3一 緒論.61金屬化膜電容器的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀.62重復(fù)頻率下金屬化膜電容器的研究意義.63金屬化膜電容器發(fā)熱的危害.64金屬化膜電容器發(fā)熱計(jì)算的意義.8二 金屬化膜電容器在電路運(yùn)行時(shí)發(fā)熱的來源
12、.91金屬化膜電容器發(fā)熱的來源.92金屬化膜電容器溫升的主要來源.10三 影響金屬化膜電容器發(fā)熱的因素.111來自材料和工藝的因素.112來自工作條件的因素.113來自電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素.11四 重復(fù)頻率下金屬化膜電容器發(fā)熱散熱計(jì)算的基本理論.121重復(fù)頻率脈沖電流下的發(fā)熱理論.122電容器內(nèi)部到外部傳熱理論.13五 重復(fù)頻率下金屬化膜電容器發(fā)熱散熱計(jì)算的基本步驟.181發(fā)熱散熱計(jì)算基本流程圖.182發(fā)熱散熱計(jì)算基本步驟.18六 重復(fù)頻率下金屬化膜電容器發(fā)熱功率的計(jì)算與分析.191重復(fù)頻率下發(fā)熱功率的計(jì)算方法.192等效串聯(lián)電阻ESR的計(jì)算方法.193金屬化膜電容器熱量分布的分析.214重
13、復(fù)頻率下發(fā)熱功率的計(jì)算實(shí)例.235電容器發(fā)熱功率的計(jì)算的簡要分析.24七 電容器結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建.251圓柱形金屬化膜電容器的結(jié)構(gòu)模型.252長方形(扁形)金屬化膜電容器的結(jié)構(gòu)模型.26八 金屬化膜電容器內(nèi)部溫升的計(jì)算.271導(dǎo)熱微分方程的建立.272圓柱形金屬化膜電容器內(nèi)部發(fā)熱的計(jì)算.293長方形(扁形)金屬化膜電容器內(nèi)部發(fā)熱的計(jì)算.334金屬化膜電容器內(nèi)部溫升的計(jì)算實(shí)例.365金屬化膜電容器內(nèi)部溫升的計(jì)算的分析.39九 金屬化膜電容器外部散熱的計(jì)算.401金屬化膜電容器外殼散熱的形式.402金屬化膜電容器外殼散熱系數(shù)的計(jì)算方法.403金屬化膜電容器外殼散熱系數(shù)的計(jì)算實(shí)例分析.424金屬化膜電
14、容器外部散熱的計(jì)算分析.43十 分析與總結(jié).451基本結(jié)論.452本文的不足.45致 謝.47參考文獻(xiàn).48一 緒論1 金屬化膜電容器的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀(1) 早期電容器20世紀(jì)60年代電容器的設(shè)計(jì)采用鋁箔/紙浸漬礦物油的結(jié)構(gòu),紙厚約820m,通常為36層,以錯(cuò)開紙上的電弱點(diǎn)。通常采用激光切割鋁箔的方法以降低電極邊緣毛刺的影響;采用鋁箔突出式的引線結(jié)構(gòu)以保證較大的通流能力;通過提高浸漬所采用的礦物油的芳香度指數(shù)來改善電容器抗局部放電的能力。其電容器的儲(chǔ)能密度75J/L3。(2) 自愈式電容器金屬化蒸鍍技術(shù)在20世紀(jì)70年代應(yīng)用于儲(chǔ)能電容器。金屬化膜電容器的電極是由蒸鍍到有機(jī)薄膜上的很薄一層金屬(
15、通常為鋁或鋅鋁)組成,其厚度僅20100nm。膜在生產(chǎn)過程中存在的缺陷或雜質(zhì),該處耐電強(qiáng)度低于周圍,稱其為電弱點(diǎn)。隨著外施電壓的升高,電弱點(diǎn)處的薄膜先被擊穿形成放電通道,放電電流引起局部高溫,擊穿點(diǎn)處的極薄金屬層受熱迅速蒸發(fā)、向外擴(kuò)散并使絕緣恢復(fù),因局部的擊穿不影響到整個(gè)電容器,故稱該過程為“自愈”。自愈式結(jié)構(gòu)多用于直流以及低壓并聯(lián)電容器,也可用于脈沖電容器,現(xiàn)在又逐漸向中壓并聯(lián)電容器發(fā)展。自愈式電容器發(fā)展較早的是金屬化紙,現(xiàn)在則主要使用金屬化聚丙烯膜,在脈沖電容器中有的也采用金屬化聚酯膜。(3) 金屬化膜電容器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展隨著對(duì)高分子聚合物的擊穿機(jī)理和金屬化電極自愈機(jī)理研究的深入,一些新
16、的材料和工藝已經(jīng)或逐漸應(yīng)用于電容器領(lǐng)域。比如分割電極金屬化膜,分割電極金屬化膜的應(yīng)用大大延伸了自愈的概念,為電容器提供了二次保護(hù),故稱其為安全膜。安全膜采用分塊蒸鍍和非均勻蒸鍍技術(shù)制成,由無數(shù)分割的膜塊組成,不同膜塊間僅以很細(xì)的蒸鍍金屬絲相連。又如復(fù)合膜的應(yīng)用,目前應(yīng)用于金屬化電容器的薄膜有聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯等,這些材料各有優(yōu)缺點(diǎn),它們的介質(zhì)電容器儲(chǔ)能密度都已達(dá)到或接近極限值。復(fù)合介質(zhì)膜是一種新型的儲(chǔ)能介質(zhì),其原理是在一層基膜上復(fù)合一層很薄的介質(zhì)材料使其具有更優(yōu)異的性能。在過去20年中,金屬化薄膜電容得到了長足的發(fā)展,電容的體積和重量減少3到4倍,技術(shù)也得到很大改善,薄膜電容
17、具有的許多優(yōu)勢(shì),使薄膜電容在DC濾波上用來替代電解電容是一個(gè)趨勢(shì),使用DC-LINK平滑濾波薄膜電容器,可以使薄膜電容比電解電容更加經(jīng)濟(jì)地覆蓋600VDC以上的電壓范圍。薄膜電容具有很多優(yōu)勢(shì),使薄膜電容替代電解電容成為大功率電力電子設(shè)備市場(chǎng)的趨勢(shì)。金屬在真空下蒸發(fā)(對(duì)鋁1200)濃縮到被處理過的膜表面(膜冷卻到-25至-35)形成金屬層,如果電介質(zhì)出現(xiàn)短路,金屬鍍層會(huì)因此而揮發(fā)并將短路的地方隔離開來,這種現(xiàn)象稱為自愈效應(yīng),金屬化膜的自愈效應(yīng)是提高電壓梯度的主要因素; 對(duì)于干式技術(shù),在脈沖應(yīng)用中,電壓梯度能夠達(dá)到500V/m以上,在DC濾波的應(yīng)用中,電壓梯度能夠達(dá)到200V/m,由于電容是按照I
18、CE1071標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的設(shè)計(jì),電容能夠承受幾次達(dá)兩倍于額定電壓的浪涌電壓的沖擊而不會(huì)有明顯的壽命縮短現(xiàn)象。聚丙烯電容是以金屬箔作為電極,將其和聚丙烯薄膜從兩端重疊后,卷繞成圓筒狀的構(gòu)造之電容器,無極性,絕緣阻抗很高,頻率特性優(yōu)異(頻率響應(yīng)寬廣),而且介質(zhì)損失很小?;谝陨系膬?yōu)點(diǎn),所以薄膜電容器被大量使用在模擬電路上。尤其是在信號(hào)交連的部份,必須使用頻率特性良好,介質(zhì)損失極低的電容器,方能確保信號(hào)在傳送時(shí),不致有太大的失真情形發(fā)生。介電常數(shù)較高,體積小,容量大,穩(wěn)定性比較好,適宜做旁路電容。聚苯乙烯薄膜電容,介質(zhì)損耗小,絕緣電阻高,但是溫度系數(shù)大,可用于高頻電路。由于電容器用雙向拉伸聚丙烯薄膜,具
19、有較高的機(jī)械性能和電氣性能,為滿足電氣裝置小型化和元件密集化的發(fā)展要求,提高聚丙烯薄膜電容器的最高使用溫度,特別是在交流回路上使用的電容器,不僅要抑制電容器元件的內(nèi)部發(fā)熱,而且要考慮使用的環(huán)境溫度。例如,在路燈等照明穩(wěn)定器上使用的交流回路及馬達(dá)控制回路上使用的電容器,電網(wǎng)補(bǔ)償用各種高低壓電容器、空調(diào)馬達(dá)啟動(dòng)用電容器、城市輕軌機(jī)車用電容器等對(duì)電容器的耐熱性能有著更高的要求。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,各種電力變換、交流傳動(dòng)、儲(chǔ)能電源等對(duì)直流大容量電容器的需求不斷增加,由于鋁電解電容在性能、可靠性和壽命方面都存在許多不足,而金屬化薄膜電容替代鋁電解電容的趨勢(shì)越來越明顯,尤其是在節(jié)能和新能源領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)
20、展迅猛,這一最新動(dòng)態(tài)無疑為金屬化薄膜電容器生產(chǎn)企業(yè)提供了新的發(fā)展機(jī)遇。52 重復(fù)頻率下金屬化膜電容器的研究意義重復(fù)頻率脈沖功率技術(shù)廣泛應(yīng)用于脈沖功率技術(shù)的實(shí)用階段。重復(fù)頻率有兩種運(yùn)行方式:即連續(xù)運(yùn)行方式及爆發(fā)式運(yùn)行方式。重復(fù)頻率脈沖下應(yīng)用的電容器是重復(fù)頻率脈沖功率裝置的重要元件之一。金屬化聚合物薄膜由于具有優(yōu)良的介電、機(jī)械和熱等性能,在絕緣領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,其在直流、工頻交流和雷電沖擊脈沖等常規(guī)條件下的特性已經(jīng)得到了深入研究。隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展,納秒脈沖下的特性研究受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。近年來單次高壓納秒脈沖及低重復(fù)頻率的脈沖電源較常見,因此目前主要研究重復(fù)頻率下金屬化膜電容器的特性
21、。3 金屬化膜電容器發(fā)熱的危害金屬化膜電容器在電場(chǎng)作用下,由于本身的損耗而使電容器發(fā)熱。其中一部分熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中去。另一部分熱量則使電容器內(nèi)部的溫度升高。這就可能導(dǎo)致電容器的電學(xué)性能發(fā)生變化。同時(shí),長期受熱可使介質(zhì)加速老化,縮減壽命,嚴(yán)重時(shí)可發(fā)展為熱擊穿,導(dǎo)致電容器損壞。另外在脈沖放電下,金屬化膜電容器的發(fā)熱還會(huì)影響通流能力和耐壓能力,對(duì)相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行有極大的影響。4 金屬化膜電容器發(fā)熱計(jì)算的意義金屬化膜電容器的熱計(jì)算主要是對(duì)既定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),計(jì)算其在一定的運(yùn)行條件下的溫升,通常指電容器達(dá)到熱平衡后,材料各關(guān)鍵部位到環(huán)境的溫升,特別是介質(zhì)最熱點(diǎn)到外殼和外殼到環(huán)境的溫升。這對(duì)驗(yàn)證該種電容
22、器結(jié)構(gòu)的熱平衡裕度,確定材料參數(shù)和改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是十分必要的。并且基于金屬化膜電容器發(fā)熱的危害,由于發(fā)熱是影響金屬化膜電容器各項(xiàng)性能:壽命、品質(zhì)等的重要因素,又是不可避免的。為了保證其在額定工作條件下能長期可靠地工作,因此對(duì)金屬化膜電容器進(jìn)行熱計(jì)算同樣十分必要。又由于目前主要主要研究金屬化膜電容器在重復(fù)頻率脈沖下的特性,所以著重對(duì)重復(fù)頻率下金屬化膜電容器的熱計(jì)算有重要的意義。二 金屬化膜電容器在電路運(yùn)行時(shí)發(fā)熱的來源1 金屬化膜電容器發(fā)熱的來源電容器由金屬部分和非金屬部分組成,于是討論發(fā)熱的來源也從這兩方面來入手。(1) 金屬部分的損耗電容器的金屬化極板、電容器中的內(nèi)部金屬導(dǎo)線、電容器元件端部的噴
23、金層、導(dǎo)線連接頭或者焊點(diǎn)、金屬引出線等等金屬部分,都具有一定的電阻,這些電阻產(chǎn)生一個(gè)與電容器串聯(lián)的附加電阻r,稱為電容器的串聯(lián)等效電阻。電容器的串聯(lián)等效圖示如下圖:圖2-1 電容器串聯(lián)等效電路圖由于這個(gè)串聯(lián)等效電阻r的存在,使電容器產(chǎn)生了損耗,相應(yīng)的稱為極板電阻損耗、金屬導(dǎo)線損耗、噴金層接觸電阻損耗、焊接點(diǎn)接觸電阻損耗、金屬引出線損耗等等。這些損耗統(tǒng)稱為金屬損耗。(2) 介質(zhì)損耗在電壓作用下,介質(zhì)中發(fā)生一種把部分電能變成熱能的物理現(xiàn)象,稱為介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗主要分為電導(dǎo)損耗和極化損耗。電導(dǎo)損耗:由于介質(zhì)都存在一定的電導(dǎo),施加電壓后必定產(chǎn)生一個(gè)傳導(dǎo)電流。良好的電介質(zhì)中,傳導(dǎo)電流很小,絕緣電阻很高
24、,顧電導(dǎo)損耗很小。倘若制造工藝粗糙或者不嚴(yán)格,電容器中有水分或者其他雜質(zhì)存在,會(huì)使絕緣電阻下降,電導(dǎo)損耗增加。電介質(zhì)的電導(dǎo)電容模型如下:圖2-2 電介質(zhì)電導(dǎo)電容模型極化損耗:在交流電壓下,介質(zhì)將受到交變的極化作用,電子、離子、偶極子或者其他極性基團(tuán)將反復(fù)位移,這些質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)要克服熱運(yùn)動(dòng)的阻力,因此會(huì)消耗一部分電能并且使電能轉(zhuǎn)化為熱能。極化損耗與極化方式、溫度、電場(chǎng)頻率等密切有關(guān)。電介質(zhì)極性越強(qiáng)極化損耗越大。綜上所述,電容器的等效電路模型可表示為電導(dǎo)電容模型加上串聯(lián)電阻的形式,如下圖所示:圖2-3 電容器等效電路(3) 局部放電造成的損耗電容器施加較高的電壓時(shí),若介質(zhì)層間有殘存的微小空氣隙,由于
25、空氣的耐電強(qiáng)度較低,空氣隙就會(huì)產(chǎn)生電離,造成局部放電。另外,由于電容器極板邊緣電場(chǎng)集中,場(chǎng)強(qiáng)比極板間的均勻場(chǎng)強(qiáng)高,電容器邊緣也容易產(chǎn)生局部放電。由于局部放電消耗有功功率,因此也會(huì)產(chǎn)生損耗發(fā)熱。并且局部放電伴隨產(chǎn)生的臭氧、氮氧化物等氣體使介質(zhì)遭到化學(xué)腐蝕,介電性能下降,以至于逐漸老化擊穿。2 金屬化膜電容器溫升的主要來源發(fā)熱就會(huì)伴隨著溫升,因此主要的發(fā)熱來源就是主要的溫升來源。本課題主要討論的是金屬化聚丙烯膜電容器的發(fā)熱計(jì)算問題,基于此類電容器的材料、結(jié)構(gòu)以及工藝上特性,金屬化聚丙烯膜電容是以金屬箔作為電極,將其和聚丙烯薄膜從兩端重疊后,卷繞成圓筒狀的構(gòu)造之電容器。無極性,絕緣阻抗很高,介質(zhì)強(qiáng)度
26、高,頻率特性優(yōu)異(頻率響應(yīng)寬廣)。在重復(fù)頻率脈沖的條件下,雖然上述損耗的來源均存在,但是介質(zhì)損耗、局部放電損耗極小,不是電容器溫升的主導(dǎo)。因此本課題所研究的發(fā)熱和溫升的來源主要來自于電容器的金屬損耗(極板電阻損耗、金屬導(dǎo)線損耗、噴金層接觸電阻損耗、焊接點(diǎn)接觸電阻損耗、金屬引出線損耗等等)。三 影響金屬化膜電容器發(fā)熱的因素1 來自材料和工藝的因素本文第二大部分分析得出了金屬化膜電容器溫升的主要來源是金屬損耗,因此可能影響金屬損耗的因素就是影響發(fā)熱的因素。比如:(1)電極和噴金層:如電極和噴金層的導(dǎo)電電阻大、顆粒的堆積接觸、表面針孔等。金屬化電容器的金屬化層容易出現(xiàn)這此現(xiàn)象。因此,電極制造工藝是影
27、響金屬化膜電容器發(fā)熱的重要因素之一。(2)接觸電阻:如果焊接處太多,焊錫質(zhì)量差,焊接溫度不夠,造成焊接不實(shí)而接觸電阻大,如金屬化電容器端面噴金層和金屬化層之間形成的接觸電阻。因此焊接工藝將影響接觸電阻,從而也成為影響金屬化膜電容器發(fā)熱的因素之一。(3)其他金屬部分的材質(zhì)問題和工藝問題也會(huì)影響金屬化膜電容器的發(fā)熱。2 來自工作條件的因素(1)電路條件:若電容器工作在大電流的狀態(tài)下,發(fā)熱肯定會(huì)比在一般電流狀態(tài)下明顯,因此電流的大小也是影響金屬化膜電容器發(fā)熱的因素之一。此外,由于電流諧波和電容反復(fù)充放電,在阻尼吸收線路中和電容器濾波裝置中容易出現(xiàn)大電流沖擊,也會(huì)影響電容器的發(fā)熱。(2)環(huán)境條件:外界
28、溫度也是影響電容器發(fā)熱的因素之一,若工作環(huán)境的溫度過高,或造成電容器的散熱困難,發(fā)熱越明顯。另外環(huán)境空氣的濕度也對(duì)散熱有一定的影響。3 來自電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素金屬化膜電容器不同的外觀和設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致電容器的散熱面積不同,因此也是影響電容器發(fā)熱的因素之一,較常見的金屬化膜電容器有扁形元件和圓柱形元件,如下圖所示:圖3-1 金屬化膜電容器產(chǎn)品外形四 重復(fù)頻率下金屬化膜電容器發(fā)熱散熱計(jì)算的基本理論1 重復(fù)頻率脈沖電流下的發(fā)熱理論(1) 重復(fù)頻率的定義脈沖重復(fù)頻率指的是1s時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù),也就是一個(gè)脈沖與下一個(gè)脈沖之間時(shí)間間隔的倒數(shù),單位為赫茲(Hz)如:1s內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)為10個(gè),則重復(fù)頻率為10H
29、z。(2) 脈沖電流波形本課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)采用的脈沖電流為沖擊電流,沖擊電流的放電回路如下:圖4-1 沖擊電流放電回路示意圖產(chǎn)生沖擊電流的典型的基本過程是:在短時(shí)間內(nèi)把電容器C上儲(chǔ)存的能量釋放出來,在試品上產(chǎn)生脈沖沖擊電流。設(shè)電容器C充電到電壓U0,球隙G擊穿后,回路方程如下: (4-1)由于需要產(chǎn)生的電流波形為幅值衰減的周期性震蕩波形,也就是回路處于弱阻尼狀態(tài)下。當(dāng)時(shí),求解微分方程的出: (4-2)其中:簡要分析上述電流表達(dá)式,簡化參數(shù)得到如下形式: (4-3)曲線形狀大致如下圖:圖4-2 沖擊脈沖電流曲線大致形狀上圖是取如下特殊值作出的函數(shù)曲線: (4-4)可以看出幅值隨著時(shí)間逐漸衰減,并且正
30、負(fù)交替呈正弦規(guī)律變化。取第一個(gè)正弦周期波形視為一個(gè)脈沖波形。不斷用此波形的脈沖電流作為激勵(lì)即為重復(fù)頻率的作用。(3) 發(fā)熱功率的概念單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱功率叫做熱功率,熱功率是指在這段電路上因發(fā)熱而消耗的功率,決定于通過這段電路有效電流強(qiáng)度的平方和這段電路電阻的乘積。本課程設(shè)計(jì)中,重復(fù)頻率作用下電容器每秒發(fā)出的熱量即為發(fā)熱功率。假設(shè)一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為T (s),重復(fù)頻率數(shù)值為n (Hz),則根據(jù)上述發(fā)熱功率的概念,發(fā)熱功率可以按照下式計(jì)算: (4-5)其中Req為包含所有損耗在內(nèi)的電容器等效串聯(lián)電阻,前面討論過,在本課程設(shè)計(jì)的條件下?lián)p耗以金屬損耗為主。根據(jù)具體的波形參數(shù),以及不同的電容器所具有
31、的Req,可以通過如上積分式計(jì)算出發(fā)熱功率P,應(yīng)用到之后的熱傳導(dǎo)的計(jì)算中。2 電容器內(nèi)部到外部傳熱理論熱傳遞是自然界普遍存在的一種自然現(xiàn)象。只要物體之間或同一物體的不同部分之間存在溫度差別,就會(huì)有熱傳遞現(xiàn)象發(fā)生,并且將一直繼續(xù)到溫度相同的時(shí)候?yàn)橹埂0l(fā)生熱傳遞的唯一條件是存在溫度差別,與物體的狀態(tài),物體間是否接觸都無關(guān)。熱傳遞的結(jié)果是溫差消失,即發(fā)生熱傳遞的物體間或物體的不同部分達(dá)到相同的溫度。因此,工作中的電容器有效部分會(huì)由于各種損耗而發(fā)熱,這部分熱量引起電容器內(nèi)部和外殼之間的溫差,進(jìn)一步引起外殼和環(huán)境之間的溫差,因此存在熱傳遞的問題。這也是本課程設(shè)計(jì)主要研究的問題之一。(1) 熱傳遞過程中各
32、環(huán)節(jié)的換熱方式根據(jù)傳熱學(xué)的理論,熱能傳遞具有三種基本方式:熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、以及熱輻射。熱傳導(dǎo):介質(zhì)(介質(zhì)主要分為:氣體,液體,固體,或者混合)內(nèi)無宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳熱現(xiàn)象,其在固體、液體和氣體中均可發(fā)生。但嚴(yán)格而言,只有在固體中才是純粹的熱傳導(dǎo),而流體即使處于靜止?fàn)顟B(tài),其中也會(huì)由于溫度梯度所造成的密度差而產(chǎn)生自然對(duì)流,因此,在流體中對(duì)流與熱傳導(dǎo)同時(shí)發(fā)生。熱對(duì)流:物體之間以流體(流體是液體和氣體的總稱)為介質(zhì),利用流體的熱脹冷縮和可以流動(dòng)的特性,傳遞熱能。熱對(duì)流是靠液體或氣體的流動(dòng),使內(nèi)能從溫度較高部分傳至較低部分的過程。對(duì)流是液體或氣體熱傳遞的主要方式,氣體的對(duì)流比液體明顯。對(duì)流可分自然對(duì)流和
33、強(qiáng)迫對(duì)流兩種。自然對(duì)流往往自然發(fā)生,是由于溫度不均勻而引起的。強(qiáng)迫對(duì)流是由于外界的影響對(duì)流體攪拌而形成的。熱輻射:物體之間利用放射和吸收彼此的電磁波,而不必有任何介質(zhì),就可以達(dá)成溫度平衡。熱輻射是物體不依靠介質(zhì),直接將能量發(fā)射出來,傳給其他物體的過程。熱輻射是遠(yuǎn)距離傳遞能量的主要方式,如太陽能就是以熱輻射的形式,經(jīng)過宇宙空間傳給地球的。物體溫度較低時(shí),主要以不可見的紅外光進(jìn)行輻射,在500攝氏度以至更高的溫度時(shí),則順次發(fā)射可見光以至紫外輻射。熱傳遞是通過熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射三種方式來實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際的熱傳遞過程中,這三種方式往往不是單獨(dú)進(jìn)行的。下圖為簡化后的電容器的各主要部分進(jìn)行熱傳遞過程的流程
34、圖,以及各個(gè)傳熱環(huán)節(jié)的主要換熱方式。圖4-3 電容器中熱傳遞過程各環(huán)節(jié)的換熱方式如上圖所示,電容器元件有效部分、外包膜、外殼等均為固體并且相互接觸,不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此其間的換熱方式為熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱)。然而,絕緣層可能為固體也可能為氣體,如果為氣體除了存在導(dǎo)熱以外還存在對(duì)流傳熱。但是一般情況下絕緣層很薄體積很小,傳熱方式還是以導(dǎo)熱為主。從外殼到空氣,由于空氣具有可流動(dòng)的特性,因此存在對(duì)流傳熱。而在環(huán)境中電容器外殼作為熱源會(huì)以電磁波的形式產(chǎn)生熱輻射,因此輻射傳熱同樣存在。(2) 傳熱計(jì)算的基本理論以冷熱流體通過一塊大平壁為例,工程技術(shù)中典型的熱量傳遞過程包括串聯(lián)的三個(gè)環(huán)節(jié): 從熱流體到壁面高溫側(cè)的
35、熱量傳遞 從壁面高溫側(cè)到壁面低溫側(cè)的熱量傳遞(穿過固體壁的導(dǎo)熱) 從壁面低溫側(cè)到冷流體的熱量傳遞這三個(gè)基本環(huán)節(jié)可以通過下圖直觀地表示:圖4-4 通過平壁的傳熱過程基本示意圖如上圖所示,平面壁表面面積為S,厚度為d,材料導(dǎo)熱系數(shù)。圖中熱流量從左到右,平面壁左邊的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h1,平面壁右邊的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2。1#、2#表示平面壁左邊流體溫度為tf13#表示平面壁左面溫度為tw14#表示平面壁左邊流體溫度為tw25#、6#表示平面壁左邊流體溫度為tf2僅限于穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行分析,通過這三個(gè)串聯(lián)的環(huán)節(jié)的熱流量是相等的,因此可以寫出以下三個(gè)熱流量的表達(dá)式: (4-6) (4-7) (4-8)將(4-6
36、)、(4-7)、(4-8)三個(gè)式子改寫成溫壓的形式得到: (4-9) (4-10) (4-11)將(4-9)、(4-10)、(4-11)三個(gè)式子想加消去tw1、tw2,整理后得到: (4-12)上面的式子也可以表示以下形式: (4-13)其中k稱為總的傳熱系數(shù),國際單位為W/(m2 ·K),數(shù)值上它等于冷熱流體間溫度差1、傳熱面積1m2的時(shí)候的熱流量的值,是表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺??梢缘贸觯?(4-14)另一方面,如果把(4-14)兩邊同時(shí)取倒數(shù)可以得到: (4-15)或者: (4-16)將(4-13)寫成以下形式: (4-17)并且和電學(xué)中的歐姆定律I=U/R相對(duì)比,不難發(fā)現(xiàn)1
37、/(Sk)具有類似電阻的作用,稱為傳熱過程中的熱阻。由類似的方法可知1/(Sh1)、d/(S)、1/(Sh2)分別是各個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻,串聯(lián)相加即得到總的熱阻。熱阻的國際單位為(m2 ·K)/W,用RT表示。運(yùn)用以上分析,對(duì)于電容器元件,我們知道無論是圓柱形外殼金屬化膜電容器還是長方形(扁形)外殼金屬化膜電容器,在熱穩(wěn)定狀態(tài)下電容器的某一個(gè)部位的溫升等于電容器內(nèi)部發(fā)熱功率和相應(yīng)某一部分的熱阻的乘積,電容器的總溫升等于電容器內(nèi)部發(fā)熱功率和總熱阻的乘積。比如:假設(shè)電容器內(nèi)部發(fā)熱平均功率為P,從介質(zhì)最熱點(diǎn)到外殼表面的熱阻為RTin,從外殼表面到外界工作環(huán)境的熱阻為RTout。于是:對(duì)于電容器的
38、內(nèi)部溫升(介質(zhì)最熱點(diǎn)到外殼表面)有: (4-18)對(duì)于電容器的外部溫升(外殼表面到外界環(huán)境)有: (4-19)對(duì)于電容器的總的溫升(介質(zhì)最熱點(diǎn)到外界環(huán)境)有: (4-20)另外還可以定義電容器外殼的散熱系數(shù),來表征電容器的散熱能力,用T表示,本質(zhì)就是電容器外殼到環(huán)境的傳熱系數(shù),國際單位和傳熱系數(shù)一樣W/(m2 ·K)。定義為下式: (4-21)其中S為有效散熱面積,RTout為外殼表面到外界工作環(huán)境的熱阻。又由于電容器外殼到外界環(huán)境的換熱方式主要有對(duì)流散熱和輻射散熱為主,因此電容器外殼散熱系數(shù)由對(duì)流散熱系數(shù)和輻射散熱系數(shù)兩部分構(gòu)成。即: (4-22)以上就是本課程設(shè)計(jì)所要運(yùn)用的電容器
39、內(nèi)部到外部的主要傳熱理論。五 重復(fù)頻率下金屬化膜電容器發(fā)熱計(jì)算的基本步驟1 發(fā)熱計(jì)算基本流程圖圖5-1 發(fā)熱計(jì)算基本流程圖2 發(fā)熱計(jì)算基本步驟 圖5-1為進(jìn)行發(fā)熱計(jì)算的基本流程,可以得出發(fā)熱計(jì)算大致分為如下四個(gè)步驟:(1) 通過脈沖模型和第四大部分討論的基本熱量計(jì)算理論方法得出電容器內(nèi)部平均發(fā)熱功率P。(2) 構(gòu)建電容器的結(jié)構(gòu)模型。(3) 通過步驟(1)中計(jì)算得出的平均發(fā)熱功率P以及步驟(2)所構(gòu)建的電容器結(jié)構(gòu)模型,再根據(jù)第四大部分討論的傳熱學(xué)基本理論分析推倒計(jì)算出電容器內(nèi)部溫升。(4) 通過步驟(2)所構(gòu)建的電容器結(jié)構(gòu)模型,再根據(jù)傳熱學(xué)的基本經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算電容器的外殼散熱系數(shù)。六 重復(fù)頻率下金屬化膜電容器發(fā)熱功率的計(jì)算與分析1 重復(fù)頻率下發(fā)熱功率的計(jì)算方法根據(jù)第四大部分所討論的內(nèi)容,電流脈沖模型的函數(shù)表達(dá)式為: (6-1)設(shè)金屬化膜電容器的等效串聯(lián)電阻ESR的大小為Req(),一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為T (s),重復(fù)頻率數(shù)值為n (Hz),則金屬化膜電容器的內(nèi)部平均發(fā)熱功率可通過如下積分式來計(jì)算: (6-2)通過積分、化簡等步驟,(6-2)可表示為: (6-3)因?yàn)?,所以?-3)可以進(jìn)一步寫為: (6-4)于是只要給定脈沖中電流I、重復(fù)頻率n、以及一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間T,再確定出金屬化膜電容器的等效串
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