DE19543358C2

DE19543358C2 - MKP-Kondensator für Nennspannungen von mehr als 1000 Volt

Info

Publication number: DE19543358C2
Application number: DE19543358A
Authority: DE
Original assignee: Frako Kondensatoren und Anlagenabu GmbH
Current assignee: Frako Kondensatoren und Anlagenabu GmbH
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2015-11-22
Also published as: DE19543358A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen MKP-Kondensator für Nennspannungen von mehr als 1000 Volt, der zwei aufgewickelte und mit Metallschichten versehene Kunststoffolien aufweist, die auf einander entgegengesetzten Längsseiten mit metallfreien Randstreifen ver sehen sind, bei dem die Metallschichten an die Stirnseiten des Wickels mit Schoop-Schichten kontaktiert sind. Der Wert von 1000 Volt bezieht sich dabei auf Gleichspannung bzw. Schei telwerte einer Wechselspannung.

Bei großen Wechselrichtern, wie insbesondere in der Bahntechnik, sind heute Zwischenkreis- Spannungen von über 2500 Volt üblich, da Schaltelemente (Thyristoren und GTO-Thyri storen) mit Sperrspannungen bis 4500 Volt verfügbar sind. Bei den bisher üblichen Zwi schenkreis-Spannungen bis ca. 2000 Volt wurden häufig selbstheilende Metallpapierkonden satoren (MP-Kondensatoren) eingesetzt. Bei MP-Kondensatoren war ein Durchschlag bis ca. 2000 Volt sicher selbstheilend. Bei höheren Spannungen sind die selbstheilenden Durch schläge immer energiereicher und führen dazu, daß bei einem Durchschlag das Dielektrikum geschädigt wird. Dies führt zu Folgedurchschlägen und nach kurzer Betriebsdauer zu einer Zerstörung des Kondensators. Die MP-Kondensatoren sind heute wegen ihres hohen Verlust faktors bei Wechselspannung-Anwendungen (Leistungs-Kondensatoren, Motor-Konden satoren, Leuchtstofflampen-Kondensatoren) nicht mehr üblich.

Es setzen sich dagegen die üblichen Wechselspannung-Kondensatoren aus metallisiertem Polypropylen (metallisierte Kunststoffolien-Kondensatoren, auch MKP-Kondensatoren ge nannt) wegen ihrer einfachen Konstruktion und der besseren Verfügbarkeit des Dielektrikums immer mehr auch bei Gleichspannungs-Anwendungen durch. Die MKP-Kondensatoren wei sen jedoch den Nachteil auf, daß das Selbstheilverfahren aufgrund der schlechteren thermi schen und mechanischen Eigenschaften des Polypropylens (PP) gegenüber dem Metallpapier (MP) deutlich schlechter als bei MP-Kondensatoren ist. Normale MKP-Kondensatoren sind nur bis ca. 1000 Volt sicher selbstheilend.

Aus z. B. der DE-OS 43 28 615 ist ein MKP-Kondensator der gattungsgemäßen Art bekannt, bei dem die Metallschicht einer Folie durch metallfreie Zonen in einzelne sich senkrecht zur Längsseite der Folie erstreckende Segmente unterteilt ist, bei dem die Metallschichten im Randbereich, der mit der Schoop-Schicht kontaktiert ist, einen durchgehend metallisierten Randstreifen besitzen und bei dem zwischen dem metallisierten Randstreifen und den einzel nen Segmenten Sicherungsengstellen angeordnet sind. Diese Sicherungsengstellen sollen bei einem Durchschlag in einem Segment wie eine Sicherung schmelzen und somit das beschä digte Segment abtrennen. Nachteilig ist, daß nach mehreren Durchschlägen durch das Schmelzen der inneren Sicherungen größere Belagflächen isoliert werden. Dies führt zu ei nem erheblichen Kapazitätsverlust. Weiterhin führt das Durchschmelzen der inneren Siche rungen in der betreffenden Stelle zu einer thermischen Schädigung des Dielektrikums, d. h. das Dielektrikum wird auch an Stellen geschädigt, die nicht direkt von dem Durchschlag be troffen sind. Ferner sind die Kondensatoren nicht für Wechselspannungen geeignet, da durch die Stege der Reihenwiderstand sehr viel höher ist als bei normalen MKP-Kondensatoren. Dies führt zu einem hohen Verlustfaktor und dadurch bei Wechselspannungsanwendungen zu einer hohen Verlustleistung.

Aus der DE-PS 895 953 ist ein aus mehreren Reihen von Einzelkondensatoren aufgebauter Vielfachkondensator bekannt, bei dem die Metallisierung der Kondensatorenbelegungen aus schrägen, in gleicher Richtung verlaufenden Streifen besteht.

Aus der DE-PS 40 10 753 C1 ist eine Folie zum Herstellen von selbstheilenden Kondensato ren mit Schlitzen bekannt, welche den Metallauftrag in Flächenelemente geringer Erstreckung aufteilen, wobei die Flächenelemente über elektrisch leitende Brücken miteinander verbunden sind. Die Flächenelemente weisen eine geringe Kapazität auf und liefern somit bei einem Durchschlag einen geringen Strom mit einer kurzen Entladezeitkonstanten. Die Zufuhr weite re Energie wird durch den hohen Widerstand der Brücken verzögert.

Die FR 26 51 602 zeigt eine metallisierte dielektrische Folie in Form eines Rasters mit Berei chen, die über elektrisch leitfähige Brücken miteinander verbunden sind. Die Stege weisen eine Sicherungsfunktion auf. Die Zufuhr weiterer Energie nach einem Durchschlag wird durch einen hohen Widerstand der Brücken verzögert.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Kon densator derart weiterzubilden, daß er auch bei Nennspannungen von mehr als ca. 1000 Volt ein sicheres Selbstheilverhalten aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, beide Metallschichten (10, 12) durch Trennlinien (14, 16), die unter einem jeweiligen Winkel α bzw. β mit |α| < 90° und |β| < 90° zu den Längsseiten der Kunststoffolien (18, 20) verlaufen, in Metallstreifen aufgeteilt sind, wobei die Trennlinien (14, 16) auf den beiden Kunststoffolien (18, 20) zueinander in entge gengesetzter Richtung verlaufen und die Winkel α und β derart ausgewählt sind, daß die jeweilige Projektion (s bzw. u) der Trennlinien (14 bzw. 16) auf die metallfreien Randstreifen (19 bzw. 21) mindestens dem jeweiligen horizontalen Abstand (b bzw. c) zwischen benach barten Trennlinien (14 bzw. 16) entspricht.

Dabei kann vorgesehen sein, daß |α| = |β| ist.

Andererseits kann auch vorgesehen sein, daß |α| ≠ |β| ist.

Vorzugsweise nimmt das Verhältnis s/b Werte im Bereich von 2 bis 5 an.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Trennlinien auf mindestens einer der Kunststoffolien äquidistant angeordnet sind.

In einer besonderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die Abstände zwischen den Trennlinien auf beiden Kunststoffolien gleichgroß sind.

Andererseits kann auch vorgesehen sein, daß die Trennlinien auf mindestens einer der Kun stoffolien nicht äquidistant angeordnet sind.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Trennlini en sich auf mindestens einer der Kunststoffolien bis zu der jeweiligen Schoop-Schicht er strecken.

Weiterhin kann in einer besonderen Ausführungsform vorgesehen sein, daß die Trennlinien auf mindestens einer der Kunststoffolien vor der jeweiligen Schoop-Schicht enden.

Dabei kann vorgesehen sein, daß die Trennlinien in einem vertikalen Abstand vor der jeweili gen Schoop-Schicht enden, der der Breite r des metallfreien Randstreifens plus der Breite t des Versatzes zwischen den Längsseiten der Kunststoffolie entspricht.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch eine schräge Anord nung der Trennlinien jeweils ein Metallstreifen der einen Kunststoffolie und ein Metallstrei fen der anderen Kunststoffolie nur eine kleine Fläche gemeinsam überdecken. Nur diese klei ne Kondensatorfläche liefert bei einem Durchschlag in diesem Bereich die Entladeenergie mit einer sehr kurzen Entladezeitkonstante. Alle übrigen Stromanteile fließen auf Wegen, die gro ße Flächen einschließen. Diese einzelnen Stromkreise haben eine vergleichsweise hohe In duktivität. Diese hohe Induktivität und auch ein deutlich höherer Ohmscher Widerstand im Vergleich zu parallelen Segmenten führt zu einem langsamen Stromanstieg und damit zu ei nem guten Selbstheilverhalten. Der Stromfluß nach außen sieht jedoch einen nicht wesentlich höheren induktiven Widerstand vor als ein normaler MKP-Kondensator. Weiterhin stellt das Fehlen innerer Sicherungen, die die Segmente abtrennen können, einen wesentlichen Vorteil dar, da der Kapazitätsverlust nur den Verlust der bei einem selbstheilenden Durchschlag ver dampften Fläche entspricht. Dieser ist erfahrungsgemäß bei sicher selbstheilenden Konden satoren sehr gering.

MKP-Kondensatoren mit schrägen Trennlinien in den Metallschichten können im Gegensatz zu MKP-Kondensatoren mit segmentierten Metallschichten sowohl für Gleichspannung als auch für Wechselspannung eingesetzt werden, da der ohmsche Reihenwiderstand des MKP- Kondensators durch die schrägen Trennlinien nur wenig größer ist als ohne Trennlinien. Im Gegensatz dazu ist der Reihenwiderstand eines MKP-Kondensators mit Segmenten und inne ren Sicherungen wesentlich höher. Dies kommt insbesondere bei Gleichspannungs- Filterkondensatoren zum Tragen, die mit Gleichspannung und überlagerter Wechselspannung betrieben werden. Der durch die überlagerte Wechselspannung hervorgerufene Kondensator- Effektivstrom führt in dem hohen Reihenwiderstand zu Verlusten und einer schädlichen Er wärmung des Kondensators.

Wenn die Trennlinien gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung vor der je weiligen Schoop-Schicht (Kontaktbrücke) enden, werden die Kontaktbrücken von den Strö men eines Durchschlags entlastet. Enden die Trennlinien z. B. etwa um die Breite des metall freien Randstreifens plus der Breite des Versatzes zwischen den Längsseiten der Kunststoffo lien vor der Kontaktbrücke, dann befindet sich der Bereich ohne Trennlinien in einem feld freien Bereich, in dem keine Durchschläge auftreten können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachstehenden Beschreibung, in der zwei Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein abgewickeltes Kunststoffolienpaar einer ersten Ausführungsform von einem MKP-Kondensator gemäß der vorliegen den Erfindung und

Fig. 2 eine Aufsicht auf ein abgewickeltes Kunststoffolienpaar einer zweiten Ausführungsform von einem MKP-Kondensator gemäß der vorliegen den Erfindung.

In Fig. 1 sind zwei übereinanderliegende Kunststoffolien 18 und 20 gezeigt, die jeweils mit einer Metallschicht 10 bzw. 12 auf ihrer Oberseite versehen sind, die wiederum an den Stirn seiten des Wickels mit Schoop-Schichten (Kontaktbrücken) 22 und 24 kontaktiert sind. Die Kunststoffolien 18 und 20 weisen auf einander entgegengesetzten Längsseiten metallfreie Randstreifen 19 und 21 auf. Beide Metallschichten 10 und 12 sind durch Trennlinien 14 bzw. 16, die unter einem jeweiligen Winkel α bzw. β mit |α| = |β| = 45° zu den Längsseiten der Kunststoffolien 18 bzw. 20 verlaufen, in Metallstreifen aufgeteilt, wobei die Trennlinien 14 bzw. 16 auf den beiden Kunststoffolien 18, 20 in zueinander entgegengesetzter Richtung ver laufen. Die Winkel á und â sind derart gewählt, daß die horizontalen Projektionen s und u der Trennlinien 14 bzw. 16 einem Mehrfachen des horizontalen Abstands b bzw. c zwischen benachbarten Trennlinien 14 bzw. 16 entsprechen. Das Bezugszeichen 26 kennzeichnet eine Durchschlagstelle. Die erfindungsgemäße schräge Anordnung der Trennlinien bei den Kunst stoffolien in entgegengesetzter Richtung führt zu dem Effekt, daß jeweils ein Metallstreifen der einen Kunststoffolie und ein Metallstreifen der anderen Kunststoffolie nur eine kleine Fläche (beispielhaft schattiert) gemeinsam überdecken. Nur diese kleine Kondensatorfläche liefert bei einem Durchschlag in diesem Bereich die Entladeenergie mit sehr kurzer Entlade zeitkonstante. Alle übrigen Stromanteile fließen auf Wegen, die große Flächen einschließen. Diese einzelnen Stromkreise haben eine vergleichsweise hohe Induktivität. Dies führt zu dem gewünschten langsamen Stromanstieg. Die unterbrochenen Linien sind Beispiele für Stro manteile und ihre Wege. Die Größe s muß mindestens der Größe b entsprechen. Je größer s ist, desto größer ist die Induktivität und der ohmsche Widerstand des Entladekreises und desto kleiner die Kapazität des Entladekreises mit kleinster Entladezeitkonstante. Vorteilhaft sind Werte eines Verhältnisses s/b von etwa 2 bis 5.

Fig. 2 zeigt übereinanderliegende Kunststoffolien 18 und 20 mit jeweiligen Metallschichten 10 und 12. Anders als bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 enden die Trennlinien 14 bzw. 16 vor einer jeweiligen Schoop-Schicht 22 bzw. 24 in einem vertikalen Abstand d, der der Summe aus der Breite r des metallfreien Randstreifens und der Breite t des Versatzes zwi schen den Längsseiten der Kunststofffolien entspricht. Damit wird erreicht, daß der Bereich ohne Trennlinien in einem feldfreien Bereich liegt, in dem keine Durchschläge auftreten kön nen. Das Bezugszeichen 26 kennzeichnet wiederum eine Durchschlagstelle und die unterbro chenen Linien zeigen mögliche Stromanteile und deren Wege.

Die Neigungswinkel und Abstände der Trennlinien können auf beiden Metallschichten durch aus auch unterschiedlich sein. Maßgebend sind die gemeinsam überdeckte Fläche sowie der Widerstand und die Induktivität des Stromkreises bei einem Durchschlag. Diese Größen sind im Hinblick auf eine kleinstmögliche Entladefläche, größtmögliche Induktivitäten und Wider stand des Entladekreises bei geringstmöglicher Erhöhung des Reihenwiderstandes zu optimie ren.

Bezugszeichenliste

10

,

12

Metallschicht

14

,

16

Trennlinien

18

,

20

Kunststoffolie

19

,

21

Randstreifen

22

,

24

Schoop-Schicht

26

Durchschlagstelle
b horizontaler Abstand zwischen benachbarten Trennlinien von

10

c horizontaler Abstand zwischen benachbarten Trennlinien von

12

d vertikaler Abstand einer Trennlinie zu einer Schoop-Schicht
r Breite eines metallfreien Randstreifens
s horizontale Projektion einer Trennlinie von

10

t Breite des Versatzes zwischen den Längsseiten der Kunststoffolien
u horizontale Projektion einer Trennlinie von

12

α Winkel zwischen einer Trennlinie und einer Längsseite von

10

β Winkel zwischen einer Trennlinie und einer Längsseite von

12

Claims

1. MKP-Kondensator für Nennspannungen von mehr als 1000 Volt, der zwei aufgewickelte und mit Metallschichten versehene Kunststoffolien aufweist, die auf einander entgegenge setzten Längsseiten mit metallfreien Randstreifen versehen sind, bei dem die Metall schichten an den Stirnseiten des Wickels mit Schoop-Schichten kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß beide Metallschichten (10, 12) durch Trennlinien (14, 16), die unter einem jeweiligen Winkel α bzw. β mit |α| < 90° und |β| < 90° zu den Längsseiten der Kunststoffolien (18, 20) verlaufen, in Metallstreifen aufgeteilt sind, wobei die Trennlinien (14, 16) auf den beiden Kunststoffolien (18, 20) zueinander in entgegengesetzter Richtung verlaufen und die Winkel α und β derart ausgewählt sind, daß die jeweilige Projektion (s bzw. u) der Trennlinien (14 bzw. 16) auf die metallfreien Randstreifen (19 bzw. 21) mindestens dem jeweiligen horizontalen Abstand (b bzw. c) zwischen benachbarten Trennlinien (14 bzw. 16) entspricht.

2. MKP-Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß |α| = |β| ist.

3. MKP-Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß |α| ≠ |β| ist.

4. MKP-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß das Verhältnis s/b Werte im Be reich von 2 bis 5 annimmt.

5. MKP-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Trennlinien (14, 16) auf mindestens einer der Kunststoffolien (18, 20) äquidistant angeordnet sind.

6. MKP-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Trenn linien (14 u. 16) auf beiden Kunststoffolien (18 u. 20) gleichgroß sind.

7. MKP-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Trennlinien (14, 16) auf mindestens einer der Kunststoffolien (18, 20) nicht äqui distant angeordnet sind.

8. MKP-Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennlinien (14, 16) sich auf mindestens einer der Kunststoffolien (18, 20) bis zu der jeweiligen Schoop-Schicht (22, 24) erstrecken.

9. MKP-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Trennlinien (14, 16) auf mindestens einer der Kunststoffolien (18, 20) vor der je weiligen Schoop-Schicht (22, 24) enden.

10. MKP-Kondensator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß die Trennlinien (14, 16) in einem vertikalen Ab stand (d) vor der jeweiligen Schoop-Schicht (22, 24) en den, der der Breite (r) des metallfreien Randstreifens (19, 21) plus der Breite (t) des Versatzes zwischen den Längsseiten der Kunststoffolien (18, 20) entspricht.