DE2826481A1

DE2826481A1 - Regenerierfaehiger elektrischer kondensator

Info

Publication number: DE2826481A1
Application number: DE19782826481
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Phys Hoyler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-01-28
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1980-01-03
Also published as: DE2826481C2

Description

Regenerierfähiger elektrischer Kondensator
Die Erfindung betrifft einen regenerierfähigen elektrischen Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen, welcher aus aufgewickelten Lagen von mit Metallbelägen versehenen Kunststoffolien besteht, wobei metallfreie Randstreifen auf den Längsseiten der Folien angeordnet sind, und bei dem die Metallbeläge aus einer Legierung von Aluminium mit einem oder mehreren Metallen bestehen, deren Oxide einen spezifischen Widerstand S c 109 Ohm cm besitzen nach Patentanmeldung P 27 03 636.8-33.
Die Legierungsbeläge dieser Kondensatoren weisen im Vergleich zu reinen Aluminium-Belägen gleicher Dicke niedrigere Flächenleitwerte auf. Der durch Energieverluste im Metallbelag entstehende Anteil des Verlustfaktors tan; ist bei sinusförmiger Wechselspannung der Kreisfrequenz # gegeben durch tan;= (4 z t u2) (1+3 v/u)/3 dL, wobei d die Dicke des Dielektrikums, S die Dielektrizitätszahl, #0 die elektrische Feldkonstante, L den Flächenleitwert, u den kapazitiv wirksamen Anteil und v den kapazitiv nicht wirksamen Anteil der Folienbreite bedeuten.
Aus der genannten Formel errechnet sich, daß z.B. bei L = 0,03 S, d = 6/um, u = 100 mm, # = 2,2 (Polypropylen) schon bei X = 2 Tt 50 Hz die Belagsverluste grö-Ber als die dielektrischen Verluste des Kondensators werden. Dies kann beim Betrieb von Leistungskondensatoren, wo Oberwellenanteile im 50 Hz-Netz nicht auszuschließen sind, zu unerwünschter Wärmeerzeugung im Kondensator führen.
Es ist zur Abhilfe nicht vorteilhaft, die Legierungsbeläge ueber die ganze Folienbreite dicker zu machen, um den Flächenleitwert zu erhöhen, weil dann an den nicht kontaktierten Belagskanten zahlreiche Durchschläge auftreten, die sich von dort aus nesterartig über die ganze kapazitive Fläche verteilen. Diese Durchschlage entstehen durch Teilentladungen im Bereich der hohen Randfeldstärke an den Kanten der Metallbeläge; denn die bei den dünneren Legierungsbelägen gemäß der Hauptanmeldung an den Netallkanten wirksam werdende Feldstärkeabsenkung durch leitfähige Oxide ist bei dickeren Belägen zeitlich so verzögert, daß bereits eine Dielektrikumsschädigung durch die Teilentladung entstehen kann, die zu einem Durchschlag führt, ehe die wirksame Oxidschicht ausgebildet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Kondensator gemaß der Hauptanmeldung derart weiterzubilden, daß auch bei höheren Wechselspannungsfrequenzen die Belagsverluste gering gehalten werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Metallbeläge senkrecht zur Langsrichtung der Folien eine variable Dicke aufweisen, daß die Dicke der Beläge in den den metallfreien Randstreifen angrenzenden Bereichen am geringsten ist und stetig zur gegenüberliegenden Folienseite zunimmt, und daß die Folien derart miteinander verwickelt sind, daß bei zwei aneinanderliegenden Folien die metallfreien Randstreifen an verschiedenen Seiten des Kondensators angeordnet sind.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Untesansprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung werden an Hand von Ausführungsbeispielen aufgezeigt. In der dazugehörenden Zeichnung zeigen: Fig. 1 den schematischen Querschnitt durch zwei Folienlagen des Kondensators, und Fig. 2 bzw. Fig. 3 den Verlauf der Flächenleitwerte zweier aneinanderliegender Folien.
In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch zwei aneinanderliegende Folien 1 und 2 mit den Metallbelägen 3 und 4 dargestellt. Die Dicke der Metallbeläge 3 und 4 ist dabei im Vergleich zur Dicke der Folien 1 und 2 zeichnerisch stark verzerrt dargestellt; in Wirklichkeit sind die Metallbeläge 3 und 4 wesentlich dünner als die Kunststoffolien 1 und 2. Die Dicke der Beläge 3 und 4 ist im Bereich der Freiränder 5 und 6 an den Kanten 7 und 8 am geringsten und steigt von diesen Bereichen ausgehend stetig zur gegenüberliegenden Folienseite an, so daß an den Kanten 9 und 10 die Beläge 3 und 4 am stärksten sind.
Wenn die beiden Metallbeläge 3 und 4 ein gleiches Profil aufweisen, so ist bei den aneinanderliegenden Folien 1 und 2 der mittlere Flächenleitwert der Beläge L0 = (L3+L4)/2 =(Lmax+Lmin)/2 und damit auch die mittlere Dicke über die kapazitiv wirksame Folienbreite u konstant. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil an allen übereinanderliegenden Stellen von u wenigstens einer der beiden Beläge 3 oder 4 einen für das Selbstheilverhalten ausreichend niedrigen Flächenleitwert L = Lo aufweist.
Bei Verwendung von Kunststoffolien 1, 2 aus Polypropylen und Metallbelägen 3, 4 aus einer Aluminium/Kupfer-Legierung mit 30 bis 80 % Kupfer liegt der Flächenleitwert an den Kanten 7, 8 der Metallbelage 3, 4 bevorzugt unter 0,02 S, was einer Dicke von unter 20-nm entspricht. Die Dicke der Beläge 3, 4 nimmt in Richtung auf die gegenüberliegenden Kanten 9, 10 derart zu, daß das Verhältnis der Flächenleitwerte an den Kanten 7, 8 zu den Flächenleitwerten an den Kanten 9, 10 zwischen 1:5 und 1 :30 beträgt. Die Stirnkontaktschichten des Kondensatorwickels werden im Bereich der Kanten 9, 10 angebracht. Dadurch erzielt man den Vorteil, daß die Schoopschichten besonders gut kontaktiert werden, da die GUte der Kontaktierung von der Dicke der Metallbeläge in den Randzonen abhängt.
Der Kondensator gemäß der Erfindung weist somit eine Reihe von Vorteilen auf, welche ein Kondensator mit gleichmäßiger Belagsstärke nicht besitzt: ein gutes Regenerierverhalten, niedrige dielektrische Verluste, gute Kontaktierung der Stirnkontaktschichten und eine gute Durchschlagsfestigkeit.
In den Figuren 2 und 3 sind die Flächenleitwerte L zweier übereinanderliegender Belagprofile verschiedener Art dargestellt. Dabei sind die Flächenleitwerte des einen Belags (L3) ausgezogen und diejenigen des anderen Belags (L4) gestrichelt dargestellt.
In Fig. 2 sind die Leitwerte L von Belagsprofilen dargestellt, welche von den Maximalwerten 1,max zu den Minimalwerten Lmin eine linear fallende Belagsstärke aufweisen. Es ergibt sich für die zwei übereinanderliegenden Beläge ein mittlerer Leitwert von L .
In der Fig. 3 sind die Flächenleitwerte L von Belägen dargestellt, bei denen die Belagsstärke Viertelkreisbögen um die Mittelpunkte (x = -u/2,L = Lo) bzw. (x = +u/2, L (Lmax+4min)/2= Lo) mit Radius (Lmax-Lmin) /2 sind. Auch in diesem Fall ergibt sich ein mittlerer Flächenleitwert Lo, der bei gleicher Belagsstärke in den Randbereichen denselben Wert aufweist wie bei dem linearen Verlauf der Belagsstärke gemäß Fig. 2.
Setzt man zum Vergleich die Belagsverluste bei einem Kondensator mit Belägen gleicher Starke und einem Leitwert Lo = 0,07 S = 100 %, so ergeben sich bei einem Verhältnis von Lmin/Lmax = 1/10 im Falle der Fig. 2 bei linearem Verlauf der Belagsstärke Belagsverluste von 77 96 und im Falle der Fig. 3 nur 61 % bei sonst gleichen Parametern. Somit ergeben sich bei den Kondensatoren gemäß der Erfindung mit stetig veränderbarer Belagsstärke geringere Belagsverluste als bei Belagsprofilen mit konstantem Flächenleitwert.
Neben den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Profilen sind auch andere gekrümmte Profile, z.B. solche aus Parabelstücken, deren Scheitel bei i max bzw. bei in liegen, und solche, die aus linearen und gekrümmten Bereichen bestehen, vorteilhaft.
5 PatentansprAche, 3 Figuren.

Claims

Patentansprüche 1. Regenerierfähiger elektrischer Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen, welcher aus aufgewickelten Lagen von mit Metallbelägen versehenen Kunststoffolien besteht, wobei metallfreie Randstreifen auf den Längsseiten der Folien angeordnet sind, und bei dem die Metallbeläge aus einer Legierung von Aluminium mit einem oder mehreren Metallen bestehen, deren Oxide einen spezifischen Widerstand 9 c 109 Ohm cm besitzen, nach Patentanmeldung P 27 03 636.8-33, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Metallbeläge (3, 4) senkrecht zur Längsrichtung der Folien (1, 2) eine variable Dicke aufweisen, daß die Dicke der Beläge (3, 4) in den den metallfreien Randstreifen (5, 6) angrenzenden Bereichen (7, 8) am geringsten ist und stetig zur gegenüberliegenden Folienseite zunimmt, und daß die Folien (1, 2) derart miteinander verwickelt sind, daß bei zwei aneinanderliegenden Folien (1, 2) die metallfreien Randstreifen (5, 6) an verschiedenen Seiten des Kondensators angeordnet sind.
2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verhältnis der Flächenleitwerte der Beläge an den beiden Folienseiten zwischen 5:1 und 30:1 beträgt.
3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Flächenleitwert der Beläge (7, 8) im Bereich der metallfreien Randstreifen (5, 6) kleiner als 0,02 S ist.
4. Elektrischer Konaensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der mittlere Flächenleitwert der Beläge (3, 4) zweier aneinanderliegender Folien (1, 2) konstant ist.
5. Elektrischer Kondensator nach einem oder mehreren der Anspruche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Beläge aus einer Legierung von Aluminium mit Kupfer im Verhältnis 20:80 bis 70:30 bestehen.