СОСТАВНАЯ ЕМКОСТЬ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
COMPOSITE CAPACITY AND ITS APPLICATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области емкостных компонентов для электрических силовых устройств и, в частности, к составной емкости, применяемой в качестве емкости звена цепи постоянного тока в преобразователе частоты электрической энергии.
Уровень техники
Преобразователь частоты электрической энергии преобразует одно- или трехфазное напряжение в переменное напряжение другой частоты и/или с другим числом фаз. Известный на сегодня частотный преобразователь, показанный на фиг.8, в общем содержит выпрямитель, преобразующий переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), обратный преобразователь, преобразующий постоянный ток (DC) в переменный ток (AC), а также звено цепи постоянного тока, соединяющее выпрямитель с обратным преобразователем. Звено цепи постоянного тока содержит емкостный компонент, действующий в качестве накопителя энергии и фильтра для напряжения звена цепи постоянного тока.
Обычный емкостной компонент, применяемый в преобразователе частоты электрической энергии или другом силовом устройстве, содержит один или несколько конденсаторов, которые смонтированы непосредственно на основной схемной плате силового частотного преобразователя, и обычно занимают большую площадь на основной схемной плате. Кроме того, для изготовителя силовых устройств на основе конденсаторов различных их типов, актуальным является вопрос комплексного снабжения. Наконец, замена вышедшего из строя конденсатора на основной схемной плате может быть затратным по времени и затруднительным.
Таким образом, задачей данного изобретения является усовершенствование емкостного компонента, в котором устранены вышеотмеченные недостатки.
Патент США US 6215278 раскрывает один тип конденсаторных модулей в виде коробки с улучшенной плотностью упаковки и размещения последовательно соединенных конденсаторов, подлежащих установке в конденсаторные батареи с радиатором, смонтированным на концевой поверхности модулей, расположенной сбоку батареи. Гибкие печатные схемы, расположенные на поверхности модуля, включают в себя межсоединения для контролирующих сигналов. Согнутые конденсаторы не жестко смонтированы на опорной плате, но плотно втиснуты между двумя пластинами под давлением на противоположных концах собранных элементов.
Патент США US 4912597 раскрывает конденсаторную батарею с десятью базовыми конденсаторами, установленными друг за другом в двух параллельных рядах, причем конденсаторы каждого ряда электрически соединены с соответствующей одной из двух параллельных диэлектрических плат печатного монтажа (платы PCB). Обе платы PCB являются идентичными и содержат медное покрытие и диэлектрические полоски, выполненные и установленные точно одинаковым образом. Соответственно, оба модуля, состоящие, каждый из РСВ и ряда из пяти конденсаторов, являются физически не различимыми.
Раскрытие изобретения
Согласно данному изобретению предложена составная емкость, которая содержит множество физически различимых конденсаторных модулей, электрически соединенных друг с другом. Каждый из конденсаторных модулей содержит несколько основных конденсаторов, смонтированных на модульной плате печатного монтажа (PCB) и соединенных с ней, причем в каждом из указанного множества модулей все основные конденсаторы являются идентичными.
В контексте настоящего изобретения физически различимые конденсаторные модули проявляют разные механические и/или электрические свойства. Т.е. два конденсаторных модуля из множества физически различимых конденсаторных модулей могут иметь различное число основных конденсаторов. Или платы PCB двух модулей могут отличаться по форме, размеру, толщине или топографии. Указанные модули могут дополнительно различаться по внутреннему монтажу, печатным схемам, или электрическим межсоединениям смонтированных на них основных конденсаторов.
Формирование составной емкости из основных конденсаторов одного типа значительно упрощает как их изготовление, так и обслуживание. Пространственная гибкость, достигаемая благодаря применению множества электрически взаимно соединенных конденсаторных модулей, является предпочтительной в таких силовых устройствах, где объем, доступный для емкостного компонента внутри устройства, может быть ограничен, или иначе, ограничен по меньшей мере в одном направлении. Геометрически гибкая компоновка, обеспечиваемая отдельными конденсаторными модулями, включающая в себя возможность их расположения под произвольным углом друг к другу и занятия периферийных зон в силовом устройстве, которые обычные конденсаторные компоненты не могут заполнить, позволяет, в конце концов, занимать меньшее пространство внутри силового устройства.
Согласно предпочтительному варианту осуществления данного изобретения по меньшей мере один из конденсаторных модулей смонтирован на опорной плате, причем центральная ось всех установленных цилиндрических основных конденсаторов по существу параллельна поверхности опорной платы, и соединен с ней.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения, основные конденсаторы одного модуля установлены на одной стороне, или обеих сторонах модульной платы PCB. Для формирования общей емкости конденсаторного модуля, основные конденсаторы электрически соединены посредством печатных плат на модульной плате РСВ или внутри нее.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения, модули содержат дополнительные компоненты, такие как схемы деления напряжения, высокочастотные конденсаторы, схемы заряда и разряда, или конденсаторные диагностические схемы, установленные на модульной плате PCB. Дополнительные компоненты содействуют более полноценной функциональности составной емкости благодаря упрощению соединения с другими модулями, расширению полосы высокочастотного пропускания и диагностированию функционирования модуля соответственно.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения, модульная плата PCB может содержать отверстия, позволяющие пропускать охлаждающий воздух и устанавливать поток охлаждающего воздуха в направлении, параллельном центральной оси основных конденсаторов. Отверстия выполнены в зоне перекрытия открытой зоны между основными конденсаторами, где является видимой PCB, при рассмотрении модуля в указанном направлении.
Настоящее изобретение также касается применения вышеупомянутой составной емкости в качестве емкости в звене цепи постоянного тока в силовом частотном преобразователе в зоне, ограниченной низким или средним напряжением.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - составная емкость согласно изобретению;
фиг.2, 3 и 4 - три конденсаторных модуля для составной емкости;
фиг.5 и 6 - два схематичных сечения конденсаторного модуля;
фиг.7 - пять конденсаторных модулей, основанных на основных конденсаторах пяти разных типов;
фиг.8 - схема известного силового частотного преобразователя.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Фиг.1 показывает составную емкость с множеством конденсаторных модулей (32, 33, 34 и 35), причем каждый содержит модульную плату РСВ (плату печатного монтажа) и при этом смонтирован на опорной плате (31). Множество конденсаторных модулей электрически соединены друг с другом последовательно и/или параллельно посредством соответствующих соединительных схем на опорной плате. Конденсаторные модули и опорная плата вместе образуют составную емкость или емкостной компонент, подлежащий применению в электрическом силовом устройстве, например, силовом частотном преобразователе. Каждый конденсаторный модуль содержит одну единственную модульную плату PCB, а все цилиндрические основные конденсаторы (36), установленные на одной плате PCB, являются частью одного и того модуля. Конденсаторные модули смонтированы на опорной плате таким образом, что центральная ось всех цилиндрических основных конденсаторов по существу параллельна поверхности опорной платы.
Число смонтированных модулей, их взаимное расположение и размер каждого модуля (например, ширина, длина, толщина) могут быть выбраны произвольно, так что окончательная составная емкость может иметь общую форму, которая отличается от стандартного прямоугольного объема. В качестве примера, показанное на фиг.1 расположение конденсаторных модулей, приводит к образованию клиновидного общего объема. Общая емкость определяется совокупностью смонтированных на опорной плате модулей, числом основных конденсаторов в каждом модуле и особенностями электрического соединения основных конденсаторов.
По меньшей мере два из множества конденсаторных модулей являются физически различимыми с точки зрения, например, механических или электрических свойств. Т.е. платы РСВ этих различных модулей могут различаться по форме, размеру, толщине или топографии. Эти модули могут также иметь разное число основных конденсаторов и/или различаться по внутреннему монтажу или электрическим межсоединениям основных конденсаторов. Следовательно, общая емкость двух отдельных модулей может быть разной или одинаковой.
Структура и конфигурация составной емкости является очень гибкой и может быть оптимизирована добавлением или заполнением любого доступного пространства в электрическом силовом устройстве. По сравнению с традиционным емкостным компонентом, который использует лишь единичный ярусный объем, ближайший к поверхности платы PCB, предложенная составная емкость может, при вертикальной сборке, занять дополнительные части внутреннего пространства над поверхностью платы PCB. Например, конденсаторные модули (32, 33, 34, 35) на фиг.1, представляют от трех до шести основных конденсаторов (36), установленных следующими друг за другом в направлении, перпендикулярном опорной плате (31). Четыре конденсаторных модуля установлены параллельно друг другу. Однако для наибольшей эффективности применяют нерегулярно образованное пространство внутри конкретного силового электрического устройства, два или более модулей PCB могут альтернативно образовывать произвольный угол на внутреннем пересечении. Таким образом, предложенная составная емкость обеспечивает возможность оптимального использования доступного трехмерного пространства внутри электрического силового устройства.
Модули могут быть смонтированы на опорной плате различными методами соединения. Благодаря выбору подходящего соединительного средства модули могут быть легко и многократно установлены и удалены. Т.е. в случае не соответствующего функционирования единичного конденсаторного модуля, последний может быть просто заменен на запасной модуль. Кроме того, если во время работы силовому устройству потребуется другая общая емкость, на опорную плату могут быть соответственно добавлены или удалены с нее модули.
В соответствии со следующими задачами проекта, предпочтительным является создание конденсаторного модуля, основанного на большом числе основных конденсаторов небольшой емкости, вместо нескольких конденсаторов большой емкости. Тем самым, если из строя выйдет только один или несколько основных конденсаторов, в то время как другие основные конденсаторы будут продолжать соответственно работать, общая емкость только незначительно снизится. Таким образом, повышается надежность предложенного модуля.
Кроме того, благодаря массивному параллельному соединению небольших конденсаторов на низкоиндуктивной плате PCB, общая эквивалентная индуктивность рассеяния конденсаторного модуля становится очень низкой, что может привести к предпочтительному устойчивому режиму коммутации. Дополнительно, общее тепло, выделяемое большим числом небольших конденсаторов, обычно меньше тепла, выделяемого несколькими большими конденсаторами той же самой емкости.
Наконец, общая емкость формируется большим числом идентичных основных конденсаторов, что приводит к заметной экономии размера и упрощенному управлению цепи подачи питания.
На фиг.2 представлен первый индивидуальный конденсаторный модуль. Несколько идентичных основных конденсаторов (12) смонтированы на модульной плате (11) PCB. Тип и емкость основных конденсаторов может быть выбрана произвольно согласно требованием предусмотренного применения. На фиг.2 основные конденсаторы (12) смонтированы на обеих сторонах PCB (11). Альтернативно, основные конденсаторы (12) могут быть смонтированы только на одной стороне PCB (11). Количество основных конденсаторов, которое можно смонтировать на PCB, рассчитывают с учетом размеров PCB и площади основания каждого основного конденсатора. Т.е. при установке основных конденсаторов, бок о бок, в виде квадратной или даже треугольной плотно упакованной решетки, площадь поверхности PCB, занятая конденсаторами, является по существу идентичной общей площади поверхности PCB.
В дополнение к основным конденсаторам, установленным на PCB, фиг.3 показывает конденсаторный модуль с несколькими электронными компонентами (21). Для улучшения работоспособности или придания требуемой функциональности дополнительные электронные компоненты могут быть легко объединены с конденсаторным модулем. Дополнительные компоненты могут включать в себя схему деления напряжения, высокочастотный конденсатор и конденсаторную диагностическую схему.
Для улучшения полосы пропускания модуля могут быть интегрированы специально предусмотренные высокочастотные конденсаторы, соединенные параллельно с основными конденсаторами; а для диагностирования и улучшения сигнальной характеристики конденсаторного модуля может быть интегрирован диагностический датчик. Для осуществления простого последовательного соединения с другими конденсаторными модулями может быть обеспечена схема деления напряжения (например, параллельные резисторы). Далее дополнительные функции могут быть интегрированы посредством интегрирования схем заряда и разряда конденсатора.
Как отмечалось, для любой намеченной цели или приложения, конденсаторные модули, расположенные на плате PCB, могут быть оснащены различными соединителями. Хотя в качестве соединительного средства для конденсаторного модуля может быть использован любой коммерчески доступный тип соединителя, фиг.2 и фиг.3 показывают специально спроектированный сверх широкий низкоимпедансный соединитель (13). Соединитель (13) обеспечивает возможность легко и обратимо соединять конденсаторный модуль с опорной платой и отсоединять его от нее.
Следует отметить, что, несмотря на то, что показанные на фиг.2 и 3 платы PCB имеют квадратную форму, они могут быть выполнены с возможностью принятия также любой формы. Например, возможной является треугольная или круглая форма платы PCB и может быть она даже является предпочтительной с точки зрения внутреннего пространства электрического силового устройства, в котором она будет применена.
Фиг.4 иллюстрирует множество воздушных конвекционных отверстий (22), обеспеченных на плате PCB (11) конденсаторного модуля. Воздушные конвекционные отверстия позволяют охлаждающему воздуху протекать в направлении, параллельном смонтированным на плате РСВ основным конденсаторам (12). На концах отверстия выполнены на плате PCB так, что они по меньшей мере частично видны при рассмотрении платы PCB в направлении основных конденсаторов (12), т.е. отверстия в основном совпадают с промежутками между основными конденсаторами.
Фиг.5 и фиг.6 представляют два из множества возможных способов межсоединений основных конденсаторов на плате PCB.
Фиг.5 иллюстрирует сечение модуля со всеми основными конденсаторами (41), причем соединенными параллельно и смонтированными на одной стороне платы PCB. Плата PCB содержит три слоя, положительный проводящий слой (44), отрицательный проводящий слой (46), изолирующий слой (45), расположенный между двумя вьппеуказанными проводящими слоями. Положительный и отрицательный выводы (42, 43) основных конденсаторов соединены с положительным и отрицательным слоями (44, 46) в штыревых соединительных контактах (47, 49) в плате PCB. В частности, положительный вывод 42 соединяется с положительным проводящим слоем (44) в контакте (49), а отрицательный контакт пересекает положительный проводящий слой (44) через отверстие, или выемку (48), обеспеченную в положительном проводящем слое, и соединяется с отрицательным проводящим слоем (46) в контактной точке (47) на противоположной стороне платы PCB. Подобным образом основные конденсаторы могут быть смонтированы на обеих сторонах платы PCB и электрически соединены параллельно с помощью двух проводящих слоев.
На фиг.6 показано сечение модуля, в котором конденсаторы соединены попарно последовательно и смонтированы на одной стороне платы РСВ. Противоположно фиг.5, верхний проводящий слой разделен на первый верхний проводящий слой (610) и второй верхний проводящий слой (64), которые, оба, служат в качестве последовательных контактов с вышеупомянутыми соединителями, или с дополнительными соседними парами основных конденсаторов.
На фиг.6 все конденсаторы (61) (C1-C4) соединены с нижним проводящим слоем (611). При этом оба конденсатора C1 и C2 соединены с первым верхним проводящим слоем (610), а оба конденсатора C3 и C4 соединены со вторым верхним проводящим слоем (64). Таким образом, основные конденсаторы C1 и C2 соединены параллельно в виде первой группы; а основные конденсаторы C3 и C4 соединены параллельно в виде второй группы. Первая конденсаторная группа (C1, C2) соединена со второй конденсаторной группой (C3, C4) последовательно.
Фиг.7 представляет пять конденсаторных модулей (71, 72, 73, 74 и 75) по существу с идентичной общей емкостью, и основанных на основных конденсаторах пяти разных типов. Геометрическое и электрическое исполнение базовых конденсаторов обеспечивает следующие физические свойства:
2
3
- первый модуль A (71) содержит 4 основных конденсатора и его общая площадь поверхности составляет 252,675 мм; общий объем составляет 7,320,404 мм; общий импеданс Z max (10 кГц, 20°C) составляет 5 мОм; а характеристика общего пульсирующего тока I_AC max (100 Гц, 85°C) составляет 90,2 A;
2
- второй модуль B (72) содержит 6 основных конденсаторов и общая площадь поверхности составляет 247,815 мм; общий объем составляет 7,179,627 мм3; общий Z max (10 кГц, 20°C) составляет 4,67 мОм; общий I_AC max (100 Гц, 85°C) составляет 97,8 A;
2
3
- третий модуль C (73) содержит 33 основных конденсатора и его общая площадь поверхности составляет 431,624 мм; общий объем составляет 7,090,664 мм; общий Z max (10 кГц, 20°C) составляет 4,36 мОм; общий I_AC max (100 Гц, 85°C) составляет 151,8 A;
2
3
- четвертый модуль D (74) содержит 50 основных конденсаторов и его общая площадь поверхности составляет 653,975 мм; его общий объем составляет 10, 743, 430 мм; общий Z max (10 кГц, 20°C) составляет 4,88 мОм; и общий I_AC max (100 Гц, 85°C) составляет 170 A;
2
3
- пятый модуль E (75) содержит 270 основных конденсаторов и его общая площадь поверхности составляет 932,877 мм; общий объем составляет 6,534,000 мм; общий Z max (10 кГц, 20°C) составляет 4,3 мОм; общий I_AC max (100 Гц, 85°C) составляет 126,9 A.
Вышеперечисленные результаты моделирования показывают, что общий объем разных модулей имеет небольшую разницу. Тем не менее общая поверхность модуля 75 примерно в 4 раза выше, чем для модулей 71 и 72. Соответственно, ожидается, что тепловое рассеивание для модуля 75 ниже, чем для модулей 71 и 72. Кроме того, характеристики пульсирующего тока (I_AC) модулей 73, 74 и 75 значительно выше, чем для модулей 71 и 72.