DE19543358A1

DE19543358A1 - MKP-Kondensator für Nennspannungen von mehr als 1000 Volt

Info

Publication number: DE19543358A1
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: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2015-11-22
Also published as: DE19543358C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen MKP-Kondensator für Nennspannungen von mehr als 1000 Volt, der zwei aufge wickelte und mit Metallschichten versehene Kunststoffolien aufweist, die auf einander entgegengesetzten Längsseiten mit metallfreien Randstreifen versehen 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. Scheitelwerte einer Wechselspannung.

Bei großen Wechselrichtern, wie insbesondere in der Bahn technik, 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 Zwischenkreis-Spannungen bis ca. 2000 Volt wurden häufig selbstheilende Metallpapierkonden satoren (MP-Kondensatoren) eingesetzt. Bei MP-Kondensato ren war ein Durchschlag bis ca. 2000 Volt sicher selbst heilend. Bei höheren Spannungen sind die selbstheilenden Durchschläge 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 Verlustfaktors bei Wechsel spannung-Anwendungen (Leistungs-Kondensatoren, Motor-Kon densatoren, Leuchtstofflampen-Kondensatoren) nicht mehr üblich.

Es setzen sich dagegen die üblichen Wechselspannung-Kon densatoren 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 Gleichspannung-Anwendungen durch. Die MKP-Kondensatoren weisen jedoch den Nachteil auf, daß das Selbstheilverfah ren aufgrund der schlechteren thermischen und mechanischen Eigenschaften des Polypropylens (PP) gegenüber dem Metall papier (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 senk recht zur Längsseite der Folie erstreckende Segmente unterteilt ist, bei dem die Metallschichten im Randbe reich, der mit der Schoop-Schicht kontaktiert ist, einen durchgehend metallisierten Randstreifen besitzen und bei dem zwischen dem metallisierten Randstreifen und den ein zelnen Segmenten Sicherungsengstellen angeordnet sind. Diese Sicherungsengstellen sollen bei einem Durchschlag in einem Segment wie eine Sicherung schmelzen und somit das beschädigte Segment abtrennen. Nachteilig ist, daß nach mehreren Durchschlägen durch das Schmelzen der inneren Sicherungen größere Belagflächen isoliert werden. Dies führt zu einem erheblichen Kapazitätsverlust. Weiterhin führt das Durchschmelzen der inneren Sicherungen 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 betroffen sind. Ferner sind die Kondensatoren nicht für Wechselspan nungen 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 Verlustlei stung.

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

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß beide Metallschichten durch Trennlinien, die unter einem jeweiligen Winkel α bzw. β mit |α| < 90° und |β| < 90° zu den Längsseiten der Kunststoffolien verlaufen, in Metall streifen aufgeteilt sind, wobei die Trennlinien auf den beiden Kunststoffolien in zueinander entgegengesetzter Richtung verlaufen und die Winkel α und β derart ausge wählt sind, daß die horizontale Projektion s bzw. u der Trennlinien mindestens dem jeweiligen horizontalen Abstand b bzw. c zwischen benachbarten Trennlinien 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 angeord net 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 Trennli nien auf mindestens einer der Kunstoffolien nicht äquidi stant angeordnet sind.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Trennlinien sich auf mindestens einer der Kunststoffolien bis zu der jeweiligen Schoop- Schicht erstrecken.

Weiterhin kann in einer besonderen Ausführungsform vorge sehen 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 jeweiligen Schoop-Schicht en den, 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 Anordnung der Trennlinien jeweils ein Metallstreifen der einen Kunststoffolie und ein Me tallstreifen der anderen Kunststoffolie nur eine kleine Fläche gemeinsam überdecken. Nur diese kleine Kondensator fläche liefert bei einem Durchschlag in diesem Bereich die Entladeenergie mit einer sehr kurzen Entladezeitkonstante. Alle übrigen Stromanteile fließen auf Wegen, die große Flächen einschließen. Diese einzelnen Stromkreise haben eine vergleichsweise hohe Induktivität. Diese hohe Induk tivität und auch ein deutlich höherer Ohm′scher Widerstand im Vergleich zu parallelen Segmenten führt zu einem lang samen Stromanstieg und damit zu einem guten Selbstheilver halten. Der Stromfluß nach außen sieht jedoch einen nicht wesentlich höheren induktiven Widerstand vor als ein nor maler MKP-Kondensator. Weiterhin stellt das Fehlen innerer Sicherungen, die die Segmente abtrennen können, einen we sentlichen Vorteil dar, da der Kapazitätsverlust nur den Verlust der bei einem selbstheilenden Durchschlag ver dampften Fläche entspricht. Dieser ist erfahrungsgemäß bei sicher selbstheilenden Kondensatoren sehr gering.

MKP-Kondensatoren mit schrägen Trennlinien in den Metall schichten 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 Trenn linien. Im Gegensatz dazu ist der Reihenwiderstand eines MKP-Kondensators mit Segmenten und inneren Sicherungen wesentlich höher. Dies kommt insbesondere bei Gleichspan nung-Filterkondensatoren zum Tragen, die mit Gleichspan nung und überlagerter Wechselspannung betrieben werden. Der durch die überlagerte Wechselspannung hervorgerufene Kondensator-Effektivstrom führt in dem hohen Reihenwider stand zu Verlusten und einer schädlichen Erwärmung des Kondensators.

Wenn die Trennlinien gemäß einer besonderen Ausführungs form der Erfindung vor der jeweiligen Schoop-Schicht (Kon taktbrücke) enden, werden die Kontaktbrücken von den Strömen eines Durchschlags entlastet. Enden die Trenn linien z. B. etwa um die Breite des metallfreien Randstrei fens plus der Breite des Versatzes zwischen den Längssei ten der Kunststoffolien vor der Kontaktbrücke, dann befin det sich der Bereich ohne Trennlinien in einem feldfreien 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 Kunststoffo lienpaar einer ersten Ausführungsform von einem MKP-Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2 eine Aufsicht auf ein abgewickeltes Kunststoffo lienpaar einer zweiten Ausführungsform von einem MKP-Kondensator gemäß der vorliegenden Erfin dung.

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 Stirnseiten des Wickels mit Schoop-Schichten (Kontakt brücken) 22 und 24 kontaktiert sind. Die Kunststoffolien 18 und 20 weisen auf einander entgegengesetzten Längssei ten metallfreie Randstreifen 19 und 21 auf. Beide Metall schichten 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 verlau fen, in Metallstreifen aufgeteilt, wobei die Trennlinien 14 bzw. 16 auf den beiden Kunststoffolien 18, 20 in zuein ander entgegengesetzter Richtung verlaufen. Die Winkel α und β sind derart gewählt, daß die horizontalen Projektio nen 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 Kunststoffolien 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 über decken. Nur diese kleine Kondensatorfläche liefert bei einem Durchschlag in diesem Bereich die Entladeenergie mit sehr kurzer Entladezeitkonstante. Alle übrigen Stroman teile 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 Stromanteile 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 Trenn linien 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 zwischen den Längsseiten der Kunststoffolien entspricht. Damit wird erreicht, daß der Bereich ohne Trennlinien in einem feldfreien Bereich liegt, in dem keine Durchschläge auftreten können. Das Bezugszeichen 26 kennzeichnet wiederum eine Durchschlagstelle und die unterbrochenen Linien zeigen mögliche Stromanteile und deren Wege.

Die Neigungswinkel und Abstände der Trennlinien können auf beiden Metallschichten durchaus 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 Induktivitä ten und Widerstand des Entladekreises bei geringstmögli cher Erhöhung des Reihenwiderstandes zu optimieren.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiede nen Ausführungsformen wesentlich sein.

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
a Winkel zwischen einer Trennlinie und einer Längsseite von 10
b 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 ver sehene Kunststoffolien aufweist, die auf einander entge gengesetzten Längsseiten mit metallfreien Randstreifen versehen sind, bei dem die Metallschichten an den Stirn seiten 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 verlau fen und
die Winkel α und β derart ausgewählt sind, daß die jewei lige horizontale Projektion (s bzw. u) der Trennlinien (14 bzw. 16) 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 und 16) auf beiden Kunststoffolien (18 und 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.