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Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator
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Die Erfindung betrifft einen stirnkontaktierten elektrischen Wickelkondensator,
dessen Dielektrikum aus Kunststoffolien besteht, bei dem als Elektroden regenerierfähig
dünne Metallschichten auf beiden Seiten der Kunststoffolien versetzt angeordnet
sind, und bei dem zwischen den Kunststoffolien eine nichtmetallisierte Stützfolie
verwickelt ist, deren Rand bereich einen Wellen- oder Stufenschnitt aufweist.
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Derartige Kondensatoren sind aus der DE-A-32 24 194 bekannt. Der bekannte
Kondensator weist eine gesteigerte Formstabilität im Bereich der Wickelrandzonen
auf, ohne daß eine Verschlechterung der Kontaktierung damit verbunden wäre. Allerdings
sind dort die Stützfolien einerseits im elektrischen Feld angeordnet und bestehen
andererseits aus dem gleichen Material wie die Dielektrikumsfolien, d.h. beispielsweise
aus Polypropylen oder Polykarbonat. Es hat sich herausgestellt, daß mit dem geschilderten
Kondensatoraufbau die Formstabilität und damit die Kontaktqualität des in den stirnseitigen
Randbereichen des Kondensatorwickels stark temperaturabhängigen ist. Der Elastizitätsmodul
der genannten Kunststoffe nimmt nämlich derart ab, daß ein Umklappen der Folien
in den Randzonen auftreten kann, dies ist nur durch eine sehr genaue Temperaturführung
des Schoopprozesses zu vermeiden, bei der die zul. Grenztemperatur nicht überschritten
wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen stirnkontaktierten elektrischen
Wickelkondensator der eingangs genannten
Art anzugeben, der einerseits
temperaturunempfindliche Randzonen besitzt ist und der sich andererseits durch gute
elektrische Werte während des Betriebes auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stützfolie
feldfrei angeordnet ist, daß die Stützfolie aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul
besteht, der bis 2000C näherungsweise konstant bleibt.
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Damit wird der Vorteil erzielt, daß der Kondensatorwickel auch während
des Schoopprozesses, bei dem Temperaturen bis ca. 2000C auftreten können, in seinen
Randbereichen formstabil bleibt. Weiterhin wird durch die Anordnung der Stützfolie
im feldfreien Raum erreicht, daß für die Stützfolie auch Materialien verwendet werden
können, deren dielektrische Eigenschaften weniger gut sind, und die bei Anordnung
im elektrischen Feld zur Verschlechterung der dielektrischen Werte des Kondensators,
z.B.
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zu erhöhten Verlustfaktoren, führen würden.
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Bevorzugte Materialien für die Stützfolie sind z.B. Papier oder Polyimid,
die, im auftretenden Temperaturbereich beim 0 Schoopen bis ca. 200 C mechanisch
stabil sind.
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Der Wellenschnitt wird vorzugsweise mit einer Amplitude A von ca.
0,5 bis 2 mm und einer Wellenlänge 3 von ca. 0,5 bis 5 mm ausgeführt, wobei die
Stützfolie mit einem Versatz v von ca. -0,2 mm bis + 0,2 mm gegenüber den Dielektrikumsfolien
verwickelt ist.
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Es ist auch möglich, daß die Stützfolien nur an dem Rand mit einem
Wellen- oder Stufenschnitt versehen sind, der an der Kontaktierungsseite der Metallschichten
angeordnet ist.
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Die Dielektrikumsfolien bestehen bevorzugt aus Polypropylen, Polykarbonat
oder Polyester.
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Der Gegenstand der Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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In der dazugehörenden Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein Schnittbild eines
Kondensatorwickels, Fig. 2 eine Aufsicht der Stützfolie und Dielektrikumsfolie Fig.
3 einen vergrößerten Ausschnitt eines Randbereiches nach Fig. 1.
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Fig. 4 den Verlauf der Kapazitätsänderung und Fig. 5 den Verlauf des
Verlustfaktors im Dauerversuch.
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Fig. 1 zeigt einen Kondensatoraufbau, bei dem zwei dielektrische Kunststoffolien
1,2 auf ihren Oberflächen mit Metallisierungen 3 bis 6 versehen sind. Die Metallisierungen
3, 5 auf der einen Folienseite sind dabei gegenüber den Metallisierungen 4, 6 auf
der anderen Folienseite versetzt, so daß sich metallfreie Randstreifen auf jeweils
einer Folienseite ergeben. Die Kunststoffolien 1, 2 sind derart gewickelt, daß die
Metallisierungen 3, 6 zu der einen Seite und die Metallisierungen 4, 5 zur anderen
Seite geführt sind und dort mit in der Figur nicht dargestellten Schoopschichten
kontaktiert werden. Zwischen den Dielektrikumsfolien 1, 2 sind Stützfolien 7, 8
verwickelt, die in ihren Randbereichen 9 bis 12 mit einem Wellen- oder Stufenschnitt
versehen sind. Die Dielektrikumsfolien 1, 2 und die Stützfolien 7, 8 sind dabei
derart verwickelt, daß die Stützfolien 7, 8 zwischen zwei gleichpoligen Metallisierungen
angeordnet sind, so daß sich die Stützfolien 7, 8 im feldfreien Raum befinden.
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In der Fig. 2 ist eine Aufsicht der Stützfolie 8 und die Dielektrikumsfolie
dargestellt. Dort ist zu erkennen, daß in den Randbereichen der Stützfolie 8 ein
Wellenschnitt der Amplitude A und der Wellenlänge /2 angeordnet ist.
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Ferner ist zu erkennen, daß die Stützfolie 8 einen Versatz v (an den
Maxima gemessen) gegenüber den Dielektrikumsfolien besitzt. Dieser Versatz v kann
bei einer Amplitude A von ca. 0,5 bis ca. 2 mm und einer Wellenlänge J von ca.
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0,5 bis ca. 5 mm ca. -0,2 bis +0,2 mm betragen. Ein Versatz von -0,2
mm bedeutet dabei, daß die "Spitzen" des Wellenschnitts über die Kante der metallisierten
Dielektrikumsfolie geringfügig hinausragen.
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Die Stützfolien können ferner mit einem Wellen- bzw.
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Stufenschnitt nur an den Rändern versehen werden, die an der Kontaktierungsseite
der Metallschichten angeordnet sind. D.h., daß beispielsweise die Stützfolie 7 in
Fig. 1 nur im Randbereich 9 und die Stützfolie 8 nur im Randbereich 12 einen Stufenschnitt
aufweisen.
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Der andere Rand, der im Freirandbereich der Metallschichten angeordnet
ist, weist dann einen Glattschnitt auf.
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Durch die Verwendung von Stützfolien aus einem Material mit hohem
Elastizitätmodul, der bis ca. 2000C näherungsweise konstant bleibt (d.h. in diesem
Bereich einen geringen Temperaturkoeffizienten besitzt) und dem geschilderten Wellen-
bzw. Stufenschnitt im Rand bereich wird somit ein Umklappen der Folienrandzonen
der metallisierten Dielektrikumsfolien auch beim Schoopprozeß verhindert. Somit
ergibt sich eine bessere Kontaktierung, die den hohen Anforderungen an die Spitzenstrombelastbarkeit
gefügt, wie sie bei Anwendung in der Leistungselektronik auftritt.
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Die bessere Kontaktierung wird darauf zurückgeführt,
daß
die Formstabilität und damit das Umklappen der Folienrandzonen dem Elastizitätsmodul
proportional ist. Durch einen hohen Elastizitätsmodul der bis ca. 2000 C näherungsweise
erhalten bleibt,wird gewährleistet, daß die geforderte Formstabilität auch beim
Metallspritzen erhalten bleibt.
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Durch die geschilderten Maßnahmen wird erreicht, daß die elektrisch
wirksame Kontaktfläche zwischen den gleichpoligen Metallisierungen auf den Dielektrikumsfolien
und der aufgespritzten Metallschicht im Bereich des Wellenschnitts der unbedampften
Stützfolie soweit vergrößert wird, daß die Werte der Spitzenstrombelastbarkeit von
bekannten Kondensatoraufbauten mit metallisiertem Papier gleicher Metallschichtdicke
erreicht werden.
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Der erfindungsgemäße Kondensatorbau kann sowohl für unimprägnierte
als auch für imprägnierte Kondensatoren verwendet werden, wobei gleich hohe Werte
der Spitzenstrombelastbarkeit erzielt werden.
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Weiterhin weisen die erfindungsgemäßen Kondensatoren gute Selbstheileigenschaften,
insbesondere mit Papier als nichtmetallisierter Stütz folie, eine hohe Sprüheinsatzspannung
und eine Reduzierung der Feldstärke an den Belagkanten auf. Bei Verwendung in imprägnierten
Kondensatoraufbauten ist ferner eine gute Imprägnierbarkeit gewährleistet. Das Verhalten
bei starken und schnellen Temperaturänderungen im Betrieb wird entscheidend verbessert,
da sich kein Spalt im elektrischen Feld zwischen Dielektrikum und Metallisierung
befindet.
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In der Fig. 3 ist ein vergrößerter Randausschnitt der Fig. 1 gezeigt.
Dort ist ein Schnitt durch die Kontaktzone angegeben. Die Schoopschicht 13 dringt
bis zum tiefsten Punkt des Wellenschnitts ein. Der übertrieben breit dargestellte
Spalt zwischen den Dielektrikumsfolien 1 bzw. 2 und der Stützfolie 8 ist in Wirklichkeit
so eng, daß kein Schoopmaterial eindringen kann.
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In der Fig. 4 ist der Verlauf der Kapazitätsänderung d C/C und in
der Fig. 5 der Verlauf des Verlustfaktors tan d in Abhängigkeit von der Dauerversuchszeit
dargestellt Gemessen wurden die Werte bei der tiefen Temperatur von Temperaturwechsel-
Dauerversuchen unter Spannung ( - 25 OC 75 V/p). Die Kurven I beziehen sich auf
mit So6 und die Kurven II auf mit Mineralöl imprägnierte Kondensatoren gemäß dem
erfindungsgemäßen Auf-bau mit feldfrei angeordneter Stützfolie. Die Kurven III und
IV beziehen sich auf herkömmliche Kondensatoren mit Spalt im elektrischen Feld und
einer Imprägnierung mit Mineralöl bzw. DTE (Ditolyläther). Den Fig. 4 und 5 ist
zu entnehmen, daß die Werte des erfindungsgemäßen Kondensatoraufbaus (Spalt im feldfreien
Raum) sowohl bei Imprägnierung mit Mineralöl als auch bei Füllung mit SF6 günstiger
als bei herkömmlichen Aufbauten mit dem Spalt im elektrischen Feld sind, auch wenn
bei den bekannten Kondensatoren stark gasaufnehmende Imprägniermittel, z.B. PXE,
DTE bzw. deren Mischungen mit Mineralöl, zur Verbesserung angewendet werden.
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Bevorzugt werden Oberflächenrauhigkeit und Porosität der nichtmetallisierten
Stützfolie abhängig von Dielektrikumsbeschaffenheit, Wickelbreite und Wickelhärte
so gewählt, daß Imprägnierung und/oder Trocknung der Kondensatorwickel möglichst
kurze Zeit beanspruchen.
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Insbesondere kann damit bei erfindungsgemäß aufgebauten unimprägnierten
Kondensatoren die notwendige Trocknung wesentlich leichter als bei Vollkunststoff-Wickeln
realisiert werden, womit die Wickelbreite besser wirtschaftlichen Erfordernissen,
z.B.
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bei Anwendung der inneren Reihenschaltung, angepaßt werden kann.
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5 Patentansprüche 5 Figuren