DE3444979C2 - Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen stirnkontaktierten elektrischen Wickelkondensator, dessen Dielektrikum aus Kunststoffolien besteht, bei dem als Elektroden regenerierfähig dünne Metall­ schichten auf beiden Seiten der Kunststoffolien versetzt an­ geordnet sind, und bei dem zwischen den Kunststoffolien eine nichtmetallisierte Stützfolie verwickelt ist, deren Randbe­ reich einen Wellen- oder Stufenschnitt aufweist.

Derartige Kondensatoren sind aus der DE 32 24 194 A1 bekannt. Der bekannte Kondensator weist eine gesteigerte Formstabili­ tät im Bereich der Wickelrandzonen auf, ohne daß eine Ver­ schlechterung der Kontaktierung damit verbunden wäre. Aller­ dings 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 herausge­ stellt, daß mit dem geschilderten Kondensatoraufbau die Form­ stabilität und damit die Kontaktqualität in den stirnseitigen Randbereichen des Kondensatorwickels stark temperaturabhängig ist. Der Elastizitätsmodul der genannten Kunststoffe nimmt nämlich derart ab, daß ein Umklappen der Folien in den Rand­ zonen auftreten kann, dies ist nur durch eine sehr genaue Temperaturführung des Schoopprozesses zu vermeiden, bei der die zulässige Grenztemperatur nicht überschritten wird.

Aus der DE-OS 19 58 362 ist ein elektrischer Wickelkondensa­ tor mit metallisiertem Dielektrikum bekannt, bei dem Stütz­ folien im elektrischen Feld angeordnet sind.

Weiterhin ist aus der DE-OS 20 23 193 ein imprägnierter elek­ trischer Kondensator bekannt, dessen Dielektrikum ausschließ­ lich aus Kunststoffolien besteht. Die eine Elektrode des Kon­ densators wird durch aneinanderliegende Metallschichten gebildet, die einseitig auf den Kunststoffolien angeordnet und zu einer Stirnseite herausgeführt sind. Die andere Elektrode des Kondensators besteht aus Metallschichten, die beidseitig auf einer Papierfolie angeordnet und zu der anderen Stirnseite herausgeführt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen stirnkontaktierten elektrischen Wickelkondensator der eingangs genannten Art anzugeben, der einerseits temperaturunempfindliche Randzonen besitzt und der sich andererseits durch gute elektrische Werte während des Betriebes auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stützfolie feldfrei angeordnet ist, daß die Stütz­ folie aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul besteht, der bis 200°C näherungsweise konstant bleibt.

Damit wird der Vorteil erzielt, daß der Kondensatorwickel auch während des Schoopprozesses, bei dem Temperaturen . bis ca. 200°C 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 Verschlech­ terung der dielektrischen Werte des Kondensators, z. B. zu erhöhten Verlustfaktoren, führen würden.

Bevorzugte Materialien für die Stützfolie sind z. B. Papier oder Polyimid, die, im auftretenden Temperaturbereich beim Schoopen bis ca. 200°C mechanisch stabil sind.

Der Wellenschnitt wird vorzugsweise mit einer Amplitude A von ca. 0,5 bis 2 mm und einer Wellenlänge λ 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.

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.

Die Dielektrikumsfolien bestehen bevorzugt aus Polypro­ pylen, Polykarbonat oder Polyester.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend näher erläutert.

In der dazugehörenden Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild eines Kondensatorwickels,

Fig. 2 eine Aufsicht der Stützfolie und Dielektrikums­ folie

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt eines Randbe­ reiches nach Fig. 1.

Fig. 4 den Verlauf der Kapazitätsänderung und

Fig. 5 den Verlauf des Verlustfaktors im Dauerversuch.

Fig. 1 zeigt einen Kondensatoraufbau, bei dem zwei di­ elektrische Kunststoffolien 1, 2 auf ihren Oberflächen mit Metallisierungen 3 bis 6 versehen sind. Die Metalli­ sierungen 3, 5 auf der einen Folienseite sind dabei ge­ genüber den Metallisierungen 4, 6 auf der anderen Folien­ seite 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 Dielektri­ kumsfolien 1, 2 und die Stützfolien 7, 8 sind dabei derart verwickelt, daß die Stützfolien 7, 8 zwischen zwei gleich­ poligen Metallisierungen angeordnet sind, so daß sich die Stützfolien 7, 8 im feldfreien Raum befinden.

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 λ angeordnet ist.

Ferner ist zu erkennen, daß die Stützfolie 8 einen Versatz v (an den Maxima gemessen) gegenüber den Dielektrikumsfo­ lien besitzt. Dieser Versatz v kann bei einer Amplitude A von ca. 0,5 bis ca. 2 mm und einer Wellenlänge λ von ca. 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 Wellen­ schnitts über die Kante der metallisierten Dielektrikums­ folie geringfügig hinausragen.

Die Stützfolien können ferner mit einem Wellen- bzw. Stufenschnitt nur an den Rändern versehen werden, die an der Kontaktierungsseite der Metallschichten ange­ ordnet 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. Der andere Rand, der im Freirandbereich der Metall­ schichten angeordnet ist, weist dann einen Glattschnitt auf.

Durch die Verwendung von Stützfolien aus einem Material mit hohem Elastizitätmodul, der bis ca. 200°C näherungs­ weise konstant bleibt (d. h. in diesem Bereich einen ge­ ringen Temperaturkoeffizienten besitzt) und dem geschil­ derten Wellen- bzw. Stufenschnitt im Randbereich wird somit ein Umklappen der Folienrandzonen der metallisierten Di­ elektrikumsfolien auch beim Schoopprozeß verhindert. Somit ergibt sich eine bessere Kontaktierung, die den hohen An­ forderungen an die Spitzenstrombelastbarkeit genügt, wie sie bei Anwendung in der Leistungselektronik auftritt. Die bessere Kontaktierung wird darauf zurückgeführt, daß die Formstabilität und damit das Umklappen der Folien­ randzonen dem Elastizitätsmodul proportional ist. Durch einen hohen Elastizitätsmodul der bis ca. 200°C näherungs­ weise erhalten bleibt wird gewährleistet, daß die gefor­ derte Formstabilität auch beim Metallspritzen erhalten bleibt.

Durch die geschilderten Maßnahmen wird erreicht, daß die elektrisch wirksame Kontaktfläche zwischen den gleichpoligen Metallisierungen auf den Dielektrikums­ folien und der aufgespritzten Metallschicht im Bereich des Wellenschnitts der unbedampften Stützfolie soweit vergrößert wird, daß die Werte der Spitzenstrombelast­ barkeit von bekannten Kondensatoraufbauten mit metalli­ siertem Papier gleicher Metallschichtdicke erreicht werden.

Der erfindungsgemäße Kondensatoraufbau kann sowohl für unimprägnierte als auch für imprägnierte Kondensato­ ren verwendet werden, wobei gleich hohe Werte der Spitzenstrombelastbarkeit erzielt werden.

Weiterhin weisen die erfindungsgemäßen Kondensatoren gute Selbstheileigenschaften, insbesondere mit Papier als nichtmetallisierter Stützfolie, eine hohe Sprüh­ einsatzspannung und eine Reduzierung der Feldstärke an den Belagkanten auf. Bei Verwendung in imprägnierten Kondensatoraufbauten ist ferner eine gute Imprägnier­ barkeit gewährleistet. Das Verhalten bei starken und schnellen Temperaturänderungen im Betrieb wird entschei­ dend verbessert, da sich kein Spalt im elektrischen Feld zwischen Dielektrikum und Metallisierung befindet.

In der Fig. 3 ist ein vergrößerter Randausschnitt der Fig. 1 gezeigt. Dort ist ein Schnitt durch die Kontakt­ zone angegeben. Die Schoopschicht 13 dringt bis zum tiefsten Punkt des Wellenschnitts ein. Der übertrieben breit dargestellte Spalt zwischen den Dielektrikumsfo­ lien 1 bzw. 2 und der Stützfolie 8 ist in Wirklichkeit so eng, daß kein Schoopmaterial eindringen kann.

In der Fig. 4 ist der Verlauf der Kapazitätsänderung Δ C/C und in der Fig. 5 der Verlauf des Verlustfak­ tors tan δ in Abhängigkeit von der Dauerversuchszeit dar­ gestellt. Gemessen wurden die Werte bei der tiefen Temperatur von Temperaturwechsel- Dauerversuchen unter Spannung (-25°C, 75 V/µ). Die Kurven I beziehen sich auf mit SF₆ und die Kurven II auf mit Mineralöl imprä­ gnierte Kondensatoren gemäß dem erfindungsgemäßen Aufbau 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.

Bevorzugt werden Oberflächenrauhigkeit und Porosität der nichtmetallisierten Stützfolie abhängig von Dielektri­ kumsbeschaffenheit, Wickelbreite und Wickelhärte so gewählt, daß Imprägnierung und/oder Trocknung der Kondensatorwickel möglichst kurze Zeit beanspruchen.

Insbesondere kann damit bei erfindungsgemäß aufge­ bauten unimprägnierten Kondensatoren die notwendige Trocknung wesentlich leichter als bei Vollkunst­ stoff-Wickeln realisiert werden, womit die Wickel­ breite besser wirtschaftlichen Erfordernissen, z. B. bei Anwendung der inneren Reihenschaltung, ange­ paßt werden kann.

Claims (5)

1. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator, dessen Dielektrikum aus Kunststoffolien besteht, bei dem als Elektroden regenerierfähig dünne Metall­ schichten auf beiden Seiten der Kunststoffolien ver­ setzt angeordnet sind, und bei dem zwischen den Kunst­ stoffolien eine nichtmetallisierte Stützfolie ver­ wickelt ist, deren Randbereich einen Wellen- oder Stufenschnitt aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stützfolie (7, 8) feldfrei angeordnet ist, daß die Stützfolie (7, 8) aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul besteht, und daß der Elastizitätsmodul bis ca. 200°C näherungsweise kon­ stant bleibt.

2. Wickelkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude A des Wellenschnittes ca. 0,5 bis 2 mm und die Wellen­ länge λ ca. 0,5 bis 5 mm betragen und daß die Stütz­ folie (7, 8) mit einem Versatz v von ca. -0,2 bis +0,2 mm gegenüber den Dielektrikumsfolien (1, 2) ver­ wickelt ist.

3. Wickelkondensator nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stützfolie (7, 8) nur an dem Rand mit einem Wellen- oder Stufenschnitt versehen ist, der an der Kontaktie­ rungsseite der Metallschichten (3, 4, 5, 6) angeord­ net ist.

4. Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stützfolie (7, 8) z. B. aus Papier oder Polyimid besteht.

5. Wickelkondensator nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dielektrikumsfolien (1, 2) aus Polypropylen, Polykarbonat oder Polyester be­ stehen.