DRSSTC: Probleme mit ZCS

[kilovolt]

Hallo Phoenix,

ich möchte Dir nur ungern Dein schönes Weltbild zerstören, aber diese "selbstheilende" Eigenschaft wird massiv überschätzt und wird manchmal fast bis zum Mythos hochgejubelt. Das kann man in vielen Fällen komplett vergessen. Wenn es in unseren TCs einen Überschlag gibt, dann meist richtig mit Lichtbogen, da ist dann nicht mehr viel von "selbstheilend" zu merken. Die Kondensatoren werden bei unseren Anwendungen ohnehin gnadenlos ausserhalb der Specs betrieben (extreme Frequenzen und extreme dV/dt). Der selbstheilende Effekt tritt dann ein, wenn man kurz eine leichte Überlastsituation gehabt hat durch eine Transiente, aber wenn da dauernd viel zu viel Spannung mit viel zu hohen Frequenzen anliegt und dann auch noch richtig viel Strom verfügbar ist, dann ist absolut nix mehr mit "selbstheilend".

Beste Grüsse
kilovolt

[verschrottix]

Naja extreme Frequenzen? Im 2 stellingen kHz Bereich, und dV/dt halte ich jetzt auch nicht als extremum für die Caps. In einer SGTC mag sein aber nicht in einer DR. Das Problem wird eher die falsche dimensionierung der Ströme sein, da leiden die extrem. Aber ja die Spannungsfestigkeit im LC Kreis der in Resonanz betrieben wird muss beachtet werden. Ergo rechnen und NICHT schätzen.

Mfg verschrottix

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[MaxZ]

Morgen,


@verschrottix: Hast du mal einen Blick ins Datenblatt der FKP1 Serie gworfen und dir die Spannungsfestigkeit vs Frequenz angesehen? Würde man nach Datenblatt dimensionieren, wären alle die, die mit FKP1 bauen bitter arm
Phoenix verbaut 100nF 1600VDC Kondensatoren. Bei etwas mehr als 100kHz beträgt die maximale Spannung etwa 130Vrms => 180Vpk. Nimmt man noch ne kleine Sicherheitsmarge, bleiben noch z.B. 160Vpk, also 10% von dem Wert, mit dem wir hier rechnen Weiterhin bedeutet das, dass sein MMC laut Datenblatt etwa 100 mal so groß sein müsste (10 mal mehr in Serie für Spannungsfestigkeit, 10 mal mehr parallel für Kapazität).

Bleiben zwei Fragen: erstens warum es trotzdem funktioniert, und zweitens warum die Spannung so arg fällt. Wer schon mal die Spannungs und Stromkurven für Induktionsheizerkondensatoren gesehen hat, versteht es: es gibt, wenn man die Verluste im Dieleltrikum mal ausklammert, zwei begrenzende Faktoren für einen Kondensator bei Wechselstrom: maximaler Strom und maximale Spannung. Bei tiefen Frequenzen begrenzt die Maximalspannung den möglichen Strom; bei gegebener Spannung kann nicht mehr fließen. Bei höheren Frequenzen begrenzt der Maximalstrom, denn je höher die Frequenz, umso mehr Strom fließt bei gegebener Spannung. Meiner Ansicht nach ist klar, dass letzteres der Grund für die Spannungsangaben im Datenblatt sind. Btw. müsste man mal aufgrund dieser Angaben den RMS-Strom der FKP1 ausrechnen...

Zurück zu unserem Rechenbeispiel: Berücksichtigt man, dass der Primärstrom nur 10% der Zeit fließt, und grob gesehen linear steigt, so erhält man, dass der Effektifstrom rund 1/2 * sqrt(10%) = 16% des Spitzenstromes beträgt. Demnach können wir die RMS-Spannungsfestigkeit mit 1/16% = 6,3 multiplizieren und erhalten 1000Vpk. Dies ist noch niedriger als die DC-Spannungsfestigkeit, also brauchbar. Bei kürzeren Pulsen würde letztere natürlich zum begrenzenden Fanktor werden. Immerhin sind die 1000Vpk ein gutes Stück besser, als die obigen 160Vpk. Die restliche Diskrepanz kann ich eigentlich nur mir der Robustheit der FKPs erklären


Liebe Grüße,
Max

[kilovolt]

Ich bin überzeugt, dass die FKPs nur darum halten, weil die Betriebszeiten bei den TCs sehr kurz sind. Ein wichtiges Limit ist ganz klar die Isolationsfestigkeit des Dielektrikums. Mit steigender Frequenz entstehen im Kondensator Teilentladungen, die das Dielektrikum Schritt für Schritt, langsam aber sicher, zerstören. Das geht eine Zeit lang gut, aber irgendwann entstehen im Dielektrikum Spuren dieser Teilentladungen, winzig kleine Kohlebahnen, welche leitend sind und einen Durchschlag begünstigen. Je länger der Kondensator so betrieben wird, desto eher ergibt sich irgendwann eine komplette Entladungstrecke zwischen den internen Elektroden. Diese Gefahr besteht bei allen HV-Komponenten, die mit Harz oder einem sonstigen Feststoff vergossen sind, deshalb werden bei grösseren HV-Komponenten auch regelmässige Teilentladungsprüfungen durchgeführt (und das wohlverstanden in der Regel nur schon bei 50Hz Netzfrequenz, wo die Sprühtendenz unvergleichbar niedriger ist). Nur und wirklich nur weil wir sehr kurze Betriebszyklen haben, funktioniert das Ganze so gut, aber ich sage Euch, würde man die TCs stundenlang / tagelang / wochenlang am Stück betreiben, wäre der MMC das erste, was den Geist aufgeben würde, mit hundertprozentiger Sicherheit. Die Kondensatoren werden massiv ausserhalb ihrer Specs betrieben. Eines ist sicher: Bei den Frequenzen, die wir haben, müsste man ganz andere Serie- und Parallelschaltungen vornehmen. Max hat schon recht, wenn er sagt, dass bei wirklich korrekter Dimensionierung jeder Coiler ein armer Mann wäre. Und zu dV/dT kann ich nur sagen, dass in der Elektronik, wo diese Kondensatoren normalerweise Anwendung finden, kaum irgendwo schnellere Stromanstiege resp. schnellere Entladungen stattfinden. Der Stress für die Kondensatoren ist enorm.

Beste Grüsse
kilovolt

[verschrottix]

Öhm naja, also das mag schon stimmen das in den meisten TCs der MMC falsch dimensioniert ist. Aber gerade die FKP/MKP10er was dV/dt angeht in einer DRSSTC...najaa die werden auch als snubner eingesetzt. In meiner DR' hatte ich, gemessen mit einer Wärmebildkamera absolut keine Erwärmung nach ca. 25min dauertest...gut der Strom lag nur bei 500-bis max. 800A. RMS Strom und Kapazität gemessen und ist exakt der gleiche zu den "neuwerten" des MMCs. Bei SGTCs Stimme ich euch zu aber nicht bei DRs.

Mfg verschrottix

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[kilovolt]

Erwärmung ist ja eben, wie erwähnt, nicht das einzige Problem. Die Isolation der Kondensatoren ist bei hohen Frequenzen und bei schnellen Lade- und Entladevorgängen sehr viel stärker belastet als bei tiefen Frequenzen oder DC. Zudem geht es weniger um die mittlere Erwärmung als um die Impulsspitzen. Mit schnellen Spitzenströmen kann einem Kondensator in Nullkommanichts die Kontaktierung zwischen innerer Elektrode und Anschluss wegdampfen und der Kondensator bleibt aussen vollkommen kühl.

Für den Einzelkondensator sehe ich übrigens keinen Unterschied in der Belastung zwischen SGTC und DRSSTC, worin soll dieser denn bestehen?

Gruss kilovolt

[verschrottix]

naja überleg doch Mal was so eine Funkenstrecke macht, da sind Halbleiter echt angenehm.

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[kilovolt]

Dann erklär mir mal, was die Funkenstrecke unschönes macht, was der Halbleiter nicht macht.

Gruss kilovolt

[verschrottix]

Sorry nicht gesehen das du geantwortet hast.
Naja:
1. Die Primärspannungen sind wesentlich höher
2. Die Induktivitäten (parasitär) gegenüber einer DRSSTC auch
3. Hast du nei einer Funkenstrecke massiv höhere dV/dt
4. Sind deine Ströme viel ungeregelter und auch höher.
5. Außerdem entstehen beim Zünden ähnlich wie bei Schaltern (dort Prellen) Spannungsspitzen

Mfg verschrottix

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[kilovolt]

Kein Problem, verschrottix, manchmal verliere ich die Threads auch aus den Augen.

1. Die Primärspannungen sind wesentlich höher

Für den Einzelkondensator im MMC spielt das keine Rolle, denn bei höheren Spannungen werden ja auch entsprechend mehr Kondensatoren in Serie geschaltet.

2. Die Induktivitäten (parasitär) gegenüber einer DRSSTC auch

Man kann den Primärkreis einer SGTC genau gleich ausführen wie den einer DRSSTC. Die Funkenstrecke selber hat keine Induktivität, jedenfalls nicht mehr als ein gleich langes Leitungsstück.

3. Hast du nei einer Funkenstrecke massiv höhere dV/dt

Ich würde sogar eher sagen, das Gegenteil ist der Fall, da eine Funkenstrecke nicht so zackig schaltet wie ein gut angesteuerter Halbleiter.

4. Sind deine Ströme viel ungeregelter und auch höher.

Selbst das glaube ich nicht unbedingt. Durch die längere Verkettung der Kondensatoren für die höhere Spannung steigt auch der ESR des MMCs entsprechend an. Durch die hohen Verluste in der Funkenstrecke werden die Ströme sogar eher gebremst als beim IGBT, der, wenn er mal schaltet, viel niederohmiger daherkommt als eine Funkenstrecke.

5. Außerdem entstehen beim Zünden ähnlich wie bei Schaltern (dort Prellen) Spannungsspitzen

Diesen Punkt kann ich nicht ganz widerlegen, denn die Funkenstrecke zündet sicher nicht so sauber wie ein Halbleiter. Es mag sein, dass dadurch gewisse Rückwirkungen auf die Kondensatoren entstehen können, jedoch werden die ja auch mit Filter und Sicherheitsfunkenstrecke abgefangen, was man beides bei der DRSSTC schon gar nicht hat.

Insgesamt glaube ich nicht, dass ein einzelner Kondensator in einem MMC eine komplett unterschiedliche Belastung erfährt in Abhängigkeit der verwendeten Spulenart SGTC oder DRSSTC. Was höchstens vielleicht sein mag, dass man bei einer SGTC die Spannungsfestigkeit etwas knapper dimensioniert, weil man ohnehin schon viel mehr Kondensatoren benötigt. Dies ist dann aber Sache der Auslegung.

Beste Grüsse
kilovolt