I condensatori per applicazioni CA, producendo potenza reattiva

• compensano il consumo di potenza reattiva di motori elettrici, trasformatori, ecc. garantendo una potenza più stabile con maggiore capacità di trasmissione e perdite ridotte grazie a fattori di potenza più elevati
• costituiscono una componente chiave nelle varie soluzioni di filtraggio che riducono il contenuto armonico. Una tensione sinusoidale non distorta, senza armoniche, riduce il rischio di problemi sotto forma di disturbi nelle apparecchiature di produzione, errori di misura e malfunzionamenti dei relè di protezione. Inoltre, prolunga la vita utile delle apparecchiature collegate

I condensatori AC-Power vengono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni

• inverter e converter
• azionamento e controllo motore
• motor-run
• energia rinnovabile (eolica, solare, …)
• trazione
• UPS
• carica-batterie
• elevatori
• …

I condensatori AC-Power vengono utilizzati nei circuiti di alimentazione in cui la soppressione del rumore, la regolazione della tensione e la riduzione della corrente di linea
è fondamentale. Queste applicazioni tipicamente espongono il condensatore ad armoniche di ordine superiore

I condensatori per CA vengono anche utilizzati nei circuiti di correzione del fattore di potenza dove forniscono potenza reattiva per correggere il ritardo della corrente causata da carichi induttivi. Si dice che il circuito funzioni al fattore di potenza unitario se la reattanza capacitiva dei condensatori applicati corrisponde esattamente alla reattanza induttiva del carico

I condensatori per CA vengono anche utilizzati per fornire la coppia di avviamento necessaria ai motori a fase divisa introducendo uno sfasamento sull'avvolgimento del motore secondario. I condensatori motor-run forniscono anche la necessaria correzione del fattore di potenza durante la fase di marcia per un funzionamento del motore più efficiente dal punto di vista energetico

La maggior parte dei condensatori AC-Power sono progettati con materiale a film metallizzato in polipropilene. Materiale a bassa perdita dielettrica, adatto per la progettazione di condensatori per applicazioni sia a basso che ad alto impulso.

Le proprietà di un condensatore a film plastico dipendono in modo significativo dalla tecnologia di costruzione utilizzata, ma un buon condensatore per applicazioni CA deve avere:

• bassa resistenza serie equivalente (ESR)
• bassa autoinduttanza
• Irms e Urms nominali elevate
• ottima stabilità meccanica
• alta affidabilità con tasso di guasto basso e/o sotto controllo
• eccellente capacità di autoriparazione

Le variabili di cui sopra sono definite per una frequenza e un intervallo di temperatura specifici

Sovratensioni o impulsi elevati, fluttuazioni di tensione e altri disturbi di linea sono tipici dell'applicazione di filtro CA in ingresso.

Particolare attenzione deve essere posta nella scelta dei condensatori da utilizzare

• la scelta del giusto condensatore è fondamentale per evitare condizioni operative critiche e conseguenti possibili guasti
• se richiesto dalla legge, è necessario scegliere condensatori di soppressione delle interferenze certificati

In box – esecuzione con terminali a PIN

• MHBA* – Filtri CA e CC Input/output. Adatto per applicazioni switching con Irms elevata. Alta frequenza, alta corrente
• THZ* – AC-Power d alte prestazioni e affidabilità, "harsh environment" (alta temperatura e alti livelli di umidità)
• MHBM – alta corrente, alta densità energetica, adatto per applicazioni CA e applicazioni switching con Irms elevata, con restrizioni (NO filtro CA in input)
• MAB – AC-Motor run, MABA01 e MABA02 approvati secondo EN60252-1 IMQ, tutte le tipologie approvate secondo UL810 construction only (esecuzione su richiesta)

In box – esecuzione con terminali a STAFFA

• MHBA* – Filtri CA e CC Input/output. Adatto per applicazioni switching con Irms elevata. Alta frequenza, alta corrente

*raccomandato

I condensatori snubber sono essenziali nei circuiti di conversione di potenza

La funzione principale degli snubber è quella di proteggere FET, IGBT e altri dispositivi switching da elevati picchi di tensione, tipicamente prodotti durante le operazioni di commutazione

La molteplicità di applicazioni nelle quali i condensatori snubber sono utilizzati è molto ampia

• riduzione o eliminazione di picchi di tensione o di corrente
• limitazione del du/dt
• soppressione delle interferenze elettromagnetiche (EMI)
• riduzione delle perdite causate dalle operazioni di commutazione
• formazione delle linee di carico
• trasferimento della potenza dissipata a resistenze o carichi utili

Un'operazione di "commutazione forzata" sottopone lo switch a stress di tensione e corrente e provoca un'elevato "switching loss". La presenza dell'induttanza parassita aumenta ulteriormente questo stress.

I circuiti elettronici di azionamento motore, ballast per lampade, convertitori di potenza e altri dispositivi di potenza possono essere diversi, ma la maggior parte di essi hanno reti e forme d'onda per interruttore-diodo-induttore comuni: hanno qundi gli stessi requisiti di snubbering poiché il comportamento della rete principale è identico.

La maggior parte dei circuiti inverter ad alta tensione odierni utilizza IGBT come dispositivi di commutazione. Gli IGBT possono commutare correnti elevate in tempi brevi, quindi sono esposti a tensione transiente potenzialmente dannosa e quindi richiedono circuiti di protezione.

I circuiti snubber sono sottoposti ad elevate sollecitazioni, pertanto i condensatori che vengono adottati in tali circuiti sono soggetti e devono resistere ad alti du/dt ed a valori estremamente elevati di picchi di corrente e di corrente efficace.

I condensatori a film plastico sono largamente utilizzati in applicazioni di questo tipo, indifferentemente in circuiti di bassa o alta potenza.

La maggior parte dei condensatori snubber sono progettati utilizzando il polipropilene. Materiale a bassa perdita dielettrica, adatto alla progettazione di condensatori per l'uso in applicazioni impulsive.

Le proprietà di un condensatore a film plastico dipendono significativamente dalla tecnologia costruttiva utilizzata: le tecnologie tipicamente utilizzate sono polipropilene film/foil, film metallizzato e bi-metallizzato

• è disponibile l'esecuzione con terminali a staffa per il montaggio diretto sui moduli IGBT e busbar
• può anche essere presa in considerazione la combinazione di film metallizzato e foil

I condensatori snubber in polipropilene offrono elevata tolleranza e stabilità, insieme ad un'alta resistenza alla tensione e alla corrente

• le variazioni di temperatura o di tensione applicata hanno effetti minimi sulle caratteristiche prestazionali
• coefficiente di temperatura basso e virtualmente lineare
• capacità molto stabile
• induttanza e resistenza serie equivalente (ESL e ESR) basse

In box – esecuzione con terminali a PIN

• PPR/PPB* – alte prestazioni, impulso elevato, alta frequenza
• PSB/RSB* – impulso alto, corrente elevata
• PHS – impulso medio-alto, corrente elevata

In box – esecuzione con terminali a STAFFE per montaggio diretto su busbar e moduli di potenza (IGBT, ecc.)

• PMB/RMB* – impulso alto, corrente elevata, bassa ESR
• PMS – impulso medio-alto, corrente elevata, bassa ESR 

Esecuzione assiale

• PPA* – impulso alto
• PPS – impulso medio-alto
• PWS – snubber film foil, impulso molto elevato, basse perdite

*raccomandato

Un condensatore che funziona in un ambiente umido assorbe l'umidità

L'umidità entra dalle superfici di contatto dei conduttori e / o del box e raggiunge gradualmente l'avvolgimento

L'assorbimento di umidità può provocare una graduale ossidazione degli elettrodi che porta nel medio-lungo periodo al danneggiamento o guasto del condensatore.

Se viene applicata la tensione, può verificarsi corrosione elettrochimica, che può distruggere la metallizzazione e provocare caduta di capacità, surriscaldamento, rigonfiamento del corpo del condensatore. Potenzialmente, può verificarsi un cortocircuito con importanti danni fino all'esplosione/ incendio. Il potenziale effetto di invecchiamento correlato dipende fortemente dal design del condensatore, dal materiale utilizzato e dall'ampiezza della tensione applicata.

I condensatori modificano col tempo le loro caratteristiche in base alle condizioni ambientali. L'entità e la rapidità dei cambiamenti dipendono dal dielettrico, dal design e dal materiale protettivo. Con un design speciale e materiali isolanti speciali la velocità di questo processo può essere rallentata, ma non completamente azzerata

La combinazione di alta temperatura di esercizio e alti livelli di umidità, ancor più con il funzionamento in tensione alternata e con un design ad alta densità di energia, è una situazione particolarmente pericolosa e critica. Ciò causa il rapido invecchiamento del condensatore, con relativa importante variazione dei principali parametri, distorsione del corpo, diminuzione della vita attesa e rapido aumento della probabilità di guasto.

Questa possibile situazione critica deve essere presa in considerazione, in particolare se si prevede di utilizzare le unità in paesi tropicali o in condizioni ambientali e climatiche critiche.

I test più comuni adottati per valutare le prestazioni in ambienti caldi e umidi (harsh environments) sono

• 40°C / 93% RH: standard damp heat steady state test (IEC60068-2; IEC 384-1; AEC Q-200 ref., cockpit, biased = tensione applicata)
• 60°C / 93% RH: damp heat steady state test (IEC60384-17:2019, 56 giorni, Grade III high robustness under high humidity, biased = tensione applicata)
• 85°C / 85% RH: condizioni ambientali estreme del test THB (Temperature Humidity Biased). Condizione estremamente difficile da raggiungere in applicazioni reali che adottano condensatori a film (IEC60068-2-67; IEC 384-1; AEC Q-200 ref., Level 1, biased)

Possibili livelli intermedi, normalmente corrispondenti a livelli di stress elevati ma condizioni operative più realistiche e utilizzo reale

• 70°C / 70% RH; 60°C / 60% RH

Testando i condensatori nelle classi di test più severe (85/85/1000: 85 ° C, 85% RH, 1000 h), un effetto tipico potrebbe essere il rigonfiamento del box, anche se con parametri elettrici ancora entro variazioni ammesse e non corrispondenti a danni elettrici reali

THZ – questa serie rappresenta un'innovazione e una soluzione fondamentale per applicazioni di potenza in condizioni operative in harsh environments

L'ufficio tecnico e di ricerca e sviluppo di ICEL S.r.l. ha sviluppato speciali materiali ed esecuzioni per garantire prestazioni eccellenti in applicazioni AC-Power fino a tensioni elevate, unite a prestazioni molto buone in harsh environments

Insieme alle alte prestazioni, la serie THZ è stata progettata anche per garantire dimensioni e prezzi ragionevoli, rispetto alla serie AC-Power esistente

Un leggero de-rating della tensione nominale CA massima garantisce la conformità al test AEC Q-200 85/85/1000 (Livello 1)

La serie THZ supera anche il test AEC Q-200 cockpit, il test 70/70/1000 e il test IEC60068-2-67 humidity load test (Test Cy) a pieno regime

La nuova serie THZ è il punto di partenza per lo sviluppo di ulteriori nuove tipologie che andranno a completare l'offerta di ICEL S.r.l. per applicazioni in harsh environments

Tensione Nominale (Ur):

è la tensione continua massima o la tensione alternata rms massima o il valore di picco della tensione impulsiva che può essere applicata in modo continuo entro un determinato intervallo di temperatura ambiente.

• In presenza di tensione AC, la somma di Vdc e Vac di picco non deve superare Ur
• Ad alte temperature deve essere applicato un de-rating alla tensione
• La massima potenza dissipata ammissibile va sempre considerata in funzione della frequenza di lavoro e della temperatura
• Per garantire un'elevata affidabilità e una lunga durata, i condensatori di potenza non dovrebbero funzionare contemporaneamente alla massima tensione consentita e alla massima temperatura di esercizio: i margini di sicurezza consigliati dovrebbero essere di circa il 25÷30% inferiori ai valori nominali

Sovratensione:

l'utilizzo di tensioni superiori a quelle nominali può causare danni permanenti

• Perforazione del dielettrico
• Calo di capacità
• Calo della Resistenza d'Isolamento (IR)
• Cortocircuito
• Effetto corona: l'elevata tensione di lavoro provoca ionizzazione, chiamata effetto corona, a causa dell'aria intrappolata tra gli strati di avvolgimento. Se il campo elettrico nel condensatore supera la rigidità dielettrica dell'aria, possono verificarsi micro scariche danneggiando la metallizzazione del film e/o il film stesso. Ciò provoca tipicamente una caduta di capacità ma anche un surriscaldamento dovuto alla caduta di IR e all'aumento della ESR (Resistenza Serie Equivalente), fino al cortocircuito in caso di ionizzazione persistente
• In generale minore affidabilità e vita attesa più breve

Fare sempre riferimento a quanto indicato nella specifica della serie circa i valori di tensione e forma d'onda applicabili e consentiti.
Rispettare sempre le tensioni nominali e scegliere condensatori aventi Ur maggiore della tensione di lavoro per garantire margini di sicurezza e maggiore affidabilità.

Anche se le tensioni AC ammesse coprirebbero le tensioni di linea, i condensatori ICEL S.r.l . per applicazioni di potenza non sono certificati né adatti per applicazioni "across the line" o "line to ground" (classe X o Y)

Corrente rms Nominale (Irms):

è il valore efficace massimo consentito della corrente continua che scorre attraverso il condensatore alla temperatura massima d'esercizio specificata

• La Irms massima è data ad una certa frequenza, generalmente 10kHz o 100kHz
• La dissipazione di potenza e il relativo de-rating di corrente devono essere considerati in funzione della frequenza di funzionamento
• Nelle applicazioni ad alto impulso, con durata dell'impulso breve, è necessario tenere in considerazione anche l'effetto pelle nei contatti
• Nelle specifiche delle serie di condensatori per applicazioni di potenza i valori Irms sono tipicamente, se non diversamente specificato, riferiti a ΔT massima di +15°C (T case - T ambiente), operanti a potenza, corrente e tensione nominali, con raffreddamento naturale e ≤+70 °C ambiente.

Quando si lavora vicino alle temperature massime nominali di esercizio, a causa della dissipazione della potenza, per motivi di sicurezza, si deve considerare il seguente ΔT massimo (condensatori in polipropilene)

• ≤10°C at +85°C Tamb in generale
• ≤5°C at +85°C Tamb per condensatori general purpose com metallizzazione singola, non progettati per applicazioni di potenza

Come indicazione generale, per la massima Irms nominale:

• ΔT di circa +10°C può essere ottenuta applicando una riduzione della Irms di 0.82 x Irms max
• ΔT di circa +5°C può essere ottenuta applicando una riduzione della Irms di 0.58 x Irms max

Se non diversamente indicato/consentito nei dati, evitare condizioni di funzionamento che causino rilevanti dissipazioni di potenza a Tamb ≥+95°C (anche se i condensatori hanno una categoria superiore nominale superiore)
Durante il funzionamento stazionario, la temperatura del condensatore deve essere sempre inferiore alla temperatura massima di esercizio indicata per il condensatore

I terminali possono limitare il valore nominale massimo Irms dei condensatori o la corrente applicabile. Il valore massimo indicativo di corrente per stile terminale che viene considerato da ICEL S.r.l . per i condensatori di potenza è:

• Terminali a filo in rame stagnato, diametro 0.8mm = circa 8A
• Terminali a filo in rame stagnato, diametro 1.0mm = circa 10,5A
• Terminali a filo in rame stagnato, diametro 1.2mm = circa 14A
• Terminali a staffa, fino a circa 35÷40A, a seconda della tipologia e forma

Fare sempre riferimento alle specifiche per la corrente massima e la tesione massima che il condensatore può sopportare e applicare un de-rating quando richiesto

L'effetto principale della corrente che scorre attraverso il condensatore è il suo riscaldamento

• Unitamente alla temperatura ambiente, Ttot = Tamb + ΔT deve rimanere inferiore alla temperatura massima di esercizio specificata
• Per tenere sotto controllo la Ttot può essere necessario un de-rating a seconda delle condizioni operative
• La corrente di picco che scorre attraverso il condensatore provoca un riscaldamento localizzato sulle aree di contatto a causa della resistenza di contatto tra i conduttori e l'elemento capacitivo
• Il riscaldamento si estende all'intero corpo del condensatore, quando lo stress dell'impulso è ripetitivo. Occorre considerare l'effetto combinato delle correnti impulsive ed efficaci e non superare i valori massimi di picco e rms
• Un riscaldamento eccessivo riduce l'affidabilità e la durata prevista del condensatore e può causare deterioramento fino al cortocircuito o circuito aperto, deformazione del corpo e fusione con emissione di fumo e fuoco

L'operatività a temperature di esercizio elevate può richiedere un de-rating di tensione e corrente

• Per qualsiasi temperatura compresa tra la temperatura nominale e la temperatura di categoria superiore, la tensione de-rated di temperatura è la tensione massima che può essere applicata
• I tipici de-rating di tensione per condensatori di potenza, se non diversamente specificato, sono: decremento di Ur dell'1,5% per ogni °C superiore a +85°C; decremento di Urms del 2,5% per ogni °C superiore a +85°C
• Generalmente viene applicato un de-rating alla corrente Irms massima in relazione alla temperatura ambiente
• I test di riscaldamento dei condensatori per ΔT e Top (Tamb+ΔT) devono essere eseguiti in condizioni equivalenti alle condizioni operative reali e simulando le condizioni di lavoro peggiori
• La temperatura del box deve essere misurata nel punto più caldo, tipicamente vicino ai contatti/teste o in aree con scarsa capacità di dissipazione a causa di ragioni esterne come la presenza di altri componenti caldi

Fare sempre riferimento alla massima potenza dissipata ammessa in condizioni normali. Dipende da molti fattori diversi come:

• esecuzione
• design
• forma
• dimensioni
• materiali
• ...

Non superare la potenza massima di dissipazione consentita per evitare il surriscaldamento dei condensatori. Occorre sempre considerare il derating di tensione e corrente, in funzione della temperatura e della frequenza

Anche la ESR (Resistenza Serie Equivalente), come somma di tutto ciò che contribuisce alla resistività (resistività degli elettrodi, connessioni interne, perdite dielettriche, …) è funzione della frequenza: ESR = tgδ / (2πfC). Il fattore di dissipazione (tgδ o DF) rappresenta la perdita di potenza di un condensatore divisa per la potenza reattiva del condensatore ed è anch'esso una funzione della frequenza.

Fare riferimento alla sezione "Harsh Environment" per maggiori dettagli.

Riassumendo:

• Il condensatore utilizzato in un ambiente umido assorbe l'umidità. Ciò può causare un'ossidazione graduale degli elettrodi e, a medio o lungo termine, danni o guasti ai condensatori
• Il condensatore può modificare le proprie caratteristiche in base alle condizioni ambientali
• L'entità e la velocità delle modifiche dipendono dal dielettrico, dal design e dai materiali di protezione
• Con un design speciale e materiali isolanti la velocità di questo processo può essere rallentata
• La combinazione di elevata temperatura di funzionamento ed elevata umidità (soprattutto nel funzionamento in AC) è una condizione particolarmente pericolosa, che può causare un rapido invecchiamento del condensatore con relativa diminuzione rilevante della vita prevista e aumento della probabilità di guasto
• L'umidità può causare corrosione elettrochimica distruggendo la metallizzazione e provocando caduta di capacità, surriscaldamento, rigonfiamento dei condensatori e potenziale rischio di cortocircuito e incendio

Particolare attenzione dovrebbe essere prestata quando si scelgono i condensatori per condizioni ambientali e climatiche difficili

L'affidabilità di riferimento indica un tasso di guasto del tipo di componente in un carico o condizione operativa definiti. Questo tasso di guasto non verrà superato entro un tempo di funzionamento specificato.
La condizione operativa di riferimento per i condensatori di potenza a cui si riferiscono l'affidabilità e il tasso di guasto sono i valori nominali massimi (tensione e temperatura nominale, senza de-rating applicati e senza considerare l'umidità), se non diversamente specificato nelle specifiche delle serie.

Il tasso di guasto (o Failure Rate) è espresso in FIT (failure in time), come segue:

1 FIT= 1 x 10^-9 / h (1 guasto per 10⁹ componenti ora)

Il Failure Rate, quando disponibile, è riferito a criteri di guasto come cortocircuito o circuito aperto, limiti di variazione dei parametri elettrici principali e così via, dichiarati in ciascuna delle specifiche delle serie.

Il fattore di conversione CF può essere utilizzato per stimare il tasso di guasto atteso in diverse condizioni. Fare riferimento al documento General Technical Information - paragrafo B34.

Anche la durata prevista (o Life Expectancy) dei condensatori di potenza è tipicamente riferita alla tensione nominale Ur e alla temperatura del punto caldo del box del condensatore (la temperatura di riferimento tipica è indicata nelle specifiche delle serie).

La durata prevista può essere migliorata riducendo la tensione e/o la temperatura operativa.
I condensatori utilizzati nelle applicazioni di potenza sono in genere esposti a livelli di sollecitazioni rilevanti e possibili guasti possono avere conseguenze molto gravi. Per questo motivo il mantenimento di un ampio margine di sicurezza (circa 25÷30%) rispetto ai valori nominali è un approccio saggio e proficuo a lungo termine.

La durata prevista può essere espressa in funzione della tensione e della temperatura operativa. Fare riferimento al documento General Technical Information - paragrafo B35.
Le stime ottenute si basano solo su parametri di tensione e temperatura, NON considerando nessun'altra possibile fonte di stress, in particolare il livello di umidità. Qualunque sia la stima ottenuta, ordini di grandezza superiori al valore di riferimento non rappresentano dati realistici: mantenere un approccio razionale nell'interpretazione del risultato.

La stima del tasso di guasto prevale comunque come criterio primario per valutare l'affidabilità del componente. Le formule non devono essere utilizzate per stime al di fuori dei limiti a specifica.

Nella scelta dei condensatori, per ottenere una lunga durata e una basso tasso di guasto, considerare sempre margini di sicurezza sufficientemente ampi sui valori nominali rispetto alle condizioni operative dell'applicazione. Le informazioni di cui sopra sono riferite al comportamento tipico del singolo componente, al netto della possibile disposizione di più unità collegate in serie/parallelo, che possono aumentare il rischio globale in condizioni operative critiche.

Il condensatore non deve essere installato a contatto o molto vicino ad altri componenti ma a una distanza sufficiente per consentire un flusso d'aria e un raffreddamento adeguati

• Il contatto con altri componenti può causare sollecitazioni meccaniche dovute a vibrazioni, urti o dilatazioni termiche

I condensatori devono essere posizionati lontano da qualsiasi fonte di riscaldamento per evitare che le alte temperature compromettano l'affidabilità del progetto

• Più grande è il condensatore e più è sollecitato da tensione, corrente o temperatura, più importante è il design corretto
• Il riscaldamento extra può anche essere conseguenza di forti campi magnetici che inducono correnti nelle parti metalliche

I condensatori devono essere a distanza di sicurezza dai conduttori di alta corrente

• L'influenza di altri componenti deve essere sempre valutata attentamente

I conduttori, in particolare i terminali a staffa di sezione grande, dissipano il calore ma possono anche trasferire calore nel condensatore

• È necessario mantenere le connessioni più fredde del condensatore

Il "potting" dei circuiti assemblati (cioè la sigillatura in resina dell'intero circuito) può ridurre significativamente la capacità di dissipazione del calore dei condensatori

• Si raccomanda di evitarlo, se non attentamente valutato nella specifica applicazione

Il lavaggio delle schede con solventi, liquidi e detergenti può danneggiare i materiali di protezione dei condensatori

• È necessario valutare attentamente e validare il processo di pulizia con test specifici al fine di garantire l'integrità del condensatore