Kalvokondensaattorit AC-käytössä
Mäkelin, Aleksi (2018)
Kandidaatintyö
Mäkelin, Aleksi
2018
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201804096426
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201804096426
Tiivistelmä
Kandidaatintyössä tutkitaan kalvokondensaattoreita sekä niiden vikaantumista. Kalvokondensaattorit ovat yksi teollisuuden yleisimmistä kondensaattorityypeistä. Työssä tarkastellaan aluksi kondensaattoreita yleensä sekä erityisesti kalvokondensaattoreita ja niiden toimintaa. Työssä käsitellään myös kalvokondensaattoreiden erilaiset kytkentätavat ja niiden erilaiset versiot sekä ominaisuudet.
Tarkemmin työssä keskitytään kalvokondensaattoreiden vikamekanismeihin sekä vikamoodeihin. Työssä pyritään myös avaamaan jokaisen vikamoodin sekä -mekanismin tyypillisiä piirteitä sekä syitä mikä niihin johtaa. Lisäksi työssä pohditaan kalvokondensaattoreiden sähkökentän jakaantumista. Lopussa esitellään malli kalvokondensaattoreiden elinikätestaukselle.
Työtä varten tehtiin tutkimus kalvokondensaattoreiden eristemateriaalikalvon paksuudesta sekä tutkittiin kalvokondensaattoreita avaamalla niitä ja pyrkimällä näin selvittämään niiden mahdollisen vikaantumisen syytä. Tutkimuksessa haluttiin selvittää kalvokondensaattoreiden sähkökentän jakaantumisen vaikutusta kalvokondensaattoreiden vikaantumiseen. Työn tutkimus on tehty kokonaan ABB:n tiloissa sekä ABB:n henkilöstön avulla. Tutkimuksessa tehtiin osasta tutkimukseen valituista kalvokondensaattoreista hieet ja osa rullattiin auki kokonaan ja tutkittiin. Hieen avulla kalvokondensaattoreista saatiin mitattua eristysmateriaalin paksuus eri kerroksissa. Rullaamalla kalvokondensaattoreita auki nähtiin, mitä itsestään korjaantuminen oli saanut aikaiseksi kalvokondensaattoreissa sekä löydettiin merkkejä korona-ilmiöstä. Kalvokondensaattoreiden eristysmateriaalia mitattiin digitaalisen mikroskoopin avulla. Tutkittujen kalvokondensaattoreiden rakenteen perusteella tehtiin myös sähkökentän jakaantumista kalvokondensaattoreissa havainnoiva kuvaa FEMM-ohjelman avulla. Kuvasta nähdään hyvin, miten epätasaisuudet kalvon paksuudessa ja kalvokondensaattoreiden sisälle jäävät epäpuhtaudet aiheuttavat kalvokondensaattorille.
Tutkimuksessa havaittiin lieviä vaihteluita kalvokondensaattorin eristysmateriaalin kalvon paksuudessa. Eristekalvon paksuuden muutokset altistavat kalvokondensaattoria vikaantumiselle sekä itsestäänkorjaantumismenetelmän karkailulle. Työn jatkotutkimuskohteita on kalvokondensaattorin metalloinnin paksuuden mittaaminen sekä sen paksuuden vaihtelun analysointi kalvokondensaattorin vikaantumiseen. The purpose of this thesis is to study film capacitors and their failure modes and failure mechanisms. Film capacitors are one of the most used capacitor types of in industrial production. The theoretical part of the study repeats the basics of capacitors and studies their construction. The study also present the most typical ways to couple film capacitors to circuit boards.
The primary object of this study is to research film capacitors’ failure mode and failure mechanisms. The fourth paragraph of the study researches how electrical field distributes inside the film capacitors. I also propose a way to test film capacitors lifetime-expectancy in the fourth paragraph.
A research for film capacitor failure modes and mechanisms was done for this thesis by measuring film capacitors’ insulation layers thickness and opening up and unwinding film capacitors to determine film capacitors’ failure modes and their mechanisms. The purpose of the research was to map film capacitors electrical fields. The research was done in the laboratories of ABB Oy Drives and with the help of ABB employees. To measure the insulation thickness of the film capacitors a cross-sectional study was done. Cross-section abled the measurement of the insulation thickness. Insulation thickness measurement was performed with a digital microscope. Examples of corona and corrosion were found from unwound and cross-sectioned film capacitors. From the unwound film capacitors examples of uncontrolled self-healing was also found. Using real capacitor dimensions a mapping of the electrical field was done with the FEMM-software. From the FEMM-pictures we can see how impurities and uneven thickness affect the electrical field inside film capacitors.
Tarkemmin työssä keskitytään kalvokondensaattoreiden vikamekanismeihin sekä vikamoodeihin. Työssä pyritään myös avaamaan jokaisen vikamoodin sekä -mekanismin tyypillisiä piirteitä sekä syitä mikä niihin johtaa. Lisäksi työssä pohditaan kalvokondensaattoreiden sähkökentän jakaantumista. Lopussa esitellään malli kalvokondensaattoreiden elinikätestaukselle.
Työtä varten tehtiin tutkimus kalvokondensaattoreiden eristemateriaalikalvon paksuudesta sekä tutkittiin kalvokondensaattoreita avaamalla niitä ja pyrkimällä näin selvittämään niiden mahdollisen vikaantumisen syytä. Tutkimuksessa haluttiin selvittää kalvokondensaattoreiden sähkökentän jakaantumisen vaikutusta kalvokondensaattoreiden vikaantumiseen. Työn tutkimus on tehty kokonaan ABB:n tiloissa sekä ABB:n henkilöstön avulla. Tutkimuksessa tehtiin osasta tutkimukseen valituista kalvokondensaattoreista hieet ja osa rullattiin auki kokonaan ja tutkittiin. Hieen avulla kalvokondensaattoreista saatiin mitattua eristysmateriaalin paksuus eri kerroksissa. Rullaamalla kalvokondensaattoreita auki nähtiin, mitä itsestään korjaantuminen oli saanut aikaiseksi kalvokondensaattoreissa sekä löydettiin merkkejä korona-ilmiöstä. Kalvokondensaattoreiden eristysmateriaalia mitattiin digitaalisen mikroskoopin avulla. Tutkittujen kalvokondensaattoreiden rakenteen perusteella tehtiin myös sähkökentän jakaantumista kalvokondensaattoreissa havainnoiva kuvaa FEMM-ohjelman avulla. Kuvasta nähdään hyvin, miten epätasaisuudet kalvon paksuudessa ja kalvokondensaattoreiden sisälle jäävät epäpuhtaudet aiheuttavat kalvokondensaattorille.
Tutkimuksessa havaittiin lieviä vaihteluita kalvokondensaattorin eristysmateriaalin kalvon paksuudessa. Eristekalvon paksuuden muutokset altistavat kalvokondensaattoria vikaantumiselle sekä itsestäänkorjaantumismenetelmän karkailulle. Työn jatkotutkimuskohteita on kalvokondensaattorin metalloinnin paksuuden mittaaminen sekä sen paksuuden vaihtelun analysointi kalvokondensaattorin vikaantumiseen.
The primary object of this study is to research film capacitors’ failure mode and failure mechanisms. The fourth paragraph of the study researches how electrical field distributes inside the film capacitors. I also propose a way to test film capacitors lifetime-expectancy in the fourth paragraph.
A research for film capacitor failure modes and mechanisms was done for this thesis by measuring film capacitors’ insulation layers thickness and opening up and unwinding film capacitors to determine film capacitors’ failure modes and their mechanisms. The purpose of the research was to map film capacitors electrical fields. The research was done in the laboratories of ABB Oy Drives and with the help of ABB employees. To measure the insulation thickness of the film capacitors a cross-sectional study was done. Cross-section abled the measurement of the insulation thickness. Insulation thickness measurement was performed with a digital microscope. Examples of corona and corrosion were found from unwound and cross-sectioned film capacitors. From the unwound film capacitors examples of uncontrolled self-healing was also found. Using real capacitor dimensions a mapping of the electrical field was done with the FEMM-software. From the FEMM-pictures we can see how impurities and uneven thickness affect the electrical field inside film capacitors.