Высоковольтная упаковка конденсаторов для литья под давлением и вибрацией.

Высоковольтная упаковка конденсаторов для литья под давлением и вибрацией.

Резюме

Литейный конвейер для автомобильных деталей располагается в литейном цехе, где на высоковольтный резервуар одновременно воздействуют масляный туман, металлическая пыль и вибрация оборудования. В этой статье рассматриваются три пути воздействия, модели поверхностного сопротивления и инерционной силы, лежащие в их основе, а также причины отказов корпусов в процессе эксплуатации. Далее описываются шесть этапов проектирования: вакуумная заливка, расстояние утечки, механическое зажимание, герметичный резервуар с избыточным давлением, эпоксидная смола с согласованным коэффициентом теплового расширения и график очистки.

1. Введение

Детали из алюминия, магния и чугуна несут критически важные нагрузки в транспортных средствах. Блоки цилиндров, головки цилиндров, корпуса трансмиссий и тормозные суппорты отливаются, и каждая отливка может содержать пористость, усадочные полости, включения и трещины. Эти дефекты снижают усталостную прочность, поэтому промышленная компьютерная томография стала стандартным методом контроля литых деталей.

Автомобильный компьютерный томограф обычно располагается в цехе, рядом с оборудованием, изготавливающим детали. В воздухе присутствует металлическая пыль и туман от смазочно-охлаждающей жидкости. Полы и оборудование содержат масло и охлаждающую жидкость. Литейные машины, обрабатывающие центры и роботы постоянно создают вибрацию в конструкции. Летом температура воздуха превышает 40 °C, а зимой опускается ниже 10 °C.

Внутри высоковольтного бака один конденсатор одновременно подвергается всем этим воздействиям: химическому воздействию на поверхность, механической усталости выводов, термическим циклам на эпоксидную смолу и электрическому полю сверху.

В этой статье рассматриваются три пути атаки, вызываемые ими сбои и шесть шагов, обеспечивающих целостность конденсатора в таких условиях.

2. Основной механизм

2.1 Масло и охлаждающая жидкость на поверхности изоляции

К загрязнениям на литейном производстве относятся смазочно-охлаждающие жидкости на основе минерального масла, водорастворимые охлаждающие жидкости, разделительные агенты, антикоррозионные масла, металлическая пыль и чистящие растворители. Пленка любого из этих веществ изменяет поверхностную изоляцию конденсатора. Сопротивление этой пленки составляет:

R_surface = ρ_s · (L / W)

Где ρ_s — удельное поверхностное сопротивление слоя в омах на квадратный дюйм, L — расстояние утечки в миллиметрах, а W — ширина проводящего пути в миллиметрах. Полярные молекулы и ионы металлов в масле уменьшают ρ_s на порядки, поэтому путь утечки, рассчитанный для сухого воздуха, перестает быть безопасным.

Некоторые смазочно-охлаждающие жидкости и очистители также содержат хлор и серу. Длительный контакт вызывает коррозию свинцового покрытия и эпоксидной смолы. В ходе испытания с 1,000 часами погружения в имитирующую смазочно-охлаждающую жидкость при температуре 85 °C и относительной влажности 85 % сопротивление изоляции стандартной эпоксидной детали снизилось на один-два порядка.

2.2 Вибрация и механический удар

Вибрации от литейных машин и обрабатывающих центров варьируются от 10 Гц до 2,000 Гц при ускорении от 2 g до 10 g. Часть массы m испытывает инерционную силу:

F_vib = 9.81 · m · a

Где a — ускорение вибрации в g, а F_vib — сила инерции в ньютонах. Сила передается через выводы на электроды и керамический корпус, а повторяющиеся циклы вызывают образование микротрещин.

Затем вершина трещины концентрирует электрическое поле:

E_tip ≈ K_t · E_avg

Где K_t — коэффициент концентрации напряжений, E_avg — среднее поле в вольтах на миллиметр, а E_tip — локальное поле на вершине трещины в тех же единицах. K_t превышает 10 для острой трещины, поэтому локальное поле может превышать прочность диэлектрика на пробой, в то время как среднее поле всё ещё выглядит безопасным.

2.3 Термические циклы на границе раздела эпоксидной смолы

Суточные колебания температуры, а также циклы включения/выключения оборудования приводят к увеличению и уменьшению размеров корпуса. Коэффициенты теплового расширения значительно различаются: для керамики — от 5 до 7 ppm/°C, для эпоксидных смол — от 30 до 80 ppm/°C, а для медных выводов — около 17 ppm/°C.

τ_interface ∝ ΔCTE · ΔT · E_epoxy

Где ΔCTE — разница в коэффициентах теплового расширения, ΔT — перепад температур в кельвинах, E_epoxy — модуль упругости эпоксидной смолы в мегапаскалях, а τ_interface — касательное напряжение на границе раздела. Высокое касательное напряжение отслаивает эпоксидную смолу от керамики и вызывает растрескивание свинцового корня, что открывает путь для масла и влаги.

Рис. 1 — Масляная пленка, вибрация от 2 до 10 g и несоответствие коэффициентов теплового расширения от 5 до 80 ppm/°C воздействуют на корпус, поэтому вакуумная заливка и утечка тока 3-й степени обеспечивают целостность детали.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Проникновение масла и поверхностное испарение.

Многие промышленные конденсаторы с трансформаторами тока проектируются для чистых помещений, а затем устанавливаются на литейном заводе. Вентиляционные отверстия, швы и выходы проводов превращаются в пути ввода тока. Как только масло покрывает конденсатор, сопротивление изоляции падает, и возникает ток утечки между клеммами или от клеммы к земле.

Влажная погода усугубляет ситуацию. Ток утечки может вызвать срабатывание защиты питания и остановить сканирование. В худшем случае слой загрязнения образует непрерывный проводящий путь вдоль расстояния утечки, и поверхностный пробой приводит к возгоранию компонента и соседней платы.

Болевой пункт 2: Перелом свинца и внутренние микротрещины.

Вибрации передаются в резервуар через портал, направляющие и кабели. Если конденсатор подвешен только на припаянных выводах, без зажима и без заливки компаундом, несколько миллионов циклов приведут к усталости паяного соединения или растрескиванию керамики у основания вывода.

Эта неисправность носит накопительный характер. Ранними признаками являются прерывистый контакт и неболькое увеличение частичного разряда. Позже деталь размыкается или выходит из строя. При обычной визуальной проверке оба этих этапа остаются незамеченными.

Проблема №3: ​​Износ упаковки вследствие термических циклов.

Сезонные колебания температуры до 40 К и термический шок от циклической работы оборудования подвергают корпус тысячам циклов. При такой скорости стандартная эпоксидная смола может покрыться мелом, потрескаться или отслоиться от керамики примерно за два года. После вскрытия корпуса влага и масло проникают в керамику, и производительность быстро снижается.

Поскольку этот процесс происходит постепенно, инженеры на местах часто рассматривают его как эпизодическую неисправность, пока несколько машин не начнут демонстрировать один и тот же симптом.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выбирайте детали N4700, залитые вакуумной заливкой.

N4700 Керамические детали от HVC изготавливаются методом вакуумной заливки: высокочистая эпоксидная смола впрыскивается под отрицательным давлением, благодаря чему внутренние пустоты и пузырьки удаляются до затвердевания смолы. Смола устойчива к маслам и влаге и прочно сцепляется с керамикой. В отличие от заливки в атмосферных условиях, вакуумная заливка снижает частичные разряды на порядок. Для использования в полевых условиях выбирайте полностью герметизированный корпус без открытых боковых стенок.

Стратегия 2: Увеличить расстояние распространения в зависимости от степени загрязнения.

Рассчитывайте длину пути утечки в зависимости от степени загрязнения окружающей среды, которая обычно составляет 3 или 4 на литейном заводе. Используйте более крупный корпус и большее расстояние между выводами. Добавьте прорези или барьеры на печатную плату для разрыва проводящего пути и добавьте HVR-BSP градуировочные резисторы вдоль пути для выравнивания поля. Гидрофобное, олеофобное конформное покрытие, такое как парилен или силиконовая резина, уменьшает прилипание масла и поглощение влаги.

Стратегия 3: Зафиксируйте тело и изолируйте вибрацию.

Одного припоя недостаточно, чтобы удержать деталь при нагрузке в 10 г. Добавьте зажимы, кронштейны или термоклей между корпусом и печатной платой или металлическим каркасом. На деталях с винтовыми клеммами используйте контргайки и пружинные шайбы с номинальным крутящим моментом. Поместите силиконовую или полиуретановую прокладку между деталью и монтажной поверхностью, чтобы поглотить часть энергии вибрации.

Стратегия 4: Герметизировать резервуар и поддерживать избыточное давление.

Наиболее надежная защита обеспечивается герметичным генератором с принудительной вентиляцией. Фильтрованный воздух поступает в резервуар под давлением немного выше атмосферного, поэтому масляный туман и пыль не могут проникнуть внутрь. Маслоотделитель и осушитель на входе поддерживают чистоту и сухость внутри. Эта опция стоит дороже, но на литейном производстве она окупается за счет увеличения времени безотказной работы.

Стратегия 5: Подберите коэффициент теплового расширения герметизирующего материала в соответствии с керамикой.

Выберите герметизирующий материал с коэффициентом теплового расширения (КТР), близким к КТР керамики, или материал с наполнителем, сохраняющим гибкость. В HVC используется модифицированная высокотемпературная эпоксидная смола с температурой стеклования выше 150 °C и скорректированным КТР, поэтому несоответствие на границе раздела остается небольшим. Корпус выдерживает 1,000 циклов нагрева от −40 °C до +125 °C без растрескивания и расслоения.

Стратегия 6: Проводите уборку и осмотр по графику.

Раз в квартал протирайте внешнюю поверхность бака специальным чистящим средством для удаления масла и пыли. Каждые шесть месяцев проверяйте упаковку на наличие трещин, изменения цвета, подтекания масла и ослабленных выводов. Раз в год проводите проверку сопротивления изоляции и частичных разрядов для раннего выявления скрытых неисправностей и регистрируйте все результаты в журнале учета оборудования.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Высоковольтные конденсаторы для ванны в литейном цехе.

Корпус выходит из строя в своих слабых местах: пустота в смоле, короткий путь утечки, вывод без опоры. Компания HVC производит компоненты для всех трех типов напряжений на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывая диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Вакуумная эпоксидная заливка. Пустоты и пузырьки удаляются до отверждения, поэтому плотный слой препятствует проникновению масла, влаги и пыли, а частичный разряд остается на уровне 5 пКл или ниже при номинальном напряжении.
• Эпоксидная смола с согласованным коэффициентом теплового расширения, работающая в широком диапазоне температур. Коэффициент расширения эпоксидной смолы соответствует керамическому корпусу и выводам, поэтому 1,000 циклов от −40 °C до +125 °C не приводят к образованию трещин и расслоению.
• Усиленная механическая конструкция. Монтажные фланцы, демпфирующие прокладки и усиленные провода защищают корпус от ударов. Серия винтовых клемм HVCT8G Для затяжки контргаек требуется номинальный крутящий момент.
• Химическая стойкость. Смола устойчива к минеральному маслу, смазочно-охлаждающим жидкостям, разделительным составам и распространенным растворителям, в местах погружения. пленочный конденсатор может впитывать масло вдоль своих торцевых уплотнений.
• Низкоиндуктивные чувствительные элементы. резисторы выборки HVRGXP Необходимо поддерживать стабильное соотношение делителя частоты, пока температура в резервуаре колеблется на 40 К.
• Компоненты выпрямительного каскада. Быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды Для блока умножителей, экранированного на соответствие требованиям по воздействию масла и вибрации, аналогичным конденсаторам.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а модули, изготовленные на заказ с заливкой компаундом, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в выборе корпуса, проектировании монтажа, проверке уровня защиты и расчете расстояний утечки в зависимости от степени загрязнения окружающей среды на объекте. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам... Vishay Используются компоненты HVCC, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV для крупносерийного промышленного и медицинского компьютерного томографа.

Предоставьте информацию об условиях на объекте, монтажный чертеж и размеры резервуара. Компания HVC в течение пяти рабочих дней вышлет вам рекомендации по комплектации, включающие отчеты об испытаниях на погружение в масло и вибрацию, а также комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как узнать, выдержит ли конденсаторный блок воздействие масла на полу?

Запрашивайте данные по погружению в масло, а не технические характеристики из паспорта. Деталь, сохраняющая сопротивление изоляции после 1,000 часов в имитирующей смазочно-охлаждающую жидкость среде при температуре 85 °C и относительной влажности 85%, отличается от детали, испытанной в сухом воздухе. Одновременно необходимо провести полевую проверку пути утечки.

Вопрос 2: Какой уровень вибрации может выдержать припаянный вывод?

Сама по себе она не представляет большой проблемы. Компонент, закрепленный только припоем и имеющий сквозные отверстия, может устать от нагрузки в 2 g за миллионы циклов, а 10 g — это уже намного больше. Зажмите корпус и подложите под него демпфирующую прокладку, тогда сигнальный путь будет проходить по проводнику, а не по всей инерционной нагрузке.

В3: Какое расстояние утечки следует использовать в конструкции резервуара?

Рассчитывайте его на уровень загрязнения 3 или 4 степени, что является нормой для литейного цеха, и добавьте запас на масляную пленку. Используйте более крупный корпус, большее расстояние между выводами, пазы для печатных плат и защитное покрытие. Проводник, рассчитанный на чистый сухой воздух, мгновенно выйдет из строя после сезона воздействия масляного тумана.

В4: Почему частичный разряд здесь важнее сопротивления изоляции?

Потому что трещина или пустота проявляются в виде частичного разряда задолго до выхода детали из строя. Целая деталь показывает 5 пКл или меньше при номинальном напряжении; деталь с трещиной показывает десятки пКл и это значение продолжает расти. Отслеживайте динамику частичных разрядов при каждом интервале обслуживания, и вы увидите приближение отказа.

В5: Окупается ли герметизация под избыточным давлением?

На грязном полу это действительно так. Герметичный резервуар с фильтрованным воздухом под давлением немного выше атмосферного предотвращает попадание масляного тумана и пыли в высоковольтную секцию, что исключает основной путь проникновения загрязнений. Затраты приходятся на фильтр, вентилятор и осушитель, а отдача измеряется в предотвращенных незапланированных остановках.

Вопрос 6: Как часто следует чистить и проверять резервуар?

Протирайте внешнюю поверхность раз в квартал, осматривайте упаковку каждые шесть месяцев, а также проверяйте сопротивление изоляции и частичный разряд раз в год. Записывайте полученные данные. Повышение показаний частичного разряда или снижение показаний сопротивления при напряжении 500 В постоянного тока является сигналом к ​​планированию замены детали до того, как она выйдет из строя во время смены.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Ю. Гао, С. Лян, В. Бао, Ч. У и С. Ли, Анализ разрушения композитного изолятора в условиях полевого хрупкого разрушения: характеристика методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.Высокое напряжение, том 4, № 2, стр. 89-96, 2019. https://doi.org/10.1049/hve.2018.5084
8. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влагиНадежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com