Willkommen auf der MMC-Seite der
der German Speaking Tesla Coilers - den GSTCs
| Auf dieser Seite gibts folgendes zu lesen:
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Anmerkungen zu Keramikkondensatoren:
| Der Verlustfaktor (Angabe vermutlich für 1kHz) für Keramikcaps ist laut Nuehrmann vom Epsilon abhängig (siehe rechts). Wie bei bei Foliencaps auch, ist er zudem von der Frequenz und Temperatur abhaengig. |
Epsilon | tan d |
| <90 | 0.3e-3 | |
| 90 | 0.4e-3 | |
| 120 | 0.6e-3 | |
| 250 | 7.5e-3 | |
| 1600 | 10e-3 | |
| 4000 | 15e-3 | |
| 10000 | 20e-3 |
Puls caps (Plastik) für MMC's
Nach den vielen mails gestern (Anfang Mai'99) hab ich mir mal ein neues Excel-Sheet gemacht und die Daten der gebauten und geplanten MMCs mit eingetragen. Was ich vor allem wollte, war eine Aussage über die kritischen Werte 'auf einen Blick', also den Faktor 'wahre_Belastung/erlaubte_Belastung'.
Da diese ganzen 'Mutmaßungen' bisher noch nicht endgültig durch konkrete Herstelleraussagen untermauert sind, können die hier gegebenen Daten nur Denkanstöße sein. Eine Garantie für das Überleben der Kondensatoren kann deshalb nicht gegeben werden!!! Jeder , der seinen MMC nach den hier vorgeschlagenen Daten baut, handelt auf eigenes Risiko!!! Weiter unten auf dieser Seite gibts eine Beschreibung eines Telefonats mit WIMA, das aufgrund noch fehlender Daten aber noch unvollständig ist. Wenn wir die nötigen Daten beisammen haben, wird diese Seite natürlich aufgeräumt und die Mutmaßungen gegen Fakten (Fakten, Fakten...) ersetzt. Zur Klarheit: je weiter unten die Texte auf dieser Seite stehen, umso aktueller sind sie (Ausnahme: der unterste Text :-). Überholte Info wird sukzessive ersetzt.
| Kann mir bitte jeder, der einen MMC plant, mal seine geplanten Daten mailen, also n Caps in Serie, m Ketten parallel, welche Caps und die Angaben dV/dt , UDCmax und UACmax die vom Hersteller vorgegeben sind. Die Frequenz des TC brauch ich natürlich auch für die risetime. Die Daten werde ich ins MMC-Excelsheet (s.u.) einfügen. Daran kann man dann die Belastungen der Caps und den (hoffentlich nicht Miss-)Erfolg sehen. Bitte gebt mir die bisherige runtime des MMC mit an (bzw. wie lang er durchgehalten hat). |
Als kritische Belastungen bleiben also meines (STK) Erachtens folgende
Werte übrig:
1) UAC wegen Corona
2) UDC wegen Peaks
3) dV/dt wegen Stromtragfähigkeit
4) Frequenz wegen dielektrischer Verluste, die den Cap aufheizen
Wenn man ein typisches disruptives TC-system betreibt, ist der duty cycle so gering, dass das Spannungsderating wegen dielektrischer Verluste (und die damit verbundene Temperaturerhöhung des Caps) vernachlaessigen kann. Aber NICHT bei CW-systemen, also z.B. FET-coils oder tube-coils!!!!
Herstellerangabe UDC ist nicht so kritisch für den TC-Betrieb,
ich (STK) persönlich würde hier aber einen Sicherheitsfaktor von
mindestens 2, eher 3 einbauen, denn wenn man UDC überschreitet,
stribt meiner Meinung nach der Cap sicher!
Ich benenne jetzt mal ein paar Indizes. Der Einfachheit halber sollten wir in kuenftigen Diskussionen immer diese Nomenklatur verwenden:
n = Zahl der Caps in Serie,
m = Zahl der parallelen Ketten
i = einzelne Komponente
ges = Summe ueber alle i
Damit ergeben sich folgende Gleichungen:
Cn = (1/n) * Ci (Kapazitaet einer Kette)
Cges = m * Cn = m * (1/n) * Ci
Im = (1/m) * Iges (Strom pro Kette)
Ii = Im (Strom pro Cap)
Ui = (1/n) * Uges (Spannung pro Cap)
Fuer Spannung und Strom sind jeweils die Effektivwerte im Sinne von Ueff=0.71*Û gemeint (Û=Upeak=Scheitelwert), ausser sie sind explizit als Scheitelwert gekennzeichnet (^).
Die Gesamtzahl der Caps ergibt sich zu
N = n * m
Da immer wieder Verwirrung um die Begriffe effektiv, rms, ac, peak
und peak-to-peak auftauchen, möchte ich hier noch kurz die Definitionen
geben:
Beispiel 1 ist die in Deutschland übliche sinusförmige Netzspannung
230V~:
U=230Vac = 230V~
Up=Û=325V Peakspannung= Scheitelwert (=230*sqr(2)) =
Maximalspannung einer Phase gegen Erde
Upp= 2*Û = 650V peak-to-peak
Bei Sinus (cw) ist der Effektivwert Ueff
=Urms=(1/sqr2)*Û=230Vac
Beispiel 2 ist die Spannung an einem Kondensator:
Wenn man einen Kondensator am Ausgang eines Trafos (10kVac)
anschließt, so ist die Peakspannung am Cap
Up=Û=14.1kVp
Wenn man einen Pol erdet, so schwingt der andere Pol natürlich zwischen
+14.1kV und -14.1kV gegen Erde hin und her, die Differenzspannung, die am
Cap anliegt, ist aber nie größer als 14.1kVp !
FIKTIVES System (GTL-Standard-TC):
Möglichst nah an den Werten einer durchschnittlichen 8"-coil, denn die bauen oder planen wohl derzeit die meisten. Bei den Werten gehe ich von möglichst runden aus und versuche die Induktivität dann anzupassen. Im vollen Bewußtsein, daß es keine Gap mit genau 100BPS gibt, setze ich sie trotzdem mal auf 100BPS (z.B. wegen LTR-Cap). Ist ja auch egal, uns gehts ums Prinzip, da muß nur alles (z.B. der Strom) schlüssig sein.
xfmr: Uac=10kV (Û=14.1kV Peakspannung)
gap: 100BPS
Cges: 100nF
f: 100kHz
L: 25.6uH (errechnet aus f und Cges)
Îges: 877A (peak!) (errechnet aus U, Cges und Energieerhaltung)
In folgenden Diskussionen auf der GTL um Auslegung eines MMC bitte IMMER
und AUSSCHLIESSLICH diese Werte nehmen, sonst wird es unübersichtlich.
Für prinzipielle Dinge reicht ein Beispielsystem völlig aus. Eigentlich
sogar die Formeln....
Gerne könnt Ihr mir natürlich Eure persönlichen Daten schicken,
ich trage sie dann in eine neue Version des zum download angebotenen MMC.xls
ein.
Zum Selberrechnen gibt es hier das aktuelle Excel-Sheet MMC.zip (enthält MMCversionsdatum.xls) zum download (veraltet!).
Für diejenigen, die kein Excel haben, sind in der folgenden Tabelle
die wichtigsten Daten nochmal gelistet. Diese Tabelle beinhaltet aber noch
nicht den DC-Faktor und ist auch schon wieder veraltet, da es viel
Arbeit ist, die Daten zu übertragen. Ich werde sie vermutlich nicht
mehr updaten sondern auf Anfrage die Daten aus Excel per mail verschicken
an die Leute, die kein Excel haben. In der Tabelle werden in Zukunft nur
die LAUFENDEN Systeme eingetragen werden!
(Sorry, die breite Tabelle ist besch... zu drucken.
Ladet sie Euch am besten zum offline-Betrachten einfach runter, oder druckt
sie im Querformat)
| Wer | Was | run- time bisher |
Cap | UDC rated |
xfmr Urms |
fTC | C | n (s) |
m (p) |
Caps ges |
Cges | UAC rated |
dV/dt rated |
UAC pro Cap |
Koro- nafak- tor: UAC ------ UACr |
dt | dV/dt | rise- time- faktor dV/dt ------ dV/dtr |
| STK | Vitamini | 15min | ERO 1836 |
1000 | 10000 | 7,0e5 | 62 | 20 | 2 | 40 | 6,2 | 330 | 1500 | 500 | 1,52 | 3,6e-7 | 3101 | 2,07 |
| STK | 2" Ver.1 | 0 | ERO 1836 |
1000 | 10000 | 4,0e5 | 62 | 25 | 6 | 150 | 14,9 | 330 | 1500 | 400 | 1,21 | 6,3e-7 | 1418 | 0,95 |
| STK | 2" Ver.2 | 0 | ERO 1836 |
1000 | 10000 | 4,0e5 | 62 | 25 | 8 | 200 | 19,8 | 330 | 1500 | 400 | 1,21 | 6,3e-7 | 1418 | 0,95 |
| STK | 4" | 0 | Wima FKP-1 |
6000 | 8000 | 2,0e5 | 33 | 6 | 27 | 162 | 149 | 700 | 5000 | 1333 | 1,90 | 1,3e-6 | 2363 | 0,47 |
| STK | 4" | 0 | Wima FKP-1 |
6000 | 8000 | 2,0e5 | 33 | 6 | 31 | 186 | 171 | 700 | 5000 | 1333 | 1,90 | 1,3e-6 | 2363 | 0,47 |
| STK | 4" | 0 | Wima FKP-1 |
6000 | 8000 | 2,0e5 | 33 | 7 | 26 | 182 | 123 | 700 | 5000 | 1143 | 1,63 | 1,3e-6 | 2025 | 0,41 |
| STK | 8", SRG 200BPS |
0 | Wima FKP-1 |
6000 | 8000 | 1,0e5 | 33 | 6 | 31 | 186 | 171 | 700 | 5000 | 1333 | 1,90 | 2,5e-6 | 1181 | 0,24 |
| STK | 8", SRG 200 BPS |
0 | Wima FKP-1 |
6000 | 8000 | 1,0e5 | 33 | 7 | 26 | 182 | 123 | 700 | 5000 | 1143 | 1,63 | 2,5e-6 | 1015 | 0,20 |
| STK | 8", SRG 200 BPS |
0 | Wima FKP-1 |
6000 | 12000 | 1,0e5 | 33 | 9 | 21 | 189 | 77,0 | 700 | 5000 | 1333 | 1,90 | 2,5e-6 | 1181 | 0,24 |
| RWB | . | 1h | ERO 1836 |
1000 | 7500 | 2,0e5 | 62 | 12 | 6 | 72 | 31,0 | 330 | 1500 | 625 | 1,89 | 1,3e-6 | 1108 | 0,74 |
| RWB | . | 0 | Wima FKP-1 |
6000 | 7500 | 2,0e5 | 33 | 3 | 10 | 30 | 110 | 700 | 5000 | 2500 | 3,57 | 1,3e-6 | 4430 | 0,89 |
| RWB | Test- aufbau |
5min bis RIP |
Phillips X2 |
? | 7500 | 2,0e5 | 330 | 35 | 1 | 35 | 9,4 | 250 | 220 | 214 | 0,86 | 1,3e-6 | 380 | 1,73 |
| Gary Lau |
. | ? | Wima FKP-1 |
1600 | 15000 | 2,2e5 | 15 | 16 | 11 | 176 | 10,3 | 650 | 6000 | 938 | 1,44 | 1,1e-6 | 1828 | 0,30 |
| Finn Hammer |
>15min | KP/ MKP 376 |
1600 | 20000 | 1,0e5 | 22 | 20 | 30 | 600 | 33,0 | 500 | 10000 | 1000 | 2,0 | 2,5e-6 | 886 | 0,09 | |
| Sk | twin system |
0 | Wima FKP-1 |
6000 | 16000 | 1,3e5 | 33 | 10 | 15 | 150 | 50 | 700 | 5000 | 1600 | 2,29 | 2,0e-6 | 1772 | 0,35 |
| AS | . | 6000 | 10000 | 3,0e5 | 33 | 6 | 7 | 42 | 38,5 | 700 | 5000 | 1667 | 2,38 | 8,3e-7 | 4430 | 0,89 | ||
| AS | . | 0 | Wima FKP-1 |
6000 | 10000 | 3,0e+5 | 33 | 7 | 8 | 56 | 37,7 | 700 | 5000 | 1429 | 2,04 | 8,3e-7 | 3797 | 0,76 |
| TB | . | 0 | Wima FKP-1 |
6000 | 15000 | ca.1e5 ? |
33 | ? | ? | <324 | ? | 700 | 5000 | ? | ? | ? | ? | ? |
Fazit:
Wenn RWBs Phillips-X2-caps tot sind, müßten meine (STK) ERO-caps in Vitamini eigentlich schon mausetot sein. Warum sie trotzdem bisher etwa 30Minuten Runtime überlebt haben weiss ich nicht.
Folgende Mail antwortete Terry (auf der Pupman) auf Reinhards Anfrage (s.u.):
Original Poster: Terry Fritz <twftesla@uswest.net>
Hi Reinhard (when he feels better), Gary Lau, GTL, All,
Gary Lau has the spec sheets and design guidelines at his web site for WIMA caps: http://people.ne.mediaone.net/lau/tesla/mmc_cap.htm
Apparently, WIMA is just concerned about overheating the caps under AC (Hinweis: nicht nur, siehe hierzu Argument der Teilentladungen in dem Textabschnitt zur Stellungnahme von WIMA weiter unten). You can go through their equations to find the temperature rise and if it is 10Deg. C or less you are ok. The AC rating they give is for continuous AC were ours is pulsed. They have all kinds of if, and, ors, and buts about this rating so you need to go through the data sheet and apply TC use to see what would be best. The two types of caps you mention have about the same AC rating because they have about the same dissipation.
What worried me is graph #1 at: http://people.ne.mediaone.net/lau/tesla/wima_selection_1.jpg
This chart seems to indicate as the frequency goes up, the dielectric strength goes way down. I didn't know if they were taking dissipation into account for this graph or if there is some property of poly that makes it loose dielectric strength despite heating effects (Hinweis: laut WIMA nur wegen Hitze). They also talk of the "ionization inception level". I am not sure what that is about...
Since the company I work for makes high power switching power supplies and we use a million plus WIMA caps per year, I did some checking around. We had data from about 30 cap manufacturers and a few vaguely mentioned this derating. Others did not.
I talked to the high power AC engineer (guru) that every one said to talk to about this. This is what he said:
The AC derating is based on the fact that a cap with DC across it has zero dielectric heating. When AC is applied, there is heating that can fail the cap. WIMA (according to their reps that visit us often) found that they could almost always use the derating curve they give to estimate the reduced voltage handing under "continuos" AC voltages at various frequencies. However, in TC applications (he has built TC before too :-)), we have a fairly low duty cycle and thus, this is not a problem. Normally, this curve would say that we should derate the voltage to about 20%. However, unless our duty cycles, where the high frequency is applied, is over 20%, the heating will be less than this derating graph is meant to represent. This graph was meant for CONTINUOS applications only. Of course, we should watch the current and all the other ratings posted on Gary's web page, but the low duty cycles of or Tesla coils allow us to use WIMAs at the DC/1.4 RMS level with no problem. (Hinweis: siehe hierzu das Gegenargument der Teilentladungen in dem Textabschnitt zur Stellungnahme von WIMA weiter unten)
The switching power supplies we build have WIMAs in similar pulsed duty. The real indicator of how long they live is how warm they get. If they heat to about 5 Deg. C above the ambient, then they last forever. At about +8 Deg., we see occasional failures. At +10 Deg. they get to be a problem. Over 10 Deg. C of internal heating is "bad". Of course, this equipment is in use 24 hours a day 365 days a year where our TCs are in use vastly less... In many situations, we go beyond the WIMA chart derating in pulsed applications with no problem at all, just being sure they don't get hot.
Other pages that have some nice data I quickly searched out are:
Let me know if more info is needed. Since we use zillions of WIMA caps, we
have "leverage" with them when we need questions answered...
Of course, if anyone has any other info, please chime in...
Cheers, Terry
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At 03:49 AM 5/8/99 +0200, you wrote:
To: tesla@pupman.com
Subject: Arrgh! We NEED help
From: "Reinhard Walter Buchner" <rw.buchner@verbund.net> (by
way of Terry Fritz <twftesla@uswest.net>)
Date: Sat, 08 May 1999 07:50:31 -0600
Approved: twftesla@uswest.net
Delivered-To: fixup-tesla@pupman.com@fixme
Hello all,
We (the GTL members) have a very hot discussion going on about MMC´s at the moment. We want to use WIMA caps to build various different MMCs.
Here are the cap specs:
Cap #1:
WIMA FKP1
33nF
dv/dt = 5000V/µsec
DC rating: 6kV
AC rating: 700V
Cap #2:
WIMA FKP1
100nF
dv/dt = 3500V/µsec
DC rating: 1.6kV
AC rating: 650V
Now, I say we should shoot for the 1.6kV caps and here is why:
Imax per Cap#1 = 0.033µF*5000V/µsec = 165A
Imax per Cap#2 = 0.1µF*3500V/µsec = 350A (so, the way I see it,
Cap #2 is better)
Next:
The difference in AC voltage rating is very low, being only 50V. However what REALLY BUGS ME, is the discrepancy between Uac & Udc in these two caps.
Cap #1: Udc->Uac: factor 8.6
Cap #2: Udc->Uac: factor 2.46
I have ABSOLUTELY NO IDEA why the 6kV cap can only withstand 700Vac. That is a very pitiful (de-) rating factor. I say Cap #2 is once again better, because in TCs, we see large voltage reversals, so the 6kVDC rating is of no interest to us. Using the 6kVDC factor (in any way) to build a MMC is playing Russian Roulette with the caps.
As I = c* dv/dt, I say it is better to use Cap #2. Here´s why:
Even though Cap #1has a higher dv/dt, it is not as suitable as Cap #2, because
the dv/dt(cap1) to dv/dt(cap2) is 1.42, but Cap# 1 only has 1/3 of the
capacitance of Cap #2.
I say: The dv/dt of the single cap is THE rating for the whole string. What I mean is, if I use a cap with 3500V/µsec, it doesn´t make a difference in "Ampacity" if I have 1 cap or 100000 caps in the string. The maximum current allowed will flow through all caps, so it doesn´t make a difference (to the dv/dt of the total string) if I have one cap or more in the SERIES string. To keep the dv/dt rating per string within the allowable, you have to use many PARALLED strings.
I say: Imax (per total MMC) = (dv/dt*C)* number of PARALLEL strings.
Imax (per chain)= (C/n)* (dv/dt(sc)*n)
n: number of caps
sc: single cap
Let´s use Cap #2 as an example:
One Cap:
dv/dt=3500V/µsec
C= 0.1µF
Imax = 3500V/µsec * 0.1µF = 350A max for one cap
Imaginary Cap string:
same data as above, except we make a string consisting of 1953 caps:
String capacitance is now = 0.1µF/1953 = 5.12*10^-5µF
dv/dt for the string is now 3500V/µsec*1953 = 6835.5Kv/µsec
so this cap is good for:
Imax= C(string)*dv/dt(string)= 5.12*10^-5µF*6835.5kV/µsec = 165A
The Imax per chain is totally independant of the number of caps that are seriesed in the chain.
The cost of both caps (each) is approx. the same. I (as you can tell) say go for the 1600V units. Some guys don´t agree, so I would like to hear some opinions from you guys.
BTW: I think I now pretty much know why my Phillips X2 MMC died. (it failed within 5 sec):
The caps used were:
Series 336/2 X2 MKP Caps
330nF
250Vac rated
200v/µsec rated
I built a test MMC with these caps. I used 35 caps in series in a single string. Peak primary current was around 150A. Total capacitance was 9.47nF. The input voltage was 7500V*sqrt(2)= 10.6kV peak.
Coil data: 200khZ, so following T=1/f, this means 5*10^-6sec.
Of interest is 1/4, so this means the rise time is 1.25µsec.
10606V* pi/2 = 16659V per 1.25µsec
dv/dt = 13327V/µsec/35 = 380V/µsec per Cap
Imax= 0.33µF*200V= 66A.
Now it becomes very clear why this cap (had to) fail(ed): I exceed the maximum allowable current by a factor of ~2.3 and I exceeded the dv/dt by a factor of: 1.9.
My ERO MMC is still chugging along fine because even though I run them at Peak ACV = rated DCV, I´m not exceeding Imax or dv/dt ratings.
So, which WIMA caps should we go for?
a.) 33nf@6kvdc/700Vac
b.) 100nF@1600Vdc/650Vac
Coiler greets from germany, Reinhard
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Anm. von STK: Damit scheinen also doch die 6kVDC-Typen besser (=billiger) zu sein: für meine 8"-TC sind die 6kVDCs etwa Faktor 3 billiger.
Hi Coilers,
die Antwort von WIMA ist da! Es gibt im wesentlichen 3 Effekte, die für die maximale Belastbarkeit eines Folienkondensators verantwortlich sind:
1) Betriebsspannung (Durchschlag bei DC, Teilentladungen bei AC)
2) Frequenz (Erwaermung => Spannungsreduktion bei hohen Frequenzen)
3) Strom (puls risetime)
Ursache für das bei niedrigen Frequenzen konstante UAC-rating sind die uns ja bereits bekannten Teilentladungen (partial discharges). Bei WIMA haengt die maximale Spannungsbelastbarkeit natuerlich auch vom inneren Aufbau ab. Die Typen mit 700V pro Kondensator haben eine 2-fache interne Serienschaltung (FKP-1), also mit einer 'Blindlage' (auch manchmal als 'floating electrode' bekannt). Bei 4-facher interner Serienschaltung erreicht WIMA bis zu 1200VAC pro Kondensator bevor die Gefahr von Teilentladungen besteht. Mit diesem Werten liegt WIMA angeblich ziemlich genau gleich mit ihren Mitbewerbern.
Erst hieß es, 1.5-fache AC-Spannungsueberlastung sei 'noch im Rahmen', spaeter korriegierte er sich jedoch und sprach von nur maximal zulaessiger 1.25-facher Überlastung für unsere geforderten 2000 Betriebsstunden ('also hier 900V'). Wie hoch dann aber die Ausfallswahrscheinlichkeit ist (50% oder 1% oder sonstwas...) konnte er mir allerdings leider nicht sagen. Auf mein Drängen hin will er diesen (ja schließlich entscheidenden) Wert nachschauen und mir noch mitteilen. Die Alterung von Caps ist prinzipiell von der Spannung und der Temperatur abhängig. Als Bewertung werden normalerweise 'Ausfälle pro 109 Bauelementestunden' angegeben.
Als weiteres wichtiges Ergebnis erfuhr ich, daß partial discharges UNABHÄNGIG von der Frequenz sind. Sie treten aber nur bei AC auf. Als untere Grenze nannte er 'etwa im Bereich von 1Hz', dies lasse sich aber natürlich nicht genau festklopfen.
Fuer die Betrachtung der Gefaehrdung des Caps durch Teilentladungen ist die Betriebsfrequenz (Netzfrequenz oder HF) also egal. Ein zusätzliches derating für höhere Frequenzen ist deshalb nur aufgrund der dielektrischen Verluste vorzunehmen.
Aufgrund des niedrigen duty cycles unseres HF-Anteils (in der Regel <5%) wird deshalb bei uns vermutlich kein Temperaturanstieg erfolgen. Die risetime (Strombelastung) ist laut WIMA nicht als allzu kritischer Wert anzusehen und kann 'eher überschritten werden' als die aufgrund der Teilentladungen gegebene Spannungsgrenze. Wie weit, konnte er mir allerdings nicht sagen. Allerdings ist der Parameter bei unseren bisherigen Auslegungen ja sowieso nicht kritisch (wir liegen immer weit unterhalb des kritischen Wertes).
Der Ausgangstest für Kondensatoren ist bei WIMA übrigens 2*UDCr für 2 Sekunden.
FAZIT:
1) Laut WIMA können wir die FKP1-Typen bei 900VAC statt 700VAC einsetzten fuer eine Gesamtbetriebsdauer von 2000h. Wie hoch dann die Ausfallrate ist, muß er erst noch nachschlagen (habe die Antwort aber nie bekommen...). Wenn nach den 2000h nur eine sehr geringe Anzahl von Caps ausfällt, ist das meines Erachtens nicht weiter tragisch, da wir ja dann auch welche austauschen könnten. Falls dies der Fall sein sollte (wovon ich derzeit ausgehe), könnten wir sicher mehr als 125% Überlast (also mehr als 900VAC pro Cap) anlegen.
2) Die von Terry (siehe oben) vorgeschlagene Vorgehensweise ('alles unter 5°C Temperaturerhoehung ist unkritisch') ist nur bedingt zu empfehlen, da hier die Teilentladungen vernachlaessigt werden.
Gute Neuigkeiten (Update 03'2002):
Hallo liebe Cap-Quäler!
Terry war freundlicherweise bereit, ein paar MMC geeignete Caps, mit Hilfe seines guten Geräteparks zu testen. Die Testmethode kann geklickt werden unter: http://hot-streamer.com/TeslaCoils/MMCInfo/GeekCaps/GeekCaps.htm
Ich habe ihm also je ein Paar folgender Caps zum destruktiven Test geschickt:
1.) WIMA FKP1 33nF/6kV DC/700V AC
..fällt ein Groschen? Einige von Euch haben diese sicher noch zur Hand, vom gemeinsamen Einkauf 1999, realisiert durch Toni Burger (...auch Gegenstand einer grossen und kontroversen Diskussion auf der GTL...;o)).
Nun, diese Caps, im neueren Licht betrachtet (=mehr MMC Erfahrung vorliegend, weltweit), sind ganz SUPER geeignet für MMC's !!! Terry meint, die Spannungs-Dimensionierung dürfe tatsächlich auf den DC-Wert von 6kV abgestellt werden, während der AC Wert von nur 700V, wie bei anderen MMC-caps, für den TC-Einsatz vernachlässigt werden könne. Das Testergebnis, hier in Terry's Original, hineinge-pasted:
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I think you "should" be able to use the WIMA caps to 6kV. The 700VAC rating is for ionic damage which is not much of a factor in a low duty cycle pulse application.
For the WIMA FKP1 33nF 6000VDC
With 3.9 amps at 350kHz going through it, it heated to 6.16C.
Thus,it can take 5 amps RMS (for a 10C rise in temperature).
High voltage test 2.4, 4.5, 6.9, 10 - good
Construction not checked but foil on film
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Es ist bemerkenswert, wie hoch der Effektivstrom sein darf. Wie ich bei allerlei Dimensionierversuchen festgestellt habe, ist, bei MMC's für höhere Leistung, eher die Erwärmung (=RMS Strom) für die Dimensionierung massgebend, als die Spannungsfestigkeit. Ein Design-Excel für diese Caps kann auf meiner Website heruntergeladen werden: http://home.datacomm.ch/k.schraner/MMCcalcWIMA33b.xls (ca.50kB)
Einen kleinen MMC mit diesen Caps habe ich realisiert und schon öfter eingesetzt: er ist aufgebaut aus 6 Reihen zu 8+8 Caps (=96 Caps), so dass ich ihn für ~12.4nF/96kV(?=:-O) oder 49.5nF/48kV brauchen können sollte. Die "thermal dissipation constant" des Excel ist mit 9.24 C/W ausserordentlich tief(=günstig). Die Lebensdauerrechnung, auf Grund des AC Spannungswertes, wurde aus dem Excel entfernt (Nach Diskussion mit Terry). Ein logging des Gebrauchs habe ich nicht, aber der MMC ist sehr praktisch & läuft gut.
Ein anderer Terry-Test waren die ERO-Caps aus Mike Tucknotts UK-bulk-buy (klein, Anschlussabstand 27.5mm, rund, blau). Hier wieder Terry's Ergebnisse einge-pasted:
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The smaller ERO MKP 1845 68nF 1600VDC
With 3 amps at 350kHz going through it, it heated to 5.21C.
Thus, it can take 4 amps RMS (for a 10C rise in temperature).
High voltage test 1.6, 1.8, 3.4, 3.8, 4.4 - good
Construction - Film on film
So the ERO caps are film on film which is NOT recommended due to the end plates burning out were they connect to the thin film.
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Die letzte Bemerkung kann allerdings relativiert werden zu:
"The breakdown voltages and the metal film thing are not fatal. There are successful MMCs that use all metal film caps. A lot depends on exactly how well they are made and how much peak current they see. I would not "recommend" all metal film caps, but they may indeed work for most. Breakdown voltage on self healing caps is a long story. Some may need hundreds of arcovers before they "break in" and are ready for normal service. When I took them apart, they looked fine inside so I assume that they would do fine after awhile. Anyone that already has these caps should go ahead and us them without much worry. If they fail "I told you so" ;-)) but they may work just fine."
Vielleicht hat ja auch einer von Euch diese 68nF ERO caps..., bei mir sind 500!
Grüsse, Kurt Schraner
Hallo Stefan,
ich habe den MMC bisher nur recht vorsichtig eingesetzt:
- mit 12.4nF (= 6 Stränge à 16 caps) für 16kVrms Trafos
(PT's)
- mit 49.5nF (=12 Stränge à 8 caps) für 9kVrms Trafos (NST's)
Auch ich war begeistert, dass unsere 33nF WIMA's so toll sind, und werde es nun wagen, die 49.5nF auch an 16kV Trafos anzuhängen, besonders da ja auch die Strombelastung viel höher sein darf, als früher abgeschätzt, als ich in meinem Terry-MMC-Excel noch eine standardmässige "thermal dissipation constant" TK von 33C/W eingesetzt hatte, welche aus dem Abstand der Anschlussdrähte geschätzt wurde.
Auch für die 68nF ERO Caps kann übrigens, gemäss Messungen, ein besserer TK Wert von 27.2 C/W (anstatt 40) eingesetzt werden.
Ab hier die Erklärungen zum alten Excel-Sheet (Caps.xls) von STK, in dem der Koronafaktor (UAC , partial discharges) unberücksichtigt(!) blieb. Die damit gefundenen Schlußfolgerungen sind also gefährlich für die Caps (Korona)! Alle, die dieses Caps.xls haben, bitte auf das neuere MMC.xls (s.o.) updaten (oder zumindest im alten die UDC-Spalte löschen und nur mit dem UACmax nach Herstellerangabe weiterrechnen)!
Zu beachten ist das derating wegen der Pulsanwendung mit etwa 100-1000kHz. Dabei ist der duty cycle zu berücksichtigen, also wie oft diese Schwingung stattfindet. Wenn man mal ein System aehnlich meiner Vitamini als hochfrequenten Extremfall nimmt, so haben wir pro Sekunde 100x ca. 20 Schwingungen mit 1MHz, also 2000us/1e6us = 1/500. Nimmt man ein 100kHz-System mit Rotary, so duerften es im Extremfall etwa 1000x 20 Schwingungen mit 100kHz sein, also 200.000us/1e6us = 1/5. Man sieht hier, dass ein Cap in einem grossen TC also weit mehr beansprucht wird als in einem kleinen TC. Der Verlustfaktor steigt zwar oft mit der Frequenz, aber bei weitem nicht in diesem Masse. Der derating-Faktor fuer diese Betrachtungen ist aus den Datenblättern des Herstellers herauszulesen. Eine Abschätzung kann ueber die Temperaturerhoehung gemacht werden. Man kennt (oder kann sie zumindest grob abschaetzen) die Waermeuebergangszahl von Cap zur Umgebung (also Luftspalt zwischen den Caps). Über den Verlustfaktor, der ja der deponierten Wirkleistung im Verhaeltnis zur Blindleistung entspricht, kann man dann die Gleichgewichtstemperatur ausrechnen. Die sollte meiner Meinung nach bei max. 35°C Oberflaechentemperatur liegen, damit er innen nicht zu heiss wird. Andersrum aufgeloest ergibt sich aus dem Ansatz die max. erlaubte effektive Spannnung am Cap.
Ein 'Überspannungsfaktor', der berücksichtigen wuerde, dass im gekoppleten Schwingkreis die Spannung am Primaercap evtl. mal auf das doppelte (manchmal hoert man auch 'das 3-4fache') steigen kann ist meines Erachtens Bloedsinn, denn das wuerde gegen die Energieerhaltung verstossen. Wenn man so einen 'Ueberspannungsfaktor' einfuehrt, dann nur wegen eines Einschlags der Sekundaerspannung in der Primaerkreis, der von den Filterelementen (Choke, safetygap, safetycap) nicht vollstaendig abgefangen wird. Ich wuerde hier etwa Faktor 1.5 nehmen, das sollte bei richtig eingestellter safety gap reichen.
Fazit:
Also, nun gehts in die Vollen, jetzt kommt die Erklaerung der im Excel-sheet
verwendeten Formeln (Buchstaben sind die Spalten in
Excel):
D) Zunaecht wird das angegebene DC-rating (A) in AC-rating umgerechnet. DIES IST NACH NEUESTEN ERKENNTNISSEN FALSCH, da hierbei die Neigung zu Korona im AC-Betrieb nicht generalisiert werden kann sondern vom Aufbau des jeweiligen Caps abhängt. Diese Spalte ist also zu löschen und das vom Hersteller angegeben rating für den AC-Betrieb direkt in die Spalte E einzutragen.
F,G) Die Eingangsleistung des Netztrafos wird nicht beruecksichtigt. Stattdessen fußt die Berechnung des deratings auf der Angabe der 'sekundaerseitigen Effektivspannung' des Netztrafos und der BPS. BPS ist bei static gaps und nicht wesentlich zu kleinem Cap meist 100, bei rotary gaps muss mans wissen oder messen. Mit 'sekundaerseitiger Effektivspannung' ist das 0.71fache der Spannung gemeint, bei der die Funkenstrecke zuendet. Bei static gaps kann man diese Spannung messen. Bei synchronen rotary gaps (SRG) mit 100BPS auch. Bei SRGs mit mehr als 100BPS muss man mitteln, ebenso bei asynchronen rotary gaps. Diese Mittelung ist noch NICHT implementiert !!! Ich hab noch nicht drueber nachgedacht, wie man mitteln muss. Diesbezuegliche Vorschlaege Eurerseits sind willkommen!!
I,J) Zur Berechnung des duty cycle (L), also dem zeitmaessigen Anteil der HF-Schwingungen werden Angaben zum Quenchverhalten benoetigt. Was ich bisher weiss, quenchen die meisten 'vernuenftigen' TCs beim 3rd notch. Aus den Messungen von Terry Fritz zum Vergleich einer multiple series gap zur single gap hab ich die Zahl der Schwingungen in Abhaengigkeit vom Kopplungsfaktor ermittelt. Die meisten TCs werden wohl etwa k=0.1 haben. Damit sind es 5 volle HF-Schwingungen bis zum 1st notch quench, 15 bis zum 2nd notch quench und 25 bis zum 3rd notch quench. Die variable Eingabe des Kopplungsfaktors ist bisher nicht implementiert.
K) Aus den Angaben zum Quench wird die aktive Zeit in Sekunden errechnet.
L) Mit Hilfe der TC-Frequenz (E) und der aktiven Zeit (K) wird der duty cycle berechnet. Rein rechnerisch kann er natuerlich groesser als eins werden, in der Realitaet natuerlich nicht. Ein Realitaets-check bleibt jedem selber ueberlassen(!). Bei duty cycles groesser als 0.25 wuerde ich auf jeden Fall eine Messung mit dem Oszi empfehlen (z.B erst mal mit SW-caps), schliesslich braucht der Primaercap auch eine zeitlang, bis er wieder vom Netztrafo voll geladen worden ist.
M) Da bei den HF-Schwingungen in der Zeit bis zum Quench die Energie periodisch zwischen Primär- und Sekundärkreis hin und her pendelt, ist die durchschnittliche Spannungsbelastung des Caps waehrend der Dauer der HF-Schwingungen auf das 0.71fache reduziert.
N) Im Katalog von RS-Components (Sept'98-Feb'99) ist die frequenzabhaengige derating-Kurve fuer 1000VDC-MKP-Caps angegeben (natuerlich fuer CW, also duty cycle = eins). Da der konstante Teil (bis 6kHz) fuer TCs nicht relevant ist, habe ich aus der Kurve oberhalb 6kHz (6kHz: 350V, 10kHz: 250V, 100kHz: 35V, linearer Verlauf im log/log- Massstab) eine Fitformel errechnet: Ud= 432743 * 10^(-0,81843*log(f)). Diese wird verwendet, um die HF-Schwingungen zu deraten. Es bleibt hier jedem selber überlassen, anhand der Herstellerangaben eine eigene Kurve einzuprogrammieren. Die Kurven sind beim gleichen Captyp meist von der Kapazitaet abhängig.
O) Das von der Schwingungsform abhaengige derating wird nach dem Anteil (duty cycle) der HF-Schwingungen vorgenommen: O=D*(1-L)+N*L
P) Bei TCs besteht der einzige Schutz der Caps gegen Ueberspannung aus der safety gap (definierter Schwellwert). Damit die safety gap nicht dauernd feuert, muss sie auf eine etwas hoehere Spannung eingestellt werden. Ich habe hier eine um 20% hoehere Durchbruchspannung eingesetzt.
Q) Da unsere TCs nicht rund um die Uhr laufen, koennen wir sicherlich eine etwas hoehere Spannunng zulassen (ein TC-Cap muss ja keine 10000 Stunden durchhalten, wenn es nicht gerade ein Showgeraet ist). Ich habe mal 10% mehr zugelassen.
R) Aus allen bisherigen deratings wird nun die endgueltige Einsatzspannung des Caps bei TC-Betrieb berechnet.
T) Um das Ergebnis auch bei variablen DC-ratings einschaetzen zu koennen, wird derating-Faktor von DC nach TC ausgegeben.
U) Aus der Einsatzspannung Ueff und dem TC-rating der Caps wird die noetige zahl der Caps in Serie (also pro Kette) berechnet. Diese Zahl wird in Spalte (V) auf ganze Werte gerundet.
W) Hier wird die Kapazitaet pro Kette ausgerechnet.
X) Anhand der geforderten Kapazitaet (H) kann die Zahl der noetigen Ketten errechnet werden, die natuerlich wieder gerundet werden muss (Y).
Z) Zur Kontrolle wird die mit dem Multicap-Cap erreichte Kapazitaet in der Serien/Parallel-Schaltung ausgegeben.
AA) Hier wird die Gesamtzahl der Caps ausgegeben.
AB) Da sicher mal der ein oder andere Cap kaputtgehen kann (Murphy...) sollte man besser 20% mehr kaufen.
AC) Anhand des in (C) eingegebenen Preises eines einzelnen Caps wird der Gesamtpreis berechnet. Man sollte anhand (AB) darauf achten, ob man nicht eine guenstigere Mengenstaffelung nutzen kann.
So, das war der Formelteil. Im ersten Formelteil hab ich die Caps von Pollin eingesetzt und einfach ein bisschen variiert, damit man ein Gefuehl fuer den derating-Faktor bekommt.
Im zweiten Beispielblock hab ich den Preis von fiktiven Einzelcaps so angepasst, dass sich ein konstanter Endpreis ergibt. Damit gewinnt man ein Gespuer, im Katalog geeignete Caps zu finden ohne alle eintippen zu muessen.
Im dritten Berechnungsblock hab ich meine aktuellen Katalogwerte eingetippt, um die billigsten Caps fuer meinen 4"-TC zu finden.
Mit dem billigsten Cap habe ich dann nochmal unsere TCs gecheckt. Bei kleinen TCs (wenig Ketten, geringe Gesamtzahl von Caps) kann, wie anhand meines 2"-TC gezeigt, der fuer ein grosses System teurere Cap dann doch billiger sein (ist auch ein Effekt der Mengenstaffelung).
BEISPIEL dazu:
Annahmen:
- TC-Frequenz 100kHz
- PP als Cap-Folie (tand ca. 2e-4)
- Primaerkapazitaet 100nF
- rotary gap (Annahme: 1000BPS)
- Primaerinduktivitaet 27uH
- Spannung 8kV(rms)
- Die benoetigte Trafoleistung ist also 1000x Ec = 1000x 1/2 C U^2 1/s =
6.4kW (Ec = 6.4J)
- Strom ergibt sich aus 1/2CU^2=1/2LI^2 (hier die Scheitelwerte) zu I=U.sqr(C/L),
also etwa 487A(rms)!
Wenn wir fuer eine SEHR GROBE Abschaetzung pro beat etwa 20 Schwingungen zulassen (es werden u.U. mehr sein, aber die Amplitude sinkt ja), dann haben wir eine gemittelte Blindleistung von etwa Ec*20*1000BPS=6.4J*20000=128kVA. Wenn wir nun PP als Dielektrikum naehmen, waeren das dann 128kVA x 2e-4 = 26W, die im Cap als Verlustleistung deponiert werden wuerden, also etwa 0.4% der Eingangsleistung. Klar, bei einem Strom von 487A mit duty cycle 1/5 sind das immerhin noch gemittelte 50A Dauerstrom. Da macht ein ohmscher Widerstand im Cap (Zuleitungsdraht, AC-Widerstand der duennen Metallisierung) sicher auch ne zusaetzliche Heizleistung aus. Wie gross die nun wieder ist, kann ich leider nicht so einfach abschaetzen, da hier die Daten einfach fehlen. Man weiss z.B. nicht, ob die Caps 'extended foil'-Typen sind, also die Belaege seitlich kontaktiert sind, was eine geringe Induktivitaet und damit kurze Stromwege und somit auch einen geringen ohmschen Widerstand bedeuten. Nimmt man statt PP-Caps Glasflaschen (tand etwa 10e-4 bis 100e-4) so steigen die Verluste auf das bis zu 50fache, also 1.3kW. Von unseren 6.4kW waeren also noch etwa 5.1kW (80%) uebrig. Das reicht, um grosse Systeme also erst mal mit Flaschencaps zu testen (wie ichs Achim fuer Genesis vorgeschlagen habe). Bei Vitamini (1MHz, 5.8nF, 10kVeff, 100BPS) errechnet sich die im PP-Cap deponierte Verlustleistung also folgendermassen: Blindleistung = 100BPS * 1/2 C U^2 * 20Schwingungen = 1.15kVA. Verlustleistung bei PP ergibt sich zu 0.23W (ebenfalls 0.4%)!!!
DAS IST MEINE (STK) PERSOENLICH MEINUNG, DIE SICH AUS OBIGEN UEBERLEGUNGEN ERGIBT. SIE ERHEBT KEINEN ANSPRUCH AUF RICHTIGKEIT!!!
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