Конденсатор переменной емкости с нейтральным ротором (стр. 2 из 3)
Ввиду того, что одним из требований к моему конденсатору является минимизация габаритных размеров, я выбрал конструкцию конденсатора, у которого пластины ротора выполнены из диэлектрика потому, что среди конструкций конденсаторов с нейтральным ротором эта будет наименьшей по габаритным размерам. Количество секций в проектируемом конденсаторе – 2. Конструктивной особенностью сдвоенных КПЕ из конденсаторов с твердым диэлектриком является не смежное (как обычно) расположение статорных (и роторных) секций, а сдвинутое на 180 градусов друг относительно друга. Такое расположение уменьшает паразитную связь между статорами обеих секций, не увеличивая размеры блока. Обычное размещение секций в один ряд потребовало бы устройства экрана между статорами, что увеличило бы размеры блока.
Рисунок 1.4 – Блок конденсаторов переменной емкости с твердым диэлектриком (1 – ось, 2 – передний подшипник, 3 – задний подшипник, 4 – ротор, 5 – статор, 6 – построечные конденсаторы, 7 – крышка).
Именно такую конструкцию я выбрал за основу для своего конденсатора.
3. РАСЧЕТ КОНДЕНСАТОРА
3.1 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Величина зазора d выбирается исходя из размеров конденсаторов, требуемой точности, необходимой стабильности и электрической прочности и производственно–технологических соображений. Чем больше зазор тем выше электрическая прочность, стабильность, надежность и точность закона изменения емкости. Следует также учесть, что при увеличении зазора увеличивается обьем конденсатора.
Для приближенного, но удовлетворяющего практическим требованиям расчета можно исходить из того, что при нормальном давлении допустимая напряженность поля между пластинами составляет 650 – 700 В/мм. Тогда величина зазора будет равна:
d = Uр / 500 – 700, мм (3.1)
где Uр – рабочее напряжение
d = 50 / 500 = 0,1 мм
Получили минимальный зазор между статорными пластинами. Если рабочее напряжение конденсатора мало (Uр < 250 в), то из технологических соображений диаметр принимают: d = 0,25 – 0,3 мм. С точки зрения объема конденсатора величина зазора должна быть минимальной. Но при малых зазорах понижается надежность. Считается, что конденсаторы с зазором меньше 0,15мм вызывают черезмерное усложнение производства. В конденсаторах повышеной точности применяют большие зазоры, порядка 1,0 – 1,5 мм. А так как роторные пластины конденсатора будут из керамики (класс III, группа д, ТКЛР равен
), то нужно учесть, что керамика является достаточно хрупким материалом. Выбираю величину зазора и толщину роторной пластины 1 мм.Ось ротора, как и статорные пластины и стойки для крепления статорных пластин,будут выполняться из ковара (ТКЛР около
), ТКЛР которого близок к ТКЛР керамики. Диаметр оси выбираю равным 3мм.Радиус выреза в статорных пластинах r0 определяется радиусом оси и зазором между роторными и статорными пластинами:
r0 = r0с + (2 ÷ 3) d, (3.2)
где r0с - радиус оси.
r0 = 1,5 + 2*1 = 3,5 мм.
Определим форму пластины ротора, обеспечивающей требуемую функциональную зависимость емкости. Для обеспечения прямоемкостной зависимости емкости требуется ротор полукруглой формы. Формула расчета очертания роторной пластины, обеспечивающей любую функциональную зависимость емкости:
Rф =
, мм (3.3)где n – число пластин,
dC/dф – производная зависимости емкости контура от угла поворота.
Зависимость емкости от угла поворота ротора для прямоемкостной зависимости емкости:
= 
, мм (3.4)где Cmin – начальная емкость конденсатора, пФ,
Cmax – максимальная емкость конденсатора или номинальная, пФ.
Подставляя (3.4) в (3.3) получим:
Rф =
, мм, (3.5)где ξ – диэлектрическая проницаемость керамики.
Длинна конденсаторной секции вычисляется по формуле:
L=h-n + d-(n–1), (3.6)
где h – толщина пластины.
Общее количество пластин выбираю следующим образом: при большом числе пластин длинна конденсатора получается черезмерной, при малом – возрастают размеры каждой пластины, что понижает их жесткость, поэтому выбираю количество пластин таким образом, чтобы длина конденсаторной секции примерно была равна радиусу ротора или меньше, чтобы конденсатор не получился слишком высоким, так как конденсатор двухсекционный.
Количество пластин n = 4. Тогда:
Rф =
, = 0,77 см = 7,7 мм.L == 0,15*4+3*1= 3,6 мм
3.2 ВЫЧИСЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЕМКОСТИ
Влияние изменения температуры на параметры конденсатора сказывается в изменении свойств и объема материалов, из которых он изготовлен.Изменение емкости под влиянием температуры в основном вызываются изменениями линейных размеров оси, пластин и, как следствие, зазоров и изменением диелектрической проницаемости диэлектрика, находящегося в электрическом поле конденсатора.
Надо иметь в виду, что емкость КПЕ состоит из двух частей: постоянной части (представляет собой минимальную емкость, величина которой не зависит от положения ротора) и переменной части, величина которой изменяется при перемещении ротора.Каждая из этих емкостей имеет определенный ТКЕ, зависящий как от материалов, так и от последней.
Температурный коефициент переменной части емкости (ТКЕ ~) конденсатора определяется по формуле:
ТКЕ ~= ТКε
TKSA+TKd (3.7)где ТКε
- температурный коэффициент диэлектрической проницаемости диэлектрика (для керамики III-го класса группы д лежит в пределах (13 ÷ 53)*10-6, для расчетов будем брать худшее значение: 53*10-6 1/град);TKSAи TKd – температурные коефициенты активной площади пластин и зазора, соответственно, 1/град.
Температурный коефициент активной площади пластин обулавливается температурным коефициентом линейного расширения материала αмп, из которого они изготовлены, и относительным перемещением секции ротора и статора, вызванным температурным коефициентом линейного расширения материала корпуса αмк, т.е:
TKSA = TKSS TKSL, (3.8)
где TKSS и TKSL - температурные коефициенты активной площади пластин;
TKSS = 2 αмп, (3.9)
где αмп - температурный коефициент линейного расширения материала, из которого изготовлены пластины.
TKSL= αмп - αмк, (3.10)
где αмк - температурный коефициент линейного расширения материала, из которого изготовлен корпус (основание конденсатора).Материалом для оснований конденсатора выбрал установочную керамику: тип В, класс VII, применяется для производства мелких деталей, αмк=6,5*10-6 1/град.
Ввиду того, что в конденсаторе пластины выполнены из разных материалов (роторные – из керамики, а статорные – металлические, из ковара) с неодинаковым (хоть и близким) ТКЛР, для расчетов буду брать худший вариант
Расчитаем TKSL по формуле 3.10:
TKSL= (8 - 6,5)*10-6 = 1,5*10-6 1/град
Расчитаем TKSS по формуле 3.9:
TKSS= 2*8*10-6 = 16*10-6 1/град
Подставляя полученные значения в (3.8) получим:
TKSA = 17,5*10-6 1/град
В связи с тем, что у конденсатора толщина вводимой роторной керамической пластины равна расстоянию между статорными пластинами, особенностью данного конденсатора является то, что с увеличением температуры керамика ротора будет расширяться на (8-4,8)*10-6 1/град, то есть на 3,2*10-6 1/град быстрее, чем такой же по толщине участок материала, выполненный из ковара. И наоборот – с уменьшением температуры ковар сжимается на 3,2*10-6 1/град медленнее, чем керамика, значит с колебаниями температуры будут изменяться воздушные зазоры между пластинами, которые образуются как следствие погрешостей изготовления деталей конденсатора и его сборки, что повлечет за собой незначительные изменения емкости.
Так как пластины крепятся к оси ротора и стойкам пайкой, то температурный коефициент зазора между пластинами расчитывается по следующей формуле:
ТКd = (αмо*l – 2* αмп dп)/(l – 2* dп)
, (3.11)где αмо - температурный коефициент линейного расширения, из которого изготовлена ось;
l – расстояние между пластинами ротора;
dп – толщина пластин.
Если αмо = αмп = αковар,то формула примет вид:
ТКd = αковар (3.12)
Рассчитаем температурный коефициент зазора между пластинами по формуле 3.12.
ТКd = 4,8*10-6 1/град
Общий ТКЕ равен:
ТКЕ = 53*10-6+ 17,5*10-6 + 4,8*10-6 = 75,3 10-6 1/град
Расчетный ТКЕ конденсатора составил 75,3 10-6 1/град, а ТКЕ конденсатора заданное в техническом задании – 80*10-6 1/град, значит параметр данного конденсатора соответствует техническому заданию.
ПАСПОРТ
1.Рабочее напряжение, В....................................... 50