Analisi dei materiali isolanti delle sbarre collettrici laminate: in che modo l'isolamento flessibile e quello rigido influiscono sulle prestazioni del sistema?

Con il rapido sviluppo di nuovi veicoli energetici, sistemi di stoccaggio dell'energia, trasporti ferroviari e apparecchiature di conversione di frequenza industriali, le sbarre collettrici laminate sono diventate componenti di connessione conduttiva chiave nei sistemi elettronici di potenza ad alta-potenza. Che si tratti di una sbarra collettrice laminata per auto elettriche, di una sbarra collettrice laminata in un convertitore ad alta-potenza o di una sbarra collettrice laminata personalizzata per IGBT, le sue prestazioni dipendono non solo dal design del conduttore ma anche strettamente dalla selezione dei materiali isolanti.

 

Il sistema di isolamento influisce direttamente sulla tensione di tenuta della sbarra, sulle prestazioni di scarica parziale, sulla durata e sull'affidabilità complessiva. Comprendere le caratteristiche dell'isolamento flessibile e rigido è fondamentale per progettare sbarre collettrici laminate a bassa{2}}induttività ad alte-prestazioni.

 

 

 

Una barra collettrice laminata è un sistema di connessione conduttivo composto da più strati di conduttori e materiali isolanti, appartenente alla tipica struttura della barra di connessione con struttura composita multi-strato.

 

Impilando strettamente i conduttori positivo e negativo e isolandoli con uno strato isolante, è possibile ridurre efficacemente l'induttanza del circuito, migliorare le prestazioni di compatibilità elettromagnetica del sistema e ridurre la perdita di energia. Pertanto, è ampiamente utilizzato in:

 

Sistemi di guida per veicoli elettrici
Convertitori per accumulo di energia (PCS)
Convertitori di frequenza industriali
Invertitori fotovoltaici
Sistemi elettrici per il trasporto ferroviario
Apparecchiature di alimentazione ad alta-potenza

 

Nelle strutture multi-strato come le sbarre collettrici laminate a tre-strato, il materiale isolante non solo fornisce isolamento elettrico ma anche protezione meccanica e ambientale.

 

 

 

Attualmente, la maggior parte delle sbarre parzialmente laminate utilizzano pellicole isolanti flessibili laminate su conduttori di rame.

 

I materiali isolanti flessibili vengono generalmente fissati saldamente al conduttore tramite un processo di pressatura-a caldo, formando una tenuta completa sui bordi del conduttore, migliorando così la resistenza all'umidità e al calore, all'inquinamento e all'invecchiamento.

 

Materiale isolante in poliestere PET

Il PET è uno dei materiali isolanti più comuni per le sbarre multistrato.

Le sue caratteristiche principali includono:

Temperatura operativa a lungo-termine fino a 105 gradi;
Eccellente duttilità; Meno incline alle crepe durante la piegatura.
Eccellente qualità della superficie;
Buone proprietà ritardanti di fiamma; Costo relativamente economico.

Grazie al suo elevato CTI (indice di tracciabilità relativa), il PET è particolarmente adatto per applicazioni ad alta-tensione.

I materiali PET sono ampiamente utilizzati nelle sbarre laminate della metropolitana e nei sistemi di alimentazione industriale.

Materiale isolante in poliimmide PI

Il PI è un materiale isolante ad alte-prestazioni e resistente alle alte-temperature-.

I suoi principali vantaggi includono:

Resistenza alla temperatura a lungo-termine superiore a 200 gradi;
Eccellente stabilità termica;
Buona saldabilità; Elevato ritardo di fiamma intrinseco.

Pertanto, i materiali PI presentano vantaggi significativi nelle sbarre collettrici laminate IGBT e nelle applicazioni che richiedono la saldatura di condensatori, induttori e altri componenti.

Tuttavia, i materiali PI hanno proprietà di tracciamento superficiale relativamente più deboli e sono più costosi del PET. Sono generalmente utilizzati in applicazioni speciali piuttosto che in progetti convenzionali.

 

 

L'isolamento flessibile copre principalmente il conduttore, mentre l'isolamento rigido serve principalmente come isolamento strutturale tra gli strati del conduttore.

 

Nei sistemi ad alta-tensione, il solo-film isolante sottile è spesso insufficiente a soddisfare i requisiti di scariche parziali e distanza superficiale, rendendo necessaria l'aggiunta di strati isolanti rigidi.

 

I comuni materiali isolanti rigidi includono:

Pannello in poliestere rinforzato con fibra di vetro

Pannello in fibra di vetro epossidica

Materiali compositi isolanti ad alta-resistenza

Lo spessore dell'isolamento rigido viene generalmente determinato in base alla tensione operativa del sistema.

 

Nella progettazione ingegneristica generale:

È necessario circa 1 mm di distanza di isolamento per ogni aumento di 1 kV della tensione operativa.
Maggiore è il livello di tensione, maggiore è lo spessore dell'isolamento rigido.
I sistemi ad alta-tensione possono richiedere strutture isolanti di 3-6 mm o anche più spesse.

 

Pertanto, nelle applicazioni ad alta-tensione come le sbarre collettrici inverter antideflagranti ad alta tensione-, l'isolamento rigido è diventato un componente indispensabile e cruciale.

 

 

RTI-Indice di temperatura relativa

L'RTI (indice termico relativo) rappresenta la temperatura massima alla quale un materiale isolante può funzionare ininterrottamente per periodi prolungati.

Questo indice viene utilizzato per valutare la capacità del materiale di mantenere la resistenza meccanica e le proprietà elettriche in condizioni di invecchiamento termico a lungo-termine.

Generalmente:

 

Temperature più elevate riducono la durata del materiale.

Per ogni aumento di 10 gradi della temperatura, la durata della vita del materiale può essere dimezzata.

Per ogni diminuzione di 10 gradi della temperatura, la durata del materiale può raddoppiare.

Pertanto, per le sbarre laminate a funzionamento a lungo-termine per installazioni complesse di sbarre collettrici, l'RTI (Relative Tracking Index) è un fattore cruciale nella selezione dei materiali.

 

CTI-Indice di monitoraggio relativo

CTI valuta la resistenza al tracciamento di una superficie di materiale isolante.

Valori CTI più alti:

Requisiti di distanza superficiale più piccola;
Maggiore resistenza alla contaminazione;
Funzionamento più sicuro e stabile ad alte tensioni.

Per le applicazioni superiori a 1.000 V, il CTI è spesso un parametro critico che determina la progettazione dell'isolamento.

 

Allungamento

L'allungamento riflette la capacità di un materiale di resistere alle screpolature e all'assottigliamento durante lo stiramento.

Elevato allungamento significa:

Migliore idoneità per processi di piegatura complessi;
Sigillatura dei bordi del conduttore più semplice;
Maggiore affidabilità dell'isolamento.

I materiali PET tipicamente hanno un allungamento superiore al 100%, mentre i materiali PI generalmente hanno un allungamento inferiore rispetto al PET.

 

 

Sistemi energetici industriali

Le applicazioni industriali tipicamente riguardano:

Tensioni di funzionamento da 1000V a 6000V;
Requisiti operativi a lungo termine-;
Elevati requisiti di scarica parziale;
Specifiche rigorose della distanza superficiale.

Pertanto, le sbarre collettrici laminate per inverter a tre- livelli e i sistemi bus di convertitori di grandi dimensioni spesso utilizzano una combinazione di isolamento flessibile e rigido.

 

Applicazioni per veicoli a nuova energia

I sistemi dei veicoli a nuova energia funzionano tipicamente a tensioni concentrate in:

Piattaforme da 400 V

Piattaforme da 800 V

A causa dei livelli di tensione relativamente più bassi:

Requisiti di scariche parziali inferiori;
Nella maggior parte degli scenari non è richiesto un isolamento rigido.
L'attenzione si concentra sul design leggero e sull'utilizzo dello spazio.

Pertanto, le sbarre laminate per le auto elettriche spesso utilizzano strutture laminate leggere per soddisfare i requisiti di elevata densità di potenza.

 

 

 

Oltre al tradizionale isolamento laminato, anche il rivestimento a polvere e il rivestimento epossidico sono metodi di isolamento comuni.

 

Questi processi sono adatti per strutture complesse o applicazioni a-conduttore singolo, ottenendo:

Protezione dell'isolamento superficiale;
Protezione dalla corrosione;
Sigillatura ambientale.

Tuttavia, per i sistemi a sbarre collettrici che richiedono bassa induttanza ed elevata affidabilità, l’isolamento laminato rimane la soluzione principale.

 

 

Con il continuo sviluppo della tecnologia dell'elettronica di potenza, le sbarre laminate si sono evolute da semplici connettori conduttivi a componenti cruciali che integrano conduttività, dissipazione del calore, isolamento e ottimizzazione elettromagnetica. Sia che venga applicata a veicoli a nuova energia, trasporto ferroviario o apparecchiature di conversione dell'energia industriale, la selezione appropriata dei materiali isolanti incide direttamente sulla sicurezza, l'affidabilità e la durata del sistema.

 

Per modernosbarra laminataprogetti, l'isolamento flessibile è responsabile del raggiungimento di un efficiente incapsulamento dei conduttori, mentre l'isolamento rigido soddisfa i requisiti di resistenza alle alte-tensioni. Insieme, garantiscono il-funzionamento stabile a lungo termine dell'intero sistema energetico.