Τρέχον Στάδιο Ανάπτυξης των Συσκευών Αντιστάθμισης της Άεργου Ισχύος

Οι χαμηλής τάσης πυκνωτές που χρησιμοποιούνται σήμερα στις συσκευές αντιστάθμισης είναι όλοι μεταλλωμένοι πυκνωτές. Οι μεταλλωμένοι πυκνωτές είναι μικρού μεγέθους, οικονομικοί και διαθέτουν ιδιότητες αυτό-επαναφοράς· για τον λόγο αυτό, έχουν ευρεία εφαρμογή.

Οι ηλεκτροδιακές πλάκες των μεταλλιωμένων πυκνωτών αποτελούνται από εξατμισμένα στο κενό αλουμινένια φιλμ με πάχη στη νανοσκοπική κλίμακα. Λόγω της εξαιρετικής λεπτότητας του αλουμινένιου φιλμ, όταν το διηλεκτρικό φιλμ υφίσταται τοπική διάσπαση που προκαλείται από ελαττώματα, το αλουμινένιο φιλμ που περιβάλλει το ελάττωμα εξατμίζεται, αποτρέποντας έτσι βραχυκυκλώματα. Το φαινόμενο αυτό αναφέρεται ως φαινόμενο αυτοθεραπείας.

Η διαδικασία εξαγωγής των ηλεκτροδίων στους μεταλλισμένους πυκνωτές περιλαμβάνει την ψεκασία ενός μεταλλικού επαγωγικού στρώματος στα δύο άκρα του κεντρικού στοιχείου μετά την τύλιξη, ακολουθούμενη από τη συγκόλληση των αγωγών επαφής στο επαγωγικό στρώμα. Επειδή το ρεύμα της πλάκας των ηλεκτροδίων ρέει από το κέντρο του στοιχείου προς τα δύο άκρα, και η επιφάνεια από αλουμίνιο της πλάκας του ηλεκτροδίου είναι εξαιρετικά λεπτή με σχετικά υψηλές απώλειες λόγω αντίστασης, είναι επιθυμητό να τυλίγεται το κεντρικό στοιχείο σε σχήμα κοντό και παχύ, ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες αντίστασης. Αντίθετα, επειδή η εξαιρετικά λεπτή πλάκα από αλουμίνιο έχει περιορισμένη μηχανική αντοχή, δεν μπορεί να δημιουργηθεί σταθερή σύνδεση μεταξύ του τερματικού επαγωγικού στρώματος και της πλάκας του ηλεκτροδίου. Όταν το κεντρικό στοιχείο υφίσταται μη ομοιόμορφη παραμόρφωση λόγω θερμάνσεως, εύκολα προκαλείται τοπική αποκόλληση μεταξύ του τερματικού επαγωγικού στρώματος και της πλάκας του ηλεκτροδίου, με αποτέλεσμα ηλεκτρικές βλάβες. Από αυτήν την άποψη, είναι προτιμότερο το κεντρικό στοιχείο να τυλίγεται σε μακρόστενο σχήμα.

Οι μεταλλικοί πυκνωτές ισχύος έχουν δύο δομικούς τύπους: ορθογώνιους και κυλινδρικούς. Τα βασικά στοιχεία στους ορθογώνιους πυκνωτές είναι λεπτά και τοποθετημένα παράλληλα, γι’ αυτό είναι κατάλληλοι για γενικές εφαρμογές. Τα βασικά στοιχεία στους κυλινδρικούς πυκνωτές είναι κοντά και παχιά, συνδεδεμένα σε σειρά, γι’ αυτό είναι κατάλληλοι για περιβάλλοντα με σοβαρές αρμονικές.

Το κύριο πρόβλημα που εμφανίζεται κατά τη λειτουργία των μεταλλιωμένων πυκνωτών είναι η μείωση της χωρητικότητας. Όλοι οι μεταλλιωμένοι πυκνωτές υφίστανται μείωση της χωρητικότητας με την πάροδο του χρόνου λόγω της διαδικασίας αυτοθεραπείας, αν και το μέγεθος της μείωσης ποικίλλει. Ορισμένοι πυκνωτές κατώτερης ποιότητας μπορούν επίσης να παρουσιάσουν βλάβες, στις οποίες το επιφανειακό εξαρτημένο από τον αγωγό στρώμα αποκολλάται από την ηλεκτροδιακή πλάκα, με αποτέλεσμα η χωρητικότητα να μειώνεται στο μισό, στο ένα τρίτο ή ακόμη και στο μηδέν της ονομαστικής τιμής. Στους πυκνωτές της ίδιας μάρκας, όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα ενός μοναδικού στοιχείου, τόσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του κεντρικού στοιχείου και η διάμετρός του. Ένα μεγαλύτερο στοιχείο έχει ως αποτέλεσμα αυξημένες απώλειες αντίστασης, ενώ ένα παχύτερο στοιχείο προκαλεί μεγαλύτερη επιφάνεια αγωγού στο τέλος της επιφάνειας και μεγαλύτερη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του στοιχείου, καθιστώντας το αγώγιμο στρώμα πιο ευάλωτο στην αποκόλληση από την ηλεκτροδιακή πλάκα. Ως εκ τούτου, η χρήση ενός μοναδικού πυκνωτή μεγάλης χωρητικότητας είναι λιγότερο αξιόπιστη από τη χρήση πολλών μικρότερων πυκνωτών σε παράλληλη σύνδεση. Οι μεταλλιωμένοι πυκνωτές παρουσιάζουν λιγότερες βλάβες βραχυκύκλωσης και έκρηξης.

Οι πρώτοι ελεγκτές αντισταθμιστικής ισχύος βασίζονταν στον έλεγχο του συντελεστή ισχύος. Αυτοί οι ελεγκτές εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σήμερα λόγω του χαμηλού τους κόστους. Ωστόσο, ο έλεγχος με βάση τον συντελεστή ισχύος οδηγεί στο πρόβλημα της ταλάντωσης υπό ελαφρύ φορτίο. Για παράδειγμα: σε μια συσκευή αντιστάθμισης, το μικρότερο πρότυπο πυκνωτή είναι 10 Kvar, το επαγωγικό αέργο φορτίο είναι 5 Kvar και ο συντελεστής ισχύος είναι επαγωγικός με τιμή 0,5. Σε αυτό το σημείο, η ενεργοποίηση ενός πυκνωτή προκαλεί το συντελεστή ισχύος να γίνει χωρητικός με τιμή 0,5. Η απενεργοποίηση του πυκνωτή προκαλεί το συντελεστή ισχύος να γίνει επαγωγικός με τιμή 0,5. Κατά συνέπεια, η διαδικασία ταλάντωσης θα συνεχίζεται επ' αόριστον.

Οι σύγχρονοι ελεγκτές αντισταθμιστικής ισχύος λειτουργούν με βάση την αέργο ισχύ, γι' αυτό απαιτείται μια λειτουργία ρύθμισης που επιτρέπει τη διαμόρφωση του προτύπου του πυκνωτή μέσα στη συσκευή αντιστάθμισης. Αυτό επιτρέπει την εναλλαγή των πυκνωτών ανάλογα με την αέργο ισχύ του φορτίου, εξαλείφοντας έτσι το φαινόμενο της ταλάντωσης υπό ελαφρύ φορτίο.

Με τη συνεχή τεχνολογική πρόοδο, οι πρόσθετες λειτουργίες των ελεγκτών αντιστάθμισης της άεργης ισχύος έχουν διευρυνθεί σημαντικά, περιλαμβάνοντας αποθήκευση δεδομένων, επικοινωνία δεδομένων, ανίχνευση αρμονικών, μέτρηση ισχύος και άλλα. Τα στοιχεία ελέγχου έχουν εξελιχθεί από τα αρχικά μικρής κλίμακας ολοκληρωμένα κυκλώματα σε 8-bit μικροελεγκτές, στη συνέχεια σε 16-bit μικροελεγκτές, ακολουθούμενους από 16-bit DSPs και τελικά σε 32-bit μικροελεγκτές. Προς το παρόν, η τιμή των 32-bit μικροελεγκτών έχει πέσει στα 30 γουάν ανά μονάδα, με ελάχιστη επίδραση στο κόστος υλικού των ελεγκτών. Η απόδοσή τους υπερβαίνει αυτήν των 8-bit μικροελεγκτών περισσότερο από 100 φορές. Το κύριο εμπόδιο για την ευρεία υιοθέτηση είναι η υψηλή τεχνική πολυπλοκότητα ανάπτυξης.

Με τη συνεχή εξάπλωση των συσκευών αντιστάθμισης της άεργης ισχύος, η ολοκλήρωση των συσκευών αντιστάθμισης με άλλον εξοπλισμό έχει γίνει αναπόφευκτη τάση. Για παράδειγμα, η ολοκλήρωση των συσκευών αντιστάθμισης με κιβώτια μέτρησης, κιβώτια διακοπτών και παρόμοιο εξοπλισμό. Οι ολοκληρωμένες συσκευές μπορούν να μειώσουν το κόστος, να εξοικονομήσουν χώρο, να ελαχιστοποιήσουν τις εγκαταστάσεις καλωδιώσεων και να μειώσουν την εργασία συντήρησης. Στο σχεδιασμό και στην κατασκευή ολοκληρωμένων συσκευών δεν υπάρχουν τεχνικές προκλήσεις, ωστόσο, λόγω της απουσίας ενοποιημένων προτύπων, οι κατασκευαστές μπορούν να προχωρήσουν σε παραγωγή μόνο βάσει παραγγελιών.