État actuel du développement des dispositifs de compensation de puissance réactive

Les condensateurs basse tension actuellement utilisés dans les dispositifs de compensation sont tous des condensateurs métallisés. Les condensateurs métallisés sont compacts, économiques et possèdent des propriétés d'auto-réparation ; par conséquent, ils sont largement utilisés.

Les électrodes des condensateurs métallisés sont constituées de films d'aluminium déposés sous vide dont l'épaisseur est à l'échelle nanométrique. En raison de l'extrême minceur du film d'aluminium, lorsque le film diélectrique subit un claquage local dû à des défauts, le film d'aluminium environnant le défaut s'évapore, évitant ainsi les courts-circuits. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet d'auto-réparation.

Le processus de sortie des électrodes des condensateurs métallisés consiste à pulvériser une couche conductrice métallique sur les deux extrémités de l'élément central après l'enroulement, puis à souder les fils de connexion sur la couche conductrice. Étant donné que le courant de la plaque d'électrode circule du centre de l'élément vers les deux extrémités, et que la pellicule d'aluminium de la plaque d'électrode est extrêmement fine, entraînant des pertes résistives relativement élevées, il est donc préférable d'enrouler l'élément central sous une forme courte et épaisse afin de minimiser les pertes résistives. Inversement, en raison de la résistance mécanique limitée de la pellicule d'aluminium extrêmement fine constituant la plaque d'électrode, une connexion solide ne peut pas être établie entre la couche conductrice d'extrémité et la plaque d'électrode. Lorsque l'élément central subit une déformation inégale due au chauffage, un décollement local entre la couche conductrice d'extrémité et la plaque d'électrode se produit facilement, provoquant des défaillances. De ce point de vue, il est préférable d'enrouler l'élément central sous une forme allongée.

Les condensateurs métallisés de puissance existent en deux configurations structurelles : rectangulaire et cylindrique. Les éléments centraux à l'intérieur des condensateurs rectangulaires sont fins et disposés en parallèle, les rendant adaptés aux applications générales. Les éléments centraux à l'intérieur des condensateurs cylindriques sont courts et épais, connectés en série, les rendant adaptés aux environnements présentant des harmoniques sévères.

Le problème principal rencontré lors du fonctionnement des condensateurs métallisés est une réduction de la capacité. Tous les condensateurs métallisés subissent une diminution de leur capacité au fil du temps en raison du processus d'auto-réparation, bien que l'ampleur de cette diminution varie. Certains condensateurs de moindre qualité peuvent également présenter des défaillances où la couche conductrice au niveau des extrémités se détache de la plaque d'électrode, entraînant une réduction de la capacité à la moitié, au tiers, voire même à zéro de la valeur nominale. Pour des condensateurs d'une même marque, plus la capacité d'une unité individuelle est élevée, plus l'élément central est long et son diamètre épais. Un élément plus long entraîne des pertes résistives accrues, tandis qu'un élément plus épais provoque une surface plus grande de la couche conductrice sur la face terminale ainsi qu'une différence de température plus importante entre l'intérieur et l'extérieur de l'élément, rendant davantage probable la décollement de la couche conductrice par rapport à la plaque d'électrode. Par conséquent, l'utilisation d'un seul condensateur de grande capacité est moins fiable que l'utilisation de plusieurs condensateurs plus petits en parallèle. Les condensateurs métallisés présentent moins de pannes en court-circuit et d'explosions.

Les premiers contrôleurs de compensation d'énergie réactive étaient basés sur la commande par facteur de puissance ; ces contrôleurs restent utilisés aujourd'hui en raison de leur faible coût. Toutefois, la commande basée sur le facteur de puissance entraîne un problème d'oscillation en légere charge. Par exemple : dans un dispositif de compensation, la capacité minimale du condensateur est de 10 kvar, la puissance réactive inductive de la charge est de 5 kvar et le facteur de puissance est arrière de 0,5. À ce moment-là, l'insertion d'un condensateur fait passer le facteur de puissance à 0,5 avant. La suppression du condensateur fait passer le facteur de puissance à 0,5 arrière. En conséquence, le processus d'oscillation se poursuivra indéfiniment.

Les contrôleurs modernes de compensation d'énergie réactive fonctionnent sur la base de la puissance réactive, nécessitant une fonction de réglage permettant de configurer la capacité du condensateur à l'intérieur du dispositif de compensation. Cela permet de commuter les condensateurs en fonction de la puissance réactive de la charge, éliminant ainsi le phénomène d'oscillation en légère charge.

Grâce à des avancées technologiques continues, les fonctions supplémentaires des contrôleurs de compensation d'énergie réactive se sont progressivement étendues, incluant le stockage de données, la communication de données, la détection d'harmoniques, la mesure de puissance, entre autres. Les composants de contrôle ont évolué depuis les premiers circuits intégrés de petite taille jusqu'aux microcontrôleurs 8 bits, puis aux microcontrôleurs 16 bits, suivis par des DSP 16 bits, et enfin aux microcontrôleurs 32 bits. Actuellement, le prix des microcontrôleurs 32 bits est tombé à seulement plus de 30 yuans par unité, avec un impact minimal sur le coût matériel des contrôleurs. Leur performance dépasse celle des microcontrôleurs 8 bits de plus de 100 fois. La principale barrière à leur adoption généralisée est la complexité élevée du développement technique.

Avec la prolifération continue des dispositifs de compensation d'énergie réactive, l'intégration de ces dispositifs de compensation avec d'autres équipements est devenue une tendance inévitable. Par exemple, l'intégration des dispositifs de compensation avec des boîtes de comptage, des boîtes à interrupteurs et d'autres équipements similaires. Les dispositifs intégrés permettent de réduire les coûts, d'économiser de l'espace, de minimiser le câblage et de diminuer la charge de maintenance. La conception et la fabrication de dispositifs intégrés ne posent aucun défi technique particulier ; toutefois, en raison de l'absence de normes unifiées, les fabricants ne peuvent organiser la production qu'à partir de commandes spécifiques.