Stato attuale dello sviluppo dei dispositivi di compensazione della potenza reattiva

I condensatori di bassa tensione attualmente utilizzati nei dispositivi di compensazione sono tutti condensatori metallizzati. I condensatori metallizzati sono compatti, economici ed hanno proprietà autoriparanti; per questo motivo sono stati ampiamente adottati.

Le piastre di elettrodo dei condensatori metallizzati sono costituite da film di alluminio depositati sotto vuoto con spessori su scala nanometrica. A causa dell'estrema sottigliezza del film di alluminio, quando il film dielettrico subisce un guasto locale causato da difetti, il film di alluminio circostante il difetto viene evaporato, evitando così guasti a cortocircuito. Questo fenomeno è noto come effetto autoriparante.

Il processo di uscita degli elettrodi nei condensatori metallizzati prevede la spruzzatura di uno strato conduttivo metallico su entrambe le estremità dell'elemento centrale dopo l'avvolgimento, seguito dal saldare i fili di collegamento sullo strato conduttivo. Poiché la corrente della piastra dell'elettrodo fluisce dal centro dell'elemento verso entrambe le estremità, e la pellicola di alluminio della piastra dell'elettrodo è estremamente sottile con perdite resistive relativamente elevate, è quindi preferibile avvolgere l'elemento centrale in una forma corta e spessa per minimizzare le perdite resistive. Al contrario, poiché la piastra dell'elettrodo con pellicola di alluminio estremamente sottile ha una limitata resistenza meccanica, non può stabilirsi una connessione solida tra lo strato conduttivo terminale e la piastra dell'elettrodo. Quando l'elemento centrale subisce una deformazione non uniforme a causa del riscaldamento, si verifica facilmente un distacco locale tra lo strato conduttivo terminale e la piastra dell'elettrodo, causando malfunzionamenti. Da questo punto di vista, è preferibile avvolgere l'elemento centrale in una forma snella.

I condensatori di potenza metallizzati presentano due tipi strutturali: rettangolari e cilindrici. Gli elementi interni dei condensatori rettangolari sono snelli e disposti in parallelo, risultando adatti a impieghi generali. Gli elementi interni dei condensatori cilindrici sono corti e spessi, collegati in serie, risultando adatti a ambienti con armoniche severe.

Il problema principale riscontrato durante il funzionamento dei condensatori metallizzati è la riduzione della capacità. Tutti i condensatori metallizzati subiscono una diminuzione della capacità nel tempo a causa del processo di autoguarigione, sebbene il grado di riduzione possa variare. Alcuni condensatori di qualità inferiore possono presentare anche guasti in cui lo strato conduttivo terminale si stacca dalla piastra dell'elettrodo, causando una riduzione della capacità fino alla metà, un terzo o addirittura a zero del valore nominale. Per condensatori dello stesso marchio, maggiore è la capacità di un singolo elemento, più lungo sarà il nucleo e più spesso il suo diametro. Un elemento più lungo comporta un aumento delle perdite resistive, mentre un elemento più spesso genera una maggiore area dello strato conduttivo sulla superficie terminale e una differenza di temperatura maggiore tra l'interno e l'esterno dell'elemento, rendendo lo strato conduttivo più soggetto a staccarsi dalla piastra dell'elettrodo. Pertanto, l'utilizzo di un unico condensatore di grande capacità è meno affidabile rispetto all'uso di più condensatori di capacità inferiore collegati in parallelo. I condensatori metallizzati presentano minori guasti da cortocircuito e da esplosione.

I primi controller per la compensazione della potenza reattiva erano basati sul controllo del fattore di potenza; questi controller sono ancora utilizzati oggi grazie al loro basso costo. Tuttavia, il controllo basato sul fattore di potenza porta al problema dell'oscillazione a carico leggero. Ad esempio: in un dispositivo di compensazione, la capacità minima del condensatore è di 10 kvar, la potenza reattiva induttiva del carico è di 5 kvar e il fattore di potenza è in ritardo di 0,5. In questa situazione, l'inserimento di un condensatore fa diventare il fattore di potenza in anticipo di 0,5; la disattivazione del condensatore fa tornare il fattore di potenza in ritardo di 0,5. Di conseguenza, il processo oscillatorio continuerà indefinitamente.

I moderni controller per la compensazione della potenza reattiva funzionano in base alla potenza reattiva e richiedono una funzione di impostazione che permetta di configurare la capacità del condensatore all'interno del dispositivo di compensazione. Questo consente l'inserimento/disinserimento dei condensatori in base alla potenza reattiva del carico, eliminando così il fenomeno dell'oscillazione a carico leggero.

Con il progresso continuo della tecnologia, le funzioni aggiuntive dei controller per il controllo della potenza reattiva si sono progressivamente espanse, includendo memorizzazione dei dati, comunicazione dati, rilevamento delle armoniche, misurazione della potenza, e così via. I componenti di controllo hanno avuto un'evoluzione che è partita da iniziali circuiti integrati su piccola scala fino ad arrivare ai microcontrollori a 8 bit, successivamente a quelli a 16 bit, seguiti da DSP a 16 bit, per giungere infine ai microcontrollori a 32 bit. Attualmente, il prezzo dei microcontrollori a 32 bit è sceso a poco più di 30 yuan per unità, incidendo minimamente sui costi hardware dei controller. Le loro prestazioni superano quelle dei microcontrollori a 8 bit di oltre 100 volte. L'ostacolo principale alla diffusione su larga scala è la complessità tecnica dello sviluppo, che rimane elevata.

Con la continua proliferazione dei dispositivi di compensazione della potenza reattiva, l'integrazione dei dispositivi di compensazione con altri equipaggiamenti è diventata una tendenza inevitabile. Ad esempio, l'integrazione dei dispositivi di compensazione con scatole di misurazione, scatole di commutazione e apparecchiature simili. I dispositivi integrati possono ridurre i costi, risparmiare spazio, minimizzare il cablaggio e diminuire il lavoro di manutenzione. La progettazione e la produzione di dispositivi integrati non presentano sfide tecniche; tuttavia, a causa dell'assenza di standard unificati, i produttori possono organizzare la produzione solo sulla base degli ordini.