Aktualny stan rozwoju urządzeń kompensacyjnych mocy biernej

Obecnie stosowane w urządzeniach kompensacyjnych niskonapięciowe kondensatory elektroenergetyczne są wszystkie wykonane w technologii kondensatorów metalizowanych. Kondensatory metalizowane cechują się kompaktową konstrukcją, niskimi kosztami oraz właściwościami samooczyszczającymi, dlatego zostały szeroko przyjęte.

Płyty elektrodowe kondensatorów metalizowanych składają się z cienkich warstw aluminiowych utworzonych w procesie odparowania w próżni, o grubościach w skali nanometrycznej. Dzięki ekstremalnej cienkości warstwy aluminiowej, w przypadku lokalnego przebicia filmu dielektrycznego spowodowanego defektami, otaczająca defekt warstwa aluminiowa ulega odparowaniu, zapobiegając w ten sposób powstaniu zwarcia. Zjawisko to nazywane jest efektem samonaprawy.

Proces wyprowadzania elektrod w kondensatorach metalizowanych polega na naniesieniu warstwy przewodzącej metalu na oba końce elementu rdzenia po jego nawinięciu, a następnie zlutowaniu przewodów z warstwą przewodzącą. Ponieważ prąd elektrody płynie od środka elementu w kierunku obu końców, a folia aluminiowa elektrody jest bardzo cienka i charakteryzuje się stosunkowo dużymi stratami rezystancyjnymi, w celu zminimalizowania tych strat rdzeń powinien być nawijany w formie krótkiej i grubej. Z drugiej strony, z powodu ograniczonej wytrzymałości mechanicznej bardzo cienkiej folii aluminiowej elektrody, nie można zapewnić trwałego połączenia między warstwą przewodzącą na końcu a elektrodą. Gdy element rdzenia ulega nierównomiernemu odkształceniom na skutek nagrzewania, łatwo dochodzi do lokalnego odlutowania warstwy przewodzącej na końcu od elektrody, co powoduje występowanie usterek. Z tego punktu widzenia lepsza jest konstrukcja rdzenia nawiniętego w sposób wąski i długi.

Kondensatory mocy metallizowane mają dwa typy konstrukcyjne: prostokątne i cylindryczne. Elementy rdzeniowe w kondensatorach prostokątnych są smukłe i ułożone równolegle, co czyni je odpowiednimi do zastosowań ogólnych. Elementy rdzeniowe w kondensatorach cylindrycznych są krótkie i grube, połączone szeregowo, co czyni je odpowiednimi do środowisk z ciężkimi harmonicznymi.

Głównym problemem występującym podczas pracy kondensatorów metalizowanych jest zmniejszenie pojemności. Wszystkie kondensatory metalizowane z czasem tracą pojemność na skutek procesu samonaprawy, choć stopień tego zjawiska różni się. Niektóre kondensatory niższej jakości mogą również ulegać awariom, w których warstwa przewodząca na końcach odrywa się od płyty elektrody, powodując obniżenie pojemności do połowy, jednej trzeciej lub nawet do zera wartości znamionowej. W przypadku kondensatorów tej samej marki, im większa pojemność pojedynczego elementu, tym dłuższy jest element rdzenia i tym większy jego średnica. Dłuższy element powoduje większe straty rezystancyjne, a grubszy element powoduje większą powierzchnię warstwy przewodzącej na powierzchni czołowej oraz większą różnicę temperatur między wnętrzem a zewnętrzem elementu, co czyni warstwę przewodzącą bardziej narażoną na odrywanie się od płyty elektrody. Dlatego użycie jednego dużego kondensatora o dużej pojemności jest mniej niezawodne niż zastosowanie wielu mniejszych kondensatorów połączonych równolegle. Kondensatory metalizowane wykazują mniej awarii zwarciowych i eksplozyjnych.

Najwcześniejsze kontrolery kompensacji mocy biernej oparte były na sterowaniu współczynnikiem mocy; te kontrolery nadal są dziś stosowane ze względu na niski koszt. Jednak sterowanie oparte na współczynniku mocy prowadzi do problemu oscylacji przy lekkim obciążeniu. Przykład: w urządzeniu kompensacyjnym najmniejsza pojemność kondensatora wynosi 10 kvar, moc bierna indukcyjna obciążenia to 5 kvar, a współczynnik mocy wynosi 0,5 (opóźniony). W tym momencie włączenie kondensatora powoduje, że współczynnik mocy staje się 0,5 (wyprzedzający); wyłączenie kondensatora powoduje, że współczynnik mocy ponownie wynosi 0,5 (opóźniony). W związku z tym proces oscylacji będzie trwał w nieskończoność.

Nowoczesne kontrolery kompensacji mocy biernej działają na podstawie mocy biernej, co wymaga funkcji ustawiania umożliwiającej skonfigurowanie pojemności kondensatorów w urządzeniu kompensacyjnym. Umożliwia to przełączanie kondensatorów zgodnie z mocą bierną obciążenia, eliminując zjawisko oscylacji przy lekkim obciążeniu.

Wraz z nieustannym postępem technologicznym, dodatkowe funkcje kontrolerów kompensacji mocy biernej coraz bardziej się rozszerzają, obejmując m.in. przechowywanie danych, komunikację danych, wykrywanie harmonicznych, pomiar mocy. Elementy sterujące ewoluowały od początkowych małoskalowych obwodów scalonych po mikrokontrolery 8-bitowe, następnie mikrokontrolery 16-bitowe, potem układy DSP 16-bitowe, a w końcu mikrokontrolery 32-bitowe. Obecnie cena mikrokontrolerów 32-bitowych spadła do zaledwie 30 yuanów za sztukę, co minimalnie wpływa na koszt sprzętu kontrolerów. Ich wydajność przewyższa wydajność mikrokontrolerów 8-bitowych ponad 100-krotnie. Główbną barierą dla szerokiego wdrożenia jest wysoka złożoność technologiczna.

Wraz z ciągłym rozprzestrzenianiem się urządzeń kompensacyjnych mocy biernej, integracja tych urządzeń z innym sprzętem stała się nieodłącznym trendem. Na przykład integracja urządzeń kompensacyjnych z licznikami, skrzynkami łącznikowymi i podobnym sprzętem. Urządzenia zintegrowane mogą obniżać koszty, oszczędzać miejsce, zmniejszać ilość okablowania oraz zmniejszać zakres prac konserwacyjnych. Projektowanie i produkcja urządzeń zintegrowanych nie stwarza trudności technicznych; jednak ze względu na brak jednolitych standardów, producenci mogą organizować produkcję wyłącznie na podstawie zamówień.