Situação Atual do Desenvolvimento de Dispositivos de Compensação de Potência Reativa

Os capacitores de baixa tensão atualmente utilizados nos dispositivos de compensação são todos capacitores metalizados. Os capacitores metalizados são compactos, econômicos e possuem propriedades autorreparadoras; por isso, têm sido amplamente adotados.

As placas de eletrodo dos capacitores metalizados são constituídas por filmes de alumínio depositados em vácuo com espessuras na escala nanométrica. Devido à extrema finura do filme de alumínio, quando o filme dielétrico sofre uma ruptura local causada por defeitos, o filme de alumínio ao redor do defeito é evaporado, evitando falhas de curto-circuito. Esse fenômeno é denominado efeito autorreparador.

O processo de saída do eletrodo em capacitores metalizados envolve a aplicação de uma camada condutora metálica em ambas as extremidades do elemento central após o enrolamento, seguido da soldagem dos fios de ligação à camada condutora. Como a corrente do eletrodo flui a partir do centro do elemento em direção às duas extremidades, e a película de alumínio do eletrodo é extremamente fina, apresentando perdas resistivas relativamente elevadas, é desejável que o elemento central seja enrolado em uma forma curta e grossa para minimizar essas perdas. Por outro lado, devido à limitada resistência mecânica da película de alumínio extremamente fina utilizada no eletrodo, não é possível estabelecer uma conexão firme entre a camada condutora das extremidades e o eletrodo. Quando o elemento central sofre deformação desigual devido ao aquecimento, pode ocorrer facilmente descolamento localizado entre a camada condutora das extremidades e o eletrodo, causando falhas. Do ponto de vista contrário, seria preferível enrolar o elemento central em uma forma alongada.

Os capacitores de potência metalizados possuem dois tipos estruturais: retangular e cilíndrico. Os elementos internos dos capacitores retangulares são esbeltos e dispostos em paralelo, sendo adequados para aplicações gerais. Os elementos internos dos capacitores cilíndricos são curtos e grossos, conectados em série, sendo adequados para ambientes com harmônicas severas.

O principal problema encontrado durante a operação de capacitores metalizados é a redução da capacitância. Todos os capacitores metalizados apresentam uma diminuição da capacitância ao longo do tempo devido ao processo de autoreciclagem, embora o grau varie. Alguns capacitores de menor qualidade também podem apresentar falhas em que a camada condutora da extremidade se desprende da placa do eletrodo, resultando em reduções de capacitância para metade, um terço ou até mesmo zero do valor nominal. Para capacitores da mesma marca, quanto maior a capacidade de uma unidade individual, mais longo será o elemento central e maior o seu diâmetro. Um elemento mais longo resulta em maiores perdas resistivas, enquanto um elemento mais espesso causa uma maior área da camada condutora na face de extremidade e uma maior diferença de temperatura entre o interior e o exterior do elemento, tornando a camada condutora mais propensa a se desprender da placa do eletrodo. Por isso, utilizar um único capacitor de grande capacidade é menos confiável do que utilizar múltiplos capacitores menores em paralelo. Os capacitores metalizados apresentam menos falhas de curto-circuito e explosões.

Os primeiros controladores de compensação de potência reativa eram baseados no controle do fator de potência; esses controladores permanecem em uso atualmente devido ao seu baixo custo. No entanto, o controle baseado no fator de potência leva ao problema de oscilação em cargas leves. Por exemplo: em um dispositivo de compensação, a menor capacidade do capacitor é de 10 kvar, a potência reativa indutiva da carga é de 5 kvar e o fator de potência está atrasado em 0,5. Neste momento, a inserção de um capacitor faz com que o fator de potência fique adiantado em 0,5; a remoção do capacitor faz com que o fator de potência volte a ficar atrasado em 0,5. Assim, o processo de oscilação continuará indefinidamente.

Controladores modernos de compensação de potência reativa funcionam com base na potência reativa, exigindo uma função de ajuste que permite configurar a capacidade do capacitor dentro do dispositivo de compensação. Isso possibilita a comutação dos capacitores de acordo com a potência reativa da carga, eliminando assim o fenômeno da oscilação em cargas leves.

Com o avanço contínuo da tecnologia, as funções adicionais dos controladores de compensação de potência reativa têm se expandido cada vez mais, incluindo armazenamento de dados, comunicação de dados, detecção de harmônicos, medição de potência, entre outros. Os componentes de controle evoluíram inicialmente de circuitos integrados de pequena escala para microcontroladores de 8 bits, depois para microcontroladores de 16 bits, seguidos por DSPs de 16 bits e, finalmente, para microcontroladores de 32 bits. Atualmente, o preço dos microcontroladores de 32 bits caiu para pouco mais de 30 yuans por unidade, exercendo impacto mínimo sobre o custo do hardware dos controladores. Seu desempenho é superior ao dos microcontroladores de 8 bits em mais de 100 vezes. A principal barreira para sua ampla adoção é a alta complexidade técnica de desenvolvimento.

Com a contínua proliferação de dispositivos de compensação de potência reativa, a integração desses dispositivos com outros equipamentos tornou-se uma tendência inevitável. Por exemplo, a integração dos dispositivos de compensação com caixas de medição, caixas de interruptores e equipamentos semelhantes. Os dispositivos integrados podem reduzir custos, economizar espaço, minimizar a fiação e diminuir a carga de manutenção. O projeto e a fabricação dos dispositivos integrados não apresentam desafios técnicos; no entanto, devido à ausência de padrões unificados, os fabricantes só podem organizar a produção com base em encomendas.