Современное состояние развития устройств компенсации реактивной мощности

В настоящее время в компенсационных устройствах используются низковольтные силовые конденсаторы, представляющие собой металлизированные конденсаторы. Металлизированные конденсаторы обладают компактностью, низкой стоимостью и свойством самовосстановления, поэтому они получили широкое распространение.

Электродные пластины металлизированных конденсаторов состоят из вакуумно-испарённых алюминиевых плёнок нанометровой толщины. Из-за чрезвычайной тонкости алюминиевой плёнки, когда диэлектрическая плёнка подвергается локальному пробою вследствие дефектов, алюминиевая плёнка вокруг дефекта испаряется, предотвращая возникновение короткого замыкания. Такое явление называется эффектом самовосстановления.

Процесс вывода электродов металлопленочных конденсаторов включает напыление металлического проводящего слоя на оба конца элемента сердечника после его намотки, а затем припаивание выводных проводов к проводящему слою. Поскольку ток электродной пластины течет от центра элемента к обоим его концам, а алюминиевая пленка электродной пластины чрезвычайно тонкая, с относительно высокими резистивными потерями, для минимизации резистивных потерь рекомендуется наматывать элемент сердечника в короткую и толстую форму. Напротив, поскольку электродная пластина из чрезвычайно тонкой алюминиевой пленки обладает ограниченной механической прочностью, между концевым проводящим слоем и электродной пластиной не может быть установлено прочное соединение. Когда элемент сердечника подвергается неравномерной деформации вследствие нагревания, легко возникает локальное отслоение между концевым проводящим слоем и электродной пластиной, что вызывает неисправности. С этой точки зрения предпочтительнее наматывать элемент сердечника в тонкую и длинную форму.

Металлизированные силовые конденсаторы имеют две конструктивные разновидности: прямоугольные и цилиндрические. Внутри прямоугольных конденсаторов токоведущие элементы тонкие и параллельно расположенные, что делает их подходящими для общего применения. Токоведущие элементы внутри цилиндрических конденсаторов короткие и толстые, соединенные последовательно, что делает их подходящими для использования в условиях сильных гармоник.

Основной проблемой, возникающей при эксплуатации металлизированных конденсаторов, является снижение ёмкости. Все металлизированные конденсаторы со временем теряют ёмкость в результате процесса самовосстановления, хотя степень снижения различна. В некоторых некачественных конденсаторах могут также наблюдаться неисправности, при которых концевой проводящий слой отделяется от электродной пластины, в результате чего ёмкость снижается до половины, трети или даже до нуля от номинального значения. Для конденсаторов одной марки чем больше ёмкость отдельного элемента, тем длиннее его сердечник и больше диаметр. Удлинённый элемент приводит к увеличению резистивных потерь, а утолщённый — к увеличению площади проводящего слоя на торцевой поверхности и к большей разнице температур между внутренней и внешней частями элемента, что делает проводящий слой более склонным к отслоению от электродной пластины. Поэтому применение одного крупного конденсатора менее надёжно, чем использование нескольких мелких конденсаторов, включённых параллельно. Металлизированные конденсаторы имеют меньшее количество коротких замыканий и взрывов.

Первые контроллеры компенсации реактивной мощности основывались на управлении коэффициентом мощности; такие контроллеры остаются в эксплуатации и сегодня благодаря своей низкой стоимости. Однако управление на основе коэффициента мощности приводит к проблеме колебаний при малой нагрузке. Например: в компенсационном устройстве минимальная мощность конденсатора составляет 10 Квар, индуктивная реактивная мощность нагрузки — 5 Квар, а коэффициент мощности отстает на 0,5. В этот момент подключение конденсатора приводит к тому, что коэффициент мощности становится опережающим 0,5; отключение конденсатора приводит к тому, что коэффициент мощности снова становится отстающим 0,5. Таким образом, процесс колебаний будет продолжаться бесконечно.

Современные контроллеры компенсации реактивной мощности работают на основе реактивной мощности, что требует функции настройки, позволяющей задать мощность конденсатора внутри компенсационного устройства. Это позволяет коммутировать конденсаторы в соответствии с реактивной мощностью нагрузки, тем самым устраняя явление колебаний при малой нагрузке.

С непрерывным технологическим прогрессом дополнительные функции контроллеров компенсации реактивной мощности все больше расширялись, включая хранение данных, передачу данных, обнаружение гармоник, измерение мощности и т.д. Компоненты управления эволюционировали от первоначальных маломасштабных интегральных схем до 8-битных микроконтроллеров, затем до 16-битных микроконтроллеров, за ними 16-битные DSP и, наконец, до 32-битных микроконтроллеров. В настоящее время цена 32-битных микроконтроллеров упала до уровня чуть выше 30 юаней за единицу, что практически не влияет на себестоимость аппаратных средств контроллеров. Их производительность превышает производительность 8-битных микроконтроллеров более чем в 100 раз. Основным препятствием для широкого внедрения является высокая сложность технической разработки.

С постоянным распространением устройств компенсации реактивной мощности, интеграция устройств компенсации с другим оборудованием стала неизбежной тенденцией. Например, интеграция устройств компенсации с измерительными коробками, коммутационными коробками и аналогичным оборудованием. Интегрированные устройства могут снизить затраты, сэкономить пространство, уменьшить количество проводов и снизить трудозатраты на техническое обслуживание. Проектирование и производство интегрированных устройств не вызывает технических трудностей; однако, из-за отсутствия единых стандартов, производители могут организовывать производство только по заказам.