Aktuálny vývojový stav zariadení na kompenzáciu jalovej energie

Nízkonapäťové výkonové kondenzátory aktuálne používané v kompenzačných zariadeniach sú všetky metalizované kondenzátory. Metalizované kondenzátory sú kompaktné, nákladovo efektívne a majú samozhodnocovacie vlastnosti, preto sú široko využívané.

Elektródové platne metalizovaných kondenzátorov pozostávajú z vákuovo-odparených hliníkových fólií s hrúbkami v nanometerovej škále. Vďaka extrémnej tenkosti hliníkovej fólie, keď dielektrická fólia prejde lokálnym prerazom spôsobeným chybami, hliníková fólia okolo chyby sa odparí, čím sa zabráni poruchám nakrátko. Tento jav sa nazýva samovyliečujúci efekt.

Proces vývodu elektrody u kovovaných kondenzátorov zahŕňa nanesenie kovovej vodivej vrstvy na obidvoch koncoch elementu po navinutí a následné pájanie vývodov na túto vodivú vrstvu. Keďže prúd elektrody tečie z centrálnej časti elementu smerom k obidvom koncom a hliníková fóliová vrstva elektrody je mimoriadne tenká, čo spôsobuje relatívne vysoké ohmické straty, je preto vhodné navinúť element do tvaru krátkeho a hrubého valca, aby sa minimalizovali tieto straty. Na druhej strane však má mimoriadne tenká hliníková fóliová elektroda obmedzenú mechanickú pevnosť, a preto nie je možné vytvoriť pevné spojenie medzi koncovou vodivou vrstvou a elektródou. Keď element podlieha nepravidelnému deformovaniu v dôsledku zahrievania, môže dôjsť k lokálnemu oddeleniu koncovej vodivej vrstvy od elektrody, čo spôsobuje poruchy. Z tohto hľadiska je výhodnejšie element vinúť do štíhleho tvaru.

Metalizované výkonové kondenzátory majú dva konštrukčné typy: obdĺžnikové a valcové. Jadrové prvky vo vnútri obdĺžnikových kondenzátorov sú štíhle a usporiadané paralelne, čo ich činí vhodnými pre všeobecné použitie. Jadrové prvky vo vnútri valcových kondenzátorov sú krátke a hrubé, zapojené sériovo, čo ich činí vhodnými pre prostredia s výraznými harmonickými zložkami.

Hlavným problémom, ktorý sa vyskytuje počas prevádzky metalizovaných kondenzátorov, je pokles kapacity. Všetky metalizované kondenzátory postupne strácajú kapacitu v dôsledku samovyliečenia, aj keď stupeň poklesu sa môže líšiť. Niektoré kondenzátory nižšej kvality môžu tiež vykazovať poruchy, pri ktorých sa koncová vodivá vrstva odpája od elektródovej platne, čo spôsobuje pokles kapacity na polovicu, tretinu alebo dokonca na nulu zo udávanej hodnoty. U kondenzátorov rovnakej značky platí, že čím väčšia je kapacita jednotlivého kondenzátora, tým dlhší je aktívny prvok a tým hrubší je jeho priemer. Dlhší prvok spôsobuje väčšie ohmové straty, zatiaľ čo hrubší prvok vytvára väčšiu plochu vodivej vrstvy na čele a väčší teplotný rozdiel medzi vnútornou a vonkajšou časťou prvku, čo zvyšuje pravdepodobnosť, že sa vodivá vrstva odpáji od elektródovej platne. Preto je použitie jediného veľkokapacitného kondenzátora menej spoľahlivé než použitie viacerých kondenzátorov menšej kapacity zapojených paralelne. Metalizované kondenzátory vykazujú menej skratov a výbuchových porúch.

Najstaršie regulátory kompenzácie jalovej energie boli založené na riadení účiníka; tieto regulátory sa dodnes používajú vďaka svojej nízkej cene. Riadenie založené na účiníku však spôsobuje problém oscilácie pri nízkej záťaži. Napríklad: v kompenzačnom zariadení je najmenší výkon kondenzátora 10 kvar, indukčný výkon záťaže je 5 kvar a účiník je opoždzený o 0,5. V tomto prípade zapnutie kondenzátora spôsobí, že účiník bude predbehnúť 0,5; vypnutie kondenzátora spôsobí, že účiník bude opoždzený o 0,5. Následne sa bude tento oscilačný proces neustále opakovať.

Moderné regulátory kompenzácie jalovej energie pracujú na princípe jalovej energie, čo vyžaduje funkciu nastavenia, ktorá umožňuje konfiguráciu výkonu kondenzátora v kompenzačnom zariadení. To umožňuje spínanie kondenzátorov v závislosti od jalovej energie záťaže a tým odstráni jav oscilácie pri nízkej záťaži.

S pokračujúcim technologickým pokrokom sa funkcie kontrolérov na kompenzáciu jalovej energie stále rozširujú, vrátane ukladania údajov, komunikácie údajov, detekcie harmonických zložiek, merania výkonu a podobne. Ovládacie komponenty sa vyvíjali od pôvodných integrovaných obvodov malého rozsahu po 8-bitové mikrokontroléry, potom po 16-bitové mikrokontroléry, následne po 16-bitové DSP a nakoniec po 32-bitové mikrokontroléry. V súčasnosti klesla cena 32-bitových mikrokontrolérov na menej než 30 juanov za kus, čo má minimálny vplyv na náklady na hardware kontrolérov. Ich výkon je viac než 100-krát vyšší ako výkon 8-bitových mikrokontrolérov. Hlavnou prekážkou ich širokého uplatnenia je vysoká technická zložitosť vývoja.

So stále väčším rozšírením zariadení na kompenzáciu jalovej energie sa stáva nevyhnutným trendom integrácia týchto zariadení s inými zariadeniami. Napríklad integrácia zariadení na kompenzáciu s meracími skrinkami, rozvádzačmi a podobným vybavením. Integrované zariadenia môžu znížiť náklady, ušetriť priestor, minimalizovať zapojenie a zredukovať údržbové náklady. Návrh a výroba integrovaných zariadení nepredstavuje technické výzvy; avšak v dôsledku neexistencie jednotných noriem môžu výrobcovia organizovať výrobu iba na základe objednávok.