Актуальний стан розвитку пристроїв компенсації реактивної потужності

Низьковольтні силові конденсатори, які в даний час використовуються в пристроях компенсації, є металізованими конденсаторами. Металізовані конденсатори мають компактні розміри, вигідну вартість і володіють самовідновлювальними властивостями, тому вони отримали широке застосування.

Електродні пластини металізованих конденсаторів складаються з вакуумно-випарених алюмінієвих плівок завтовшки в нанометровому діапазоні. Через надзвичайну тонкість алюмінієвої плівки, коли діелектрична плівка зазнає локального пробою, викликаного дефектами, алюмінієва плівка, що оточує дефект, випаровується, запобігаючи виникненню короткого замикання. Це явище називається самовідновним ефектом.

Процес виведення електродів у металізованих конденсаторах полягає у напилюванні металевого провідного шару на обидва кінці осердя після його намотування, а потім припаюванні вивідних дротів до провідного шару. Оскільки струм електродної пластини тече від центру осердя до обох його кінців, а алюмінієва плівка електродної пластини є надзвичайно тонкою, що призводить до порівняно високих втрат на опір, для мінімізації цих втрат бажано намотувати осердя у короткій і товстій формі. Навпаки, через те, що електродна пластина з надзвичайно тонкої алюмінієвої плівки має обмежену міцність у механічному відношенні, між кінцевим провідним шаром і електродною пластиною не може бути створене міцне з’єднання. Коли осердя зазнає нерівномірної деформації внаслідок нагрівання, між кінцевим провідним шаром і електродною пластиною легко виникає локальне відривання, що призводить до несправностей. З цього погляду краще намотувати осердя у стрункій формі.

Металізовані потужні конденсатори мають два конструктивних типи: прямокутні та циліндричні. Стрижневі елементи всередині прямокутних конденсаторів є стрункими та розташованими паралельно, що робить їх придатними для загального застосування. Стрижневі елементи всередині циліндричних конденсаторів є короткими та товстими, з'єднаними послідовно, що робить їх придатними для експлуатації в умовах сильних гармонік.

Основною проблемою, що виникає під час роботи металізованих конденсаторів, є зменшення ємності. Усі металізовані конденсатори з часом втрачають ємність через процес самовідновлення, хоча ступінь цього зменшення різний. У деяких конденсаторах нижчої якості можуть трапитися й інші несправності, коли кінцевий провідний шар відривається від електродної пластини, що призводить до зменшення ємності до половини, третини або навіть до нуля від номінального значення. Для конденсаторів одного й того ж бренду чим більша ємність окремого елемента, тим довше осердя і товще його діаметр. Довше осердя призводить до збільшення резистивних втрат, а товще осердя створює більшу площу провідного шару на торцевій поверхні й більшу різницю температур між внутрішньою та зовнішньою частинами осердя, що робить провідний шар більш схильним до відриву від електродної пластини. Тому використання одного великого конденсатора є менш надійним, ніж застосування кількох менших конденсаторів, з'єднаних паралельно. Металізовані конденсатори мають менше короткого замикання та вибухових несправностей.

Перші контролери компенсації реактивної потужності ґрунтувалися на керуванні коефіцієнтом потужності; ці контролери досі використовуються через їхню низьку вартість. Однак, керування на основі коефіцієнта потужності призводить до проблеми легкого навантаження та осцилювання. Наприклад: в пристрої компенсації найменша потужність конденсатора становить 10 кВАр, індуктивна реактивна потужність навантаження — 5 кВАр, а коефіцієнт потужності відстає на 0,5. У цьому випадку підключення конденсатора призводить до того, що коефіцієнт потужності стає випереджувальним на 0,5; відключення конденсатора призводить до того, що коефіцієнт потужності знову стає відставаним на 0,5. Внаслідок цього процес осцилювання триватиме невизначено довго.

Сучасні контролери компенсації реактивної потужності функціонують на основі реактивної потужності, що потребує налаштувальної функції, яка дозволяє конфігурувати потужність конденсатора в межах пристрою компенсації. Це забезпечує перемикання конденсаторів відповідно до реактивної потужності навантаження, тим самим усуваючи явище осцилювання при легкому навантаженні.

З постійним технічним прогресом додаткові функції контролерів компенсації реактивної потужності постійно розширюються, включаючи зберігання даних, передачу даних, виявлення гармонік, вимірювання потужності тощо. Елементи контролю еволюціонували від первинних малих інтегральних схем до 8-бітних мікроконтролерів, потім до 16-бітних мікроконтролерів, далі до 16-бітних DSP, і, нарешті, до 32-бітних мікроконтролерів. Наразі ціна 32-бітних мікроконтролерів впала до трохи більше ніж 30 юанів за одиницю, що майже не впливає на вартість апаратних засобів контролерів. Їхня продуктивність перевищує продуктивність 8-бітних мікроконтролерів більш ніж у 100 разів. Основною перешкодою для широкого впровадження є висока складність технічного розвитку.

З постійним поширенням пристроїв компенсації реактивної потужності, інтеграція пристроїв компенсації з іншим обладнанням стала неминучим трендом. Наприклад, інтеграція пристроїв компенсації з лічильними шафами, комутаційними шафами та подібним обладнанням. Інтегровані пристрої можуть зменшити витрати, заощадити простір, скоротити кількість проводки та зменшити обсяг обслуговування. Проектування та виготовлення інтегрованих пристроїв не створює технічних труднощів; однак, через відсутність єдиних стандартів, виробники можуть організовувати виробництво тільки на основі замовлень.