Tình hình phát triển hiện nay của các thiết bị bù công suất phản kháng

Các tụ điện hạ thế hiện đang được sử dụng trong thiết bị bù đều là tụ điện mạ kim loại. Tụ điện mạ kim loại có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp và có tính năng tự hồi phục; do đó, chúng được ứng dụng rộng rãi.

Các bản cực của tụ điện mạ kim loại bao gồm các lớp nhôm được bốc hơi trong chân không với độ dày ở cấp độ nano. Do lớp nhôm này cực kỳ mỏng, khi lớp màng điện môi bị đánh thủng cục bộ do khuyết tật, lớp nhôm xung quanh vị trí khuyết tật sẽ bị bốc hơi, nhờ đó ngăn chặn sự cố ngắn mạch. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng tự hồi phục.

Quy trình dẫn điện cực của tụ điện mạ kim loại bao gồm việc phun một lớp dẫn điện kim loại lên cả hai đầu phần tử lõi sau khi cuốn, tiếp theo là hàn các dây dẫn điện vào lớp dẫn điện. Vì dòng điện chạy qua bản cực dẫn từ tâm phần tử ra cả hai đầu, và lớp màng nhôm của bản cực rất mỏng với tổn hao điện trở tương đối lớn, do đó để giảm thiểu tổn hao điện trở, người ta nên cuốn phần tử lõi thành dạng ngắn và dày. Ngược lại, do lớp điện cực màng nhôm cực kỳ mỏng có độ bền cơ học hạn chế nên không thể thiết lập được mối nối chắc chắn giữa lớp dẫn điện đầu cuối và bản điện cực. Khi phần tử lõi bị biến dạng không đều do nhiệt, hiện tượng tách rời cục bộ giữa lớp dẫn điện đầu cuối và bản điện cực dễ xảy ra, gây ra sự cố. Từ góc độ này, việc cuốn phần tử lõi thành dạng dài và mảnh sẽ thích hợp hơn.

Tụ điện công suất phủ kim loại có hai kiểu cấu trúc: hình chữ nhật và hình trụ. Các thành phần lõi bên trong của tụ hình chữ nhật có dạng thon dài và được sắp xếp song song, phù hợp cho các ứng dụng thông thường. Các thành phần lõi bên trong của tụ hình trụ có dạng ngắn và dày, được nối tiếp với nhau, phù hợp cho các môi trường có sóng hài nghiêm trọng.

Vấn đề chính gặp phải trong quá trình vận hành của tụ điện mạ kim loại là sự suy giảm điện dung. Tất cả các tụ điện mạ kim loại đều trải qua hiện tượng giảm điện dung theo thời gian do quá trình tự phục hồi, mặc dù mức độ suy giảm khác nhau. Một số tụ điện chất lượng thấp hơn còn có thể gặp sự cố mà lớp dẫn điện ở đầu tụ bị bong ra khỏi bản cực, dẫn đến điện dung giảm xuống còn một nửa, một phần ba hoặc thậm chí bằng không so với giá trị định mức. Đối với các tụ điện cùng thương hiệu, tụ có điện dung đơn chiếc càng lớn thì lõi của nó càng dài và đường kính càng dày. Một lõi dài hơn sẽ gây ra tổn hao điện trở lớn hơn, trong khi một lõi dày hơn sẽ tạo ra diện tích lớp dẫn điện trên mặt đầu lớn hơn và chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài linh kiện lớn hơn, khiến lớp dẫn điện dễ bị bong ra khỏi bản cực hơn. Do đó, việc sử dụng một tụ điện đơn có điện dung lớn sẽ kém tin cậy hơn so với việc sử dụng nhiều tụ điện nhỏ hơn ghép song song. Tụ điện mạ kim loại có ít sự cố đoản mạch và phát nổ hơn.

Bộ điều khiển bù công suất phản kháng đầu tiên được xây dựng dựa trên nguyên tắc điều khiển hệ số công suất; các bộ điều khiển này vẫn còn được sử dụng ngày nay nhờ chi phí thấp. Tuy nhiên, việc điều khiển dựa trên hệ số công suất dẫn đến vấn đề dao động ở tải nhẹ. Ví dụ: trong một thiết bị bù, dung lượng nhỏ nhất của tụ điện là 10 Kvar, công suất phản kháng cảm ứng của tải là 5 Kvar và hệ số công suất chậm pha là 0,5. Tại thời điểm này, việc đóng một tụ điện vào sẽ khiến hệ số công suất trở thành sớm pha 0,5; ngược lại, cắt tụ điện ra sẽ khiến hệ số công suất trở thành chậm pha 0,5. Kết quả là quá trình dao động sẽ kéo dài vô hạn.

Các bộ điều khiển bù công suất phản kháng hiện đại vận hành dựa trên nguyên tắc công suất phản kháng, đòi hỏi chức năng cài đặt cho phép thiết lập dung lượng tụ điện trong thiết bị bù. Điều này cho phép đóng cắt tụ điện theo công suất phản kháng của tải, nhờ đó loại bỏ hiện tượng dao động ở tải nhẹ.

Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ, các chức năng bổ sung của bộ điều khiển bù công suất phản kháng ngày càng được mở rộng, bao gồm lưu trữ dữ liệu, truyền thông dữ liệu, phát hiện sóng hài, đo công suất, v.v. Các thành phần điều khiển đã phát triển từ những mạch tích hợp quy mô nhỏ ban đầu thành vi điều khiển 8 bit, sau đó là vi điều khiển 16 bit, tiếp theo là DSP 16 bit, và cuối cùng là vi điều khiển 32 bit. Hiện tại, giá của vi điều khiển 32 bit đã giảm xuống chỉ còn hơn 30 nhân dân tệ mỗi chiếc, ảnh hưởng rất nhỏ đến chi phí phần cứng của các bộ điều khiển. Hiệu suất của chúng vượt trội hơn 100 lần so với vi điều khiển 8 bit. Rào cản chính cho việc áp dụng rộng rãi là độ phức tạp cao trong phát triển kỹ thuật.

Với sự phát triển liên tục của các thiết bị bù công suất phản kháng, việc tích hợp các thiết bị bù này với các thiết bị khác đã trở thành một xu hướng tất yếu. Ví dụ, việc tích hợp thiết bị bù với các hộp đo đếm, hộp công tắc và thiết bị tương tự. Các thiết bị tích hợp có thể giảm chi phí, tiết kiệm không gian, giảm thiểu việc đi dây và làm giảm khối lượng bảo trì. Việc thiết kế và sản xuất các thiết bị tích hợp không gặp khó khăn về mặt kỹ thuật; tuy nhiên, do thiếu các tiêu chuẩn thống nhất, các nhà sản xuất chỉ có thể tổ chức sản xuất theo đơn đặt hàng.