Современное состояние развития устройств компенсации реактивной мощности 

В современных компенсирующих устройствах используются низковольтные силовые конденсаторы исключительно металлизированного типа. Металлизированные конденсаторы обладают компактными размерами, низкой стоимостью и способностью к самовосстановлению, что обусловило их широкое применение.

Электроды металлизированных конденсаторов выполнены из алюминиевой пленки, нанесенной методом вакуумного напыления, толщина которой составляет порядка нанометров. Благодаря чрезвычайно малой толщине алюминиевого слоя, в случае локального пробоя диэлектрической пленки из-за дефектов, происходит испарение алюминиевого покрытия как в области дефекта, так и на прилегающих участках, что предотвращает возникновение короткого замыкания. Это явление известно как эффект самовосстановления.

Технология вывода электродов металлизированных конденсаторов заключается в нанесении токопроводящего металлического слоя методом напыления на торцы готовой обмотки сердечника с последующей припайкой выводных проводников. Поскольку ток электрода распределяется от центральной части обмотки к ее торцам, а сопротивление тонкой алюминиевой пленки относительно велико, с точки зрения минимизации резистивных потерь предпочтительна короткая и широкая форма обмотки. С другой стороны, учитывая отсутствие механической прочности у ультратонкой алюминиевой пленки, соединение между токопроводящим слоем на торцах и электродами не обладает достаточной прочностью. При неравномерной тепловой деформации обмотки возможно локальное отслоение токопроводящего слоя от электродов, что приводит к отказам. С этой точки зрения предпочтительна удлиненная форма обмотки.

Металлизированные силовые конденсаторы выпускаются в двух конструктивных исполнениях: прямоугольном и цилиндрическом. В прямоугольных конденсаторах используются удлиненные обмотки, расположенные параллельно, что характерно для стандартных условий эксплуатации. Цилиндрические конденсаторы содержат короткие обмотки, соединенные последовательно, и предназначены для работы в условиях повышенных гармонических искажений.

Основной проблемой металлизированных конденсаторов в процессе эксплуатации является уменьшение емкости. Все металлизированные конденсаторы со временем теряют емкость из-за процессов самовосстановления, хотя степень деградации может варьироваться. В конденсаторах низкого качества также наблюдаются случаи отслоения токопроводящего слоя от электродов на торцах, что проявляется в снижении емкости до половины, трети или даже полного ее исчезновения. Для конденсаторов одного производителя увеличение единичной мощности приводит к увеличению длины и диаметра обмотки. Удлинение обмотки повышает резистивные потери, а увеличение диаметра расширяет площадь токопроводящего слоя на торцах и усиливает температурный градиент между внутренней и внешней частями обмотки, что повышает вероятность отслоения. Таким образом, использование нескольких конденсаторов малой мощности параллельно обеспечивает более высокую надежность по сравнению с одним конденсатором большой мощности. Короткие замыкания и взрывы металлизированных конденсаторов встречаются редко.

Первые контроллеры компенсации реактивной мощности осуществляли управление на основе коэффициента мощности. Такие контроллеры до сих пор применяются благодаря их низкой стоимости. Однако управление по коэффициенту мощности имеет недостаток, проявляющийся в колебаниях при малой нагрузке. Например, если минимальная емкость конденсатора в компенсирующем устройстве составляет 10 квар, а индуктивная составляющая нагрузки равна 5 квар при коэффициенте мощности 0.5 (индуктивный), то включение одного конденсатора приведет к изменению коэффициента мощности на 0.5 (емкостной), а его отключение вернет значение 0.5 (индуктивный). В результате возникают непрерывные колебания.

Более современные контроллеры компенсации реактивной мощности используют в качестве управляющего параметра реактивную мощность. Это требует наличия функции задания, позволяющей программировать емкости конденсаторов в устройстве, что позволяет определять схему включения конденсаторов в зависимости от реактивной составляющей нагрузки и устраняет проблему колебаний при малой нагрузке.

По мере развития технологий контроллеры компенсации реактивной мощности обогащаются дополнительными функциями, такими как хранение данных, обмен данными, анализ гармоник, измерение параметров электроэнергии и т.д. Элементная база контроллеров эволюционировала от простых интегральных схем к 8-битным микроконтроллерам, затем к 16-битным микроконтроллерам, далее к 16-битным цифровым сигнальным процессорам (DSP) и, наконец, к 32-битным микроконтроллерам. Стоимость современных 32-битных микроконтроллеров снизилась до уровня около 30 юаней за штуку, что практически не влияет на себестоимость контроллера. При этом их производительность превосходит 8-битные микроконтроллеры более чем в 100 раз. Основным препятствием для их широкого внедрения является высокая сложность разработки.

По мере расширения сферы применения компенсирующих устройств неизбежной становится тенденция к их комбинации с другим оборудованием. Примером могут служить комбинированные устройства, объединяющие компенсацию и учет электроэнергии, или компенсацию и распределительные щиты. Комбинированные устройства позволяют снизить стоимость, уменьшить занимаемое пространство, сократить количество соединительных линий и упростить обслуживание. Разработка и производство таких устройств не представляют технических сложностей, однако отсутствие единых стандартов вынуждает производителей организовывать выпуск исключительно под заказ.