Застосування конденсаторів надвеликої ємності

У зв’язку з безперервним зростанням конкуренції на енергетичному ринку та посиленням вимог до збереження природних ресурсів промислові компанії все більше уваги приділяють підвищенню ефективності роботи та надійності систем розподілу енергії. Про одну з можливостей зменшення пікових навантажень у мережах електроживлення йдеться в цій статті.

А. Мельниченко

Побудова систем електроживлення значною мірою визначається режимом споживання енергії (повторно-короткочасним або безперервним). Якщо тривалість увімкнення навантаження становить від часток секунди до хвилини, то для згладжування пульсацій струму в періоди підвищеного споживання можна використовувати конденсатори надвеликої ємності (СБЄ). Вони також можуть знайти застосування у стабілізаторах напруги та джерелах безперебійного електроживлення.

Конденсатори СБЄ в джерелах безперебійного живлення

Протягом багатьох років системи безперебійного живлення будувалися на основі акумуляторів, головним чином через їхню відносну дешевизну. Істотними недоліками акумуляторів є необхідність обслуговування та частої заміни, а також невисока надійність. Необхідність підвищення надійності стала стимулом розвитку альтернативних технологій, зокрема використання конденсаторів СБЄ.

Конденсатори СБЄ можна експлуатувати без обслуговування понад 20 років. Вони є цілком конкурентоспроможними, якщо необхідно забезпечити живлення протягом часу від кількох секунд до хвилини. Для триваліших інтервалів часу їх можна використовувати в поєднанні з генераторами та паливними елементами, забезпечуючи подачу напруги живлення до виходу основних джерел енергії на номінальний режим.

Використання конденсаторів СБЄ в джерелах безперебійного живлення почалося із застосування їх у дизель-генераторах. Конденсатори взяли на себе (частково або повністю) функції, які раніше виконували акумулятори. Це виявилося особливо зручним за низьких температур, коли надійність акумуляторів знижується. У цьому випадку конденсатори СБЄ використовуються головним чином для забезпечення запуску холодного двигуна дизель-генератора. Це дозволяє застосовувати акумулятор меншої ємності та забезпечити його роботу без підзаряджання протягом тривалішого часу.

Стабілізація напруги та рекуперація енергії

Стабілізація напруги та рекуперація енергії — дві сфери застосування, у яких конденсатори СБЄ сприяють підвищенню надійності електропостачання, що вже неодноразово доведено їх використанням на залізничних станціях. При використанні конденсаторів у режимі стабілізатора напруги запобігається падінню напруги в лінії під час відправлення та прибуття поїздів на станцію. Іншим прикладом може бути застосування конденсаторів для накопичення енергії гальмування поїзда та використання її для подальшого прискорення. Зокрема, є дані про те, що застосування конденсаторів дозволило отримати річну економію енергії в 320 тисяч кВт·год лише на одному локомотиві з можливістю її збільшення до 500 тисяч кВт·год.

Ще одним прикладом використання конденсаторів СБЄ є стабілізація напруги під час роботи генераторів вітрових електростанцій. Раптові зміни швидкості вітру можуть викликати значні коливання напруги живильної мережі. Для згладжування цих коливань можуть успішно використовуватися конденсатори СБЄ.

Особливості застосування конденсаторів СБЄ

Конденсатори СБЄ є пристроями постійного струму з постійною часу порядку кількох секунд. Тому напруга, що подається на них, повинна бути добре відфільтрована для уникнення перегріву конденсаторів СБЄ. Для цієї мети можна використовувати звичайні електролітичні конденсатори, підключені паралельно до них.

Якщо необхідно отримати напруги, відмінні від тих, які можуть забезпечити конденсатори СБЄ, потрібно використовувати підвищувальні або понижувальні DC/DC-перетворювачі.

Швидкість перезаряджання конденсаторів СБЄ

Кілька слів про необхідну швидкість перезаряджання конденсаторів СБЄ.

Якщо конденсатори використовуються на залізничних станціях, то для підтримання напруги при збільшенні струму навантаження вони повинні бути здатними до швидкого розряджання. Заряджання конденсаторів може відбуватися повільніше від джерела постійного струму (рис. 1).

В інших випадках для узгодження з напругою мережі, можливо, знадобиться застосування реверсивного DC/DC-перетворювача. Приклад такої схеми показаний на рис. 2. Підвищувальний перетворювач першого ступеня переводить напругу конденсаторів СБЄ у проміжну напругу. Другий ступінь містить понижувальний перетворювач, підключений до лінії постійного струму. Така схема дозволяє керувати струмом конденсаторів незалежно від напруги в лінії.

Заряджання конденсаторів СБЄ від джерела змінного або постійного струму

Найпростішою схемою заряджання конденсаторів є підвищувальний або понижувальний DC/DC-перетворювач зі струмовим виходом. Для скорочення часу заряджання бажано використовувати понижувальний перетворювач. Максимальний струм перетворювача обмежений максимальним струмом заряджання конденсатора, а його вихідна напруга не перевищує максимальну напругу конденсатора.

Заряджання постійним струмом дозволяє скоротити час заряджання до мінімуму. При цьому вся енергія, що надходить від джерела живлення, зберігається в конденсаторах. У такому режимі необхідно, щоб максимальний струм комутувального транзистора перетворювача був приблизно у 2,5 раза більшим за зарядний струм для уникнення перевантаження, яке виникає у випадках, коли напруга конденсатора становить менше 40% його максимального значення.

При заряджанні конденсаторів від мережі змінного струму виникають труднощі узгодження, пов’язані з різними параметрами мережі. Приклад схеми заряджання від мережі змінного струму наведено на рис. 3 (патент США 6,912,136). Для задання частоти комутації струму тут використовується залежність індуктивності трансформатора від напруги на ньому. У цій схемі забезпечується номінальний вихідний струм при вихідній напрузі, близькій до нуля, без ризику насичення трансформатора.

Принцип роботи схеми заряджання

Розглянемо роботу схеми з моменту, коли транзистор Q1 вмикається і струм у первинній обмотці трансформатора T1 зростає. Коли струм досягає заздалегідь заданого максимуму, транзистор вимикається, і накопичена в трансформаторі енергія через діод D1 перекачується в конденсатор C1. Коли струм вторинної обмотки зменшиться нижче заданого мінімуму, транзистор знову відкривається і процес повторюється. Час, необхідний для накопичення енергії в T1, обернено пропорційний напрузі живлення та напрузі на конденсаторі C1. За низької напруги живлення і низької напруги на конденсаторі C1 частота комутації транзистора Q1 мінімальна. Співвідношення мінімальної та максимальної частот комутації може досягати 1:20. Коли напруга на конденсаторі C1 досягає максимуму, схема переходить із режиму обмеження струму в режим обмеження напруги.

При підключенні навантаження до конденсатора запасена в ньому енергія, а отже і напруга на ньому, зменшуються. Для підтримання незмінної напруги на навантаженні слід живити його через підвищувальний DC/DC-перетворювач.

У процесі роботи, коли напруга на конденсаторі зменшується до половини накопиченого до початку розряджання значення, він віддає 75% запасеної в ньому енергії. Вибір перетворювача залежить від діапазону зміни вхідної напруги та потужності, споживаної навантаженням.

Висновки

Наведені приклади показують, яким чином конденсатори СБЄ можуть бути використані у промислових виробах. Варіант застосування визначається вимогами, що висуваються до конкретного виробу.