Применение конденсаторов сверхбольшой емкости

Всвязи с непрерывным ростом конкуренции на энергетическом рынке и ужесточением требова­ний к сохранению природных ресурсов промышлен­ные компании все больше внимания уделяют повы­шению эффективности работы и надежности систем распределения энергии. Об одной из возможностей уменьшения пиковых нагрузок в сетях электропита­ния и идет речь в настоящей статье.

А. Мельниченко

Построение систем электропитания в большой степени определяется режимом потребления энер­гии (повторно-кратковременным или непрерывным). Если продолжительность включения нагрузки состав­ляет от долей секунды до минуты, то для сглаживания пульсаций тока в периоды повышенного потребления можно использовать конденсаторы сверхбольшой емкости (СБЕ). Они также могут найти применение в стабилизаторах напряжения и в источниках беспере­бойного электропитания.

Конденсаторы СБЕ в источниках бесперебойного питания

В течение многих лет системы бесперебойного пи­тания строились на основе аккумуляторов, главным об­разом из-за их относительной дешевизны. Существен­ными недостатками аккумуляторов являются необходи­мость обслуживания и частой замены, а также невысокая надежность. Необходимость повышения надежности явилась стимулом развития альтернативных технологий, в частности использования конденсаторов СБЕ.

Конденсаторы СБЕ можно эксплуатировать без обслуживания более 20 лет. Они являются вполне конкурентоспособными, если необходимо обеспе­чить питание в течение времени от нескольких секунд до минуты. Для более продолжительного интервала времени их можно использовать в сочетании с гене­раторами и топливными элементами, обеспечивая подачу напряжения питания до выхода основных ис­точников энергии на номинальный режим.

Использование конденсаторов СБЕ в источниках бесперебойного питания началось с применения их в дизель-генераторах. Конденсаторы взяли на себя (частично или полностью) функции, ранее присущие аккумуляторам. Это оказалось особенно удобным для низких температур, при которых надежность аккуму­ляторов снижается. В этом случае конденсаторы СБЕ используются, главным образом, для того, чтобы обеспечить запуск холодного двигателя дизель-гене­ратора. Это позволяет применить аккумулятор мень­шей емкости и обеспечить его работу без подзарядки в течение более продолжительного времени.

Стабилизация напряжения и рекуперация энергии

Стабилизация напряжения и рекуперация энер­гии — две области применения, в которых конденсато­ры СБЕ способствуют повышению надежности элект­роснабжения, что уже не раз доказано их применением на железнодорожных станциях. При использовании конденсаторов в режиме стабилизатора напряжения предотвращается падение напряжения в линии во вре­мя отправления и прибытия поездов на станцию. Дру­гим примером может служить применение конденсато­ров для накопления энергии торможения поезда и использования ее для последующего ускорения. В частности, имеются данные о том, что применение конденсаторов позволило получить гододовую эконо­мию энергии в 320 тысяч кВт-ч только на одном локомо­тиве с возможностью ее увеличения до 500 тысяч кВт-ч.

Еще одним примером использования конденсато­ров СБЕ является стабилизация напряжения при ра­боте генераторов ветряных электростанций. Внезап­ные изменения скорости ветра могут вызвать значи­тельные колебания напряжения питающей сети. Для сглаживания этих колебаний могут быть с успехом ис­пользованы конденсаторы СБЕ.

Особенности применения конденсаторов СБЕ

Конденсаторы СБЕ являются устройствами по­стоянного тока с постоянной времени порядка не­скольких секунд. Поэтому подаваемое на них напря­жение должно быть хорошо отфильтровано во избе­жание перегрева конденсаторов СБЕ. Для этой цели можно использовать обычные электролитические конденсаторы, подключаемые параллельно с ними.

Рис.1. Схема применения конденсаторов СБЕ для сглаживания колебаний тока нагрузки

Если необходимо получить напряжения, отличные от тех, которые могут обеспечить конденсаторы СБЕ, нужно использовать повышающие или понижающие DC/DC-преобразователи.

Несколько слов о необходимой скорости переза­рядки конденсаторов СБЕ.

Если конденсаторы используются на железнодо­рожных станциях, то для поддержания напряжения при увеличении тока нагрузки они должны быть спо­собны к быстрой разрядке. Зарядка конденсаторов может происходить более медленно от источника по­стоянного тока (рис. 1).

В других случаях для согласования с напряжением сети, возможно, потребуется применение реверсивно­го DC/DC-преобразователя. Пример такой схемы пока­зан на рис. 2. Повышающий преобразователь первой ступени переводит напряжение конденсаторов СБЕ в промежуточное напряжение. Вторая ступень содержит понижающий преобразователь, подключенный к линии постоянного тока. Такая схема позволяет управлять то­ком конденсаторов независимо от напряжения в линии.

Зарядка конденсаторов СБЕ от источника переменного или постоянного тока

Наиболее простая схема зарядки конденсаторов содержит повышающий или понижающий DC/DC-преобразователь с токовым выходом. Для сокраще­ния времени зарядки предпочтительно использовать понижающий преобразователь. Максимальный ток преобразователя ограничен максимальным током зарядки конденсатора, а его выходное напряжение не превышает максимального напряжения конденса­тора.

Зарядка постоянным током позволяет сократить время зарядки до минимума. При этом вся энергия, поступающая от источника питания, сохраняется в конденсаторах. В таком режиме необходимо, чтобы максимальный ток коммутирующего транзистора преобразователя был примерно в 2.5 раза больше за­рядного тока во избежание перегрузки, возникающей в случаях, когда напряжение конденсатора составля­ет менее 40% его максимального значения.

При зарядке конденсаторов от сети переменного тока возникают трудности согласования, связанные с различными параметрами сети. Пример схемы за­рядки от сети переменного тока приведен на рис. 3 (патент США 6,912,136). Для задания частоты комму­тации тока здесь используется зависимость индук­тивности трансформатора от напряжения на нем. В этой схеме обеспечивается номинальный выходной ток при выходном напряжении, близком к нулю, без риска насыщения трансформатора.

Рис. 2. Схема двухступенчатого преобразования напряжения

Рис. 3. Схема зарядки конденсатора от сети переменного тока

Рассмотрим работу схемы с момента, когда тран­зистор Q1 включается и ток в первичной обмотке трансформатора Т1 возрастает. Когда ток достигает заранее заданного максимума, транзистор выключа­ется, и накопленная в трансформаторе энергия через диод D1 перекачивается в конденсатор С1. Когда ток вторичной обмотки уменьшится ниже заданного ми­нимума, транзистор вновь открывается и процесс по­вторяется. Время, необходимое для накопления энергии в T1 обратно пропорционально напряжению питания и напряжению на конденсаторе C1. При низ­ком напряжении питания и низком напряжении на конденсаторе С1 частота коммутации транзистора Q1 минимальна. Соотношение минимальной и макси­мальной частот коммутации может достигать 1:20. Когда напряжение на конденсаторе C1 достигает мак­симума, схема переходит из режима ограничения то ка в режим ограничения напряжения.

При подключении нагрузки к конденсатору запа­сенная в нем энергия, а следовательно и напряжение на нем уменьшаются. Для поддержания неизменного напряжения на нагрузке следует питать ее через по­вышающий DC/DC-преобразователь.

В процессе работы, когда напряжение на конден­саторе уменьшается до половины накопленного до начала разряда значения, он отдает 75% запасенной в нем энергии. Выбор преобразователя зависит от диа­пазона изменения входного напряжения и мощности, потребляемой нагрузкой.

Приведенные примеры показывают, каким обра­зом конденсаторы СБЕ могут быть использованы в промышленных изделиях. Вариант применения опре­деляется требованиями, предъявляемыми к конкрет­ному изделию.