Параллельное соединение конденсаторов

Параллельное соединение конденсаторов – это батарея, в которой все конденсаторы находятся под одним и тем же напряжением, а суммарный ток равен полной алгебраической сумме токов этих элементов.

Основные тезисы

При параллельном включении конденсаторов их ёмкости складываются. Это позволяет быстро вычислить результат. Рабочее напряжение для всех конденсаторов одинаковое, а заряды из всех складываются воедино. Это следует из формулы, выведенной Вольтой ещё в XVIII веке:

C = q/U, тогда C1 + C2 + … = q1 + q2 + …/U.

Параллельное включение конденсаторов ведёт себя, как один конденсатор большой ёмкости.

Зачем нужно включать конденсаторы параллельно

  • В радиоприёмниках подстройка под частоту волны осуществляется коммутацией блоков конденсаторов. Этим осуществляется ввод резонансного контура в резонанс.
  • В фильтрах мощных блоков питания за каждый рабочий цикл нужно запасать много энергии. Строить его на индуктивностях экономически нецелесообразно. Поэтому применяют параллельный набор из больших электролитических конденсаторов.
  • Параллельное включение конденсаторов можно встретить в измерительных схемах. Где эталоны ответвляют на себя часть тока, и по этой величине оценивается номинал. То есть размер ёмкости исследуемого конденсатора.
  • Параллельно время от времени могут устанавливаться компенсаторы реактивной мощности. Это устройства, которые блокируют выход лишней энергии в питающую сеть. Что предотвращает образование помех, перегрузку генераторов, трансформаторов и избыточный нагрев проводки.

Реактивная мощность сети

Когда работает асинхронный двигатель, то происходит расхождение тока и напряжения по фазе. Это наблюдается вследствие наличия обмотки, которая имеет индуктивное сопротивление. Как результат, часть мощности отражается обратно в цепь. Этот эффект можно устранить, если индуктивное сопротивление компенсировать ёмкостным. Имеется и другой способ – использование синхронных двигателей. Он эффективен при напряжениях от 6 до 10 кВ.

По возможности предприятия должно потреблять всю произведённую им самим реактивную мощность. Но синхронные двигатели не всегда подходят условиям технологических процессов. Тогда и ставят конденсаторные установки. Их реактивное сопротивление должно быть равным индуктивностям двигателей. Конечно, в идеале, потому что на производстве условия постоянно меняются. В этом свете становится понятно, почему так сложно отыскать золотую середину.

Но если использовать параллельное соединение конденсаторов и коммутировать их при помощи реле должным образом, то задача достаточно просто решается. Сюда можно добавить, что некоторые предприятия за отражённую реактивную мощность тоже платят. И если её не использовать, то это будут чистой воды экономические потери. Поставщиков энергии тоже можно понять: реактивная мощность забивают линию ЛЭП, нагружает трансформаторы и тогда оборудование не может выдавать полную нагрузку. Если каждое предприятие станет загружать канал лишним током, то экономическое положение энергетиков немедленно пошатнётся.

В то же время реле реактивной мощности широко распространены и помогут определить, какую часть конденсаторов включить в работу. Пример графика расчёта затрат приведён на рисунке. Имеется некая оптимальная точка, перешагивать которую экономически нецелесообразно. Но можно это сделать из каких-либо иных мотивов.

Схема соединения компенсирующих установок

В трёхфазных сетях компенсирующие конденсаторы ставят тройками по двум общеизвестным схемам:

  1. Звезда.
  2. Треугольник.

Реактивная мощность в этих случаях вычисляется по формулам, представленным на рисунке. Через греческую омегу обозначена круговая частота сети (2 х Пи х 50 Гц). Из соотношений получается, что схема включения конденсаторов треугольником более выгодна: мощность выросла в 3 раза. Это происходит от того, что звезда использует фазное напряжение, а оно в 1,73 раза меньше линейного. Компенсируемая реактивная мощность же зависит от квадрата этого параметра.

Из этих соображений трёхфазные конденсаторы обычно всегда изготавливаются треугольником, а под звезду нужно выпросить индивидуальный заказ (фактически три однофазных конденсатора). Есть и другая сторона медали: на вольтаж 1,05; 3,15; 6,3; 10,5 кВ все конденсаторы однофазные. И можно соединять их так, как заблагорассудится. У звезды, например, меньше рабочее напряжение, а значит, и каждый конденсатор в отдельности выйдет дешевле. Ту и другую схему нельзя отнести к параллельным включениям, но такие тройки, в свою очередь, объединяются в:

  • группы;
  • секции;
  • установки.

И внутри объединений однофазные конденсаторы могут включаться последовательно и параллельно, а трёхфазные – только параллельно. При этом рекомендуется номиналы всех отдельных элементов выбирать одинаковы. Это не только упрощает расчёт, но и уравнивает нагрузку по всем частям электрической схемы. Имеются и установки, где присутствует смешанное соединение по каждой фазе. Образуются параллельные ветви последовательного включения конденсаторов.

Установки выполняют однофазными или трёхфазными. В сетях с напряжением 380 В практически всегда применяется параллельное соединение конденсаторов. Исключением является случай использования оборудования с одной фазой как на 220 В (фазное), так и 380 В (линейное). Тогда под прибор ставится индивидуальная установка (или группа), компенсирующая реактивную мощность. В осветительных сетях конденсаторы по большей части ставят уже после выключателя по очевидным причинам. В прочих случаях – в зависимости от особенностей функционирования объекта.

Для напряжений 3, 6 и 10 кВ однофазные конденсаторы могут включаться обычной или двойной звездой (см. рис.). Один вывод здесь может быть заземлены (глухозаземленная нейтраль). По этой причине и допускается использование однофазных конденсаторов, в том числе и одним изолированным выводом. В последнем случае нужно убедиться, что нулевой проводник выходит на корпус изделия.

Обычно главный выключатель ставится в той или иной секции защищаемого оборудования (территориально) и управляет цепью компенсации в общем. То есть задействует или убирает вовсе дополнительное реактивное сопротивление. Если в данном секторе технологическое оборудование простаивает, то и главный выключатель разорвёт цепь компенсации. Конденсаторные установки обычно стоят в выделенном помещении вместе, электрически соединены параллельно. Перед каждой из них стоит выключатель цепи релейной регуляции для повышения или уменьшения общей ёмкости компенсаторов.

Таким образом, в зависимости от того, какое именно оборудование используется предприятием, объем реактивной мощности обусловливает помощь тех или иных конденсаторных установок, гибко подстраиваемых под имеющиеся нужды. В итоге:

  1. Секции оборудования включены параллельно. Это легко понять, если представить бытовые приборы, питаемые одним удлинителем. Все включены параллельно. Но находятся, например, в разных цехах, секторах и пр. Встречаются и случаи, когда одна крупная энергетическая установка (например, генератор ГЭС) делится на сравнительно независимые секции.
  2. Конденсаторные установки также включены параллельно, но находятся, как правило, в одном месте. Это сделано для того, чтобы можно было автоматически или вручную легко регулировать общую ёмкость посредством коммутации выключателей облегчённого типа. Один и тот же конденсатор может работать для компенсации реактивной мощности любой из секций или сразу обеих.

Особенности конденсаторной защиты

Главные выключатели, как правило, используются при авариях и вырубают сразу целую секцию оборудования. Конденсаторные установки также могут набираться в секции параллельным их включением. Тогда главный выключатель может сразу вырубать одну такую «батарею». Тогда как другие секции конденсаторных установок останутся в действии. Важно понять, что защитное оборудование, как и защищаемое можно группировать самыми разными методами. В зависимости от того, как это удобно и экономически обосновано.

Облегчённые выключатели применяются, как правило, в цепях регуляции. Управляются через реле и повышают или понижают общую ёмкость конденсаторных установок. В качестве главного выключателя обычно выбирается вакуумный или элегазовый.

Особенностью цепей выше 10 кВ является использование однофазных конденсаторов, собираемых по схеме звезды или треугольника, в каждой ветви которых стоит параллельно-последовательная группа ёмкостей (см. рис.). При наличии изделий с высоким рабочим напряжением можно делать и наоборот. То есть применять последовательно-параллельно включение. Тогда рабочие напряжения конденсаторов выбираются так, чтобы количество групп, включенных друг за другом было минимальным. Напряжение на каждом из элементов при этом, естественно, увеличивается. Для справки: последовательное соединение конденсаторов.

Если сделать все так, как описано выше, то при выходе из строя любого элемента цепи компенсации реактивной мощности прочие будут работать в относительно щадящем режиме. Разумеется, параметры цепи нужно контролировать, а эксплуатирующий персонал согласно имеющимся методикам ведёт проверку конденсаторных установок на исправность. При проектировании нужно учесть одну небольшую особенность:

Чем больше в цепи компенсации последовательных групп конденсаторов, тем сложнее для каждой из них будет обеспечить равномерное распределение напряжения. В частности, возможны частые перегрузки того или иного сегмента.

Вдобавок ко всему сложные электрические соединения непросто проверять обслуживающему персоналу. Витиеватая схема плохо поддаётся монтажу, часты ошибки. Идеальным является параллельное соединение конденсаторных блоков по каждой фазе. Тогда и монтировать легко, и методика проверки упрощается максимально.

Разряд конденсаторов

Включенные параллельно конденсаторы обладают большой ёмкостью, вследствие чего при прекращении работы на них остаётся заряд. Это можно прочувствовать на себе, если коснуться штекера только что выключенной старенькой дрели. В новых моделях фильтр устроен так, что цепь разряжается через резистор, и ничего подобного, описанному выше, не наблюдается.

Для снижения напряжения можно также использовать и индуктивности, включенные параллельно конденсаторам. В этом случае сопротивление заземления переменному току весьма велико, а для постоянного — не сложно преодолеть этот участок. То есть, в период работы оборудования ток здесь весьма мал, и потери невелики. После останова технологической линии заряд понемногу сливается через высокоомный резистор или индуктивность. Разумеется, никто не запрещает поставить в цепи заземления реле, замыкающее контакты только после выключения всех устройств. Но это дороже и требует автоматизации.

Процесс разряда цепи важен с точки зрения обеспечения безопасности. Можно представить это так: конденсатор, заряжённый от розетки, ещё долго хранит разность потенциалов и представляет определённую опасность для окружающих. В однофазных сетях с напряжением 220 В разряд выполняется через входные фильтры при условии, что корпус правильно заземлён. Сопротивление в цепи, включенной параллельно конденсаторам, определяется по формуле, представленной ниже.

Под Q подразумевается реактивная мощность установки в варах (ВАР), а Uф – фазное напряжение. Можно легко показать, что формула дана из расчёта времени разряда. В самом деле: Q зависит линейно от ёмкости, будучи перенесена в левую часть формулы, она даст постоянную времени RC. За три таких периода батарея разряжается примерно на 97%. Исходя, из этих условий можно найти и параметры индуктивности. А ещё лучше – последовательно с нею включить резистор, как часто и делается в реальных схемах.