Condensatori a film per la generazione eolica

ENERGIA EOLICA –

All’interno dei sistemi di generazione eolica i condensatori a film possono offrire sostanziali vantaggi tecnologici, tra cui la maggiore durata e la possibilità di gestire sia sovratensioni che tensioni inverse.

La generazione eolica è un promettente mercato che la crescente consapevolezza in tema ambientale e il progressivo aumento di costo dei combustibili fossili ha reso di estrema attualità. L'ottimizzazione del livello di efficienza dei generatori è l'elemento chiave per gli ulteriori futuri sviluppi e questa efficienza dipende in gran parte dall'elettronica di potenza che svolge le funzioni di conversione e che deve essere in grado di gestire tensioni quanto più elevate possibili, anche per quanto riguarda la componentistica passiva, ad esempio i condensatori. Le macchine a velocità variabile hanno in genere un generatore sincrono, non possono quindi essere connesse direttamente a rete e necessitano di un convertitore di interconnessione; più raramente hanno un generatore asincrono ma in questo caso necessitano di un convertitore più complesso. Le macchine a velocità fissa, tipicamente ricorrono al generatore asincrono, quindi con una manovra più semplice effettuano il parallelo alla rete ma necessitano di un banco di condensatori di rifasamento. Nelle prime applicazioni i generatori eolici utilizzavano condensatori con tensioni che arrivavano fino a 500 Vcc ma le soluzioni più moderne prevedono di mantenere il livello di tensione tra 600 e 1350 Vcc (a seconda del livello di tensione alternata che si desidera avere in uscita) per ridurre le perdite di conversione e perché tensioni maggiori implicano correnti minori, a pari potenza.
 
La potenza per l'eolico
Condensatori in grado di supportare alti livelli di tensione sono usati nelle nuove turbine con generatori a induzione e sincroni, che fanno uso di convertitori Ac-Dc basati su switch Igbt e che richiedono quindi condensatori ad alta tensione per il filtraggio in continua e il disaccoppiamento. Per raggiungere questo obiettivo sono state progettate alcune famiglie di condensatori a film non impregnati a gas che offrono risultati molto migliori dei tradizionali condensatori elettrolitici. AVX, ad esempio, offre condensatori di potenza a film, con capacità fino a 48.000 μF, specifici per generatori eolici. Uno dei maggiori vantaggi offerti dai condensatori a film è la possibilità di autorigenerarsi, ovvero di ripristinare le condizioni di funzionamento dopo un eventuale guasto; questa caratteristica è una conseguenza della struttura segmentata della metallizzazione del film (tipicamente a mosaico) anche se questa tecnologia da sola non basta a garantire l'autorigenerazione controllata: una segmentazione non ottimale potrebbe infatti causare risultati imprevisti, come una mancata rigenerazione (segmentazione troppo ridotta) o anche una vita molto breve del componente, se la segmentazione è eccessiva. Per i generatori eolici si tratta quindi di individuare componenti in grado di garantire la necessaria affidabilità anche in condizioni di funzionamento estreme, con una buona vita media ed anche economicamente competitivi e con gamme di tensioni/capacità/dimensioni idonee a soddisfare diverse applicazioni.

Il vantaggio dei condensatori a film
I moderni condensatori a film possono sopportare oltre 500 V/μm per applicazioni a scarica e fino a 250 V/μm per applicazioni di filtraggio in continua. Citando sempre a titolo di esempio i condensatori AVX, occorre notare che sono anche conformi allo standard CEI 1071 il che significa che possono adattarsi a sopportare vari picchi di tensione, fino al doppio della tensione nominale.
In confronto, per i tradizionali condensatori elettrolitici è lo spessore del foglio di alluminio stesso a determinare il gradiente di tensione e quindi a permettere di raggiungere tensioni elevate, con l'inevitabile compromesso tra la stesa tensione e la capacità disponibile. Inoltre nei condensatori elettrolitici la conduttività raggiunge i 150 kΩ/cm nei dispostivi per alte tensioni(500V) e i 5 kΩ/cm in quelli per basse tensioni e questo rappresenta un limite per le correnti rms, che non superano i 20 mA per µF, valore che va confrontato con 1 A per µF dei condensatori a film. Per i condensatori di disaccoppiamento una delle caratteristiche richieste è la capacità di sopportare correnti di ripple, e anche in questo caso i dispositivi a film sono avvantaggiati perché, mentre usando componenti a foglio di alluminio sarebbero necessari vari dispositivi collegati in serie, anche semplicemente per la necessità di gestire l'elevata corrente, i condensatori a film invece possono farlo senza problemi e quindi il progettista risparmia spazio e non deve preoccuparsi di questi limiti, ma deve solo scegliere il valore di capacità opportuno.
Se poi si decidesse di utilizzare più condensatori elettrolitici comunque, sarebbero come minimo necessario bilanciare le tensioni inserendo delle resistenze in parallelo ad ogni componente per compensare la resistenza di isolamento di ogni singolo condensatore (che è diversa da componente a componente, con il risultato di avere comunque un aumento della corrente di perdita complessiva. L'uso dei condensatori elettrolitici è ulteriormente complicato dal fatto che, in cado di inversioni di polarizzazione o di tensioni che superino una volta e mezzo il valore nominale, si avvierebbe una reazione chimica che potrebbe condurre a un guasto definitivo del componente, fino a comportare un corto circuito o lo scoppio del componente stesso se l'elettrolita dovesse evaporare. Di solito il rimedio è inserire nel circuito un diodo in parallelo al condensatore. In sostanza quindi, anche se l'uso di condensatori elettrolitici è tecnicamente possibile e permette, con componenti collegati in serie di raggiungere gli elevati livelli di tensione necessari nei moderni generatori eolici, questa scelta come minimo comporta la complicazione dei circuiti con ulteriori componenti da aggiungere.
Per contro i condensatori a film per alte tensioni (oltre 1350 V) che utilizzano materiali non tossici (olio organico) oppure quelli a film con tecnologia a secco possono rappresentare una soluzione alternativa che non mette a rischio il sistema; entrambi i tipi possono tra l'altro anche essere conservati senza problemi, diversamente dai condensatori elettrolitici, perché non hanno problemi di “dry out” / wear-out. Infine l'ulteriore vantaggio dei condensatori a film è la durata. AVX ha di recente presentato dei dati secondo i quali i condensatori di filtraggio autorigeneranti esibiscono una perdita di capacità massima di solo il 2% dopo oltre 100.000 ore di funzionamento. Senza dimenticare poi che il guasto catastrofico improvviso è molto raro per questo tipo di componenti (diversamente da quanto accade per gli elettrolitici) e quindi è ragionevole presumente che il loro impiego non richieda nessun intervento di sostituzione o manutenzione per tutta la vita prevista per un sistema di generazione eolico, caratteristica da non disprezzare se si considera che spesso le applicazioni vengono installate in luoghi remoti e difficili da raggiungere.

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