Nei moderni alimentatori e convertitori di frequenza, gli elementi che immagazzinano energia delle forme più svariate e la rendono disponibile per i successivi processi di conversione hanno un ruolo di notevole importanza. A questo proposito si è dedicata particolare attenzione alla stabilità e all'uniformità della sorgente di energia, laddove un ruolo cruciale è svolto dalla capacità del condensatore di immagazzinare ingenti carichi elettrici. In generale, quanto più grandi sono le mostrine, tanto maggiore è la capacità del condensatore. Tuttavia, lo spazio di installazione delle moderne apparecchiature è estremamente ridotto ed è quindi fondamentale riuscire a concentrare alte capacità in piccoli volumi. Inoltre, le specifiche esigenze dell'ingegneria elettrica rendono particolarmente significativo il ruolo della potenza dielettrica. I condensatori a film ed elettrolitici sono tipici esempi di dispositivi adatti a tali applicazioni. I condensatori a film, soprattutto quelli a film metallizzato, prevedono un avvolgimento di due strati di polipropilene metallizzato. Lo spessore della lamina di polipropilene (isolante) determina la tensione nominale, che può raggiungere diversi kV. Una caratteristica specifica dei condensatori in polipropilene è la loro capacità autorigenerante. Poiché le lamine generalmente utilizzate sono molto sottili, questa capacità è estremamente importante per evitare i corto circuiti successivi ai flashover. Ulteriori proprietà correlate al design includono le basse Esr ed Esl, oltre che una gamma di temperature di funzionamento relativamente ampia. I condensatori elettrolitici in alluminio sono composti da due strati di lamina di alluminio separati da uno o due strati di carta e impregnati con un fluido conduttore (elettrolita). La loro temperatura di funzionamento è limitata a circa 500 V, tenuto conto dello spessore dello strato di ossido della prima lamina di alluminio e delle proprietà dell'elettrolita. Tra le importanti proprietà di questo tipo di dispositivi è possibile annoverare l'altissima capacità di immagazzinamento di carica e le dimensioni ridotte rispetto alla capacità. Tuttavia, essendo polarizzati, i condensatori a elettrolita possono essere utilizzati solo in misura limitata negli ambienti a corrente alternata. Inoltre, pur avendo una maggiore capacità per unità di volume, i condensatori elettrolitici in alluminio presentano una capacità che varia con la temperatura e la frequenza, a causa delle loro caratteristiche costruttive. Le perdite ohmiche e legate alla frequenza provocano un riscaldamento durante il carico e lo scarico, che limita la possibile corrente ondulata. Inoltre, le proprietà elettriche cambiano nel tempo a causa dei processi chimici, generando un aumento della percentuale di guasti al termine della vita utile specificata. I condensatori in ceramica sono resistenti alle altissime tensioni grazie ai materiali ceramici utilizzati per l'isolamento. I materiali di base ferroelettrici /paraelettrici finemente macinati vengono sintetizzati ad alte temperature per ottenere un elemento capacitivo che viene utilizzato in qualità di dielettrico come supporto dell'elettrodo. I condensatori in ceramica possono immagazzinare quantità limitate di carica elettrica e sono generalmente utilizzati come filtri con tensioni ad alta frequenza. In tali applicazioni, i conduttori di fase e neutro sono cortocircuitati a terra tramite i condensatori. I condensatori ad alta tensione, attualmente disponibili sul mercato, sono in grado di gestire sovratensioni di diversi chilovolt.
Densità di potenza in aumento
I moderni alimentatori e convertitori raggiungono densità di potenza sempre maggiori, anche dell'ordine del megawatt. Gli attuali semiconduttori consentono di commutare carichi elevati a frequenze sempre crescenti, rendendo possibile l'utilizzo di convertitori ad alta potenza di dimensioni limitate e a costi accettabili. Tuttavia, l'aumento delle densità di potenza si riflette anche sui requisiti dei condensatori. In genere, il circuito d'ingresso di un convertitore, strutturato in modo più o meno esteso, si distingue per la sorgente di energia. Nel caso dei convertitori solari, in particolare, il valore d'ingresso dipende dall'intensità della luce solare ed è quindi soggetto a notevoli variazioni, rendendo difficile l'identificazione di un punto di funzionamento ottimale. Di conseguenza, è necessario predisporre all'ingresso un dispositivo per immagazzinare l'energia CC. I condensatori del circuito d'ingresso sono di tipo elettrolitico, in virtù del componente ad alta tensione CC, dell'alta capacità di immagazzinamento e della possibilità di sovradimensionamento. Le sollecitazioni cui è sottoposto il condensatore sono minime, tenuto conto dell’assenza di componenti ad alta corrente alternata I requisiti di un condensatore di circuito intermedio, detto anche condensatore DC-link, sono notevolmente più complessi. Questi condensatori sono utilizzati come dispositivi per l'immagazzinamento dell'energia tra il convertitore CC/CC e l'inverter CC/CA e la loro corrente di ingresso prevede l’utilizzo di componenti ad alta corrente alternata (ondulazione). La tensione di uscita deve essere adeguatamente stabilizzata, in modo da fornire una tensione CC stabile all'inverter. Esempi tipici di condensatori a bassa capacità sono quelli di Vishay in polipropilene metallizzato della serie MKP1848, mentre i condensatori della serie HDMKP sono adatti per i convertitori più grandi. Se lo spazio disponibile è insufficiente oppure è necessario immagazzinare maggiore energia, i condensatori in alluminio rappresentano una valida alternativa. Per le applicazioni con carichi nell'ordine di 100 kW e superiori, è possibile utilizzare un condensatore di circuito intermedio, generalmente con condensatori in alluminio più grandi. Per quanto riguarda il costo dei componenti, i condensatori in alluminio offrono un vantaggio immediato: un condensatore in alluminio da 470 μF/450 V costa solo un quinto di un condensatore a film equivalente. Tuttavia, i condensatori a lamina richiedono almeno una circuiteria di protezione per limitare gli effetti dei guasti. Le alte frequenze ed i rapidi fronti di commutazione richiedono l'uso di condensatori di smorzamento (snubber). Lo snubber MKP386M deve permettere di ridurre o eliminare i picchi di tensione e di corrente e le perdite di commutazione. Le emissioni di rumore risultano ridotte grazie alla soppressione delle eccedenze di tensione e corrente causate dalla commutazione dei semiconduttori. In alternativa, i progettisti stanno sempre più utilizzando complessi algoritmi di commutazione nell'elettronica di potenza per modulare l'ampiezza degli impulsi, in modo da aumentare l'efficienza e migliorare la qualità di rete. Tali configurazioni impiegano armoniche e frequenze più alte, che devono essere filtrate all'uscita tramite filtri LC e LCL. I condensatori di filtro CA, come la serie MKP1847, offrono un'ampia gamma di capacità, varie configurazioni di collegamento e, per maggiore sicurezza, la cosiddetta tecnologia a film segmentato conforme allo standard UL810. Dato l'aumento della densità di potenza, i sovraccarichi e il comportamento in caso di guasti risultano essere particolarmente importanti. Potrebbero verificarsi danni quali un corto circuito, un circuito aperto oppure una via di mezzo (maggiore corrente di dispersione). In caso di surriscaldamento,la riduzione della pressione e dell'essiccazione dell'avvolgimento può generare una perdita dell'elettrolita.
Alta tensione stabile nonostante le variazioni di carico
La crescente integrazione delle fonti di energia rinnovabili, quale l'energia eolica e solare, pone nuove sfide alle reti elettriche. I condensatori di stabilizzazione della tensione nelle reti ad alta tensione rientrano in un campo di applicazione completamente diverso rispetto ai comuni condensatori e presentano dimensioni e requisiti di progettazione specifici. Devono garantire il rispetto dei requisiti standard, in base ai quali la tensione di rete lato utente finale non può deviare di oltre 230 VCA, ± 10 %. L'ulteriore fornitura di potenza reattiva capacitiva può stabilizzare la tensione; la tensione può essere aumentata o diminuita mediante un leggero sfasamento nell'area capacitiva o induttiva. A tal proposito, è possibile collegare reattori shunt o banchi di condensatori, a seconda delle esigenze. Le linee aeree agiscono induttivamente in presenza di carichi elevati. La tensione diminuisce e aumenta nuovamente nel caso di sfasamento provocato dalla potenza reattiva capacitiva. Oltre alla stabilità, anche la qualità della tensione è molto importante per gli operatori di rete. Durante il funzionamento, all'onda fondamentale vanno ad aggiungersi le armoniche, tensioni sovrapposte che presentano sempre un multiplo della frequenza d'onda fondamentale. In genere, nelle reti pesantemente caricate, la terza armonica (150 Hz) è la più pronunciata ed è necessario ridurla significativamente. Le installazioni filtro corrispondenti rientrano generalmente in una gamma di potenza compresa tra 200 MVA e 300 MVA. La riduzione della potenza reattiva è garantita da un banco di condensatori a commutazione meccanica con smorzamento (MSCDN). Se sulla rete è presente un carico elevato ed è necessario supportare la tensione, la soluzione consiste nel collegare i condensatori a ogni fase. Il collegamento dei condensatori C1 e C2 al reattore ad alta tensione L genera un flusso senza ostacoli della componente di corrente a 50 Hz attraverso C2. Tuttavia, le frequenze prossime alla frequenza centrale passano attraverso il resistore e vengono convertite in calore. La frequenza di interferenza risulta notevolmente ridotta.
Progettazione dei singoli condensatori
I condensatori sono formati da avvolgimenti. Tali dispositivi possono essere azionati in modo ottimale a tensioni fino a circa 2 kV. Di conseguenza, per raggiungere la tensione di tenuta richiesta, compresa tra 250 kV e 300 kV, è necessario collegare in serie diversi elementi. Per consentire il trasporto e l'installazione in maniera modulare di capacità così elevate, i costruttori sono riusciti ad assemblare gli avvolgimenti all'interno di involucri in acciaio inossidabile e a saldarli in maniera ermetica. Questi dispositivi sono detti condensatori di media tensione. L'alta tensione collegata al primo condensatore (C1) è distribuita su una serie di 30-40 condensatori, generando una tensione di circa 7,5 kV per condensatore. Il peso dei condensatori è limitato ad un massimo di 100 kg, per permettere di collegare meno di 10 condensatori paralleli per serie. Un condensatore C1 ha una capacità compresa tra 35 µF e 40 µF. Tali condensatori presentano diversi avvolgimenti collegati internamente in modo da formare gruppi di avvolgimenti in serie. Nel secondo condensatore (C2), i 30-40 kV collegati sono distribuiti su circa cinque serie di condensatori. Il risultato sono 7 kV per condensatore, con una capacità di circa 45 µF. La loro implementazione tecnica presuppone un impianto di considerevoli dimensioni. Gli elettrodi dell'avvolgimento di un condensatore sono composti da una lamina di alluminio, in aggiunta al dielettrico che è composto da diversi strati di lamina di polipropilene. Se tutte le lamine necessarie per il progetto fossero posizionate una accanto all'altra, ne risulterebbe una striscia lunga 8.000.000 di metri, molto più della metà dell'asse terrestre, mentre l'area delle lamine potrebbe ricoprire 350 campi da calcio. A livello di peso, sarebbero necessarie più di 10 tonnellate di alluminio e circa 25 tonnellate di polipropilene. Per ridurre una simile area attiva in una forma compatta, le lamine di alluminio e polipropilene vengono prima avvolte per formare un cilindro e successivamente pressate fino ad appiattirle. Questi avvolgimenti pressati vengono quindi impilati, collegati, isolati e poi assemblati e saldati ermeticamente in involucri rettangolari. Il peso totale dei soli condensatori, compresi gli involucri e i connettori, è decisamente superiore a 50 tonnellate. Questi numerosi esempi dimostrano l'ampia gamma di impieghi dei condensatori nell'elettronica di potenza e nell'ingegneria elettrica. Possono essere utilizzati anche in ulteriori applicazioni, ad esempio sui veicoli ibridi ed elettrici, i misuratori di elettricità e il controllo di variatori ad alta potenza.
