In passato, i banchi di condensatori erano relegati alle centrali elettriche pubbliche isolate, di basso livello tecnologico e dalle alte recinzioni. Oggi, le applicazioni dei banchi di condensatori riguardano perfino i dispositivi MEMS nanodimensionati e i parchi eolici installati nell'oceano. Indipendentemente dall'utilizzo, i banchi di condensatori eseguono comunque le stesse funzioni: immagazzinare e rendere uniforme l'energia elettrica. In questo articolo verranno esaminati i concetti di base relativi ai banchi di condensatori e il loro utilizzo in un'ampia gamma di applicazioni moderne.
Definizione
Come suggerisce il nome, un banco di condensatori è un gruppo di condensatori di uguale potenza. I banchi di condensatori possono essere collegati in serie o in parallelo, a seconda della potenza desiderata. Allo stesso modo di un singolo condensatore, i banchi di condensatori vengono utilizzati per immagazzinare l'energia elettrica e condizionarne il flusso. Aumentando il numero di condensatori in un banco aumenterà la capacità di energia che può essere immagazzinata in un singolo dispositivo.
Applicazioni tipiche
Il nostro mondo moderno costellato da strumenti elettronici richiede molta energia. Per soddisfare questa richiesta, è necessario immagazzinare l'energia elettricamente per consentirne il facile accesso. I condensatori sono ideali per immagazzinare ampie cariche di energia elettrica, nonché per condizionare il flusso di energia in base alle esigenze.
Di seguito la descrizione di alcuni degli utilizzi tipici dei banchi di condensatori.
• Condensatore in derivazione: la derivazione è un meccanismo che consente alla corrente elettrica di passare a un altro punto del circuito creando un percorso a bassa resistenza. Nelle applicazioni di bypass del disturbo elettrico, i condensatori vengono utilizzati per deviare a terra il disturbo in alta frequenza prima che possa propagarsi nel sistema ma soprattutto al carico. I banchi di condensatori in derivazione vengono utilizzati per migliorare la qualità della fornitura elettrica e di conseguenza l'efficienza dei sistemi di alimentazione (Figura 1).
Figura 1: Banco di condensatori, specificamente un banco di condensatori in derivazione. (Fonte: Vishay Intertechnology)
• Correzione del fattore di potenza: nei trasformatori e nei motori elettrici, i banchi di condensatori vengono utilizzati per correggere lo sfasamento del fattore di potenza o la commutazione di fase negli alimentatori a corrente alternata (CA). Il fattore di potenza di un sistema di alimentazione CA viene calcolato confrontando la potenza utilizzata dal carico, detta "potenza reale", divisa per la potenza fornita al carico, detta "potenza apparente". In altre parole, il fattore di potenza è il rapporto tra il lavoro utile eseguito da un circuito e il lavoro utile massimo che poteva essere eseguito alla tensione e all'amperaggio forniti.
Nella distribuzione dell'energia elettrica, i banchi di condensatori vengono utilizzati per la correzione del fattore di potenza. I banchi sono necessari per controbilanciare il caricamento induttivo da parte di dispositivi come i motori elettrici e le linee di trasmissione; in tal modo il carico sembra essere prevalentemente resistivo. In sintesi, i condensatori di correzione del fattore di potenza aumentano la capacità di portata della corrente del sistema. Aggiungendo banchi capacitivi, è possibile aggiungere ulteriore carico a un sistema senza alterare la potenza apparente. I banchi possono essere utilizzati anche in un alimentatore a corrente continua (CC) per aumentare la capacità di corrente di ripple dell'alimentatore oppure per aumentare la quantità complessiva di energia immagazzinata.
• Immagazzinare energia: in modo simile ai singoli condensatori, i banchi capacitivi immagazzinano energia elettrica quando sono collegati a un circuito di carica e rilasciano tale energia quando vengono scaricati. Normalmente, i condensatori vengono utilizzati nei dispositivi elettronici per mantenere l'alimentazione mentre le batterie sono in carica. Per i moderni dispositivi di largo consumo come i telefoni cellulari, occorre che la capacità di elevato immagazzinamento abbia un volume molto piccolo a causa dello spazio limitato. Questo fattore impone una sfida poiché all'aumento della capacitanza corrisponde in genere l'aumento dell'area delle piastre, rappresentata con "A" nella Figura 2.
Figura 2: La miniaturizzazione dei banchi capacitivi è dovuta all'introduzione di nuovi materiali tra le piastre del condensatore che aumentano la permettività "k" del materiale dielettrico. (Fonte: autore dell'articolo)
Come risulta dalle equazioni, un altro modo per aumentare la capacitanza è aumentare la potenza dielettrica. L'elemento "k" è la permettività relativa del materiale dielettrico tra le piastre. Per lo spazio libero, "k" equivale all'unità o uno. Per tutti gli altri supporti, "k" è maggiore di uno. I condensatori a film ed elettrolitici sono esempi tipici di dispositivi appropriati per queste applicazioni.
Da grande a piccola a insolita
Ampissima è la gamma di applicazioni di banchi di condensatori, da quelle di grandi dimensioni a quelle di dimensioni molto ridotte. Una delle applicazioni di grandi dimensioni più insolite è il parco eolico. Lincs è un parco eolico offshore da 270 MW a 8 km da Skegness, sulla costa orientale dell'Inghilterra (Figura 3). L'energia generata offshore viene trasferita alla rete tramite la centrale onshore Walpole situata nella contea di Norfolk. L'impianto di condensatori ad alta tensione di Siemens ha fornito un totale di sei banchi di condensatori senza fusibile, a singola fase, nonché sei banchi a singola fase con condensatori con fusibili interni.
Figura 3: Parco eolico offshore Lincs. (Fonte: Mat Fascione tramite Geograph)
In pratica, le installazioni di banchi di condensatori possono essere suddivise in tre aree: con fusibile interno, con fusibile esterno o senza fusibile. Nei condensatori con fusibile interno, l'unità contenente il banco è costituita da gruppi in serie di elementi condensatore paralleli, ognuno dei quali è unito singolarmente all'interno del contenitore. Al contrario, i banchi di condensatori con fusibile esterno sono costituiti da gruppi di condensatori paralleli, progettati per essere azionati con fusibile esterno comune.
I fusibili esterni possono potenzialmente provocare problemi se si verifica un guasto in uno degli elementi di avvolgimento perché in tal caso occorre eliminare l'intera unità. Secondo Brad Henderson, Regional Sales and Marketing per la ESTA Power Capacitor Division di Vishay, l'utilizzo di condensatori con fusibile interno è una delle ultime tendenze nella moderna tecnologia dei banchi di condensatori. "Una delle sfide più impegnative dal punto di vista della progettazione è quella di cambiare la mentalità dei clienti finali abituati a utilizzare i vecchi banchi di condensatori con fusibile esterno, da sempre impiegati nel continente americano", spiega Henderson.
Infine, anche i banchi di condensatori senza fusibile utilizzano un fusibile esterno. Tuttavia, contengono in genere più elementi di un tipico condensatore con fusibile. Pertanto, il guasto in un elemento non provoca guasti a cascata all'interno del contenitore.
All'estremità opposta della gamma di applicazioni si trovano quelle di piccoli dimensioni, ad esempio per gli smartphone e i dispositivi di archiviazione. I banchi di condensatori di piccole dimensioni vengono utilizzati insieme a supercondensatori di grande capacitanza per ridurre il tempo di carica di un telefono cellulare. Un supercondensatore è in grado di contenere una carica centinaia di volte superiore rispetto a un condensatore standard e viene a volte utilizzato come batteria ricaricabile a bassa tensione.
Negli spazi con radiofrequenza (RF) o wireless, nei sistemi micro-elettro-meccanici o MEMS di piccole dimensioni vengono utilizzati banchi di condensatori regolabili per aumentare o sostituire i condensatori regolabili elettromeccanici di dimensioni normali. Centinaia di piccoli condensatori MEMS di vari valori vengono controllati e regolati digitalmente tramite un'interfaccia SPI (Serial Peripheral Interface, interfaccia periferica seriale). Questi banchi di condensatori commutabili possono essere combinati in una singola unità, aumentando l'intervallo di regolazione dell'intero sistema.
Uno degli utilizzi più insoliti dei banchi di condensatori è nei sistemi a energia pulsata e di armi. È stata condotta una ricerca sui banchi di condensatori a bassa induttanza e alta tensione che possono fornire ampi impulsi di corrente per molte applicazioni a energia pulsata. I banchi di condensatori con un'alta densità di energia (più di 1 J/cm3) e gli interruttori a semiconduttore moderni possono essere utilizzati per creare diverse centinaia di kilo-Joule (kJ) di energia compatta e generare correnti di impulsi di elevata ampiezza.
Le applicazioni per questi banchi di condensatori ad alta densità comprendono la formazione elettromagnetica, i generatori Marx, il laser pulsato, le reti di formazione degli impulsi, i radar, la ricerca sulla fusione e gli acceleratori di particelle. Il lavoro sperimentale continua utilizzando i banchi di condensatori come fonti di energia per la corazza elettromagnetica e le pistole elettromagnetiche (railgun e coilgun).