過去には、コンデンサバンクは、隔離された、ローテクで、厳重にフェンスで囲まれた公共発電所に限定されていました。現在、コンデンサバンクのアプリケーションは、ナノサイズのMEMSデバイスにまで縮小され、さらには海洋ベースの風力発電所の変電所にまで広がっています。用途に関係なく、コンデンサバンクは電気エネルギーを蓄積して平滑化するという同じ機能を実行します。この記事では、コンデンサ バンクの基礎と、さまざまな最新アプリケーションでの使用法について説明します。
定義
名前の通り、 コンデンサ バンクは、同じ定格の複数のコンデンサをグループ化したものにすぎません。コンデンサバンクは、必要な定格に応じて直列または並列に接続できます。個々のコンデンサと同様に、コンデンサバンクは電気エネルギーを蓄積し、そのエネルギーの流れを調整するために使用されます。バンク内のコンデンサの数を増やすと、単一のデバイスに蓄積できるエネルギーの容量が増加します。
代表的な用途
現代の電子機器の世界では、大量のエネルギーが必要です。この需要を満たすには、エネルギーを簡単にアクセスできるように電気的に貯蔵する必要があります。コンデンサは、大容量の電気エネルギーを蓄えるだけでなく、必要に応じてエネルギーの流れを調整するのにも最適です。
コンデンサ バンクの一般的な用途は次のとおりです。
• シャント コンデンサ: シャントは、低抵抗の経路を作成することにより、電流が回路内の別のポイントを通過できるようにするメカニズムです。電気ノイズ バイパス アプリケーションでは、高周波ノイズがシステム全体、特に負荷に伝播する前に、コンデンサを使用して高周波ノイズをグランドにリダイレクトします。シャントコンデンサバンクは、電力供給の品質を向上させ、電力システムの効率を向上させるために使用されます (図1)。
図1: これはコンデンサ バンク、具体的にはシャント コンデンサ バンクです。（ソース： ビシェイ・インターテクノロジー）
• 力率改善変圧器や電動モーターでは、コンデンサバンクは力率の遅れや位相ずれを補正するために使用されます。 交流（AC）電源。AC電源システムの力率は、負荷で使用される電力 (「有効電力」) を、負荷に供給される電力 (「皮相電力」) で割った値です。言い換えると、力率は、回路によって実行される有効作業と、供給された電圧とアンペア数で実行できる最大有効作業との比率です。
電力配電では、力率補正のためにコンデンサバンクが使用されます。これらのバンクは、電気モーターや送電線などのデバイスからの誘導負荷を打ち消すために必要であり、これにより負荷が主に抵抗性であるように見えます。本質的に、力率改善コンデンサはシステムの電流容量を増加させます。容量バンクを追加することで、見かけの電力を変えずにシステムに追加の負荷を加えることができます。バンクは直流 (DC) 電源でも使用でき、電源のリップル電流容量を増やしたり、蓄積されるエネルギーの総量を増やしたりすることができます。
• エネルギーを蓄える: 個々のコンデンサと同様に、容量バンクは充電回路に接続されると電気エネルギーを蓄え、放電されるとそのエネルギーを放出します。コンデンサは、電池交換中に電力供給を維持するために電子機器でよく使用されます。携帯電話などの現代の消費者向けデバイスでは、スペースが限られているため、非常に小さな容積で高いストレージ容量が必要です。静電容量の増加は通常、図2の「A」で示されるプレートの面積の増加を意味するため、これは課題となります。
図2: コンデンサ バンクの小型化は、コンデンサのプレート間に新しい材料を導入して誘電体の誘電率「k」を増加させたためです。(出典: 記事の著者)
式からわかるように、静電容量を増やすもう1つの方法は、誘電強度を高めることです。「k」要素は、プレート間の誘電体材料の比誘電率です。自由空間の場合、「k」は1になります。その他のすべてのメディアの場合、「k」は1より大きくなります。フィルムコンデンサや電解コンデンサは、これらの用途に適したデバイスの代表的な例です。
大型から小型、エキゾチックまで
コンデンサ バンクのアプリケーションは、非常に大きなものから非常に小さなものまで多岐にわたります。より珍しい大規模なアプリケーションの1つは、風力発電所の変電所アプリケーションです。リンカーン風力発電所は、イングランド東海岸のスケグネス沖8 km (5.0マイル) に位置する270 MWの洋上風力発電所です (図3)。沖合で発電されたエネルギーは、ノーフォーク郡にあるウォルポール陸上変電所を経由して送電網に送られます。シーメンス高電圧コンデンサ工場は、合計6つの単相ヒューズレス コンデンサ バンクと、内部ヒューズ付きコンデンサを備えた6つの単相バンクを提供しました。
図3: リンカーン沖合風力発電所。(出典: Geograph経由のMat Fascione)
実際には、電力コンデンサ バンクの設置は、内部ヒューズ付き、外部ヒューズ付き、ヒューズなしの3つの領域のいずれかに分類できます。内部ヒューズ付きコンデンサの場合、バンクを含む個々の缶は並列コンデンサ要素の直列グループで構成され、各要素は缶内で個別にヒューズされます。逆に、外部ヒューズ付きコンデンサバンクは、共通の外部ヒューズで動作するように設計された並列コンデンサのグループで構成されます。
この外部ヒューズは、巻線要素の1つに障害が発生した場合に問題を引き起こす可能性があり、その場合はユニット全体を廃棄する必要があります。Vishay社のESTAパワー コンデンサ部門の地域セールスおよびマーケティング担当のBrad Henderson氏によると、内部ヒューズ付きコンデンサの使用は、現代のコンデンサ バンク技術における最新のトレンドの1つです。「設計上の最大の課題の1つは、ここアメリカ大陸で歴史的に使用されてきた旧式の外部ヒューズ付きコンデンサ バンクの使用に慣れているエンド カスタマーの考え方を変えることです」とヘンダーソン氏は説明します。
最後に、ヒューズレス コンデンサ バンクも外部ヒューズを使用します。ただし、通常、一般的なヒューズ付きコンデンサよりも多くの要素が含まれています。したがって、1つの要素の短絡によって缶全体に連鎖的な障害が発生することはありません。
その対極にあるのが、スマートフォンやストレージデバイスなどの小規模なアプリケーションです。小電力コンデンサバンクは、大容量スーパーコンデンサと組み合わせて使用され、携帯電話の充電時間を短縮します。スーパーキャパシタは、標準的なキャパシタよりも数百倍の電荷を保持することができ、低電圧の充電式バッテリーとして使用されることもあります。
無線周波数 (RF) およびワイヤレス分野では、小型のマイクロ電気機械システム (MEMS) の調整可能なコンデンサ バンクが、フルサイズの電気機械調整可能なコンデンサを増強または置き換えるために使用されます。さまざまな値の数百個の小さなMEMSコンデンサが、シリアル ペリフェラル インターフェイス (SPI) を介してデジタルで制御および調整されます。これらのスイッチド キャパシタ バンクは1つのパッケージに統合できるため、システム全体の調整範囲が広がります。
キャパシタ バンクのより特殊な用途の1つは、パルス電力および兵器システムです。多くのパルス電力アプリケーションに巨大な電流パルスを供給できる低インダクタンスの高電圧コンデンサバンクの研究が行われてきました。高エネルギー密度（1 J/cm3以上）のコンデンサバンクと最新の半導体スイッチを使用すると、数百キロジュール（kJ）に達するコンパクトなエネルギーを生成し、高振幅のパルス電流を発生させることができます。
これらの高密度コンデンサバンクの用途には、電磁成形、マルクス発電機、パルスレーザー、パルス成形ネットワーク、レーダー、核融合研究、粒子加速器などがあります。コンデンサバンクを電磁装甲や電磁レールガン、コイルガンの電源として使用する実験作業が継続されています。