Synchronní kompenzátory v elektrických sítích

Synchronní kompenzátor je lehký synchronní motor určený pro chod naprázdno.

Hlavní spotřebitelé elektrické energie kromě činného výkonu spotřebovávají z generátorů systému reaktivní síla… Mezi uživatele, kteří vyžadují velké magnetizační reaktivní proudy k vytvoření a udržení magnetického toku, patří asynchronní motory, transformátory, indukční pece a další. V důsledku toho jsou distribuční sítě obvykle provozovány se zpožděným proudem.

Jalový výkon generovaný generátorem je získáván s nejnižšími náklady. Přenos jalového výkonu z generátorů je však spojen s dodatečnými ztrátami v transformátorech a přenosových vedeních. Pro získání jalového výkonu se proto stává ekonomicky výhodné používat synchronní kompenzátory umístěné v uzlových rozvodnách systému nebo přímo u spotřebitelů.

Synchronní motory díky stejnosměrnému buzení dokážou pracovat s cos = 1 a nespotřebovávají jalový výkon ze sítě a za provozu při přebuzení dávají jalový výkon do sítě. V důsledku toho se zlepšuje účiník sítě a snižuje se úbytek napětí a ztráty v ní, stejně jako účiník generátorů pracujících v elektrárnách.

Synchronní kompenzátory jsou navrženy tak, aby kompenzovaly účiník sítě a udržovaly normální úroveň napětí sítě v oblastech, kde se koncentruje spotřebitelská zátěž.

Synchronní kompenzátor je synchronní stroj pracující v motorovém režimu bez zatížení hřídele se střídavým proudem v poli.

V režimu přebuzení proud vede k síťovému napětí, to znamená, že je vůči tomuto napětí kapacitní a v režimu podbuzení zaostává, induktivní. V tomto režimu se synchronní stroj stává kompenzátorem — generátorem jalového proudu.

Režim přebuzení synchronního kompenzátoru je normální, když dodává jalový výkon do sítě.

Synchronní kompenzátory jsou bez hnacích motorů a z hlediska jejich činnosti jsou v podstatě synchronní volnoběžné motory.

V tomto ohledu dilatační spáry, jako jsou ty, které slouží stejným účelům kondenzátorové bankyinstalované na uživatelských rozvodnách se také nazývají generátory jalového výkonu... V obdobích poklesu uživatelské zátěže (například v noci) je však často nutné použít synchronní kompenzátory a v režimu podbuzení, kdy odebírají indukční proud resp. jalový výkon ze sítě, protože v těchto případech má síťové napětí tendenci se zvyšovat a pro jeho udržení na normální úrovni je nutné zatěžovat síť indukčními proudy, které v ní způsobují další poklesy napětí.

K tomuto účelu je každý synchronní kompenzátor vybaven automatickým buzením nebo regulátorem napětí, který reguluje velikost budícího proudu tak, aby napětí na svorkách kompenzátoru zůstalo konstantní.

Aby se zlepšil účiník a odpovídajícím způsobem se snížil úhel posunu mezi proudem a napětím z hodnoty φw na φc, je zapotřebí jalový výkon:

kde P je průměrný činný výkon, kvar; φsv — fázový posun odpovídající váženému průměrnému účiníku; φk — fázový posun, kterého se dosáhne po kompenzaci; a — faktor rovný asi 0,9 vložený do výpočtů, aby se zohlednilo možné zvýšení účiníku bez instalace kompenzačních zařízení.

Navíc kompenzace jalového proudu induktivní průmyslové zátěže, jsou vyžadovány kompenzátory synchronního vedení. V dlouhých přenosových vedeních při nízkém zatížení převažuje kapacita vedení a pracují s vedoucím proudem. Pro kompenzaci tohoto proudu musí synchronní kompenzátor pracovat se zpožděným proudem, tj. s nedostatečným buzením.

Při značném zatížení elektrických vedení, kdy převažuje indukčnost spotřebitelů elektřiny, elektrické vedení pracuje se zpožděným proudem. V tomto případě musí synchronní kompenzátor pracovat s vedoucím proudem, tedy přebuzeným.

Změna zátěže na elektrickém vedení způsobuje změnu toku jalového výkonu ve velikosti a fázi a vede ke značným výkyvům síťového napětí. V tomto ohledu je nutné regulovat.

Synchronní kompenzátory jsou obvykle instalovány na regionálních rozvodnách.

Pro regulaci napětí na konci nebo uprostřed tranzitního elektrického vedení lze vytvořit mezistanice se synchronními kompenzátory, které musí regulovat nebo udržovat napětí nezměněné.

Provoz takových synchronních kompenzátorů je automatizovaný, což vytváří možnost plynulého automatického řízení generovaného jalového výkonu a napětí.

Pro provedení asynchronního rozběhu jsou všechny synchronní kompenzátory opatřeny rozběhovými cívkami v pólových částech nebo jsou jejich póly masivní. V tomto případě se používá přímá metoda a v případě potřeby metoda spouštění reaktoru.

V některých případech se výkonné kompenzátory uvádějí do provozu také pomocí indukčních motorů s rozběhovou fází, které jsou s nimi namontovány na stejné hřídeli. Pro synchronizaci se sítí se obvykle používá metoda samosynchronizace.

Protože synchronní kompenzátory nevyvíjejí činný výkon, ztrácí otázka statické stability jejich práce na naléhavosti. Z tohoto důvodu jsou vyráběny s menší vzduchovou mezerou než generátory a motory. Snížení mezery usnadňuje navíjení a snižuje náklady na stroj.

Jmenovitý zdánlivý výkon synchronního kompenzátoru odpovídá jeho provozu s přebuzením, tzn. jmenovitý výkon synchronního kompenzátoru je jeho jalový výkon při vedoucím proudu, který může nést po dlouhou dobu v provozním režimu.

Nejvyšší hodnoty podbuzení proudu a výkonu jsou dosaženy při provozu v reaktivním režimu.

Ve většině případů vyžaduje režim podbuzení méně energie než režim přebuzení, ale v některých případech je vyžadován vyšší výkon. Toho lze dosáhnout zvětšením mezery, ale to vede ke zvýšení ceny stroje, a proto se v poslední době objevuje otázka použití režimu záporného budícího proudu. Protože je synchronní kompenzátor z hlediska činného výkonu zatížen pouze ztrátami, může podle něj pracovat stabilně a s malým negativním buzením.

V některých případech, v suchých obdobích, pro provoz v režimu kompenzátoru, se také používají vodní generátory.

Konstrukčně se kompenzátory od synchronních generátorů zásadně neliší. Mají stejný systém magnetů, systém buzení, chlazení atd. Všechny synchronní kompenzátory středního výkonu jsou chlazeny vzduchem a jsou vyrobeny s budičem a budičem.

Vzhledem k tomu, že synchronní kompenzátory nejsou určeny k provádění mechanické práce a nenesou aktivní zatížení hřídele, mají mechanicky lehkou konstrukci. Kompenzátory jsou vyráběny jako relativně pomaloběžné stroje (1000 - 600 ot./min) s horizontálním hřídelem a konvexním pólovým rotorem.

Jako synchronní kompenzátor lze použít generátor naprázdno s vhodným buzením.V přebuzeném generátoru se objevuje vyrovnávací proud, který je čistě indukční vzhledem k napětí generátoru a čistě kapacitní vzhledem k síti.

Je třeba mít na paměti, že přebuzený synchronní stroj, ať už pracuje jako generátor nebo jako motor, může být vzhledem k síti považován za kapacitní a nevybuzený synchronní stroj za indukčnost.

Pro převedení generátoru připojeného k síti do režimu synchronního kompenzátoru stačí uzavřít přístup páry (nebo vody) k turbíně. V tomto režimu začne přebuzený turbogenerátor spotřebovávat malé množství činného výkonu ze sítě pouze na pokrytí ztrát z rotace (mechanických a elektrických) a přenáší jalový výkon do sítě.

V režimu synchronního kompenzátoru může generátor pracovat dlouhou dobu a závisí pouze na provozních podmínkách turbíny.

V případě potřeby lze turbogenerátor použít jako synchronní kompenzátor jak při rotující turbíně (spolu s turbínou), tak i při vypnuté, tzn. s demontovanou spojkou.

Roztočení parní turbíny na straně generátoru, která přešla do režimu pohonu, může způsobit přehřátí ocasní části turbíny.