В электротехнике синхронный конденсатор (иногда называемый синконом , синхронным конденсатором или синхронным компенсатором ) представляет собой синхронный двигатель с возбуждением постоянным током , вал которого ни к чему не подключен, а свободно вращается. [1] Его цель состоит не в преобразовании электроэнергии в механическую энергию или наоборот, а в регулировании условий в сети передачи электроэнергии . Его поле контролируется регулятором напряжения для генерации или поглощения реактивной мощности по мере необходимости для регулирования напряжения сети или для улучшения коэффициента мощности . Установка и работа конденсатора идентичны большим электродвигателям и генераторам (некоторые генераторы фактически спроектированы так, чтобы иметь возможность работать как синхронные конденсаторы с отключенным первичным двигателем [2] ).
Увеличение возбуждения поля устройства приводит к тому, что оно поставляет системе реактивную мощность (измеряемую в единицах вар ). Его главным преимуществом является простота регулировки величины коррекции.
Синхронные конденсаторы являются альтернативой конденсаторным батареям и статическим компенсаторам реактивной мощности для коррекции коэффициента мощности в электросетях. [3] Одним из преимуществ является то, что величина реактивной мощности от синхронного конденсатора может непрерывно регулироваться. Реактивная мощность от конденсаторной батареи уменьшается при снижении напряжения в сети, в то время как реактивная мощность от синхронного конденсатора по своей природе увеличивается при снижении напряжения. [1] Кроме того, синхронные конденсаторы более терпимы к колебаниям мощности и резким падениям напряжения. [3] Однако синхронные машины имеют более высокие потери энергии, чем статические конденсаторные батареи. [1]
Большинство синхронных конденсаторов, подключенных к электрическим сетям, имеют номинал от 20 МВАр (мегавар) до 200 МВАр, и многие из них охлаждаются водородом . Опасность взрыва отсутствует, пока концентрация водорода поддерживается выше 70%, обычно выше 91%. [4] Синкон может быть длиной 8 метров и высотой 5 метров, весить 170 тонн. [5]
Синхронные конденсаторы также помогают стабилизировать сети. Инерционный отклик машины и ее индуктивность могут помочь стабилизировать энергосистему во время быстрых колебаний нагрузок, таких как те, которые создаются короткими замыканиями или электродуговыми печами . По этой причине большие установки синхронных конденсаторов иногда используются совместно с высоковольтными преобразовательными станциями постоянного тока для подачи реактивной мощности в сеть переменного тока. Синхронные конденсаторы также находят применение для облегчения переключения между электросетями [6] и обеспечения стабилизации электросети, поскольку турбинные генераторы заменяются солнечной и ветровой энергией. [7] [3]
Вращающаяся катушка [8] в магнитном поле имеет тенденцию производить синусоидальное напряжение. При подключении к цепи некоторый ток будет течь в зависимости от того, насколько напряжение в системе отличается от этого напряжения разомкнутой цепи. Обратите внимание, что механический крутящий момент (создаваемый двигателем, требуемый генератором) соответствует только реальной мощности. Реактивная мощность не приводит к какому-либо крутящему моменту.
По мере увеличения механической нагрузки на синхронный двигатель ток статора увеличивается независимо от возбуждения поля. Как для недо-, так и для перевозбужденных двигателей коэффициент мощности (pf) имеет тенденцию приближаться к единице с увеличением механической нагрузки. Это изменение коэффициента мощности больше, чем изменение с увеличением нагрузки.
Фаза тока якоря изменяется в зависимости от возбуждения поля. Ток имеет большие значения для более низких и более высоких значений возбуждения. Между ними ток имеет минимальное значение , соответствующее определенному возбуждению (см. график справа). Изменения с возбуждением известны как кривые из-за их формы.
При той же механической нагрузке ток якоря изменяется в зависимости от возбуждения поля в широком диапазоне и, таким образом, соответственно изменяется коэффициент мощности. При перевозбуждении двигатель работает с опережающим коэффициентом мощности (и поставляет вар в сеть), а при недовозбуждении — с отстающим коэффициентом мощности (и поглощает вар из сети). В промежутке коэффициент мощности равен единице. Минимальный ток якоря соответствует точке единичного коэффициента мощности (напряжение и ток в фазе).
Как и в синхронном двигателе, статор машины подключен к трехфазному источнику напряжения (предполагается, что он постоянный), и это создает вращающееся магнитное поле внутри машины. Аналогично, ротор возбуждается постоянным током , чтобы действовать как электромагнит. При нормальной работе магнит ротора следует за полем статора с синхронной скоростью. Вращающийся электромагнит индуцирует трехфазное напряжение в обмотках статора, как если бы машина была синхронным генератором. Если машина считается идеальной, без механических, магнитных или электрических потерь, ее эквивалентная схема будет генератором переменного тока, включенным последовательно с индуктивностью обмотки статора. Величина зависит от тока возбуждения и скорости вращения, и, поскольку последняя фиксирована, зависит только от . Если критически настроено на значение , будет равно и противоположно , а ток в статоре будет равен нулю. Это соответствует минимуму на кривой, показанной выше. Однако, если увеличивается выше , превысит , и разница объясняется напряжением, появляющимся на индуктивности статора : где - реактивное сопротивление статора. Теперь ток статора больше не равен нулю. Поскольку машина идеальна, , и все будут в фазе, и будут полностью реактивными (т. е. в фазовой квадратуре). Если смотреть со стороны питания клемм машины, отрицательный реактивный ток будет вытекать из клемм, и машина, таким образом, будет выглядеть как конденсатор, величина реактивного сопротивления которого будет падать по мере увеличения выше . Если регулируется так, чтобы быть меньше , превысит , и положительный реактивный ток будет поступать в машину. Затем машина будет выглядеть как индуктор, реактивное сопротивление которого падает по мере дальнейшего уменьшения. Эти условия соответствуют двум восходящим плечам V-кривых (выше). В практической машине с потерями эквивалентная схема будет содержать резистор, включенный параллельно клеммам, чтобы представить механические и магнитные потери, и другой резистор, включенный последовательно с генератором и L, представляющий потери в меди в статоре. Таким образом, в практической машине будет содержаться небольшая синфазная составляющая, и она не упадет до нуля.
Перевозбужденный синхронный двигатель имеет опережающий коэффициент мощности. Это делает его полезным для коррекции коэффициента мощности промышленных нагрузок. Как трансформаторы, так и асинхронные двигатели потребляют отстающие (намагничивающие) токи из линии. При малых нагрузках мощность, потребляемая асинхронными двигателями, имеет большую реактивную составляющую, а коэффициент мощности имеет низкое значение. Добавленный ток, текущий для подачи реактивной мощности, создает дополнительные потери в энергосистеме. На промышленном предприятии синхронные двигатели могут использоваться для подачи части реактивной мощности, требуемой асинхронными двигателями. Это улучшает коэффициент мощности предприятия и снижает реактивный ток, требуемый от сети.
Синхронный конденсатор обеспечивает плавную автоматическую коррекцию коэффициента мощности с возможностью производить до 150% дополнительных вар. Система не производит переходных процессов переключения и не подвержена влиянию системных электрических гармоник (некоторые гармоники могут даже поглощаться синхронными конденсаторами). Они не будут создавать чрезмерных уровней напряжения и не подвержены электрическим резонансам . Благодаря вращающейся инерции синхронного конденсатора он может обеспечивать ограниченную поддержку напряжения во время очень коротких падений мощности.
Вращающиеся синхронные конденсаторы были введены в 1930-х годах [2] и были распространены в 1950-х годах, но из-за высокой стоимости были в конечном итоге вытеснены в новых установках статическими компенсаторами реактивной мощности (SVC). [2] Они остаются альтернативой (или дополнением) конденсаторам для коррекции коэффициента мощности из-за проблем, которые возникали с гармониками, вызывающими перегрев конденсаторов и катастрофические отказы. Синхронные конденсаторы также полезны для поддержки уровней напряжения. Реактивная мощность, производимая конденсаторной батареей, прямо пропорциональна квадрату ее напряжения на клеммах, и если напряжение системы уменьшается, конденсаторы производят меньше реактивной мощности, когда она больше всего нужна, [2] в то время как если напряжение системы увеличивается, конденсаторы производят больше реактивной мощности, что усугубляет проблему. Напротив, при постоянном поле синхронный конденсатор естественным образом подает больше реактивной мощности на низкое напряжение и поглощает больше реактивной мощности из высокого напряжения, плюс полем можно управлять. Эта реактивная мощность улучшает регулирование напряжения в таких ситуациях, как запуск больших двигателей или когда электроэнергия должна передаваться на большие расстояния от места ее выработки до места использования, как в случае с передачей электроэнергии из одного географического региона в другой в рамках набора взаимосвязанных электроэнергетических систем.
По сравнению с SVC синхронный конденсатор имеет несколько преимуществ: [2]
Синхронные конденсаторы также могут называться системами динамической коррекции коэффициента мощности . Эти машины могут оказаться очень эффективными при использовании усовершенствованных средств управления. Контроллер на базе ПЛК с контроллером коэффициента мощности и регулятором позволит настроить систему на соответствие заданному коэффициенту мощности или может быть настроен на выработку определенного количества реактивной мощности.
В электроэнергетических системах синхронные конденсаторы могут использоваться для регулирования напряжения на длинных линиях электропередачи, особенно для линий с относительно высоким отношением индуктивного сопротивления к активному сопротивлению. [9]
В дополнение к специально созданным агрегатам существующие паровые или турбины внутреннего сгорания могут быть модернизированы для использования в качестве синхронизатора. В этой ситуации турбина может быть модернизирована либо вспомогательным пусковым двигателем, либо существующим генератором в качестве электрического средства запуска, либо синхронной самопереключающейся (SSS) муфтой с существующей турбиной/источником топлива. [10] Обычно рекомендуется использовать отдельный стартер вместо существующего генератора для запуска, поскольку вал/муфта генератора, как правило, не могут выдерживать крутящие моменты, налагаемые на них во время запуска. Используя чисто электрические методы запуска, синхронизатор полагается на стартер для обеспечения начального запуска, а генератор или вспомогательный двигатель обеспечивают систему необходимой инерцией вращения для выработки реактивной мощности. При модернизации муфты SSS существующая установка турбины в значительной степени используется повторно. Здесь турбина использует свой существующий источник топлива для запуска и синхронизации с сетью, что происходит, когда муфта SSS отключает турбину и генератор. Таким образом, генератор использует энергию сети для продолжения вращения, чтобы обеспечить опережающую или отстающую реактивную мощность по мере необходимости. Каждая установка имеет свои преимущества и недостатки: системы, работающие только на электричестве, не требуют сжигания топлива из старых турбин, в то время как система старого поколения, как правило, производит больше выбросов, чем новая система того же типа топлива, в то время как система, работающая на сжигании, может попеременно генерировать активную и реактивную мощность по мере необходимости. [11]
