Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор (СК) представляет собой синхрон­ную машину, предназначенную для генерирования реактивной мощности. Синхронный компенсатор включают в электрическую систему с целью повышения ее коэффициента мощности.

Принцип происходящих при этом явлений состоит в том; что необходимую для работы некоторых потребителей реактивную мощность вырабатывает не синхронный генератор, установлен­ный на электростанции, а синхронный компенсатор, установлен­ный в непосредственной близости к потребителю. К числу потре­бителей переменного тока, требующих значительной реактивной мощности, в первую очередь относятся асинхронные двигатели. На рис. 22.7 показана система, состоящая.из синхронного гене­ратора (СГ), повышающего TpI и понижающего TpII трансфор­маторов, линии электропередачи (ЛЭП), потребителя Z и син­хронного компенсатора (СК), включенного непосредственно на входе потребителя. Синхронный компенсатор, включенный в сеть, работает как синхронный двигатель без нагрузки (Р2 = 0), т. е. в режиме х. х., и при этом вырабатывает реактивную мощность Qck, необходимую для работы потребителя Z, напри­мер группы асинхронных двигателей. Благодаря этому реактив­ная мощность в СГ и ЛЭП доведена до некоторого минималь­ного значения Qmjn. Это способствует повышению технико-эконо­мических показателей всей электрической системы.

Для пояснения явлений, связанных с подключением СК к электрической системе, рассмотрим рис. 22.8. При подключении потребителя Z к сети с напряжением Uc (рис. 22.8, а) в сети возникает ток /г, отстающий по фазе от напряжения Uc на угол φz, обусловленный значительной индуктивной составляющей тока I2. При подключении СК параллельно потребителю Z и создании в СК режима перевозбуждения (рис. 22.8, б) в сети появится ток /ск, опережающий по фазе напряжение ис на угол 90°. Ре­зультирующий ток в сети Ic =Iz + Ick (22.1)

Рис. 22.7. Схема включения синхронного компенсатора (СК) в электрическую систему

Рис. 22.8. Применение синхронного компенсатора для повы­шения коэффициента мощности сети

Фазовый сдвиг этого тока относительно напряжения сети Uc (угол φc) намного меньше угла фазового сдвига до включения СК (угол фг). Кроме того, токIс станет меньше (Iс <Iz). В этом можно убедиться исходя из следующих соображений. Так как СК работает без нагрузки на валу, то его активная мощность не ве­лика и определяется потерями х. х. в компенсаторе. Пренебрегая этими потерями, можно активную мощность в сети до подключе­ния СК

Pc = Pz = √3IzUccosφz (22.2)

приравнять к активной мощности сети после подключения СК:

P'c =√3IcUccosφz (22.3)

Но так как Рс = P'c, a cosφc> cosφz, то Iс< Iz. В результате синхронный генератор и линия электропередачи разгружаются и потери мощности в них уменьшаются.

В некоторых случаях СК работают с недовозбуждением. Не­обходимость в этом возникает, если ток в системе содержит зна­чительную емкостную составляющую, которая не компенсирует­ся индуктивной составляющей тока потребителей. Обычно сте­пень возбуждения СК регулируют посредством автоматических устройств. Синхронные компенсаторы применяют также для стабилиза­ции напряжения в сети при передаче энергии по линиям большой протяженности. При больших индуктивных нагрузках напряже­ние в конце линии (у потребителей) оказывается намного мень­ше, чем в начале; при малых нагрузках, наоборот, под влиянием емкостных сопротивлений линии напряжение в конце линии мо­жет даже повышаться по сравнению с напряжением в начале. Если же в конце линии (у потребителей) включить СК, работаю­щий при больших нагрузках с перевозбуждением и при малых нагрузках с недовозбуждением, то это позволит поддерживать напряжение в конце линии практически неизменным.

Условия нагревания СК при опережающем токе (при перевоз­буждении) более тяжелые, чем при отстающем (при недовозбуждении), поэтому номинальной мощностью компенсатора считают мощность при перевозбуждении.

Пример 22.1. Потребитель, включенный в сеть переменного тока напряже­нием Uc = 6,3 кВ, потребляет мощность 1500 кВ·А при коэффициенте мощно­сти cosφ= 0,7. Определить мощность синхронного компенсатора, необходимого для повышения коэффициента мощности в сети до cosφ1 = 0,95 (sinφ= 0,31). Определить также силу тока нагрузки в сети до и после компенсации.

Решение. До включения СК реактивная мощность сети Q = 5 sinφ= 1500-0,7 = 1050 кВ·Ар; ток нагрузки в сети

Iс = S/(√3 Uc) = 1500/(V3 -6,3) =138 А;

активная составляющая этого тока Iс.а = Iс cosφ = 138-0,7 = 97 А.

После включения СК реактивная мощность уменьшилась до

Q' = Ssin' = 1500-0,31 = 450 кВ·Ар.

Таким образом, для повышения коэффициента мощности установки от cosφ = 0,7 до cosφ' = 0,95 требуется включить СК мощностью

Qc.к = 1050—450 = 600 кВ·Ар.

При этом активная составляющая тока сети не изменится (Iс.а = 97 А), а реак­тивная составляющая этого тока станет равной

I'с.р= Q'/(√3 ·Uс) = 450/(√3 ·6,3) = 42 А.

Следовательно, ток в сети после включения СК

I'с.= √I²с.а + I'с.р = √972 + 422 = 104 А.

Обычно коэффициент мощности увеличивают до 0,92—0,95, так как экономия, получаемая от повышения коэффициента мощ­ности до единицы, не оправдывает увеличивающихся расходов, обусловленных возросшей мощностью синхронного компенсатора. Так, если в рассматриваемом примере потребовалось бы увели­чить коэффициент мощности в сети до единицы, то пришлось бы применить синхронный компенсатор мощностью 1050 кВ I'с Ар, т. е. почти в два раза больше, чем при cosφ' = 0,95.

Синхронные компенсаторы — это электрические машины большой мощности: от 10 до 160 тыс. кВ-А. Выполняют их обыч­но с горизонтальным расположением вала на напряжение от 6,6 до 16 кВ, частотой 50 Гц. Число полюсов в СК обычно составляет 2р = 6.и 8, что соответствует частоте вращения ротора 1000 и

750 об/мин. В синхронных компенсаторах современных серий применен асинхронный пуск, поэтому ротор СК снабжен пуско­вой клеткой.

Вал компенсатора не передает вращающего момента, и поэто­му при его расчете учитывают лишь силу тяжести ротора и силу магнитного притяжения. В итоге вал СК по сравнению с валом синхронного двигателя имеет уменьшенное сечение. Это способ­ствует уменьшению габаритов и облегчению СК. Так как вал СК не имеет выступающего конца, то СК сравнительно легко герме­тизировать с целью применения в нем водородного охлаждения (см. § 31.4).

Наиболее важными характеристиками СК являются U-образ- ные характеристики, определяющие основные параметры компен­сатора: значения токов в обмотке статора и в обмотке возбужде­ния. В принципе эти характеристики не отличаются от U-образ- ной характеристики синхронного двигателя в режиме х. х. (Р2 = 0). Указанные характеристики строят для разных напряже­ний сети.

Синхронный компенсатор не несет активной нагрузки (его электромагнитная мощность Рэм≈0) и работает при значении угла θ = 0, что обеспечивает СК большую перегрузочную спо­собность.

Контрольные вопросы

Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя?

Объясните процесс пуска синхронного двигателя.

Как регулируется коэффициент мощности синхронного двигателя?

Каково назначение синхронного компенсатора?

Каковы достоинства и недостатки синхронных двигателей по сравнению с асинхронными?