Sinhroni kompenzatorji v električnih omrežjih
Sinhroni kompenzator je lahek sinhronski motor, zasnovan za delovanje v prostem teku.
Glavni porabniki električne energije poleg delovne energije odjemajo iz generatorjev sistema reaktivna moč… Število uporabnikov, ki potrebujejo velike reaktivne tokove magnetiziranja za ustvarjanje in vzdrževanje magnetnega pretoka, vključuje asinhrone motorje, transformatorje, indukcijske peči in druge. Posledica tega je, da distribucijska omrežja običajno delujejo z zaostajajočim tokom.
Jalova moč, ki jo proizvaja generator, se pridobi z najnižjimi stroški. Vendar pa je prenos jalove moči iz generatorjev povezan z dodatnimi izgubami v transformatorjih in daljnovodih. Zato je za pridobitev reaktivne moči ekonomsko ugodna uporaba sinhronskih kompenzatorjev, ki se nahajajo na vozliščih razdelilnih postaj sistema ali neposredno pri potrošnikih.
Sinhroni motorji, zahvaljujoč enosmernemu vzbujanju, lahko delujejo s cos = 1 in ne porabljajo jalove moči iz omrežja, med delovanjem pa s prekomernim vzbujanjem dajejo jalovo moč omrežju. Posledično se izboljša faktor moči omrežja in zmanjšajo padec napetosti in izgube v njem ter faktor moči generatorjev, ki delujejo v elektrarnah.
Sinhroni kompenzatorji so zasnovani tako, da kompenzirajo faktor moči omrežja in vzdržujejo normalno raven napetosti omrežja na območjih, kjer so koncentrirane obremenitve potrošnikov.
Sinhroni kompenzator je sinhronski stroj, ki deluje v motornem načinu brez obremenitve gredi z izmeničnim tokom v polju.
V načinu prekomernega vzbujanja tok vodi omrežno napetost, to je, da je glede na to napetost kapacitiven, v načinu premajhnega vzbujanja pa zaostaja, induktiven. V tem načinu sinhronski stroj postane kompenzator - generator jalovega toka.
Prevzbujen način delovanja sinhronskega kompenzatorja je normalen, ko dovaja jalovo moč v omrežje.
Sinhroni kompenzatorji so brez pogonskih motorjev in so po svojem delovanju v bistvu sinhroni motorji za prosti tek.
V ta namen je vsak sinhronski kompenzator opremljen z avtomatskim vzbujevalnim oziroma napetostnim regulatorjem, ki uravnava velikost vzbujalnega toka tako, da ostane napetost na sponkah kompenzatorja konstantna.
Za izboljšanje faktorja moči in ustrezno zmanjšanje kota zamika med tokom in napetostjo z vrednosti φw na φc je potrebna jalova moč:
kjer je P povprečna delovna moč, kvar; φsv — fazni zamik, ki ustreza tehtanemu povprečnemu faktorju moči; φk — fazni premik, ki ga je treba dobiti po kompenzaciji; a — faktor, enak približno 0,9, vnesen v izračune, da se upošteva možno povečanje faktorja moči brez namestitve kompenzacijskih naprav.
Poleg kompenzacija jalovega toka induktivne industrijske obremenitve so potrebni sinhronski linijski kompenzatorji. V dolgih daljnovodih pri nizki obremenitvi prevladuje zmogljivost voda in delujejo z vodilnim tokom. Za kompenzacijo tega toka mora sinhronski kompenzator delovati z zaostajanjem toka, to je z nezadostnim vzbujanjem.
Pri znatni obremenitvi daljnovodov, ko prevladuje induktivnost porabnikov električne energije, daljnovod deluje z zaostajajočim tokom. V tem primeru mora sinhronski kompenzator delovati z vodilnim tokom, to je prevzbujen.
Sprememba obremenitve daljnovoda povzroči spremembo v tokovih jalove moči v velikosti in fazi ter vodi do znatnih nihanj omrežne napetosti. V zvezi s tem je potrebna ureditev.
Sinhroni kompenzatorji so običajno nameščeni na regionalnih transformatorskih postajah.
Za regulacijo napetosti na koncu ali v sredini tranzitnih daljnovodov se lahko izdelajo vmesne transformatorske postaje s sinhronskimi kompenzatorji, ki morajo regulirati ali vzdrževati napetost nespremenjeno.
Delovanje takih sinhronih kompenzatorjev je avtomatizirano, kar ustvarja možnost nemotenega avtomatskega nadzora proizvedene jalove moči in napetosti.
Za izvedbo asinhronega zagona so vsi sinhronski kompenzatorji opremljeni z zagonskimi tuljavami v polnih delih ali pa so njihovi poli masivni. V tem primeru se uporablja neposredna metoda in po potrebi metoda zagona reaktorja.
V nekaterih primerih se močni kompenzatorji zaženejo tudi z uporabo indukcijskih motorjev začetne faze, nameščenih z njimi na isti gredi. Za sinhronizacijo z omrežjem se običajno uporablja metoda samosinhronizacije.
Ker sinhroni kompenzatorji ne razvijejo aktivne moči, vprašanje statične stabilnosti dela zanje izgubi svojo nujnost. Zaradi tega so izdelani z manjšo zračno režo kot generatorji in motorji. Zmanjšanje reže poenostavi navijanje in zniža stroške stroja.
Nazivna navidezna moč sinhronskega kompenzatorja ustreza njegovemu delovanju s prekomernim vzbujanjem, tj. nazivna moč sinhronskega kompenzatorja je njegova jalova moč pri vodilnem toku, ki jo lahko prenaša dolgo časa v načinu delovanja.
Najvišje vrednosti toka podvzbujanja in moči so dosežene pri delovanju v reaktivnem načinu.
V večini primerov način premajhnega vzbujanja zahteva manj energije kot način prevzburjenja, vendar je v nekaterih primerih potrebna večja moč. To je mogoče doseči s povečanjem vrzeli, vendar to vodi do povečanja stroškov stroja, zato se je nedavno postavilo vprašanje uporabe načina negativnega vzbujalnega toka. Ker je sinhronski kompenzator po delovni moči obremenjen le z izgubami, lahko po njegovih besedah deluje stabilno in z malo negativnega vzbujanja.
V nekaterih primerih se uporabljajo tudi v sušnih obdobjih za delovanje v načinu kompenzatorja hidroelektrični generatorji.
Strukturno se kompenzatorji bistveno ne razlikujejo od sinhronskih generatorjev. Imajo enak magnetni sistem, sistem vzbujanja, hlajenje itd. Vsi srednje močni sinhroni kompenzatorji so zračno hlajeni in izdelani z vzbujevalnikom in vzbujevalnikom.
Ker sinhroni kompenzatorji niso zasnovani za opravljanje mehanskega dela in ne nosijo aktivne obremenitve na gredi, imajo mehansko lahko konstrukcijo. Kompenzatorji so izdelani kot stroji z relativno nizko hitrostjo (1000 - 600 vrt / min) z vodoravno gredjo in rotorjem s konveksnim polom.
Kot sinhronski kompenzator lahko uporabimo generator v prostem teku z ustreznim vzbujanjem.V prevzbujenem generatorju se pojavi izravnalni tok, ki je čisto induktiven glede na napetost generatorja in čisto kapacitiven glede na omrežje.
Upoštevati je treba, da lahko preveč vzbujen sinhronski stroj, ne glede na to, ali deluje kot generator ali kot motor, glede na omrežje obravnavamo kot kapacitivnost, nevzbujen sinhronski stroj pa kot induktivnost.
Za prenos omrežnega generatorja v način sinhronskega kompenzatorja je dovolj, da zaprete dostop pare (ali vode) do turbine. V tem načinu začne prevzbujeni turbogenerator porabljati majhno količino delovne moči iz omrežja le za pokrivanje vrtilnih izgub (mehanskih in električnih) in prenaša jalovo moč v omrežje.
V načinu sinhronskega kompenzatorja lahko generator deluje dolgo časa in je odvisen le od delovnih pogojev turbine.
Po potrebi lahko turbogenerator uporabimo kot sinhronski kompenzator tako z vrtečo se turbino (skupaj s turbino) kot z izklopljeno, tj. z razstavljeno sklopko.
Vrtenje parne turbine na strani generatorja, ki je prešla v pogonski način, lahko povzroči pregrevanje repnega dela turbine.