Синхронный конденсатор - Synchronous condenser

Установка синхронного конденсатора при Templestowe подстанция, Мельбурн, Виктория, Австралия. Построенный ASEA в 1966 году, агрегат имеет водородное охлаждение и способен обеспечивать трехфазную мощность 125МВА.

В электротехника, а синхронный конденсатор (иногда называемый синхронный конденсатор или синхронный компенсатор) является возбужденным постоянным током синхронный двигатель вал которого ни с чем не связан, но свободно вращается.^[1] Его цель не в том, чтобы преобразовать электроэнергия механической мощности или наоборот, но для регулировки условий на сеть передачи электроэнергии. Его поле контролируется регулятором напряжения для генерации или поглощения Реактивная сила при необходимости отрегулировать сетку Напряжение, или улучшить фактор силы. Установка и работа конденсатора идентичны большим электродвигатели и генераторы.

Увеличение полевого возбуждения устройства приводит к его реактивной мощности (измеряется в единицах вар ) в систему. Его главное преимущество - легкость, с которой можно регулировать величину коррекции. В запасенная кинетическая энергия в роторе машины может помочь стабилизировать энергосистему во время быстрых колебаний нагрузок, например, создаваемых короткие замыкания или электродуговые печи. Большие установки синхронных конденсаторов иногда используются вместе с постоянный ток высокого напряжения преобразовательные подстанции для подачи реактивной мощности в сеть переменного тока.

Синхронные конденсаторы - альтернатива конденсаторные батареи для коррекции коэффициента мощности в электрических сетях. Одним из преимуществ является возможность непрерывной регулировки количества реактивной мощности от синхронного конденсатора. Реактивная мощность от конденсаторной батареи уменьшается при понижении напряжения сети, в то время как синхронный конденсатор может увеличивать реактивный ток при понижении напряжения. Однако синхронные машины имеют более высокие потери энергии, чем батареи статических конденсаторов.^[1] Большинство синхронных конденсаторов, подключенных к электрическим сетям, имеют номинал между 20MVAR (мегавар) и 200 МВАр, и многие из них водородное охлаждение. Опасность взрыва отсутствует, пока концентрация водорода поддерживается выше 70%, обычно выше 91%.^[2]

Теория

Кривые V для синхронной машины. Синхронный конденсатор работает практически с нулевой реальной мощностью. Когда машина переходит из состояния недовозбуждения в состояние перевозбуждения, ток его статора проходит через минимум.

Вращающаяся катушка ^[3] в магнитное 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 холостого хода. Обратите внимание, что механический крутящий момент (создаваемый двигателем, необходимый для генератора) соответствует только реальной мощности. Реактивная мощность не приводит к крутящему моменту.

По мере увеличения механической нагрузки на синхронный двигатель ток статора ${ displaystyle I_ {a}}$ растет независимо от возбуждения поля. Для двигателей с недостаточным и избыточным возбуждением фактор силы (p.f.) стремится приблизиться к единице с увеличением механической нагрузки. Это изменение коэффициента мощности больше, чем изменение ${ displaystyle I_ {a}}$ с увеличением нагрузки.

В фаза тока якоря зависит от возбуждения поля. В Текущий имеет большие значения для более низких и высоких значений возбуждения. Между ними ток имеет минимальное значение, соответствующее определенному возбуждению (см. График справа). Вариации ${ displaystyle I}$ с возбуждением известны как ${ displaystyle V}$ кривые из-за их формы.

Для одной и той же механической нагрузки ток якоря изменяется в зависимости от возбуждения поля в широком диапазоне, что приводит к соответствующему изменению коэффициента мощности. При избыточном возбуждении двигатель работает с опережающим коэффициентом мощности (и подает переменные в сеть), а при недовозбуждении - с запаздывающим коэффициентом мощности (и поглощает переменные из сети). Между ними коэффициент мощности равен единице. Минимальный ток якоря соответствует точке, равной единице коэффициента мощности (напряжение и ток в фазе).

Как и в синхронном двигателе, статор машины подключен к трехфазному источнику напряжения. ${ displaystyle V_ {s}}$ (считается постоянным), и это создает вращающееся магнитное поле внутри машины. Точно так же ротор возбуждается постоянным током. ${ displaystyle I_ {e}}$ действовать как электромагнит. При нормальной работе магнит ротора следует за полем статора с синхронной скоростью. Вращающийся электромагнит индуцирует трехфазное напряжение. ${ displaystyle V_ {g}}$ в обмотках статора, как если бы машина была синхронным генератором. Если машина считается идеальной, без механических, магнитных или электрических потерь, ее эквивалентной схемой будет генератор переменного тока, включенный последовательно с индуктивностью обмотки. ${ displaystyle L}$ статора. Величина ${ displaystyle V_ {g}}$ зависит от тока возбуждения ${ displaystyle I_ {e}}$ и скорость вращения, и поскольку последняя фиксирована, ${ displaystyle V_ {g}}$ зависит только от ${ displaystyle I_ {e}}$ . Если ${ displaystyle I_ {e}}$ критически настроен на значение ${ displaystyle I _ { text {e0}}}$ , ${ displaystyle V_ {g}}$ будет равно и противоположно ${ displaystyle V_ {s}}$ , а ток в статоре ${ displaystyle I_ {s}}$ будет ноль. Это соответствует минимуму на кривой, показанной выше. Если, однако, ${ displaystyle I_ {e}}$ увеличивается выше ${ displaystyle I _ { text {e0}}}$ , ${ displaystyle V_ {g}}$ превысит ${ displaystyle V_ {s}}$ , а разница объясняется напряжением ${ displaystyle V_ {1}}$ появляется через индуктивность статора ${ displaystyle L}$ : ${ displaystyle V_ {L} = I_ {s} X_ {L}}$ где ${ Displaystyle X_ {L}}$ реактивное сопротивление статора. Теперь ток статора ${ displaystyle I_ {s}}$ больше не ноль. Так как машина идеальная, ${ displaystyle V_ {g}}$ , ${ displaystyle V_ {L}}$ и ${ displaystyle V_ {s}}$ все будет в фазе, и ${ displaystyle I_ {s}}$ будет полностью реактивным (т.е. в квадратуре фаз). Если смотреть со стороны питания клемм машины, отрицательный реактивный ток будет вытекать из клемм, и, следовательно, машина будет выглядеть как конденсатор, величина реактивного сопротивления которого будет уменьшаться как ${ displaystyle I_ {r}}$ увеличивается выше ${ displaystyle I _ { text {s0}}}$ . Если ${ displaystyle I_ {e}}$ скорректировано, чтобы быть меньше, чем ${ displaystyle I _ { text {e0}}}$ , ${ displaystyle V_ {s}}$ превысит ${ displaystyle V_ {g}}$ , и в машину будет течь положительный реактивный ток. Тогда машина будет выглядеть как индуктор, реактивное сопротивление которого падает как ${ displaystyle I_ {e}}$ уменьшается дальше. Эти условия соответствуют двум восходящим плечам V-образных кривых (вверху). В практической машине с потерями эквивалентная схема будет содержать резистор, подключенный параллельно клеммам, для представления механических и магнитных потерь, и еще один резистор, подключенный последовательно к генератору и L, представляющий потери в меди в статоре. Таким образом, в практической машине ${ displaystyle I_ {s}}$ будет содержать небольшую синфазную составляющую и не упадет до нуля.

Заявление

Синхронный двигатель с избыточным возбуждением имеет ведущий коэффициент мощности. Это делает его полезным для коррекция коэффициента мощности промышленных нагрузок. И трансформаторы, и асинхронные двигатели потребляют от линии запаздывающие (намагничивающие) токи. При легких нагрузках мощность, потребляемая асинхронные двигатели имеет большую реактивную составляющую, а коэффициент мощности имеет низкое значение. Добавленный ток, протекающий для обеспечения реактивной мощности, создает дополнительные потери в энергосистеме. На промышленном предприятии синхронные двигатели могут использоваться для обеспечения части реактивной мощности, необходимой для асинхронных двигателей. Это улучшает коэффициент мощности установки и снижает реактивный ток, требуемый от сети.

Синхронный конденсатор обеспечивает бесступенчатую автоматическую коррекцию коэффициента мощности с возможностью производить до 150% дополнительных переменных. Система не производит переходных процессов переключения и не подвержена влиянию электрических систем. гармоники (некоторые гармоники могут даже быть поглощены синхронными конденсаторами). Они не создают чрезмерного напряжения и не чувствительны к электрическому току. резонансы. Из-за вращения инерция синхронного конденсатора он может обеспечивать ограниченную поддержку напряжения во время очень коротких падений мощности.

Использование вращающихся синхронных конденсаторов было обычным делом на протяжении 1950-х годов. Они остаются альтернативой (или дополнением) к конденсаторы для коррекции коэффициента мощности из-за проблем, которые возникли с гармониками, вызывающими перегрев конденсатора и катастрофические отказы. Синхронные конденсаторы также полезны для поддержки уровней напряжения. Реактивная мощность, производимая конденсаторная батарея прямо пропорционально квадрату его напряжения на клеммах, и если напряжение в системе снижается, конденсаторы производят меньше реактивной мощности, когда она больше всего необходима, а при повышении напряжения системы конденсаторы производят больше реактивной мощности, что усугубляет проблему. Напротив, с постоянным полем синхронный конденсатор естественным образом подает большую реактивную мощность при низком напряжении и поглощает больше реактивной мощности от высокого напряжения, к тому же полем можно управлять. Эта реактивная мощность улучшает регулирование напряжения в таких ситуациях, как запуск больших двигателей или когда мощность должна передаваться на большие расстояния от места выработки до места использования, как в случае с крутящий момент, передача электроэнергии из одного географического региона в другой в пределах набора взаимосвязанных электроэнергетических систем.

Синхронные конденсаторы также могут называться Коррекция динамического коэффициента мощности системы. Эти машины могут оказаться очень эффективными при использовании передовых средств управления. А ПЛК на базе контроллера с контроллером PF и регулятор позволит настроить систему на соответствие заданному коэффициенту мощности или может быть настроена на выработку заданного количества реактивной мощности.

В электроэнергетических системах синхронные конденсаторы могут использоваться для управления напряжением на длинных линиях передачи, особенно в линиях с относительно высоким коэффициентом индуктивное сопротивление к сопротивлению.^[4]

Галерея

Синхронный конденсаторный агрегат на Templestowe подстанция, Виктория, Австралия

Вид сбоку на конденсаторный агрегат
Передняя часть конденсаторного блока
Вид в разрезе, показывающий внутреннюю конструкцию конденсатора
Информационная табличка с техническими характеристиками конденсаторного агрегата