Szinkron kompenzátorok elektromos hálózatokban
A szinkron kompenzátor egy könnyű szinkronmotor, amelyet alapjárati működésre terveztek.
Az elektromos energia fő fogyasztói az aktív teljesítmény mellett a rendszer generátoraiból fogyasztanak meddő teljesítmény… A mágneses fluxus létrehozásához és fenntartásához nagy mágnesező reaktív áramot igénylő felhasználók közé tartozik az aszinkron motorok, transzformátorok, indukciós kemencék és mások. Ennek eredményeként az elosztó hálózatok általában késleltetett árammal működnek.
A generátor által termelt meddőteljesítmény a legalacsonyabb költséggel érhető el. A generátorok meddő teljesítményének átvitele azonban további veszteségekkel jár a transzformátorokban és a távvezetékekben. Ezért a meddőteljesítmény eléréséhez gazdaságilag előnyössé válik a rendszer csomóponti alállomásain vagy közvetlenül a fogyasztóknál elhelyezett szinkron kompenzátorok alkalmazása.
A szinkron motorok az egyenáramú gerjesztésnek köszönhetően cos = 1-el működhetnek és nem fogyasztanak meddőteljesítményt a hálózatról, üzem közben pedig túlgerjesztéssel meddőteljesítményt adnak a hálózatnak. Ennek eredményeként javul a hálózat teljesítménytényezője és csökken a benne lévő feszültségesés és veszteségek, valamint az erőművekben üzemelő generátorok teljesítménytényezője.
A szinkron kompenzátorok a hálózat teljesítménytényezőjének kompenzálására és a hálózat normál feszültségszintjének fenntartására szolgálnak olyan területeken, ahol a fogyasztói terhelések koncentrálódnak.
A szinkron kompenzátor olyan szinkron gép, amely motoros üzemmódban működik tengelyterhelés nélkül, váltóárammal a terepen.
Túlgerjesztett üzemmódban az áram vezeti a hálózati feszültséget, vagyis ehhez a feszültséghez képest kapacitív, alulgerjedt üzemmódban pedig lemarad, induktív. Ebben az üzemmódban a szinkrongép egy kompenzátor - meddőáram-generátor - lesz.
A szinkron kompenzátor túlgerjesztett üzemmódja normális, amikor meddő energiát lát el a hálózatban.
A szinkron kompenzátorok hajtómotoroktól mentesek, működésüket tekintve lényegében szinkron üresjárati motorok.
Ebből a célból minden szinkron kompenzátor automatikus gerjesztéssel vagy feszültségszabályozóval van felszerelve, amely úgy szabályozza a gerjesztőáram nagyságát, hogy a kompenzátor kivezetésein a feszültség állandó maradjon.
A teljesítménytényező javítása és ennek megfelelően az áram és a feszültség közötti eltolási szög φw értékről φc csökkentése érdekében meddőteljesítményre van szükség:
ahol P az átlagos aktív teljesítmény, kvar; φsv — a súlyozott átlagos teljesítménytényezőnek megfelelő fáziseltolás; φk – a kompenzáció után elérendő fáziseltolás; a – körülbelül 0,9-nek megfelelő tényezőt vettek be a számításokba, hogy figyelembe vegyék a teljesítménytényező esetleges növekedését kiegyenlítő eszközök beszerelése nélkül.
Továbbá meddőáram kompenzáció induktív ipari terhelések, szinkron vonali kompenzátorok szükségesek. A hosszú távvezetékekben alacsony terhelés mellett a vezetékkapacitás érvényesül és vezetőárammal működnek. Ennek az áramnak a kompenzálásához a szinkron kompenzátornak késleltetett árammal, azaz elégtelen gerjesztéssel kell működnie.
A villamos vezetékek jelentős terhelése esetén, amikor a villamosenergia-fogyasztók induktivitása érvényesül, a tápvezeték késleltetett árammal működik. Ebben az esetben a szinkron kompenzátornak vezetőárammal, azaz túlgerjesztve kell működnie.
Az elektromos vezeték terhelésében bekövetkező változás a meddőteljesítmény-áramlások nagyságrendi és fázisbeli változását okozza, és jelentős ingadozásokhoz vezet a hálózati feszültségben. E tekintetben szükségessé válik a szabályozás.
A szinkron kompenzátorokat általában regionális alállomásokon telepítik.
A tranzit vezetékek végén vagy közepén a feszültség szabályozására közbenső alállomások alakíthatók ki szinkron kompenzátorokkal, amelyeknek a feszültséget kell szabályozniuk, illetve változatlan formában tartaniuk.
Az ilyen szinkron kompenzátorok működése automatizált, ami lehetővé teszi a generált meddőteljesítmény és feszültség zökkenőmentes automatikus szabályozását.
Az aszinkron indítás érdekében minden szinkron kompenzátor pólusrészekben indító tekercsekkel van ellátva, vagy pólusaik masszívak. Ebben az esetben a közvetlen módszert, és szükség esetén a reaktorindítási módszert alkalmazzuk.
Egyes esetekben nagy teljesítményű kompenzátorokat is üzembe helyeznek olyan indítófázisú indukciós motorokkal, amelyek ugyanarra a tengelyre vannak szerelve. A hálózattal való szinkronizáláshoz általában az önszinkronizálási módszert használják.
Mivel a szinkron kompenzátorok nem fejlesztenek aktív teljesítményt, a munka statikus stabilitásának kérdése sürgőssé válik. Emiatt kisebb légréssel készülnek, mint a generátorok és motorok. A rés csökkentése megkönnyíti a terepi tekercselést és csökkenti a gép költségeit.
A szinkron kompenzátor névleges látszólagos teljesítménye megfelel a túlgerjesztett működésének, pl. a szinkron kompenzátor névleges teljesítménye a vezetőáram melletti meddőteljesítménye, amelyet működési módban sokáig képes hordozni.
A legmagasabb alulgerjesztési áram- és teljesítményértékek reaktív üzemmódban működnek.
A legtöbb esetben az alulgerjesztési mód kisebb teljesítményt igényel, mint a túlgerjesztett mód, de néhány esetben több teljesítményre van szükség. Ez a rés növelésével érhető el, de ez a gép költségének növekedéséhez vezet, ezért a közelmúltban felmerült a negatív gerjesztőáram-mód alkalmazásának kérdése. Mivel a szinkron kompenzátor az aktív teljesítményt tekintve csak veszteséggel terhelt, ezért szerinte stabilan és kevés negatív gerjesztéssel tud működni.
Egyes esetekben száraz időszakban, kompenzátor üzemmódban történő működéshez is használják hidroelektromos generátorok.
Szerkezetileg a kompenzátorok alapvetően nem különböznek a szinkron generátoroktól. Ugyanaz a mágnesrendszer, a gerjesztőrendszer, a hűtés stb. Minden közepes teljesítményű szinkron kompenzátor léghűtéses és gerjesztővel és gerjesztővel készül.
Tekintettel arra, hogy a szinkron kompenzátorokat nem mechanikai munkára tervezték, és nem terhelik aktívan a tengelyt, mechanikailag könnyű felépítésűek. A kompenzátorokat viszonylag alacsony fordulatszámú (1000-600 ford./perc) gépként gyártják, vízszintes tengellyel és konvex pólusú rotorral.
Szinkron kompenzátorként megfelelő gerjesztésű üresjárati generátor használható.A túlgerjesztett generátorban egy kiegyenlítő áram jelenik meg, amely a generátor feszültségéhez képest tisztán induktív, a hálózathoz képest pedig tisztán kapacitív.
Figyelembe kell venni, hogy a túlgerjesztett szinkrongép, akár generátorként, akár motorként működik, a hálózathoz képest kapacitásnak, a gerjesztetlen szinkrongép pedig induktivitásnak tekinthető.
A hálózatra kapcsolt generátor szinkron kompenzátor üzemmódba való átállításához elegendő lezárni a gőz (vagy víz) hozzáférését a turbinához. Ebben az üzemmódban a túlgerjesztett turbinagenerátor kis mennyiségű aktív energiát kezd el fogyasztani a hálózatról, csak a forgási veszteségek (mechanikai és elektromos) fedezésére, és a meddőteljesítményt átadja a hálózatnak.
Szinkron kompenzátor üzemmódban a generátor hosszú ideig működhet, és csak a turbina működési feltételeitől függ.
A turbinagenerátor szükség esetén szinkron kompenzátorként használható mind forgó (a turbinával együtt), mind kikapcsolt turbinával, pl. szétszerelt kuplunggal.
A generátor hajtásmódba vált oldalán lévő gőzturbina megpörgetése a turbina hátsó része túlmelegedését okozhatja.