5.4. Синхронные компенсаторы

Многие промышленные и бытовые приемники электроэнергии (трансформаторы, асинхронные двигатели, электромагниты и др.) потребляют ре-активную мощность Q для образования своего магнитного поля.

Реактивная мощность Q поступает к приемникам П (рис. 7.8, а) по линиям электропередач ЛЭП от генераторов электрических станций СГ, загружая линии реактивным током İ_РЛ, равным реактивному току приемников İ_РП. (рис. 5.8, б). Реактивный ток İ_РЛ = İ_РП вызывает в линиях потери энергии.

Регулирование реактивной мощности в электрических системах возможно при помощи устанавливаемых вблизи узлов нагрузки батарей статических конденсаторов или синхронных компенсаторов – синхронных машин, работающих в двигательном режиме без нагрузки на валу. Преимущество синхронных компенсаторов заключается в их способности работать с опережающим и отстающим по отношению к напряжению сети током.

Возможности синхронных компенсаторов регулировать реактивную мощность в электрических сетях определяются U-образной характеристикой при Р₂ = 0, изображенной на рис. 4.14 штрихпунктирной линией.

Для уменьшения передаваемой по линиям реактивной мощности Q_Л вблизи узлов нагрузки устанавливают синхронные компенсаторы СК, ра-ботающие в режиме перевозбуждения (рис. 5.8, в). Компенсатор отдает в сеть опережающий реактивный ток İ_РСК (Q_СК), уменьшая на ту же величину передаваемый по линии реактивный ток İ_РЛ (Q_Л)

. (5.13)

П олный ток и потери энергии в линии уменьшаются и можно увеличить активную мощность линии. Режим перевозбуждения является основным для синхронного компенсатора.

При снижении потребления электроэнергии в узле нагрузки напряжение сети U_C в конце линии возрастает. Компенсатор переводят в режим недовозбуждения. Машина работает с отстающим реактивным током якоря I_РСК (рис. 5.9, а) и потребляет из сети реактивную мощность, загружая линию электропередачи реактивным током, который создает дополнительное падение напряжения в линии и напряжение сети U_C снижается.

При токе возбуждения I _f = 0 (точка D на рис. 4.14), отстающий ток якоря I = I_РСК = U_C/x_d. Так как нагрузка на валу Р₂ = 0, то можно пренебречь потерями холостого хода и считать угол нагрузки θ = 0. Тогда по формуле (4.19) потребляемая из сети реактивная мощность

или в о.е. . (5.14)

У большинства компенсаторов x_*d = 1,9–2,2. Поэтому при номинальном напряжении сети U_*С = 1,0 наибольшая развиваемая компенсаторами без возбуждения реактивная мощность Q_* ≈ 0,5. При этом синхронный режим возможен только у явнополюсных машин за счет мощности Р ^// и момента М ^// явнополюсности (см. формулы 4.6–4.9)

Если в режиме недовозбуждения снизить ток возбуждения I_f до нуля и далее изменить его направление (I_f < 0), то компенсатор будет работать с отрицательным возбуждением (левее оси ординат на рис. 4.14).

При этом МДС возбуждения F_f направлена встречно продольной намагничивающей МДС якоря F_adf (рис. 5.9, б) и ослабляет результирующий магнитный поток машины Ф_r. Вследствие этого уменьшается ЭДС E_r ≡ Ф_r, уравновешивающая напряжение сети U_С (рис. 5.9), и увеличивается отстающий реактивный ток якоря, намагничивающий машину. За счет этого дополнительно увеличивается потребляемая из сети реактивная мощность.

Работа с отрицательным возбуждением неустойчива, что объяснимо изменением действия зависящих от возбуждения машины составляющих Р ^/ и М ^/ электромагнитных мощности и момента.

Изменение направления тока возбуждения I _f < 0 меняет полярность полюсов ротора (рис. 5.9, б) по сравнению с режимом недовозбуждения при I_f > 0 (рис. 5.9, а). Вследствие этого вместо электромагнитных сил F_ЭМ притяжения намагниченных областей статора и ротора при недовозбуждении (рис. 5.9, а) возникают силы отталкивания (рис. 5.9, б).

Силы отталкивания F_ЭМ уравновешены по окружности машины и не создают вращающего момента только при совпадении продольной оси d с осью результирующего потока Ф_r, то есть при угле θ = 0 (рис. 5.9, б). Малейшее отклонение оси полюсов d от оси потока Ф_r приводит к изменению направления сил отталкивания (рис. 5.9, в)

Тангенциальная составляющая этих сил при θ ≠ 0 не уравновешена по окружности машины и образует электромагнитный момент, который вызывает дальнейшее изменение угла нагрузки на 180°. Машина возвращается в режим недовозбуждения (рис. 5.9, а) и потребляемая реактивная мощность снижается.

Как и при отсутствии возбуждения (I _f = 0) синхронный режим может быть обеспечен только мощностью и моментом явнополюсности. При отрицательном возбуждении (I _f < 0) изменяется знак ЭДС E _f и зависящих от возбуждения составляющих Р ^/ и М ^/. Поэтому при увеличении отрицательного возбуждения максимальные электромагнитные мощность и момент, а следовательно и устойчивость быстро снижаются. Работа компенсатора в установившемся режиме отрицательного возбуждения возможна только при малых токах I _f < 0 пока максимальная мощность P_m не станет меньше потерь мощности в машине Σр. Угол нагрузки θ при этом не превышает 20°, устойчивость машины и дополнительно потребляемая реактивная мощность невелики.

У стойчивый режим отрицательного возбуждения с достаточно большим увеличением потребляемой реактивной мощности возможен при использовании быстродействующей системы возбуждения с автоматическим регулятором, обеспечивающей знакопеременное возбуждение ротора.

Подачей отрицательного тока возбуждения I_{* f} = (0,5–0,6) I_{* f Х} добиваются отклонения ротора на угол θ ≈ 90°. После чего ток отрицательного возбуждения уменьшают. При смещении ротора от положения соответствующего θ = 90°, автоматически подается ток возбуждения такого направления, при котором синхронный момент препятствует смещению ротора и возвращает его в исходное положение (θ ≈ 90°).

В режиме стабилизации угла θ ток возбуждения мал, и его влиянием на магнитное поле машины можно пренебречь. Поэтому образованный отстающим реактивным током якоря I = I_РСК магнитный поток Ф_r замыкается по поперечной оси машины q (рис. 7.10), а индуктивное сопротивление обмотки якоря снижается до поперечного синхронного x_q.

Отстающий ток компенсатора при отрицательном возбуждении и угле нагрузки θ = 90°:

, (5.15)

максимальная потребляемая компенсатором из сети реактивная мощность

или в о.е. . (5.16)

Вследствие того, что у компенсаторов x_q меньше x_d и составляет x_*q = 1,2–1,3 ≈ (0,55–0,65) x_*d, реактивная мощность может быть повышена до максимального значения Q_*m = 0,7–0,83 при U_*C = U_*H = 1,0.

Синхронные компенсаторы – это явнополюсные машины с p = 3 или р = 4 горизонтального исполнения. Сердечники полюсов ротора обычно выполняют массивными и по торцам соединяют медными перемычками. Массивные полюсы вместе с перемычками выполняют функцию пусковой обмотки. Иногда сердечники полюсов собирают из стальных пластин толщиной 1,5 мм. В этом случае в полюсных наконечниках шихтованных полюсов укладывают пусковую короткозамкнутую обмотку.

Пуск компенсаторов асинхронный от пониженного с помощью реактора до 0,4 номинального напряжения. При этом пусковой ток не превышает двукратного номинального, длительность пуска 25–30 с.

У компенсаторов с реверсивным бесщеточным возбуждением на полюсах размещают две обмотки: основную обмотку для положительного возбуждения и дополнительную обмотку для отрицательного возбуждения. МДС дополнительной обмотки невелика и не превышает 15 % от МДС основной обмотки возбуждения. Каждая из обмоток питается от отдельного возбудителя. Синхронные компенсаторы не имеют нагрузки на валу и поэтому потребляют из сети небольшую активную мощность, расходуемую на компенсацию потерь мощности в машине. В мощных компенсаторах для уменьшения механических потерь используют водородное охлаждение. У таких машин потребляемая активная мощность Р₁ ≈ (0,01– 0,016) S_Н.

Диаметр вала и размеры подшипников можно уменьшить по сравнению с генераторами и двигателями такой же полной мощности. Зазор в компенсаторах также меньше вследствие того, что для синхронной машины, работающей постоянно в режиме холостого хода, не нужна высокая статическая перегружаемость. Все это позволяет облегчить обмотку возбуждения, уменьшить габариты и стоимость машины.