25. Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу; при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения cosφ или в режиме стабилизации напряжения.

Нагрузка сети носит активно-индуктивный характер – ток нагрузки I_н отстает по фазе от напряжения сети U_c. Для улучшения cosφ сети синхронный компенсатор работает в режиме перевозбуждения. Ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря I₁ синхронного компенсатора опережал на 90° напряжение сети U_c (рис. а) и был примерно равен реактивной составляющей тока нагрузки I_{н р}. В результате сеть загружается только активным током нагрузки I_{н а}.

В отличие от батарей конденсаторов компенсатор может компенсировать как индуктивную (при перевозбуждении) так и емкостную (при недовозбуждении) составляющие тока.

В режиме стабилизации напряжения устанавливается ток возбуждения синхронного компенсатора чтобы ЭДС компенсатора Е_f равнялась номинальному напряжению сети U_cн (рис. б). В сети имеется ток I_н, создающий падение напряжения ΔU= I_нR_ccosφ + I_нX_c sinφ, где R_c и Х_с — активное и индуктивное сопротивление сети; φ — угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.

Если напряжение сети понижается из-за возрастания тока нагрузки и становится меньше U_cн, то синхронный компенсатор забирает из сети реактивный опережающий ток I₁ (рис. в). Это уменьшает падение напряжения на величину ΔU_к= I₁X_c. При повышении напряжения в сети, когда U_c > U_cн, синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током I₁ (рис. г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину ΔU_к= I₁X_c. Недостаток метода - синхронный компенсатор загружает линию реактивным током, увеличивая потери в ней.

Синхронные компенсаторы выпускаются мощностью от 10 до 100 МВА и по конструкции имеют следующие отличия от синхронного двигателя:

- не имеют выходного конца вала;

- вал не передает вращающий момент и выполняется менее массивным;

- уменьшен воздушный зазор и размеры обмотки возбуждения;

- имеет более массивную магнитную систему для получения большого значения МДС;

-имеет явнополюсную конструкцию при числе полюсов 6 или 8.

26. Энергетика синхронных машин

Часть мощности, потребляемой синхронной машиной, идет на компенсацию потерь, которые включают в себя:

1. Потери на возбуждение ΔР_в..

2. Механические потери ΔР_мех — это потери на трение в подшипниках и потери на вентиляцию. Они зависят от частоты вращения.

3. Магнитные потери  ΔР_ст в основном имеют место в сердечнике статора, который подвергается перемагничиванию полем ротора. Они состоят из потерь на вихревые токи и перемагничивание. Потери в стали зависят от значения магнитной индукции, марки и толщины листов стали из которой набран сердечник якоря и частоты перемагничивания.

4. Электрические потери имеют место в обмотках статора

5. Добавочные потери  ΔР_доп учитывают потери на пульсацию магнитного потока, потери, вызванные поверхностным эффектом и др. Они равны 0,25 – 0,5% полезной мощности генератора

Механические и магнитные не зависят от нагрузки. Их называют постоянными. Электрические потери зависят от нагрузки машины, поэтому эти потери называются переменными.

На рисунке приведены энергетические диаграммы синхронных генераторов и двигателей при возбуждении от возбудителя (рис. а), а также от сети переменного тока (рис. а).

К генераторам подводится механическая мощность Р₁= М_врω₁, за счет которой покрываются потери холостого хода, состоящие из механических потерь ΔР_мех, потерь в стали ΔР_ст и добавочных потерь ΔР_доп. Если возбудитель приводится от вала генератора, то потери в возбудителе и в цепи возбуждения ΔР_в также покрываются за счет механической мощности. Остаток — электромагнитная мощность Р_эм= М_эмω₁ передается магнитным полем индуктора якорю и преобразуется в его обмотке в электрическую мощность. Часть этой мощности идет на потери в обмотке якоря ΔР_э, а остальная мощность передается на зажимы генератора и является полезной мощностью Р₂ =mU₁I₁ cosφ₁ (рис. а). Если генератор выполнен с самовозбуждением, то с его зажимов снимается мощность ΔР_в, часть которой идет на потери в цепи возбуждения (рис. б), а остаток — полезная мощность Р₂ отдается в сеть.

Коэффициент полезного действия:

У двигателей потребляемая мощность Р₁ =mU₁I₁ cosφ₁ поступает из электрической сети. За ее счет покрываются электрические потери ΔР_э в обмотке якоря и мощность возбуждения ΔР_в при возбуждении от сети переменного тока. Оставшаяся часть преобразуется в электромагнитную мощность Р_эм= М_эмω₁, связанную с вращающимся магнитным полем. За счет этого поля покрываются потери в стали ΔР_ст и добавочные потери ΔР_доп, а остальное передается ротору в виде механической мощности Р_мех. Механическая мощность должна покрыть механические потери ΔР_мех и мощность ΔР_в, потребляемую возбудителем. Оставшаяся часть механической мощности — мощность на валу является полезной мощностью двигателя Р₂= М_врω₁.

Энергетические диаграммы показывают, что преобразование энергии в синхронной машине более сложно, чем это описывалось простейшими формулами и векторными диаграммами. Подключения синхронного двигателя к сети и синхронизации еще недостаточно, чтобы машина создала вращающий момент на валу - сначала должны быть покрыты потери в обмотке якоря и в стали. Если к валу генератора, синхронизированного с сетью, подведена механическая мощность, то это еще не значит, что эта машина стала отдавать в сеть электрическую мощность - генератор сначала должен покрыть потери в своей обмотке якоря.

Учет всех факторов, включая потери в стали, существенно усложняет и векторные диаграммы, и расчетные формулы. Поэтому в инженерных расчетах обычно пользуются упрощенной теорией синхронной машины, лишь по мере необходимости вводя дополнительные факторы, уточняющие и одновременно усложняющие эту теорию.