Синхронный конденсатор

В электротехнике синхронный конденсатор (иногда называемый синконом , синхронным конденсатором или синхронным компенсатором , возбуждаемый постоянным током ) представляет собой синхронный двигатель , вал которого ни с чем не связан, а свободно вращается. ^[1] Его целью является не преобразование электрической энергии в механическую или наоборот, а регулирование условий в сети передачи электроэнергии . Его поле контролируется регулятором напряжения, который либо генерирует, либо поглощает реактивную мощность сети , необходимую для регулировки напряжения или улучшения коэффициента мощности . Установка и работа конденсатора аналогичны большим электродвигателям и генераторам (некоторые генераторы фактически спроектированы так, чтобы иметь возможность работать как синхронные конденсаторы с первичным двигателем) . отключенным ^[2]).

Увеличение возбуждения поля устройства приводит к передаче реактивной мощности (измеренной в единицах вар в систему ). Его основным преимуществом является легкость регулировки величины коррекции.

Синхронные конденсаторы являются альтернативой конденсаторным батареям и статическим компенсаторам реактивной мощности для коррекции коэффициента мощности в электрических сетях. ^[3] Одним из преимуществ является то, что количество реактивной мощности синхронного конденсатора можно плавно регулировать. Реактивная мощность конденсаторной батареи уменьшается при уменьшении напряжения сети, тогда как реактивная мощность синхронного конденсатора по своей природе увеличивается при уменьшении напряжения. ^[1] Кроме того, синхронные конденсаторы более устойчивы к колебаниям мощности и резким падениям напряжения. ^[3] Однако синхронные машины имеют более высокие потери энергии, чем статические конденсаторные батареи. ^[1]

Большинство синхронных конденсаторов, подключенных к электрическим сетям, имеют номинальную мощность от 20 МВАР (мегавар) до 200 МВАР, и многие из них имеют водородное охлаждение . Опасность взрыва отсутствует, пока концентрация водорода поддерживается выше 70%, обычно выше 91%. ^[4] Синкон может иметь длину 8 метров, высоту 5 метров и весить 170 тонн. ^[5]

Синхронные конденсаторы также помогают стабилизировать сети. Инерционная реакция машины и ее индуктивность могут помочь стабилизировать энергосистему во время быстрых колебаний нагрузки, например, вызванных короткими замыканиями или дуговыми печами . По этой причине крупные установки синхронных конденсаторов иногда используются вместе с высоковольтными преобразовательными станциями постоянного тока для подачи реактивной мощности в сеть переменного тока. Синхронные конденсаторы также находят применение для облегчения переключения между энергосетями. ^[6] и обеспечение стабилизации энергосистемы, поскольку турбинные генераторы заменяются солнечной и ветровой энергией. ^[7]^[3]

Теория

Вращающаяся катушка ^[8] в магнитном поле имеет тенденцию создавать синусоидальное напряжение. При подключении к цепи будет протекать некоторый ток в зависимости от того, насколько напряжение в системе отличается от напряжения холостого хода. Обратите внимание, что механический крутящий момент (создаваемый двигателем, требуемый генератором) соответствует только реальной мощности. Реактивная мощность не приводит к возникновению крутящего момента.

По мере увеличения механической нагрузки на синхронный двигатель ток статора $I_{a}$ увеличивается независимо от возбуждения поля. Как для двигателей с недостаточным, так и с перевозбуждением коэффициент мощности (pf) имеет тенденцию приближаться к единице с увеличением механической нагрузки. Это изменение коэффициента мощности больше, чем изменение $I_{a}$ с увеличением нагрузки.

Фаза . тока якоря меняется в зависимости от возбуждения поля Ток имеет большие значения при меньших и высоких значениях возбуждения. Между ними ток имеет минимальное значение, соответствующее конкретному возбуждению (см. график справа). Вариации $I$ с возбуждением называются $V$ кривые из-за своей формы.

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

Как и в синхронном двигателе, статор машины подключен к трехфазной сети напряжения. $V_{s}$ (предполагается постоянным), и это создает вращающееся магнитное поле внутри машины. Аналогично ротор возбуждается постоянным током. $I_{e}$ действовать как электромагнит. При нормальной работе магнит ротора следует за полем статора с синхронной скоростью. Вращающийся электромагнит индуцирует трехфазное напряжение. $V_{g}$ в обмотках статора, как если бы машина была синхронным генератором. Если машину считать идеальной, без механических, магнитных или электрических потерь, ее эквивалентной схемой будет генератор переменного тока, включенный последовательно с индуктивностью обмотки. $L$ статора. Величина $V_{g}$ зависит от тока возбуждения $I_{e}$ и скорость вращения, и так как последняя фиксирована, $V_{g}$ зависит только от $I_{e}$ . Если $I_{e}$ критически корректируется до значения $I_{\text{e0}}$ , $V_{g}$ будет равен и противоположен $V_{s}$ , а ток в статоре $I_{s}$ будет нулевым. Это соответствует минимуму на кривой, показанной выше. Если, однако, $I_{e}$ увеличивается выше $I_{\text{e0}}$ , $V_{g}$ превысит $V_{s}$ , а разница объясняется напряжением $V_{1}$ появляется на индуктивности статора $L$ : $V_{L}=I_{s}X_{L}$ где $X_{L}$ — реактивное сопротивление статора. Теперь ток статора $I_{s}$ уже не равен нулю. Так как машина идеальна, $V_{g}$ , $V_{L}$ и $V_{s}$ все будет в фазе, и $I_{s}$ будет полностью реактивным (т.е. в квадратуре фазы). Если смотреть со стороны питания клемм машины, из клемм будет вытекать отрицательный реактивный ток, и поэтому машина будет выглядеть как конденсатор, величина реактивного сопротивления которого будет падать как $I_{r}$ увеличивается выше $I_{\text{s0}}$ . Если $I_{e}$ корректируется так, чтобы быть меньше, чем $I_{\text{e0}}$ , $V_{s}$ превысит $V_{g}$ , и в машину потечет положительный реактивный ток. Тогда машина будет выглядеть как индуктор, реактивное сопротивление которого падает как $I_{e}$ сокращается еще больше. Эти условия соответствуют двум восходящим рукавам V-образных кривых (вверху). В практической машине с потерями эквивалентная схема будет содержать резистор, включенный параллельно клеммам для обозначения механических и магнитных потерь, и еще один резистор, включенный последовательно с генератором и L, представляющий потери в меди в статоре. Таким образом, в практической машине $I_{s}$ будет содержать небольшую синфазную составляющую и не будет падать до нуля.

Приложение

Перевозбужденный синхронный двигатель имеет опережающий коэффициент мощности. Это делает его полезным для коррекции коэффициента мощности промышленных нагрузок. И трансформаторы, и асинхронные двигатели потребляют запаздывающие (намагничивающие) токи из линии. При легких нагрузках мощность, потребляемая асинхронными двигателями, имеет большую реактивную составляющую, а коэффициент мощности имеет низкое значение. Добавленный ток, протекающий для подачи реактивной мощности, создает дополнительные потери в энергосистеме. На промышленном предприятии синхронные двигатели могут использоваться для обеспечения части реактивной мощности, необходимой асинхронным двигателям. Это улучшает коэффициент мощности электростанции и снижает реактивный ток, требуемый от сети.

Синхронный конденсатор обеспечивает бесступенчатую автоматическую коррекцию коэффициента мощности с возможностью создания до 150% дополнительных переменных. Система не создает переходных процессов переключения и не подвержена влиянию электрических гармоник системы (некоторые гармоники могут даже поглощаться синхронными конденсаторами). Они не создают чрезмерного напряжения и не подвержены электрическим резонансам . Из-за инерции вращения синхронного конденсатора он может обеспечить ограниченную поддержку напряжения во время очень коротких перепадов мощности.

Вращающиеся синхронные конденсаторы были представлены в 1930-х годах. ^[2] и были распространены в 1950-х годах, но из-за высокой стоимости в конечном итоге были заменены статическими компенсаторами реактивной мощности (SVC) в новых установках. ^[2] Они остаются альтернативой (или дополнением) конденсаторам для коррекции коэффициента мощности из-за проблем, возникающих с гармониками, вызывающих перегрев конденсаторов и катастрофические отказы. Синхронные конденсаторы также полезны для поддержания уровня напряжения. Реактивная мощность, вырабатываемая конденсаторной батареей, прямо пропорциональна квадрату напряжения на ее клеммах, и если напряжение в системе снижается, конденсаторы производят меньше реактивной мощности, когда она больше всего необходима. ^[2] в то время как, если напряжение системы увеличивается, конденсаторы производят больше реактивной мощности, что усугубляет проблему. Напротив, при постоянном поле синхронный конденсатор естественным образом подает больше реактивной мощности при низком напряжении и поглощает больше реактивной мощности при высоком напряжении, плюс полем можно управлять. Эта реактивная мощность улучшает регулирование напряжения в таких ситуациях, как запуск мощных двигателей или когда мощность должна передаваться на большие расстояния от места ее генерации до места ее использования, как в случае с силовым колесом , передачей электроэнергии из одного географического региона. к другому в пределах набора взаимосвязанных электроэнергетических систем.

По сравнению с SVC синхронный конденсатор имеет несколько преимуществ: ^[2]

инерция вращения позволяет ему выдерживать короткое замыкание;
выдача реактивной мощности не зависит от напряжения сети;
он относительно нечувствителен к перегрузкам и обычно может работать в течение получаса при 110–120% мощности и кратковременно выдавать до 200% номинальной реактивной мощности.

Синхронные конденсаторы также могут называться системами динамической коррекции коэффициента мощности . Эти машины могут оказаться очень эффективными, если использовать расширенные средства управления. Контроллер на базе ПЛК с контроллером коэффициента мощности и регулятором позволит настроить систему на соответствие заданному коэффициенту мощности или на выработку определенного количества реактивной мощности.

В электроэнергетических системах синхронные конденсаторы могут использоваться для регулирования напряжения на длинных линиях электропередачи, особенно на линиях с относительно высоким отношением индуктивного реактивного сопротивления к сопротивлению. ^[9]

В дополнение к специально построенным агрегатам существующие паровые турбины или турбины внутреннего сгорания могут быть модернизированы для использования в качестве синхронизаторов. В этой ситуации турбину можно дооснастить либо вспомогательным пусковым двигателем, либо использовать существующий генератор в качестве электрического средства запуска, либо синхронной самопереключающейся муфтой (SSS) с существующей турбиной/источником топлива. ^[10] Для запуска обычно рекомендуется использовать отдельный стартер вместо существующего генератора, поскольку вал/муфта генератора обычно не выдерживают крутящих моментов, воздействующих на них во время запуска. Используя чисто электрические методы запуска, Syncon полагается на стартер для обеспечения первоначального запуска, а генератор или вспомогательный двигатель обеспечивают систему необходимой инерцией вращения для производства реактивной мощности. Благодаря модернизации муфты SSS существующая турбинная установка в значительной степени используется повторно. Здесь турбина использует существующий источник топлива для запуска и синхронизации с сетью, то есть, когда муфта SSS отключает турбину и генератор. Таким образом, генератор использует энергию сети для продолжения вращения и обеспечения опережающей или запаздывающей реактивной мощности по мере необходимости. Каждая установка имеет свои преимущества и недостатки: системы только с электроприводом не требуют сгорания от старых турбин, тогда как старая система генерации обычно производит больше выбросов, чем новая система с тем же типом топлива, в то время как система с приводом от сгорания будет иметь возможность чередовать выработку активной и реактивной мощности по мере необходимости. ^[11]

Галерея

Синхронная конденсаторная установка на Темплстоу , Виктория, Австралия подстанции

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

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Б.М. Уиди, Второе издание электроэнергетических систем, John Wiley and Sons, Лондон, 1972, ISBN 0-471-92445-8 стр. 149
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Кундур 1994 , с. 638.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Фэрли, Питер (24 июля 2015 г.). «Угольные электростанции-зомби реанимированы для стабилизации энергосистемы» . IEEE-спектр . ИИЭЭ . Проверено 13 ноября 2023 г.
^ «Все о схемах» .
^ Паркинсон, Джайлз (25 октября 2021 г.). «Ограничения по ветру и солнечной энергии были смягчены после установки четырех больших прядильных машин» . ОбновитьЭкономику . Архивировано из оригинала 26 октября 2021 года.
^ Фэрли, Питер (13 ноября 2023 г.). «Чтобы освободить Балтийскую энергосистему, старые технологии снова становятся новыми» . IEEE-спектр . ИИЭЭ . Проверено 13 ноября 2023 г.
^ «Синхронные конденсаторы GE – 100 лет спустя» . Современные энергосистемы . 12 февраля 2020 г. Проверено 13 ноября 2023 г.
^ http://www.pscpower.com/wp-content/uploads/2013/06/Power-Factor.pdf ^{[ только URL-адрес PDF ]}
^ Дональд Финк, Уэйн Бити (редактор) Стандартный справочник для инженеров-электриков, одиннадцатое издание , Mc Graw Hill, 1978, ISBN 0-07-020974-X , стр. 14-33.
^ ВЛАСТЬ (01.09.2020). «Включение в работу турбинных генераторов на холостом ходу» . Журнал СИЛА . Проверено 13 января 2023 г.
^ Директора Clarion Energy Content (01 октября 2011 г.). «Преобразование существующих синхронных генераторов в синхронные конденсаторы» . Энергетика . Проверено 13 января 2023 г.

Источники

Кундур, Прабха (22 января 1994 г.). «Регулирование реактивной мощности и напряжения» (PDF) . Стабильность и контроль энергосистемы . Макгроу-Хилл Образование. стр. 627–687. ISBN 978-0-07-035958-1 . ОСЛК 1054007373 .

Внешние ссылки

Краткий курс синхронных машин и синхронных конденсаторов

[Weedy72-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Б.М. Уиди, Второе издание электроэнергетических систем, John Wiley and Sons, Лондон, 1972, ISBN 0-471-92445-8 стр. 149

[FOOTNOTEKundur1994638-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Кундур 1994 , с. 638.

[ieee-zombie-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Фэрли, Питер (24 июля 2015 г.). «Угольные электростанции-зомби реанимированы для стабилизации энергосистемы» . IEEE-спектр . ИИЭЭ . Проверено 13 ноября 2023 г.

[4] «Все о схемах» .

[5] Паркинсон, Джайлз (25 октября 2021 г.). «Ограничения по ветру и солнечной энергии были смягчены после установки четырех больших прядильных машин» . ОбновитьЭкономику . Архивировано из оригинала 26 октября 2021 года.

[ieee-baltics-6] Фэрли, Питер (13 ноября 2023 г.). «Чтобы освободить Балтийскую энергосистему, старые технологии снова становятся новыми» . IEEE-спектр . ИИЭЭ . Проверено 13 ноября 2023 г.

[mps-ge-7] «Синхронные конденсаторы GE – 100 лет спустя» . Современные энергосистемы . 12 февраля 2020 г. Проверено 13 ноября 2023 г.

[8] ttp://www.pscpower.com/wp-content/uploads/2013/06/Power-Factor.pdf ^{[ только URL-адрес PDF ]}

[9] Дональд Финк, Уэйн Бити (редактор) Стандартный справочник для инженеров-электриков, одиннадцатое издание , Mc Graw Hill, 1978, ISBN 0-07-020974-X , стр. 14-33.

[10] ВЛАСТЬ (01.09.2020). «Включение в работу турбинных генераторов на холостом ходу» . Журнал СИЛА . Проверено 13 января 2023 г.

[11] Директора Clarion Energy Content (01 октября 2011 г.). «Преобразование существующих синхронных генераторов в синхронные конденсаторы» . Энергетика . Проверено 13 января 2023 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]