Compensadors síncrons en xarxes elèctriques
El compensador síncron és un motor síncron lleuger dissenyat per al funcionament inactiu.
Els principals consumidors d'energia elèctrica, a més de la potència activa, consumeixen dels generadors del sistema potència reactiva... El nombre d'usuaris que requereixen grans corrents reactius de magnetització per crear i mantenir el flux magnètic inclou motors asíncrons, transformadors, forns d'inducció i altres. Com a resultat, les xarxes de distribució solen funcionar amb corrent retardat.
La potència reactiva generada pel generador s'obté al menor cost. Tanmateix, la transferència de potència reactiva dels generadors està associada a pèrdues addicionals en transformadors i línies de transmissió. Per tant, per obtenir potència reactiva, resulta econòmicament avantatjós utilitzar compensadors síncrons situats a les subestacions nodals del sistema o directament als consumidors.
Els motors síncrons, gràcies a l'excitació de CC, poden funcionar amb cos = 1 i no consumeixen potència reactiva de la xarxa, i durant el funcionament, amb sobreexcitació, donen potència reactiva a la xarxa. Com a resultat, es millora el factor de potència de la xarxa i es redueixen la caiguda de tensió i les pèrdues en aquesta, així com el factor de potència dels generadors que operen a les centrals elèctriques.
Els compensadors síncrons estan dissenyats per compensar el factor de potència de la xarxa i mantenir el nivell de tensió normal de la xarxa a les zones on es concentren les càrregues dels consumidors.
Un compensador síncron és una màquina síncrona que funciona en mode motor sense càrrega de l'eix amb corrent altern al camp.
En el mode de sobreexcitació, el corrent porta la tensió de la xarxa, és a dir, és capacitiu respecte a aquesta tensió, i en el mode de subexcitació, es queda enrere, inductiu. En aquest mode, la màquina síncrona es converteix en un compensador, un generador de corrent reactiu.
El mode de funcionament sobreexcitat del compensador síncron és normal quan subministra potència reactiva a la xarxa.
Els compensadors síncrons no tenen motors d'accionament i, pel que fa al seu funcionament, són essencialment motors sincrònics.
Amb aquesta finalitat, cada compensador síncron està equipat amb un regulador automàtic d'excitació o tensió, que regula la magnitud del corrent d'excitació de manera que la tensió als terminals del compensador es mantingui constant.
Per millorar el factor de potència i, en conseqüència, reduir l'angle de compensació entre el corrent i la tensió del valor de φw a φc, es requereix potència reactiva:
on P és la potència activa mitjana, kvar; φsv — desplaçament de fase corresponent al factor de potència mitjà ponderat; φk — desplaçament de fase que s'ha d'obtenir després de la compensació; a — un factor igual a aproximadament 0,9 introduït als càlculs per tenir en compte un possible augment del factor de potència sense instal·lar dispositius compensadors.
A més de compensació de corrent reactiva càrregues industrials inductives, calen compensadors de línia síncrones. En línies de transmissió llargues, a baixa càrrega, preval la capacitat de la línia i funcionen amb corrent de punta. Per compensar aquest corrent, el compensador síncron ha de funcionar amb un corrent retardat, és a dir, amb una excitació insuficient.
Amb una càrrega important a les línies elèctriques, quan preval la inductància dels consumidors d'electricitat, la línia elèctrica funciona amb un corrent retardat. En aquest cas, el compensador síncron ha de funcionar amb corrent d'entrada, és a dir, sobreexcitat.
Un canvi en la càrrega a la línia elèctrica provoca un canvi en els fluxos de potència reactiva en magnitud i fase i condueix a fluctuacions significatives en la tensió de la línia. En aquest sentit, es fa necessari regular.
Els compensadors síncrons solen instal·lar-se a les subestacions regionals.
Per regular la tensió al final o al mig de les línies elèctriques de trànsit, es poden crear subestacions intermèdies amb compensadors síncrons, que han de regular o mantenir la tensió inalterada.
El funcionament d'aquests compensadors síncrons està automatitzat, la qual cosa crea la possibilitat d'un control automàtic suau de la potència reactiva i la tensió generades.
Per dur a terme l'arrencada asíncrona, tots els compensadors síncrons estan proveïts de bobines d'arrencada en peces de pols o els seus pols són massius. En aquest cas, s'utilitza el mètode directe i, si cal, el mètode de posada en marxa del reactor.
En alguns casos, també es posen en funcionament potents compensadors mitjançant motors d'inducció de fase inicial muntats amb ells en el mateix eix. Per a la sincronització amb la xarxa, s'acostuma a utilitzar el mètode d'autosincronització.
Com que els compensadors síncrons no desenvolupen potència activa, la qüestió de l'estabilitat estàtica del treball per a ells perd la seva urgència. Per això, es fabriquen amb un espai d'aire més petit que els generadors i motors. La reducció de la bretxa facilita el bobinat de camp i redueix els costos de la màquina.
La potència aparent nominal del compensador síncron correspon al seu funcionament amb sobreexcitació, és a dir. la potència nominal del compensador síncron és la seva potència reactiva a corrent principal, que pot portar durant molt de temps en mode de funcionament.
Els valors de potència i corrent de subexcitació més alts s'obtenen quan es treballa en mode reactiu.
En la majoria dels casos, el mode de subexcitació requereix menys potència que el mode de sobreexcitació, però en alguns casos es requereix més potència. Això es pot aconseguir augmentant la bretxa, però això comporta un augment del cost de la màquina i, per tant, recentment s'ha plantejat la qüestió d'utilitzar un mode de corrent d'excitació negativa. Com que el compensador síncron en termes de potència activa només està carregat de pèrdues, pot, segons ell, funcionar de manera estable i amb poca excitació negativa.
En alguns casos, en períodes secs, per al funcionament en mode compensador, també s'utilitzen generadors hidroelèctrics.
Estructuralment, els compensadors no difereixen fonamentalment dels generadors síncrons. Tenen el mateix sistema d'imants, sistema d'excitació, refrigeració, etc. Tots els compensadors síncrons de potència mitjana es refreden per aire i es fan amb excitador i excitador.
A causa del fet que els compensadors síncrons no estan dissenyats per realitzar treballs mecànics i no porten una càrrega activa a l'eix, tenen una construcció mecànicament lleugera. Els compensadors es produeixen com a màquines de velocitat relativament baixa (1000 - 600 rpm) amb un eix horitzontal i un rotor de pol convex.
Un generador inactiu amb una excitació adequada es pot utilitzar com a compensador síncron.En un generador sobreexcitat apareix un corrent d'equalització que és purament inductiu respecte a la tensió del generador i purament capacitiu respecte a la xarxa.
Cal tenir en compte que una màquina síncrona sobreexcitada, ja sigui que funcioni com a generador o com a motor, es pot considerar en relació a la xarxa com una capacitat, i una màquina síncrona no excitada com una inductància.
Per transferir el generador connectat a la xarxa al mode compensador síncron, n'hi ha prou amb tancar l'accés de vapor (o aigua) a la turbina. En aquest mode, la turbina-generador sobreexcitada comença a consumir una petita quantitat d'energia activa de la xarxa només per cobrir les pèrdues de rotació (mecàniques i elèctriques) i transfereix la potència reactiva a la xarxa.
En el mode de compensador síncron, el generador pot funcionar durant molt de temps i només depèn de les condicions de funcionament de la turbina.
Si cal, el generador de turbina es pot utilitzar com a compensador síncron tant amb la turbina en rotació (juntament amb la turbina) com amb aquesta apagada, és a dir. amb l'embragatge desmuntat.
Fer girar la turbina de vapor al costat del generador que ha entrat en mode de conducció pot provocar que la secció de cua de la turbina es sobreescalfi.