Synchronkompensatoren in elektrischen Netzen
Der Synchronkompensator ist ein leichter Synchronmotor, der für den Leerlaufbetrieb ausgelegt ist.
Die Hauptverbraucher elektrischer Energie beziehen neben der Wirkleistung auch die Generatoren des Systems Blindleistung… Zu den Anwendern, die große magnetisierende Blindströme benötigen, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, gehören Asynchronmotoren, Transformatoren, Induktionsöfen und andere. Aus diesem Grund werden Verteilnetze in der Regel mit nacheilendem Strom betrieben.
Die vom Generator erzeugte Blindleistung wird zu den niedrigsten Kosten gewonnen. Allerdings ist die Übertragung der Blindleistung von Generatoren mit zusätzlichen Verlusten in Transformatoren und Übertragungsleitungen verbunden. Um Blindleistung zu erhalten, ist es daher wirtschaftlich vorteilhaft, Synchronkompensatoren zu verwenden, die sich an den Knotenstationen des Systems oder direkt an den Verbrauchern befinden.
Synchronmotoren können dank Gleichstromerregung mit cos = 1 arbeiten und verbrauchen keine Blindleistung aus dem Netz und geben im Betrieb bei Übererregung Blindleistung an das Netz ab. Dadurch wird der Leistungsfaktor des Netzes verbessert und der Spannungsabfall und die Verluste darin sowie der Leistungsfaktor der in Kraftwerken betriebenen Generatoren reduziert.
Synchronkompensatoren dienen dazu, den Leistungsfaktor des Netzwerks zu kompensieren und das normale Spannungsniveau des Netzwerks in Bereichen aufrechtzuerhalten, in denen Verbraucherlasten konzentriert sind.
Ein Synchronkompensator ist eine Synchronmaschine, die motorisch ohne Wellenbelastung mit Wechselstrom im Feld arbeitet.
Im Übererregungsmodus eilt der Strom der Netzspannung voraus, ist also gegenüber dieser Spannung kapazitiv, im Untererregungsmodus hinkt er induktiv hinterher. In diesem Modus wird die Synchronmaschine zum Kompensator – einem Blindstromgenerator.
Die übererregte Betriebsart des Synchronkompensators ist normal, wenn er Blindleistung ins Netz einspeist.
Synchronkompensatoren kommen ohne Antriebsmotoren aus und sind von ihrer Funktionsweise her im Wesentlichen synchrone Umlenkmotoren.
Zu diesem Zweck ist jeder Synchronkompensator mit einem automatischen Erreger- oder Spannungsregler ausgestattet, der die Größe des Erregerstroms so regelt, dass die Spannung an den Anschlüssen des Kompensators konstant bleibt.
Um den Leistungsfaktor zu verbessern und damit den Versatzwinkel zwischen Strom und Spannung vom Wert φw auf φc zu reduzieren, ist Blindleistung erforderlich:
wobei P die durchschnittliche Wirkleistung, kvar, ist; φsv – Phasenverschiebung entsprechend dem gewichteten durchschnittlichen Leistungsfaktor; φk – nach der Kompensation zu erhaltende Phasenverschiebung; a – ein Faktor von etwa 0,9, der in die Berechnungen eingeht, um eine mögliche Erhöhung des Leistungsfaktors ohne Installation von Kompensationsgeräten zu berücksichtigen.
Zusätzlich zu Blindstromkompensation Für induktive Industrielasten sind synchrone Netzkompensatoren erforderlich. Bei langen Übertragungsleitungen überwiegt bei geringer Belastung die Leitungskapazität und es wird mit voreilendem Strom gearbeitet. Um diesen Strom zu kompensieren, muss der Synchronkompensator mit nacheilendem Strom, also mit unzureichender Erregung, arbeiten.
Bei einer erheblichen Belastung der Stromleitungen arbeitet die Stromleitung mit einem nacheilenden Strom, wenn die Induktivität der Stromverbraucher überwiegt. In diesem Fall muss der Synchronkompensator mit voreilendem Strom, also übererregt, arbeiten.
Eine Änderung der Belastung des Stromnetzes führt zu einer Änderung der Blindleistungsflüsse in Betrag und Phase und führt zu erheblichen Schwankungen der Netzspannung. In diesem Zusammenhang besteht Regulierungsbedarf.
Synchronkompensatoren werden üblicherweise in regionalen Umspannwerken installiert.
Um die Spannung am Ende oder in der Mitte der Transitstromleitungen zu regulieren, können Zwischenstationen mit Synchronkompensatoren errichtet werden, die die Spannung regulieren oder unverändert halten müssen.
Der Betrieb solcher Synchronkompensatoren erfolgt automatisiert, wodurch die Möglichkeit einer reibungslosen automatischen Regelung der erzeugten Blindleistung und Spannung geschaffen wird.
Um einen asynchronen Start durchführen zu können, sind alle Synchronkompensatoren mit Startspulen in den Polteilen ausgestattet oder ihre Pole sind massiv. Dabei kommt die Direktmethode und ggf. die Reaktoranfahrmethode zum Einsatz.
Teilweise werden leistungsstarke Kompensatoren auch mit auf der gleichen Welle montierten Anlauf-Induktionsmotoren in Betrieb genommen. Zur Synchronisation mit dem Netzwerk wird üblicherweise das Selbstsynchronisationsverfahren verwendet.
Da Synchronkompensatoren keine Wirkleistung entwickeln, verliert die Frage nach der statischen Arbeitsstabilität für sie ihre Dringlichkeit. Aus diesem Grund werden sie mit einem kleineren Luftspalt als Generatoren und Motoren hergestellt. Durch die Reduzierung des Spalts wird die Feldwicklung einfacher und die Maschinenkosten gesenkt.
Die Nennscheinleistung des Synchronkompensators entspricht seinem Betrieb bei Übererregung, d.h. Die Nennleistung des Synchronkompensators ist seine Blindleistung bei Vorlaufstrom, die er im Betriebszustand lange Zeit tragen kann.
Die höchsten Untererregungsstrom- und Leistungswerte werden im Blindbetrieb erreicht.
In den meisten Fällen erfordert der Untererregungsmodus weniger Leistung als der Übererregungsmodus, in einigen Fällen ist jedoch mehr Leistung erforderlich. Dies kann durch eine Vergrößerung des Spalts erreicht werden, was jedoch zu einer Erhöhung der Kosten der Maschine führt, weshalb in letzter Zeit die Frage nach der Verwendung eines negativen Erregerstrommodus aufgeworfen wurde. Da der Synchronkompensator wirkleistungsmäßig nur mit Verlusten belastet ist, kann er seiner Meinung nach stabil und mit geringer negativer Anregung arbeiten.
Teilweise werden sie in Trockenperioden auch für den Betrieb im Kompensatorbetrieb eingesetzt Wasserkraftgeneratoren.
Konstruktiv unterscheiden sich Kompensatoren nicht grundsätzlich von Synchrongeneratoren. Sie verfügen über das gleiche Magnetsystem, Erregersystem, Kühlung usw. Alle Synchronkompensatoren mittlerer Leistung sind luftgekühlt und mit Erreger und Erreger ausgestattet.
Da Synchronkompensatoren nicht für die Verrichtung mechanischer Arbeit ausgelegt sind und keine aktive Belastung auf die Welle ausüben, weisen sie eine mechanisch leichte Bauweise auf. Kompensatoren werden als relativ langsame Maschinen (1000 - 600 U/min) mit horizontaler Welle und konvexem Polrotor hergestellt.
Als Synchronkompensator kann ein Leerlaufgenerator mit geeigneter Erregung eingesetzt werden.Bei einem übererregten Generator entsteht ein Ausgleichsstrom, der gegenüber der Generatorspannung rein induktiv und gegenüber dem Netz rein kapazitiv ist.
Es ist zu berücksichtigen, dass eine übererregte Synchronmaschine, egal ob sie als Generator oder als Motor arbeitet, gegenüber dem Netz als Kapazität und eine nicht erregte Synchronmaschine als Induktivität betrachtet werden kann.
Um den netzgekoppelten Generator in den Synchronkompensatormodus zu überführen, genügt es, den Zugang von Dampf (oder Wasser) zur Turbine zu verschließen. In diesem Modus beginnt der übererregte Turbinengenerator, eine kleine Menge Wirkleistung aus dem Netz zu verbrauchen, nur um die Rotationsverluste (mechanisch und elektrisch) zu decken, und überträgt die Blindleistung an das Netz.
Im Synchronkompensatormodus kann der Generator lange arbeiten und hängt nur von den Betriebsbedingungen der Turbine ab.
Bei Bedarf kann der Turbinengenerator als Synchronkompensator sowohl bei rotierender Turbine (zusammen mit der Turbine) als auch bei ausgeschalteter Turbine, d.h. mit demontierter Kupplung.
Das Drehen der Dampfturbine auf der Seite des Generators, die in den Antriebsmodus gewechselt ist, kann zu einer Überhitzung des Heckteils der Turbine führen.