Compensadores síncronos en redes eléctricas
El compensador síncrono es un motor síncrono ligero diseñado para funcionamiento en vacío.
Los principales consumidores de energía eléctrica, además de la potencia activa, consumen de los generadores del sistema Poder reactivo… La cantidad de usuarios que requieren grandes corrientes reactivas de magnetización para crear y mantener el flujo magnético incluye motores asíncronos, transformadores, hornos de inducción y otros. Como resultado, las redes de distribución generalmente funcionan con corriente atrasada.
La potencia reactiva generada por el generador se obtiene al menor costo. Sin embargo, la transferencia de potencia reactiva desde los generadores está asociada con pérdidas adicionales en transformadores y líneas de transmisión. Por lo tanto, para obtener potencia reactiva, se vuelve económicamente ventajoso utilizar compensadores síncronos ubicados en las subestaciones nodales del sistema o directamente en los consumidores.
Los motores síncronos, gracias a la excitación DC, pueden trabajar con cos = 1 y no consumen potencia reactiva de la red, y durante el funcionamiento, con sobreexcitación, dan potencia reactiva a la red. Como resultado, se mejora el factor de potencia de la red y se reducen las caídas y pérdidas de tensión en la misma, así como el factor de potencia de los generadores que operan en las centrales eléctricas.
Los compensadores síncronos están diseñados para compensar el factor de potencia de la red y mantener el nivel de voltaje normal de la red en áreas donde se concentran las cargas de los consumidores.
Un compensador síncrono es una máquina síncrona que funciona en modo motor sin carga en el eje con corriente alterna en el campo.
En el modo de sobreexcitación, la corriente se adelanta a la tensión de red, es decir, es capacitiva con respecto a esta tensión, y en el modo de subexcitación, se retrasa, inductiva. En este modo, la máquina síncrona se convierte en un compensador, un generador de corriente reactiva.
El modo de funcionamiento sobreexcitado del compensador síncrono es normal cuando suministra potencia reactiva a la red.
Los compensadores síncronos están desprovistos de motores de accionamiento y, en términos de su funcionamiento, son esencialmente motores sincrónicos locos.
Para ello, cada compensador síncrono está equipado con un regulador automático de excitación o tensión, que regula la magnitud de la corriente de excitación para que la tensión en los terminales del compensador permanezca constante.
Para mejorar el factor de potencia y, en consecuencia, reducir el ángulo de compensación entre la corriente y el voltaje del valor de φw a φc, se requiere potencia reactiva:
donde P es la potencia activa promedio, kvar; φsv — cambio de fase correspondiente al factor de potencia medio ponderado; φk — cambio de fase que se obtendrá después de la compensación; a — se ingresó en los cálculos un factor igual a aproximadamente 0,9 para tener en cuenta un posible aumento en el factor de potencia sin instalar dispositivos de compensación.
Además de compensación de corriente reactiva cargas industriales inductivas, se requieren compensadores de línea síncrona. En líneas de transmisión largas, a baja carga, prevalece la capacidad de la línea y operan con corriente de adelanto. Para compensar esta corriente, el compensador síncrono debe operar con corriente atrasada, es decir, con excitación insuficiente.
Con una carga significativa en las líneas eléctricas, cuando prevalece la inductancia de los consumidores de electricidad, la línea eléctrica funciona con una corriente retrasada. En este caso, el compensador síncrono debe operar con corriente en adelanto, es decir, sobreexcitado.
Un cambio en la carga en la línea eléctrica provoca un cambio en los flujos de energía reactiva en magnitud y fase y conduce a fluctuaciones significativas en el voltaje de la línea. En este sentido, se hace necesario regular.
Los compensadores síncronos generalmente se instalan en las subestaciones regionales.
Para regular la tensión al final o en medio de las líneas eléctricas de tránsito, se pueden crear subestaciones intermedias con compensadores síncronos, que deben regular o mantener inalterada la tensión.
La operación de dichos compensadores síncronos está automatizada, lo que crea la posibilidad de un control automático suave de la potencia reactiva y el voltaje generados.
Para realizar el arranque asíncrono, todos los compensadores síncronos están provistos de bobinas de arranque en partes polares o sus polos son macizos. En este caso se utiliza el método directo y, si es necesario, el método de arranque del reactor.
En algunos casos también se ponen en funcionamiento potentes compensadores mediante motores de inducción en fase de arranque montados con ellos en el mismo eje. Para la sincronización con la red se suele utilizar el método de autosincronización.
Dado que los compensadores síncronos no desarrollan potencia activa, la cuestión de la estabilidad estática del trabajo para ellos pierde su urgencia. Debido a esto, se fabrican con un espacio de aire más pequeño que los generadores y motores. La reducción de la separación facilita el bobinado de campo y reduce los costos de la máquina.
La potencia aparente nominal del compensador síncrono corresponde a su funcionamiento con sobreexcitación, es decir la potencia nominal del compensador síncrono es su potencia reactiva a la corriente principal, que puede soportar durante mucho tiempo en modo operativo.
Los valores más altos de corriente y potencia de subexcitación se obtienen cuando se opera en modo reactivo.
En la mayoría de los casos, el modo de subexcitación requiere menos potencia que el modo de sobreexcitación, pero en algunos casos se requiere más potencia. Esto se puede lograr aumentando el espacio, pero esto conduce a un aumento en el costo de la máquina y, por lo tanto, recientemente se ha planteado la cuestión de utilizar un modo de corriente de excitación negativa. Dado que el compensador síncrono en términos de potencia activa solo está cargado de pérdidas, según él, puede funcionar de manera estable y con poca excitación negativa.
En algunos casos, en periodos secos, para funcionamiento en modo compensador, también se utilizan generadores hidroelectricos.
Estructuralmente, los compensadores no difieren fundamentalmente de los generadores síncronos. Tienen el mismo sistema de imanes, sistema de excitación, enfriamiento, etc. Todos los compensadores síncronos de media potencia están enfriados por aire y están hechos con excitador y excitador.
Debido al hecho de que los compensadores síncronos no están diseñados para realizar un trabajo mecánico y no soportan una carga activa en el eje, tienen una construcción mecánicamente liviana. Los compensadores se fabrican como máquinas de velocidad relativamente baja (1000 - 600 rpm) con un eje horizontal y un rotor de polos convexos.
Un generador inactivo con excitación adecuada se puede utilizar como compensador síncrono.En un generador sobreexcitado aparece una corriente de compensación que es puramente inductiva con respecto a la tensión del generador y puramente capacitiva con respecto a la red.
Debe tenerse en cuenta que una máquina síncrona sobreexcitada, ya sea que funcione como generador o como motor, puede considerarse en relación con la red como una capacitancia, y una máquina síncrona no excitada como una inductancia.
Para pasar el generador conectado a la red al modo de compensación síncrona, basta con cerrar el acceso de vapor (o agua) a la turbina. En este modo, la turbina-generador sobreexcitada comienza a consumir una pequeña cantidad de potencia activa de la red solo para cubrir las pérdidas de rotación (mecánicas y eléctricas) y transfiere la potencia reactiva a la red.
En el modo de compensador síncrono, el generador puede funcionar durante mucho tiempo y depende únicamente de las condiciones de funcionamiento de la turbina.
Si es necesario, el generador de turbina se puede utilizar como compensador síncrono tanto con la turbina girando (junto con la turbina) como con esta apagada, es decir, con el embrague desmontado.
Hacer girar la turbina de vapor en el lado del generador que ha entrado en modo de conducción puede causar que la sección de cola de la turbina se sobrecaliente.