Compensateurs synchrones dans les réseaux électriques
Le compensateur synchrone est un moteur synchrone léger conçu pour un fonctionnement à vide.
Les principaux consommateurs d'énergie électrique, en plus de la puissance active, consomment des générateurs du système puissance réactive… Le nombre d'utilisateurs nécessitant de grands courants réactifs magnétisants pour créer et maintenir le flux magnétique comprend les moteurs asynchrones, les transformateurs, les fours à induction et autres. Par conséquent, les réseaux de distribution fonctionnent généralement avec un courant de retard.
La puissance réactive générée par le générateur est obtenue au moindre coût. Cependant, le transfert de puissance réactive des générateurs est associé à des pertes supplémentaires dans les transformateurs et les lignes de transmission. Par conséquent, pour obtenir de la puissance réactive, il devient économiquement avantageux d'utiliser des compensateurs synchrones situés aux sous-stations nodales du système ou directement aux consommateurs.
Les moteurs synchrones, grâce à l'excitation CC, peuvent fonctionner avec cos = 1 et ne consomment pas de puissance réactive du réseau, et pendant le fonctionnement, avec surexcitation, ils donnent de la puissance réactive au réseau. En conséquence, le facteur de puissance du réseau est amélioré et la chute de tension et les pertes y sont réduites, ainsi que le facteur de puissance des générateurs fonctionnant dans les centrales électriques.
Les compensateurs synchrones sont conçus pour compenser le facteur de puissance du réseau et maintenir le niveau de tension normal du réseau dans les zones où les charges des consommateurs sont concentrées.
Un compensateur synchrone est une machine synchrone fonctionnant en mode moteur sans charge sur l'arbre avec un courant alternatif dans le champ.
En mode surexcitation, le courant est en avance sur la tension secteur, c'est-à-dire qu'il est capacitif par rapport à cette tension, et en mode sous-excitation, il est en retard, inductif. Dans ce mode, la machine synchrone devient un compensateur - un générateur de courant réactif.
Le mode de fonctionnement surexcité du compensateur synchrone est normal lorsqu'il fournit de la puissance réactive au réseau.
Les compensateurs synchrones sont dépourvus de moteurs d'entraînement et, en termes de fonctionnement, sont essentiellement des moteurs de renvoi synchrones.
A cet effet, chaque compensateur synchrone est équipé d'un régulateur automatique d'excitation ou de tension, qui régule l'amplitude du courant d'excitation afin que la tension aux bornes du compensateur reste constante.
Afin d'améliorer le facteur de puissance et de réduire en conséquence l'angle de décalage entre le courant et la tension de la valeur de φw à φc, une puissance réactive est requise :
où P est la puissance active moyenne, kvar ; φsv — déphasage correspondant au facteur de puissance moyen pondéré ; φk — déphasage à obtenir après compensation ; a — un facteur égal à environ 0,9 entré dans les calculs pour tenir compte d'une éventuelle augmentation du facteur de puissance sans installation de dispositifs de compensation.
En plus de compensation de courant réactif charges industrielles inductives, des compensateurs de ligne synchrones sont nécessaires. Dans les longues lignes de transmission, à faible charge, la capacité de la ligne prévaut et elles fonctionnent avec un courant d'avance. Pour compenser ce courant, le compensateur synchrone doit fonctionner avec un courant de retard, c'est-à-dire avec une excitation insuffisante.
Avec une charge importante sur les lignes électriques, lorsque l'inductance des consommateurs d'électricité prévaut, la ligne électrique fonctionne avec un courant de retard. Dans ce cas, le compensateur synchrone doit fonctionner en avance, c'est-à-dire en surexcitation.
Une modification de la charge sur la ligne électrique entraîne une modification des flux de puissance réactive en amplitude et en phase et entraîne des fluctuations importantes de la tension de la ligne. A cet égard, il devient nécessaire de réglementer.
Les compensateurs synchrones sont généralement installés dans les sous-stations régionales.
Pour réguler la tension à l'extrémité ou au milieu des lignes électriques de transit, des sous-stations intermédiaires peuvent être créées avec des compensateurs synchrones, qui doivent réguler ou maintenir la tension inchangée.
Le fonctionnement de tels compensateurs synchrones est automatisé, ce qui crée la possibilité d'un contrôle automatique en douceur de la puissance réactive et de la tension générées.
Pour effectuer un démarrage asynchrone, tous les compensateurs synchrones sont munis de bobines de démarrage en parties polaires ou leurs pôles sont massifs. Dans ce cas, la méthode directe et, si nécessaire, la méthode de démarrage du réacteur sont utilisées.
Dans certains cas, des compensateurs puissants sont également mis en service à l'aide de moteurs à induction à phase de démarrage montés avec eux sur le même arbre. Pour la synchronisation avec le réseau, la méthode d'auto-synchronisation est généralement utilisée.
Les compensateurs synchrones ne développant pas de puissance active, la question de la stabilité statique du travail pour eux perd de son urgence. Pour cette raison, ils sont fabriqués avec un entrefer plus petit que les générateurs et les moteurs. La réduction de l'écart facilite le bobinage sur le terrain et réduit les coûts de la machine.
La puissance apparente nominale du compensateur synchrone correspond à son fonctionnement en surexcitation, c'est-à-dire la puissance nominale du compensateur synchrone est sa puissance réactive au courant d'avance, qu'il peut supporter longtemps en mode de fonctionnement.
Les valeurs de courant et de puissance de sous-excitation les plus élevées sont obtenues lors du fonctionnement en mode réactif.
Dans la plupart des cas, le mode de sous-excitation nécessite moins de puissance que le mode de surexcitation, mais dans certains cas, plus de puissance est nécessaire. Ceci peut être réalisé en augmentant l'entrefer, mais cela entraîne une augmentation du coût de la machine, et donc la question de l'utilisation d'un mode courant d'excitation négatif s'est récemment posée. Puisque le compensateur synchrone en termes de puissance active n'est chargé que de pertes, il peut, selon lui, fonctionner de manière stable et avec peu d'excitation négative.
Dans certains cas, en période sèche, pour un fonctionnement en mode compensateur, ils sont également utilisés générateurs hydroélectriques.
Structurellement, les compensateurs ne diffèrent pas fondamentalement des générateurs synchrones. Ils ont le même système d'aimant, système d'excitation, refroidissement, etc. Tous les compensateurs synchrones de moyenne puissance sont refroidis par air et fabriqués avec excitateur et excitateur.
Du fait que les compensateurs synchrones ne sont pas conçus pour effectuer un travail mécanique et ne supportent pas de charge active sur l'arbre, ils ont une construction mécaniquement légère. Les compensateurs sont produits sous forme de machines à vitesse relativement faible (1000 - 600 tr/min) avec un arbre horizontal et un rotor à pôles convexes.
Un générateur de ralenti avec une excitation appropriée peut être utilisé comme compensateur synchrone.Dans un générateur surexcité apparaît un courant d'égalisation purement inductif par rapport à la tension du générateur et purement capacitif par rapport au réseau.
Il faut garder à l'esprit qu'une machine synchrone surexcitée, qu'elle fonctionne en génératrice ou en moteur, peut être considérée par rapport au réseau comme une capacité, et une machine synchrone non excitée comme une inductance.
Pour passer le générateur connecté au réseau en mode compensateur synchrone, il suffit de fermer l'accès de la vapeur (ou de l'eau) à la turbine. Dans ce mode, le turbo-alternateur surexcité commence à consommer une petite quantité de puissance active du réseau uniquement pour couvrir les pertes de rotation (mécaniques et électriques) et transfère la puissance réactive au réseau.
En mode compensateur synchrone, le générateur peut fonctionner longtemps et ne dépend que des conditions de fonctionnement de la turbine.
Si nécessaire, le turbogénérateur peut être utilisé comme compensateur synchrone à la fois avec la turbine en rotation (avec la turbine) et avec elle à l'arrêt, c'est-à-dire avec l'embrayage démonté.
Faire tourner la turbine à vapeur du côté du générateur qui est passé en mode d'entraînement peut entraîner une surchauffe de la section de queue de la turbine.