Синхронная машина — это бесколлекторная машина переменного тока, у которой в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте тока в цепи, подключенной к обмотке якоря, не зависит от нагрузки в области допустимых нагрузок (ГОСТ 27471-87).
Синхронный компенсатор (СК) — это синхронная машина, работающая без механической нагрузки, предназначенная для выдачи или потребления реактивной мощности (СТ МЭК 50(411)—73).
Энергосистема вырабатывает активную и реактивную энергию, между которыми имеется существенное различие.
Активная электроэнергия преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т. д.), необходимые для выполнения полезной работы.
Реактивная же энергия в другие виды энергии не переходит, а связана лишь с ее переносом от электрических полей к магнитным и обратно. Она создает условия, при которых активная энергия совершает работу, например, создает вращающие моменты в асинхронных двигателях, обеспечивает требуемое реактивное сопротивление в коротких цепях (например, при электросварке) и т. д.
Многие электроприемники наряду с активной мощностью потребляют и реактивную, причем у некоторых из них (например, у сварочных трансформаторов) доля потребления реактивной мощности превосходит долю потребления активной. Это вызывает дополнительные потери электроэнергии и напряжения в сети, ухудшает пропускную способность сетей и требует значительных затрат на компенсацию реактивной мощности.
С одной стороны, реактивная мощность необходима потребителям электрической энергии, например, приводным асинхронным двигателям (для создания вращающего момента на их валу), сварочным трансформаторам (для получения крутопадающей внешней характеристики вторичного контура сварочного трансформатора с целью стабилизации сварочного тока), люминесцентным светильникам, реакторам и др.
С другой стороны, для обеспечения надлежащих технико-экономических показателей работы электрических сетей и повышения их пропускной способности величину реактивной мощности стремятся снизить за счет ее компенсации.
Передача реактивной мощности связана с потерями энергии (активной и реактивной) практически во всех элементах электросети: в ЛЭП, трансформаторах и распределительных сетях.
СК являются экономичным регулируемым источником реактивной мощности в энергосистемах, особенно на ПС дальних ЛЭП высоких и сверхвысоких напряжений. С помощью СК в зависимости от изменения нагрузок регулируют напряжение на шинах приемной и промежуточных ПС, компенсируют потоки реактивной мощности по линиям и обеспечивают повышение их пропускной способности. Кроме того, СК поддерживают динамическую устойчивость энергосистем при КЗ.
Кроме синхронных генераторов источниками реактивной мощности в электрических сетях являются емкостные элементы сети: силовые конденсаторные батареи, ЛЭП (особенно ЛЭП высших классов напряжения), перевозбужденные синхронные двигатели, СК и др., работающие параллельно с генераторами электростанций.
Отдача или получение реактивной мощности связана в основном с уровнем возбуждения синхронной машины, а именно:
увеличение тока возбуждения приводит к увеличению генерирования реактивной мощности;
снижение тока возбуждения приводит к противоположному результату.
СК может работать в режимах недовозбуждения или перевозбуждения.
Режим недовозбуждения характеризуется тем, что если ток возбуждения уменьшать, то в токе, потребляемом СК от сборных шин ПС, будет возрастать индуктивная составляющая, что вызовет потребление из сети реактивной мощности с соответствующим возрастанием потерь в сети.
В режиме перевозбуждения ток возбуждения превышает ток ХХ и СК потребляет из сети опережающий ток, что соответствует отдаче в сеть реактивной мощности.
Таким образом, по отношению к сети СК в зависимости от тока возбуждения ведет себя как индуктивность или как емкость, являясь, соответственно, потребителем или источником реактивной мощности.
