同期コンデンサ

電気工学において、同期コンデンサ（シンコン、同期コンデンサ、同期補償装置とも呼ばれる）は、シャフトがどこにも接続されておらず自由に回転する、直流励磁の同期モータである。 ^[1]その目的は、電力を機械力に変換したり、その逆を行ったりすることではなく、電力送電網の状態を調整することである。その界磁は電圧レギュレータによって制御され、必要に応じて無効電力を生成または吸収して、網の電圧を調整するか、力率を改善する。コンデンサの設置と操作は、大型の電動モータや発電機と同一である（一部の発電機は、実際には原動機を外した状態で同期コンデンサとして動作できるようになっている^[2]）。

デバイスの磁場励起を増加させると、無効電力（var単位で測定）がシステムに供給されます。主な利点は、補正量を簡単に調整できることです。

同期コンデンサは、電力網の力率補正のためのコンデンサバンクや静的VAR補償装置の代替手段です。 ^[3]同期コンデンサの利点の1つは、無効電力の量を連続的に調整できることです。コンデンサバンクからの無効電力はグリッド電圧が低下すると減少しますが、同期コンデンサからの無効電力は電圧が低下すると本質的に増加します。^[1] さらに、同期コンデンサは電力変動や電圧の大幅な低下に対してより耐性があります。^[3]ただし、同期マシンは静的コンデンサバンクよりもエネルギー損失が高くなります。^[1]

電力網に接続されている同期コンデンサのほとんどは、20 MVAR（メガバール）から200 MVARの定格で 、多くは水素冷却式です。水素濃度が70％以上、通常は91％以上に維持されている限り、爆発の危険はありません。^[4]同期コンデンサは長さ8メートル、高さ5メートル、重量170トンにもなります。^[5]

同期コンデンサは電力網の安定化にも役立ちます。機械の慣性応答とそのインダクタンスは、短絡や電気アーク炉によって生じるような負荷の急激な変動時に電力システムを安定化するのに役立ちます。このため、同期コンデンサの大規模な設備は、交流電力網に無効電力を供給するために、高電圧直流変換所と組み合わせて使用​​されることがあります。同期コンデンサは、電力網間の切り替えを容易にし、タービンベースの発電機が太陽エネルギーや風力エネルギーに置き換えられるにつれて電力網を安定化させるためにも使用されています。 [ ^{6 ] [7] [3]}

磁場内で回転するコイル^[8]は、正弦波電圧を発生する傾向があります。回路に接続すると、システムの電圧がこの開回路電圧とどの程度異なるかに応じて、いくらかの電流が流れます。機械的トルク（モーターによって生成され、発電機に必要なトルク）は、有効電力にのみ対応することに注意してください。無効電力はトルクを生成しません。

同期モーターの機械的負荷が増加すると、界磁励起に関係なくステータ電流が増加します。不足励起モーターと過剰励起モーターの両方において、力率(pf) は機械的負荷の増加とともに 1 に近づく傾向があります。この力率の変化は、負荷の増加による 変化よりも大きくなります。${\displaystyle I_{a}}$${\displaystyle I_{a}}$

電機子電流の位相は、界磁励起によって変化します。電流は、励起値が低い場合と高い場合で大きな値を持ちます。その間では、電流は特定の励起に対応する最小値を持ちます (右のグラフを参照)。励起による変化は、その形状から 曲線として知られています。${\displaystyle I}$${\displaystyle V}$

同じ機械的負荷の場合、電機子電流は広範囲にわたって界磁励起とともに変化するため、力率もそれに応じて変化します。過剰励起の場合、モーターは進み力率で動作し（グリッドに無効電力を供給し）、不足励起の場合、遅れ力率で動作します（グリッドから無効電力を吸収します）。その中間では、力率は 1 です。最小電機子電流は、力率 1 の点（電圧と電流が同相）に対応します。

同期モータと同様に、機械のステータは 3 相電圧源(一定と仮定) に接続され、これにより機械内に回転磁界が生成されます。同様に、ロータは DC 電流で励起され、電磁石として機能します。通常の動作では、ロータ磁石は同期速度でステータ磁界に従います。回転する電磁石は、機械が同期発電機であるかのように、ステータ巻線に 3 相電圧を誘導します。機械が機械的、磁気的、または電気的損失のない理想的なものであると考えられる場合、その等価回路は、ステータの巻線インダクタンスと直列に接続された AC 発電機になります。 の大きさは励起電流と回転速度に依存し、回転速度は固定されているため、のみに依存します。が値 に臨界的に調整された場合、は と等しく反対になり、ステータの電流はゼロになります。これは、上に示した曲線の最小値に対応します。ただし、を より大きくすると はを超え、その差は固定子インダクタンス に現れる電圧によって説明されます。 ここで は固定子リアクタンスです。これで固定子電流はゼロではなくなります。マシンは理想的なので、、および はすべて同相になり、完全に無効になります (つまり、位相が直交します)。マシンの端子の供給側から見ると、負の無効電流が端子から流れ出るため、マシンはコンデンサのように見え、 がより大きくなるにつれてリアクタンスの大きさが低下します。をより小さく調整すると はを超え、正の無効電流がマシンに流れ込みます。すると、マシンはインダクタのように見え、 がさらに小さくなるにつれてリアクタンスが低下します。これらの条件は、V 曲線 (上記) の 2 つの上昇アームに対応します。損失のある実際のマシンでは、等価回路には、機械的損失と磁気的損失を表す端子と並列の抵抗器、および発電機と L に直列の別の抵抗器 (固定子の銅損を表す) が含まれます。したがって、実際のマシンでは小さな同相成分が含まれ、ゼロに低下することはありません。 ${\displaystyle V_{s}}$${\displaystyle I_{e}}$${\displaystyle V_{g}}$${\displaystyle L}$${\displaystyle V_{g}}$${\displaystyle I_{e}}$${\displaystyle V_{g}}$${\displaystyle I_{e}}$${\displaystyle I_{e}}$${\displaystyle I_{\text{e0}}}$${\displaystyle V_{g}}$${\displaystyle V_{s}}$${\displaystyle I_{s}}$${\displaystyle I_{e}}$${\displaystyle I_{\text{e0}}}$${\displaystyle V_{g}}$${\displaystyle V_{s}}$${\displaystyle V_{1}}$${\displaystyle L}$${\displaystyle V_{L}=I_{s}X_{L}}$${\displaystyle X_{L}}$${\displaystyle I_{s}}$${\displaystyle V_{g}}$${\displaystyle V_{L}}$${\displaystyle V_{s}}$${\displaystyle I_{s}}$${\displaystyle I_{r}}$${\displaystyle I_{\text{s0}}}$${\displaystyle I_{e}}$${\displaystyle I_{\text{e0}}}$${\displaystyle V_{s}}$${\displaystyle V_{g}}$${\displaystyle I_{e}}$${\displaystyle I_{s}}$

過剰励磁同期モーターは進み力率を持ちます。このため、産業負荷の力率補正に役立ちます。変圧器と誘導モーターは両方とも、ラインから遅れ (磁化) 電流を引き出します。負荷が軽い場合、誘導モーターが引き出す電力には大きな無効成分があり、力率は低い値になります。無効電力を供給するために流れる追加電流により、電力システムで追加の損失が発生します。産業プラントでは、同期モーターを使用して、誘導モーターに必要な無効電力の一部を供給できます。これにより、プラントの力率が向上し、グリッドから必要な無効電流が削減されます。

同期コンデンサは、最大 150% の追加無効電力を生成する能力を備えた、無段階の自動力率補正を提供します。システムはスイッチング過渡現象を生成せず、システムの電気的高調波の影響を受けません(一部の高調波は同期コンデンサによって吸収されることもあります)。過剰な電圧レベルは生成されず、電気的共振の影響を受けません。同期コンデンサの回転慣性により、非常に短い電力低下時に限定的な電圧サポートを提供できます。

回転同期コンデンサは1930年代に導入され^[2]、1950年代には一般的でしたが、コストが高いため、最終的には新しい設備で静止型無効電力補償装置（SVC）に置き換えられました。^{[2]コンデンサの過熱や壊滅的な故障を引き起こす高調波の問題が発生したため、回転同期コンデンサは力率改善用の}コンデンサの代替（または補助）であり続けています。同期コンデンサは、電圧レベルのサポートにも役立ちます。コンデンサバンクによって生成される無効電力は、その端子電圧の2乗に正比例し、システム電圧が低下すると、最も必要なときにコンデンサが生成する無効電力が少なくなります。 ^[2]一方、システム電圧が増加すると、コンデンサが生成する無効電力が増加し、問題が悪化します。対照的に、一定のフィールドでは、同期コンデンサは当然、低電圧に多くの無効電力を供給し、高電圧からより多くの無効電力を吸収し、さらにフィールドを制御できます。この無効電力は、大型モーターの始動時や、電力を発電場所から使用場所まで長距離移動させる必要がある場合（相互接続された一連の電力システム内のある地理的地域から別の地理的地域に電力を伝送する 電力輪送の場合など）などの状況で、電圧調整を改善します。

SVCと比較すると、同期コンデンサにはいくつかの利点があります。^[2]

• 回転慣性により短絡状態を乗り切ることができます。
• 無効電力供給は線間電圧に依存しません。
• 過負荷に対する感受性は比較的低く、通常は容量の 110 ～ 120% で 30 分間動作し、定格無効電力の最大 200% を短時間供給できます。

同期コンデンサは、動的力率補正システムとも呼ばれます。これらのマシンは、高度な制御を利用すると非常に効果的です。PFコントローラとレギュレータを備えたPLCベースのコントローラを使用すると、システムを特定の力率に合わせて設定したり、指定された量の無効電力を生成するように設定したりできます。

電力システムでは、同期コンデンサは、特に誘導性リアクタンスと抵抗の比率が比較的高い線路において、長い送電線の電圧を制御するために使用できます。^[9]

専用ユニットに加えて、既存の蒸気タービンまたは燃焼タービンを改造して同期装置として使用することもできます。この場合、タービンに補助始動モーターを取り付けたり、既存の発電機を電気始動手段として使用したり、既存のタービン/燃料源と同期セルフシフト (SSS) クラッチを取り付けたりすることができます。^[10]発電機のシャフト/カップリングは一般に始動時に課されるトルクに耐えられないため、始動には既存の発電機ではなく別のスターター モーターを使用することをお勧めします。純粋に電気的な始動方法を使用する場合、同期装置はスターター モーターを使用して初期始動を行い、発電機または補助モーターは無効電力を生成するために必要な回転慣性をシステムに提供します。SSS クラッチの改造では、既存のタービン セットアップが大部分再利用されます。ここで、タービンは既存の燃料源を使用して始動し、グリッドに同期します。このとき、SSS クラッチがタービンと発電機を切り離します。発電機はグリッド エネルギーを使用して回転し続け、必要に応じて進みまたは遅れの無効電力を提供します。それぞれの設定には長所と短所があります。電気駆動のみのシステムでは古いタービンからの燃焼は必要ありませんが、古い発電システムでは一般的に同じ燃料タイプの新しいシステムよりも多くの排出量が発生しますが、燃焼駆動システムでは必要に応じて有効電力と無効電力を交互に生成することができます。^[11]

• 静的同期補償装置
• 静的VAR補償装置
• 統合電力フローコントローラ

• Kundur, Prabha (1994 年 1 月 22 日)。「無効電力と電圧制御」(PDF)。電力システムの安定性と制御。McGraw-Hill Education。627 ～ 687 ページ。ISBN 978-0-07-035958-1. OCLC  1054007373.

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• 同期機と同期コンデンサに関する短期コース