Sincronoscopio
En los sistemas de energía eléctrica de CA , un sincrroscopio es un dispositivo que indica el grado en que dos sistemas ( generadores o redes eléctricas ) están sincronizados entre sí. [1]
Para que dos sistemas eléctricos estén sincronizados, ambos sistemas deben operar a la misma frecuencia y el ángulo de fase entre los sistemas debe ser cero (y dos sistemas polifásicos deben tener la misma secuencia de fase ). Los sincronoscopios miden y muestran la diferencia de frecuencia y el ángulo de fase entre dos sistemas de energía. Solo cuando estas dos cantidades son cero es seguro conectar los dos sistemas juntos. Es probable que la conexión conjunta de dos sistemas de alimentación de CA no sincronizados provoque el flujo de altas corrientes, lo que dañará gravemente cualquier equipo que no esté protegido por fusibles o disyuntores .
Principios de operacion
La ayuda más sencilla para sincronizar un generador con otro sistema utiliza lámparas conectadas entre fases similares de los dos sistemas; cuando las lámparas permanecen oscuras, el voltaje y la frecuencia de los dos sistemas son los mismos y el generador puede estar conectado. Sin embargo, la precisión de este enfoque es baja ya que es difícil discernir ligeras diferencias de fase y las lámparas no muestran las velocidades relativas de los dos sistemas. Los sincronoscopios son instrumentos que muestran la diferencia de frecuencia relativa (velocidad) y el ángulo de fase entre la máquina a sincronizar y el voltaje del sistema.
Dado que la mayoría de los sincronoscopios están conectados solo a una sola fase de los dos sistemas, no pueden asegurar que la secuencia de fases sea correcta. Cuando los generadores se conectan por primera vez a un sistema de energía, o se utilizan conexiones temporales, se requieren otros medios para asegurar que ambos sistemas tengan la misma secuencia de fase. Algunos generadores utilizan tanto un sincrroscopio como un juego de dos lámparas. Si las luces parpadean fuera de secuencia, entonces la secuencia de fase es incorrecta.
Los sincronoscopios son instrumentos electrodinámicos que se basan en la interacción de campos magnéticos para rotar un puntero. En la mayoría de los tipos, a diferencia de los voltímetros y vatímetros , no existe un par de resorte de restauración para superar los pares producidos magnéticamente; el sistema de puntero puede girar libremente. Los sincronoscopios tienen una paleta de amortiguación para suavizar la vibración del sistema en movimiento.
Un sincronoscopio de paletas polarizadas tiene un devanado de campo con una red de cambio de fase dispuesta para producir un campo magnético giratorio . Los devanados de campo están conectados a la máquina "entrante". Un devanado polarizador monofásico está conectado al sistema de "funcionamiento". Está montado perpendicular al devanado de campo y produce un flujo magnético que pasa a través de las paletas en movimiento. Las paletas en movimiento hacen girar un eje que lleva un puntero que se mueve sobre una escala. Si la frecuencia de la fuente conectada al devanado polarizador es diferente de la fuente conectada al devanado de campo, el puntero gira continuamente a una velocidad proporcional a la diferencia en las frecuencias del sistema (la frecuencia de batido). La escala está marcada para mostrar la dirección de rotación correspondiente a la máquina "entrante" que corre más rápido que el sistema "en funcionamiento". Cuando las frecuencias coinciden, las paletas móviles girarán a una posición correspondiente a la diferencia de fase entre las dos fuentes. A continuación, se puede ajustar la velocidad de la máquina entrante para que los dos sistemas estén en fase de concordancia.
En el instrumento de hierro en movimiento, una paleta de hierro está montada en un eje junto con el puntero. El devanado de campo es un devanado trifásico, con las fases conectadas tanto a la fuente de funcionamiento como a la de entrada a través de una red de "impedor" de cambio de fase que contiene resistencias, condensadores e inductores. En este instrumento, conceptualmente, el devanado de campo produce dos campos magnéticos giratorios debido a las fuentes de entrada y de funcionamiento. La paleta de hierro se mueve en respuesta a la suma resultante de los dos campos.
El sincronoscopio de bobina cruzada se parece un poco a un motor de inducción de campo devanado. Un devanado de rotor de dos fases está conectado a la fuente de entrada de la máquina mediante una red de cambio de fase a través de cepillos y anillos colectores. El devanado de campo estacionario está conectado a la fuente de entrada. [2]
En un sincrroscopio de patrón de Weston, el elemento en movimiento no puede girar libremente de forma continua y oscila hacia adelante y hacia atrás lentamente a medida que las dos fuentes se sincronizan. El puntero móvil está iluminado por una lámpara piloto conectada a un transformador de tres devanados alimentado por ambas fuentes. El puntero solo se ilumina en la condición en fase, por lo que se distingue entre condiciones en fase y fuera de fase de 180 grados.
Todos estos instrumentos utilizan conexiones monofásicas a los sistemas de entrada y de funcionamiento para simplificar el cableado. Para la mayoría de los sistemas, los sincronoscopios están conectados a través de transformadores de voltaje para reducir el voltaje de la máquina a alrededor de 120 voltios para operar los instrumentos. Los sincronoscopios operan solo en un rango limitado de frecuencias, un pequeño porcentaje por encima y por debajo de la frecuencia nominal del sistema. Los instrumentos del tipo de bobina cruzada consumen una cantidad relativamente grande de energía de los sistemas y están diseñados para un funcionamiento breve. Los instrumentos de hierro móvil y de paletas polarizadas suponen una carga menor para el sistema y pueden funcionar durante más tiempo sin sobrecalentarse. [2]
Los sistemas digitales electrónicos pueden medir y mostrar la diferencia del ángulo de fase directamente. La pantalla puede ser un anillo de LED discretos dispuestos para simular el efecto de un puntero moviéndose sobre una escala, con un color diferente de LED para indicar la condición "en fase". Estos instrumentos también pueden tener un contacto de relé para su uso por circuitos de control externos, para indicar sincronismo.
Proceso de sincronizacion
Los sincronoscopios se utilizan en cualquier planta de energía que se conecte a una red eléctrica exterior y también en plantas aisladas que contienen más de un generador. Cada generador debe estar sincronizado con los demás antes de conectarse al bus de la planta . Si los voltajes de línea son desiguales cuando están conectados, fluirá una corriente pesada ya que cada línea intentará igualar a la otra, causando daños en el proceso.
Cuando los operadores de un generador eléctrico desean conectarlo a la red, primero ponen en marcha el generador a una velocidad aproximadamente igual a la frecuencia de línea de la red con la que planean conectarse. El voltaje del generador luego se empareja con la red ajustando la corriente de campo / inducido. El sincrroscopio está conectado a la red eléctrica y al generador que se está poniendo en marcha.
Si el generador está girando a una frecuencia más baja que la red, el puntero del sincronoscopio gira continuamente en la dirección (generalmente en sentido antihorario) marcada como "lento" o "atrasado" en el dial para indicar que el generador está funcionando más lento que, o retrasado, la cuadrícula. Si el generador funciona más rápido que la red, el puntero gira continuamente en la dirección opuesta, marcada como "rápido" o "adelantado". A continuación, el operador de la planta ajusta la velocidad del generador hasta que esté funcionando exactamente a la misma velocidad (frecuencia) que la red. A medida que la frecuencia del generador se acerca a la de la rejilla, el puntero del sincronoscopio se ralentiza y cuando las frecuencias coinciden, el puntero deja de girar.
Entonces hay una tarea más que realizar antes de que el generador se pueda conectar a la red. Aunque el generador y la red funcionan ahora a la misma frecuencia, no están necesariamente en la misma posición en el ciclo de rotación. Si dos redes eléctricas que operan en dos ángulos de fase diferentes se conectaran entre sí, se produciría una falla similar a un cortocircuito , presentando un riesgo de daño al generador u otro equipo.
La posición (en oposición a la rotación) del puntero en un sincronoscopio indica el ángulo de fase entre los dos sistemas. El ángulo entre los sistemas es cero cuando el puntero del sincronoscopio está directamente en la línea entre las marcas "lento" y "rápido" en el dial. (En la imagen de ejemplo de este artículo, la posición del ángulo de fase cero es recta hacia arriba, en la posición de las "doce en punto").
La velocidad del motor primario se ajusta ligeramente de acuerdo con la indicación "lenta" o "rápida" del puntero. Un poco antes de que el puntero alcance la marca cero, el operador de la planta devuelve el generador a la frecuencia de red para detener la aguja cuando llega a la marca cero. Cuando el puntero está en cero y no se mueve, los dos sistemas están sincronizados.
Una vez que los dos sistemas están sincronizados, se pueden conectar de forma segura.
Dependiendo de la aplicación y el diseño del circuito, el disyuntor se cierra cuando el puntero del sincronoscopio pasa aproximadamente a las "once en punto", mientras se desplaza lentamente en la dirección rápida, dando tiempo para que el disyuntor se cierre. Esto tiene como objetivo evitar que el generador se conecte en paralelo a la red como carga del motor, lo que podría dañar el motor primario ( turbina de vapor o motor alternativo de combustión interna). La máquina puede protegerse de este incidente mediante un disparo de "potencia inversa".
En algunas plantas de energía, se puede conectar un conjunto de lámparas entre el generador y los buses del sistema (o entre los transformadores de instrumentos conectados a esos buses) como respaldo del instrumento sincronoscopio. Las lámparas parpadean ante la diferencia entre la frecuencia del sistema y del generador. Las lámparas se pueden conectar para apagarse cuando los voltajes de fase son idénticos y en fase. [1]
Vehículos multimotor
Además de sincronizar los generadores con los sistemas de energía, se utilizan instrumentos indicadores de diferencia de frecuencia similares en barcos y aeronaves de varios motores para permitir a los operadores sincronizar exactamente la velocidad de los motores. Esto ayuda a reducir el ruido y la vibración debidos a ligeras diferencias, por ejemplo, en las velocidades de dos hélices en un avión. En esta aplicación, un sincrroscopio responde a ligeras diferencias de velocidad que no serían visibles en un tacómetro de motor .
Referencias
- ^ a b Terrell Croft, Wilford Summers (ed.), undécima edición del manual de electricistas estadounidenses , Mc Graw Hill, 1987 ISBN 0-07-013932-6 págs. 7-46 - 7-48
- ^ a b Principios de funcionamiento y construcción de General Electric Electric Instruments , Departamento de instrumentos y medidores de General Electric, West Lynn, Mass. 1949, capítulo 7
enlaces externos
- Descripción técnica de cómo funciona un sincronoscopio.
- Programa que demuestra el funcionamiento de un sincronoscopio de nHance Technologies
- Aplicación de sincronoscopio interactivo
- Componentes de sistemas de energía eléctrica
