Sincronoscopio

En los sistemas de energía eléctrica de CA, un sincronoscopio es un dispositivo que indica el grado en que dos sistemas (generadores o redes eléctricas) están sincronizados entre sí.

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 fases). Los sincronoscopios miden y muestran la diferencia de frecuencia y el ángulo de fase entre dos sistemas de energía. Sólo cuando estas dos cantidades son cero es seguro conectar los dos sistemas entre sí. Es probable que conectar dos sistemas de alimentación de CA no sincronizados juntos provoque el flujo de corrientes elevadas, lo que dañará gravemente cualquier equipo que no esté protegido por fusibles o disyuntores.

Principios de funcionamiento

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 apagadas, el voltaje y la frecuencia de los dos sistemas son los mismos y se puede conectar el generador. 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 relativa de frecuencia (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 garantizar que la secuencia de fases sea correcta. Cuando los generadores se conectan recientemente a un sistema de energía, o se utilizan conexiones temporales, se requieren otros medios para garantizar que ambos sistemas tengan la misma secuencia de fases. Algunos generadores utilizan tanto un sincronoscopio como un juego de dos lámparas. Si las lámparas parpadean fuera de secuencia, entonces la secuencia de fases es incorrecta.

Los sincronoscopios son instrumentos electrodinámicos que dependen de la interacción de campos magnéticos para girar un puntero. En la mayoría de los tipos, a diferencia de los voltímetros y vatímetros, no existe un par de resorte restaurador que los pares producidos magnéticamente deban superar; el sistema de puntero puede girar libremente. Los sincronoscopios tienen una paleta amortiguadora para suavizar la vibración del sistema en movimiento.

Un sincronoscopio de paletas polarizadas tiene un devanado de campo con una red de desplazamiento de fase dispuesta para producir un campo magnético giratorio. Los devanados de campo están conectados al circuito "entrante" máquina. Un devanado polarizador monofásico está conectado al cable "en funcionamiento" sistema. Está montado perpendicular al devanado de campo y produce un flujo magnético que pasa a través de las paletas móviles. Las paletas móviles 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 dirección "entrante" máquina que funciona más rápido que la máquina "en funcionamiento" sistema. Cuando las frecuencias coinciden, las paletas móviles girarán a una posición correspondiente a la diferencia de fase entre las dos fuentes. Luego se puede ajustar la velocidad de la máquina entrante para que los dos sistemas estén en fase de acuerdo.

En el instrumento de hierro móvil, 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 un "impedor" de desplazamiento de fase. Red que contiene resistencias, condensadores e inductores. En este instrumento, conceptualmente el devanado de campo produce dos campos magnéticos giratorios debido a las fuentes en funcionamiento y entrantes. 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 bobinado. Un devanado de rotor de dos fases está conectado a la fuente entrante de la máquina mediante una red de cambio de fase a través de escobillas y anillos colectores. El devanado de campo estacionario está conectado a la fuente entrante.

En un sincronoscopio de patrón Weston, el elemento móvil no tiene libertad para girar continuamente y oscila lentamente hacia adelante y hacia atrás 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 de fase, distinguiendo así entre condiciones de fase y desfase de 180 grados.

Todos estos instrumentos utilizan conexiones monofásicas a los sistemas de corriente y de entrada 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 funcionan sólo 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 extraen una cantidad relativamente grande de energía de los sistemas y están diseñados para una operación breve. Los instrumentos de hierro móvil y paletas polarizadas suponen menos carga para el sistema y pueden funcionar durante más tiempo sin sobrecalentarse.

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 que se mueve sobre una escala, con un color diferente de LED para indicar la fase "en fase" condición. Estos instrumentos también pueden tener un contacto de relé para uso de circuitos de control externos, para indicar sincronismo.

Proceso de sincronización

Los sincronoscopios se utilizan en cualquier central eléctrica que se conecte a una red eléctrica exterior y también en plantas aisladas que contengan más de un generador. Cada generador debe sincronizarse con los demás antes de conectarse al bus de la planta. Si los voltajes de las líneas son desiguales cuando están conectadas, fluirá una fuerte corriente cuando 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 hacen girar el generador a una velocidad aproximadamente igual a la frecuencia de línea de la red a la que planean conectarse. Luego, el voltaje del generador se iguala con el de la red ajustando la corriente de campo/inducido. El sincroscopio está conectado a la red eléctrica y al generador que se está arrancando.

Si el generador gira a una frecuencia más baja que la red, el puntero del sincroscopio gira continuamente en la dirección (generalmente en sentido contrario a las agujas del reloj) marcada como "lenta"; o "retraso" en el dial para indicar que el generador está funcionando más lento que la red o atrasado. Si el generador funciona más rápido que la red, el puntero gira continuamente en la dirección opuesta, marcada como "rápida" o "plomo". A continuación, el operador de la planta ajusta la velocidad del generador hasta que funcione exactamente a la misma velocidad (frecuencia) que la red. A medida que la frecuencia del generador se acerca a la de la red, el puntero del sincroscopio se ralentiza y cuando las frecuencias coinciden, el puntero deja de girar.

Luego queda una tarea más por realizar antes de que el generador pueda conectarse a la red. Aunque el generador y la red ahora funcionan a la misma frecuencia, no necesariamente se encuentran entre sí en la misma posición en el ciclo de rotación. Si dos redes eléctricas que funcionan 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 otros equipos.

La posición (en contraposición 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 sincroscopio está directamente en la línea entre las líneas "lentas" y "rápido" marcas en la esfera. (En el ejemplo de imagen de este artículo, la posición del ángulo de fase cero está recta hacia arriba, en la posición "12 en punto").

La velocidad del motor primario se ajusta ligeramente según la velocidad "lenta". o "rápido" indicación 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 la red para detener la aguja cuando alcanza la marca cero. Cuando el puntero está en cero y no se mueve, los dos sistemas están sincronizados.

Una vez que los dos sistemas estén sincronizados, se podrán conectar de forma segura. Dependiendo de la aplicación y el diseño del circuito, el operador cierra la pausa cuando el puntero del sincroscopio pasa aproximadamente por las "11 en punto", mientras se desplaza lentamente en la dirección rápida. La idea es que cuando el disyuntor haga contacto, la diferencia de fase sea cercana a cero (las 12 en punto). La frecuencia ligeramente más rápida tiene como objetivo evitar que el generador se conecte en paralelo a la red como carga del motor, lo que podría dañar el motor principal (turbina de vapor o motor de combustión interna alternativo). La máquina puede protegerse de este suceso mediante un interruptor de "potencia inversa". viaje.

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 sincroscopio. Las lámparas parpadean ante la diferencia entre la frecuencia del sistema y del generador. Las lámparas se pueden conectar para que se apaguen cuando los voltajes de fase sean idénticos y estén en fase.

Vehículos multimotor

Además de sincronizar generadores con sistemas de energía, se utilizan instrumentos indicadores de diferencia de frecuencia similares en barcos y aviones multimotor para permitir a los operadores sincronizar exactamente la velocidad de los motores. Esto ayuda a reducir el ruido y las vibraciones debidas a ligeras diferencias, por ejemplo, en las velocidades de dos hélices de un avión. En esta aplicación, un sincronoscopio responde a ligeras diferencias de velocidad que no serían visibles en un tacómetro de motor.