SINCRONOSCOPIO Un sincronoscopio es un instrumento que nos indica la sincronía de los generadores, mide la diferencia en los ángulos de fase de cualquier fase entre los dos sistemas. dos sistemas. No es un instrumento un instrumento de medición real, ya que no mide ningún tamaño eléctrico. Es necesario cuando tenemos que insertar un alternador un alternador síncrono en una línea de alimentación ya alimentada. Esta es una condición bastante común, los alternadores se desconectan y luego se reinsertan en la red eléctrica por varias razones. Veamos algunas de estas razones:
Mantenimiento o falla a los diversos órganos de la planta
Plantas de energía que trabajan solo durante unas pocas horas del día (plantas súper reguladoras, centrales de agua, etc.)
Plantas que solo se ejecutan durante algunos períodos del año (plantas de flujo fluido, etc.)
Plantas que solo funcionan cuando existen condiciones especiales (parques eólicos, maremotos, etc.)
De todo esto se deduce que es indispensable un instrumento capaz de sincronizar un generador con respecto a la red (que ha permanecido en tensión) en sincronía sincronía y luego conectarlos (comúnmente denominado "vincularlos en paralelo"). Si la entrada no se produce cuando existe la correlación de las fases (entre el alternador y la línea principal) el alternador puede fallar tanto en las partes eléctricas como en las mecánicas. La generación de energía eléctrica implica el que una central desde que se inicia a la producción energética no puede suministrar al momento energía a la red por diversas causas. La primera de ellas es que dependiendo del tipo de central como puede ser una térmica convencional o una nuclear necesita por lo menos un período entre 1 y 2 días para funcionar a plena potencia. Para que una central empiece a producir energía no basta con que la turbina gire y a su vez el eje de esta que va acoplado al alternador se mueva. De hecho cuando esto ocurre el alternador se dice que funciona en isla, es decir genera energía eléctrica pero se queda a la salida del alternador. Para que el alternador
produzca energía eléctrica y esa energía fluya por la red, debemos conseguir que las características de generación de dicho alternador cumplan unas condiciones. Esto es:
Que las tensiones de la red y del alternador sean iguales.
Que la frecuencia de giro del alternador sea igual a la frecuencia de la red (en nuestro caso 60 Hz)
Que las tensiones estén en fase, Esto quiere decir que el ángulo existente entre cada una de las fases del sistema trifásico de la red y del alternador sea 0º ya que en caso contrario, acoplar un alternador a la red si las tensiones no pulsan en fase podría provocar un cortocircuito trayendo consigo consecuencias fatales.
Para conseguir acoplar el alternador a la red sin que se produzca ningún problema de este tipo se utiliza lo que se conoce como sincronoscopio. Esto nos garantiza que las tensiones estén en sincronismo.
USO DE UN SINCRONOSCOPIO Se usa para la indicación de la diferencia de frecuencia y ángulo de fase entre dos generadores o un generador y la red, cuando se conectan en paralelo. Si la diferencia es cero, la aguja del instrumento permanece estacionaria en la marca del sincronismo situada en el centro de la escala. La escala del instrumento se divide en dos áreas marcadas con los signos (+) y (-). Estos signos indican si la maquina a conectar está a mayor o menor frecuencia que la otra, respectivamente. El sincronismo se efectúa cuando la aguja está en el lado (-) pero girando muy lentamente en la dirección (+). Si la aguja del instrumento comienza a girar en el sentido correcto cuando la diferencia de frecuencias es de 1.5 Hz para trifásico o de 0.5Hz para monofásico.
Los sincronoscopios se dividen en dos familias grandes.
Sincronoscopios electrodinámicos
Sincronoscopio de aguja giratoria
A. SINCRONOSCOPIOS ELECTRODINAMICOS Los sincroscopios electrodinámicos son compuestos de dos bobinas. Una bobina está fija y la otra es móvil. Una bobina se alimenta, a través de una resistencia adecuada, de la tensión de dos terminales correspondientes a la línea principal después del interruptor paralelo (la línea tiene tres fases: fase U, fase V, fase Z. La bobina se alimenta, por ejemplo, entre los pasos U y V ). La otra bobina es alimentada por una inductancia adecuada desde los dos terminales correspondientes a los de la línea principal, pero tomada antes del interruptor paralelo, es decir, tomada a la salida del alternador ( la línea tiene
tres fases: fase U ', fase V ', fase Z. La bobina se alimenta, siguiendo el primer ejemplo, entre los pasos U' y V '). De esta manera tenemos dos corrientes donde la primera está en fase con la tensión de la línea principal y la segunda está en cuadratura con respecto a la tensión existente en el alternador. Si hay concordancia de fase (es decir, hay sincronismo, por lo que es posible hacer el paralelo entre la línea y el alternador), la aguja del instrumento permanecerá inmóvil en el centro del dial. Si, sin embargo, la bobina móvil tenderá a desviar hacia la derecha o hacia la izquierda con respecto al centro del instrumento (esto depende de si los voltajes están en adelanto o en retraso con respecto al sistema), entonces no existe fase de correlación (por lo que no se puede hacer el paralelo entre la línea y el alternador). Si, al modificar algunos de los parámetros del alternador, se restablece el sincronismo, la aguja se colocará en el centro del instrumento. Si las dos frecuencias son ligeramente diferentes, el índice del instrumento oscilará alrededor del centro del instrumento con una frecuencia que viene dada por la diferencia de frecuencia (la frecuencia de la línea y la frecuencia del alternador síncrono). En este caso, primero deberá encontrar la misma frecuencia y luego buscar la condición de sincronismo.
B. SINCRONOSCOPIO DE AGUJA GIRATORIA Los sincroscopios de aguja giratoria están compuestos por un pequeño motor que puede girar en ambas direcciones. De nuevo en este caso, se alimenta de los voltajes existentes (el sistema principal y el generador síncrono). El rotor de este motor es un pequeño índice. Si la diferencia entre las frecuencias es muy alta, el rotor no podrá moverse debido a la inercia del instrumento. Si por el contrario la diferencia de frecuencia es bastante contenida, el rotor girará a la velocidad dada por la diferencia de frecuencia y más que la frecuencia de nuestro alternador que se aproxima a la frecuencia de la red y más de lo que el rotor tenderá a girar lentamente.
La dirección de rotación del sincronoscopio de aguja giratoria depende de cuál de las dos frecuencias es mayor. Cuando la frecuencia de nuestro alternador es idéntica a la frecuencia de línea, el rotor se detendrá en una posición determinada dependiendo de la diferencia de fase entre los dos voltajes. La ecuación de frecuencia y fase se obtiene solo cuando la aguja del instrumento se detiene en un punto preciso marcado en el instrumento (generalmente una flecha vertical). Por ello su constitución y funcionamiento es tal que la aguja se desplazará hacia donde se esté produciendo el desfase. Si la aguja gira hacia la derecha (hacia la posición Fast) la velocidad del generador entrante es ligeramente superior a la del que se está conectando a las barras. A medida que se acerquen a estar en fase, la aguja girará más lentamente.
SIMBOLOGIA
Conexión en paralelo de un alternador con la red BT
INSERCIÓN PRÁCTICA DE UN ALTERNADOR SÍNCRONO EN UNA LÍNEA ELÉCTRICA EN VIVO Si necesita hacer prácticamente la inserción de un alternador en una línea en vivo, el sincronizador es una herramienta indispensable, pero no es suficiente. Para hacer la inserción, los voltajes son los mismos (el voltaje de la planta y el alternador que se va a insertar), que las frecuencias son idénticas ( la frecuencia de la planta y la del alternador que se va a insertar ) y que hay condiciones de sincronicidad ( aquí está el instrumento ). Dada la necesidad práctica de dos voltímetros , dos medidores de frecuencia y un sincronoscopio, existe un único equipo llamado unidad de sincronización, que incluye todos los instrumentos mencionados anteriormente. Los voltímetros generalmente se superponen horizontalmente a la otra para comparar mejor los dos voltajes. Lo mismo para los dos medidores de frecuencia. Virtualmente ecualice las frecuencias (girando el rotor del alternador más o menos rápidamente) y luego ecualizando las tensiones (la corriente aumenta o disminuye en los devanados del rotor). Si el rotor gira más rápido, la frecuencia y el voltaje aumenta. Sin embargo, si la corriente aumenta en los devanados del rotor, solo aumenta el voltaje.
Cuando la frecuencia y el voltaje son prácticamente idénticos, probamos nuestro sincronismo mediante pequeños ajustes en los parámetros previos. Tan pronto como hayamos alcanzado el sincronismo, podemos cerrar el interruptor y, a partir de este momento, nuestro generador estará "en paralelo" a la línea. El generador ahora está "en paralelo" a la línea, pero no absorbe ni entrega energía. Para suministrar electricidad a la línea, es necesario aumentar el empuje del actuador en el rotor del alternador síncrono. Sin embargo, si tendemos a desacelerar el movimiento de rotación del alternador síncrono, el alternador actuará como un motor síncrono que suministra potencia mecánica.
METODOS DE SINCRONIZACION La figura nos muestra las oscilaciones de la tensión resultante entre la red y la maquina a acoplar, cuando siendo los valores eficaces de las tensiones de red y de maquina sensiblemente iguales, su frecuencia es algo distinta. Como se puede apreciar, la tensión resultante oscila entre un valor máximo igual al doble de la tensión de red y un valor nulo. La frecuencia de la curva envolvente de la tensión resultante es precisamente: f s
f 1
f 2
Siendo f1 la frecuencia de la maquina y f2 la frecuencia de la red. Esta diferencia de frecuencias es llamado desvío de frecuencia.
De estas condiciones se desprende que será preciso contar con algún dispositivo peculiar que indique la igualdad de las tensiones y frecuencias y el instante exacto de cerrar el interruptor de conexión de la maquina sincronía a la red. El equipo mas simple y que todavía podemos ver en instalaciones de muy pequeña potencia y baja tensión, como laboratorios de pruebas, grupos de emergencia simples, centrales locales de pequeña potencia,, es el sincronoscopio de lámparas y dos voltímetros. Verificada en un principio y una vez por siempre la secuencia de fases del alternador y de la red, se conectan tres lámparas entre los bornes homólogos de entrada y de salida del interruptor de conexión, lamparas de fase, cuya tensión nominal debe ser el doble de la tensión compuesta de la red.
Estas lámparas en tanto las tensiones de alternador y de barras no sean iguales y no tengan igual frecuencia se encenderán y apagaran continuamente (centelleo) con la periodicidad correspondiente al desvío de frecuencia. Regulando la excitación del alternador para igualar las tensiones, que mediremos con el voltímetro conectado a las barras y el conectado al alternador y accionando el
regulador de velocidad del motor primario que mueve el alternador, en el sentido de alcanzar la igualdad de frecuencias, las oscilaciones del encendido de las lámparas se harán cada vez mas largas, facilitando la maniobra de conexión que se realizara en los instantes en que las tres lámparas están apagadas. La no coincidencia en el tiempo del centelleo de las tres lámparas indicaría que la secuencia de las tensiones del alternador y de barras no es la misma debiéndose proceder antes de la sincronización a cambiar el orden de sucesión de fases sobre las barras, o sobre el alternador, trasponiendo dos de las tres Bornes hasta alcanzar esta coincidencia. Método de la lámpara apagada
Esta maniobra de sincronización, llamadas lámparas apagadas, difiere de las lámparas encendidas, en que las lámparas, se conectan a fases distintas siguiendo un orden cíclico, debiéndose cerrar en este caso el interruptor de acoplamiento en los instantes en que las lámparas simultáneamente alcanzan su máximo brillo. Debido a que las lámparas de incandescencia dejan prácticamente de lucir en cuanto la tensión aplicada desciende del 40% de la nominal algunos electricistas prefieren la conexión a lámparas encendidas, alegando en su favor que se precisa mejor el instante de máximo brillo que el instante de apagado con tensión nula.
Tanto uno como otro adolecen del inconveniente de que en ausencia de otro medio de información no se sabe si se debe aumentar o reducir la velocidad del motor de accionamiento para tender a igualar las frecuencias. Método de la lámpara encendida
De aquí que una vez determinados con toda seguridad los bornes homólogos del alternador y de las barras, se prefiera el esquema de la siguiente figura, en el cual las tres lámparas dispuestas en los vértices de un triangulo equilátero están conectados una sobre la misma fase de las barras y del alternador (bornes homólogos del interruptor) y las otras dos sobre fases cruzadas. El conjunto de las tres lámparas va cubierto con un vidrio deslustrado. Las oscilaciones de las tensiones aplicadas a las lámparas, en tanto las frecuencias no llegan a ser iguales, motivan que la secuencia de brillo de las mismas den la impresión sobre el brillo de una luz giratoria, con una velocidad y sentido de giro dependiente de la magnitud y signo de frecuencia de desvío. Si la velocidad del alternador es inferior a la de sincronismo, la luz gira en un sentido y cuando es mayor en sentido opuesto. Por tanto una vez definido el signo de sentido de giro de la mancha luminosa se sabe ya de antemano si se debe aumentar o reducir la velocidad del alternador a acoplar. El instante de la conexión viene determinado por la parada de la mancha luminosa, que corresponde al apagado de la lámpara 1 y al máximo brillo simultáneo de las lámparas 2 y 3.
En instalaciones de mayor importancia, ya sea por el numero de maquinas a acoplar o por la potencia de las mismas, se emplea un conjunto de aparatos, montados sobre un brazo saliente y giratorio del cuadro de maniobra y medida de la central, compuesto de dos voltímetros, dos frecuencímetros, un voltímetro de cero y un sincronoscopio de aguja, cuya misión es indicar en que sentido debe modificarse la velocidad del alternador para alcanzar la igualdad de frecuencia. En las grandes unidades y en muchas instalaciones modernas de mediana importancia se recurre al uso de dispositivos de acoplamiento en paralelo totalmente automáticos, dispositivos imprescindibles en las centrales automáticas y en las de mando a distancia. Fundamentalmente constan de un sincronoscopio que aprecia la diferencia de fases entre las tensiones homologas del alternador y de las barras, y un sistema de relés que a tenor de la diferencia entre aquellas tensiones y del valor de la derivada de la suma determinan el instante en que debe darse la orden de conexión al interruptor automático de acoplamiento.
