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. [1]
Para que dos sistemas eléctricos estén sincronizados, ambos sistemas deben funcionar 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. Solo cuando estas dos cantidades son cero es seguro conectar los dos sistemas entre sí. Es probable que la conexión de dos sistemas de energía de CA no sincronizados entre sí provoque el flujo de corrientes elevadas, lo que dañará gravemente cualquier equipo que no esté protegido por fusibles o disyuntores .
La ayuda más sencilla para sincronizar un generador con otro sistema son las 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 el generador puede estar conectado. Sin embargo, la precisión de este método es baja, ya que es difícil discernir pequeñas 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 (velocidad) relativa y el ángulo de fase entre la máquina que se va a sincronizar y el voltaje del sistema.
Dado que la mayoría de los sincronoscopios se conectan únicamente a una única 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 conjunto de dos lámparas. Si las lámparas parpadean fuera de secuencia, entonces la secuencia de fases es incorrecta.
Los sincronoscopios son instrumentos electrodinámicos que se basan en la interacción de campos magnéticos para hacer girar un puntero. En la mayoría de los tipos, a diferencia de los voltímetros y vatímetros , no existe un resorte de recuperación que supere el par producido magnéticamente; el sistema de puntero puede girar libremente de forma continua. Los sincronoscopios tienen una paleta amortiguadora para suavizar la vibración del sistema móvil.
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 "en marcha". 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 máquina "entrante" que funciona más rápido que el sistema "en marcha". Cuando las frecuencias coinciden, las paletas móviles girarán a una posición correspondiente a la diferencia de fase entre las dos fuentes. La máquina entrante se puede ajustar entonces en velocidad para que los dos sistemas estén en concordancia de fase.
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 las fuentes de funcionamiento como a las de entrada a través de una red de "impedidores" 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 funcionamiento y de entrada. 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 bifásico está conectado a la fuente de entrada 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 de entrada. [2]
En un sincronoscopio de patrón Weston, el elemento móvil no puede girar libremente de forma continua y oscila lentamente hacia adelante y hacia atrás a medida que las dos fuentes se ponen en sincronismo. 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, lo que permite distinguir entre condiciones en fase y desfasadas de 180 grados.
Todos estos instrumentos utilizan conexiones monofásicas a los sistemas de entrada y de funcionamiento para simplificar el cableado. En la mayoría de los sistemas, los sincronoscopios se conectan a través de transformadores de tensión para reducir la tensión de la máquina a unos 120 voltios para que funcionen los instrumentos. Los sincronoscopios funcionan solo en un rango limitado de frecuencias, un pequeño porcentaje por encima y por debajo de la frecuencia nominal del sistema. Los instrumentos de tipo de bobina cruzada consumen una cantidad relativamente grande de energía de los sistemas y están destinados solo 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 electrónicos digitales pueden medir y mostrar directamente la diferencia de ángulo de fase. 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 de LED diferente para indicar la condición de "en fase". Estos instrumentos también pueden tener un contacto de relé para que lo utilicen circuitos de control externos, para indicar sincronismo.
Los sincronoscopios se utilizan en cualquier planta eléctrica que se conecte a una red eléctrica externa y también en plantas aisladas que contengan más de un generador. Cada generador debe estar sincronizado con los demás antes de ser conectado al bus de la planta . Si los voltajes de línea son desiguales cuando se conectan, fluirá una corriente intensa 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 la red a la que planean conectarse. Luego, el voltaje del generador se adapta a la red ajustando la corriente de campo/inducido. El sincronoscopio se conecta 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 (normalmente en sentido contrario a las agujas del reloj) marcada como "lento" o "rezagado" en el cuadrante para indicar que el generador está funcionando más lento que la red o que va atrasado con respecto a ella. Si el generador está funcionando 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 funciona 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 sincronoscopio disminuye su velocidad y, cuando las frecuencias coinciden, el puntero deja de girar.
Hay una tarea más que realizar antes de que el generador pueda conectarse a la red. Aunque el generador y la red ahora funcionan a la misma frecuencia, no están necesariamente en la misma posición en el ciclo rotacional. Si se conectaran entre sí dos redes eléctricas que funcionan con dos ángulos de fase diferentes, se produciría una falla similar a un cortocircuito , lo que representaría un riesgo de daño para el generador o para otros equipos.
La posición (en contraposición a la rotación) de la aguja del sincronoscopio indica el ángulo de fase entre los dos sistemas. El ángulo entre los sistemas es cero cuando la aguja del sincronoscopio está directamente sobre la línea entre las marcas "lenta" y "rápida" de la esfera. (En el ejemplo de imagen de este artículo, la posición del ángulo de fase cero está hacia arriba, en la posición de las "12 en punto").
La velocidad del motor primario se ajusta ligeramente según la indicación "lenta" o "rápida" de la aguja. Un poco antes de que la aguja llegue a la marca cero, el operador de la planta devuelve el generador a la frecuencia de la red para detener la aguja cuando llega a la marca cero. Cuando la aguja 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. Según la aplicación y el diseño del circuito, el operador cierra el disyuntor cuando la aguja del sincronoscopio pasa aproximadamente por las "11 en punto", mientras se desplaza lentamente en la dirección rápida. La idea es que cuando el disyuntor hace contacto, la diferencia de fase sea cercana a cero (12 en punto). La frecuencia ligeramente más rápida tiene como objetivo evitar que el generador se conecte en paralelo a la red como una carga del motor, lo que podría dañar el motor primario ( turbina de vapor o motor de combustión interna alternativo). La máquina puede estar protegida de esta situación mediante un disparo de "potencia inversa".
En algunas centrales eléctricas, 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 con la diferencia entre la frecuencia del sistema y la del generador. Las lámparas se pueden conectar para que se apaguen cuando los voltajes de fase sean idénticos y estén en fase. [1]
Además de sincronizar los generadores con los sistemas de energía, en los barcos y aviones con varios motores se utilizan instrumentos indicadores de diferencia de frecuencia similares para permitir a los operadores sincronizar exactamente la velocidad de los motores. Esto ayuda a reducir el ruido y la vibración debidos a pequeñas diferencias, por ejemplo, en las velocidades de dos hélices de un avión. En esta aplicación, un sincronoscopio responde a pequeñas diferencias de velocidad que no serían visibles en un tacómetro de motor .