En ingeniería eléctrica , un condensador síncrono (a veces llamado syncon , condensador síncrono o compensador síncrono ) es un motor síncrono excitado por CC , cuyo eje no está conectado a nada pero gira libremente. [1] Su propósito no es convertir energía eléctrica en energía mecánica o viceversa, sino ajustar las condiciones en la red de transmisión de energía eléctrica . Su campo está controlado por un regulador de voltaje para generar o absorber energía reactiva según sea necesario para ajustar el voltaje de la red o para mejorar el factor de potencia . La instalación y el funcionamiento del condensador son idénticos a los de los grandes motores y generadores eléctricos (algunos generadores están diseñados para poder funcionar como condensadores síncronos con el motor primario desconectado [2] ).
Al aumentar la excitación del campo del dispositivo, se obtiene una potencia reactiva (medida en unidades de var ) que aporta al sistema. Su principal ventaja es la facilidad con la que se puede ajustar la cantidad de corrección.
Los condensadores síncronos son una alternativa a los bancos de condensadores y a los compensadores estáticos de VAR para la corrección del factor de potencia en las redes eléctricas. [3] Una ventaja es que la cantidad de potencia reactiva de un condensador síncrono se puede ajustar de forma continua. La potencia reactiva de un banco de condensadores disminuye cuando disminuye el voltaje de la red, mientras que la potencia reactiva de un condensador síncrono aumenta inherentemente a medida que disminuye el voltaje. [1] Además, los condensadores síncronos son más tolerantes a las fluctuaciones de potencia y a las caídas de voltaje severas. [3] Sin embargo, las máquinas síncronas tienen mayores pérdidas de energía que los bancos de condensadores estáticos. [1]
La mayoría de los condensadores síncronos conectados a redes eléctricas tienen una potencia nominal de entre 20 MVAR (megavar) y 200 MVAR y muchos están refrigerados por hidrógeno . No existe peligro de explosión siempre que la concentración de hidrógeno se mantenga por encima del 70 %, normalmente por encima del 91 %. [4] Un condensador síncrono puede tener 8 metros de largo y 5 metros de alto, y pesar 170 toneladas. [5]
Los condensadores síncronos también ayudan a estabilizar las redes. La respuesta inercial de la máquina y su inductancia pueden ayudar a estabilizar un sistema eléctrico durante fluctuaciones rápidas de cargas como las creadas por cortocircuitos u hornos de arco eléctrico . Por esta razón, a veces se utilizan grandes instalaciones de condensadores síncronos en asociación con estaciones convertidoras de corriente continua de alto voltaje para suministrar energía reactiva a la red de corriente alterna. Los condensadores síncronos también se utilizan para facilitar la conmutación entre redes eléctricas [6] y proporcionar estabilización de la red eléctrica a medida que los generadores de energía basados en turbinas se reemplazan por energía solar y eólica. [7] [3]
Una bobina giratoria [8] en un campo magnético tiende a producir una tensión sinusoidal. Cuando se conecta a un circuito, fluirá cierta corriente dependiendo de cómo se diferencie la tensión en el sistema de esta tensión de circuito abierto. Tenga en cuenta que el par mecánico (producido por un motor, requerido por un generador) corresponde solo a la potencia real. La potencia reactiva no produce ningún par.
A medida que aumenta la carga mecánica en un motor síncrono, la corriente del estator aumenta independientemente de la excitación del campo. En los motores subexcitados y sobreexcitados, el factor de potencia (pf) tiende a acercarse a la unidad con el aumento de la carga mecánica. Este cambio en el factor de potencia es mayor que el cambio con el aumento de la carga.
La fase de la corriente de armadura varía con la excitación del campo. La corriente tiene valores mayores para valores de excitación más bajos y más altos. Entre estos valores, la corriente tiene un valor mínimo correspondiente a una excitación particular (ver gráfico a la derecha). Las variaciones con la excitación se conocen como curvas debido a su forma.
Para la misma carga mecánica, la corriente de inducido varía con la excitación del campo en un amplio rango y, por lo tanto, hace que el factor de potencia también varíe en consecuencia. Cuando está sobreexcitado, el motor funciona con un factor de potencia adelantado (y suministra vars a la red) y cuando está subexcitado, con un factor de potencia retrasado (y absorbe vars de la red). Entre ambos valores, el factor de potencia es la unidad. La corriente de inducido mínima corresponde al punto del factor de potencia unitario (voltaje y corriente en fase).
Al igual que en un motor síncrono, el estator de la máquina está conectado a una fuente de voltaje trifásico (que se supone constante), y esto crea un campo magnético giratorio dentro de la máquina. Asimismo, el rotor se excita con una corriente continua para que actúe como un electroimán. En funcionamiento normal, el imán del rotor sigue el campo del estator a velocidad síncrona. El electroimán giratorio induce un voltaje trifásico en los devanados del estator como si la máquina fuera un generador síncrono. Si se considera que la máquina es ideal, sin pérdidas mecánicas, magnéticas o eléctricas, su circuito equivalente será un generador de CA en serie con la inductancia del devanado del estator. La magnitud de depende de la corriente de excitación y de la velocidad de rotación, y como esta última es fija, depende solo de . Si se ajusta críticamente a un valor , será igual y opuesto a , y la corriente en el estator será cero. Esto corresponde al mínimo en la curva mostrada arriba. Si, sin embargo, se incrementa por encima de , superará a , y la diferencia se explica por un voltaje que aparece a través de la inductancia del estator : donde es la reactancia del estator. Ahora la corriente del estator ya no es cero. Dado que la máquina es ideal, , y estarán todos en fase, y serán completamente reactivos (es decir, en cuadratura de fase). Visto desde el lado de alimentación de los terminales de la máquina, una corriente reactiva negativa fluirá desde los terminales, y la máquina, por lo tanto, aparecerá como un condensador, la magnitud de cuya reactancia caerá a medida que aumenta por encima de . Si se ajusta para que sea menor que , superará a , y una corriente reactiva positiva fluirá hacia la máquina. La máquina aparecerá entonces como un inductor cuya reactancia cae a medida que se reduce aún más. Estas condiciones corresponden a los dos brazos ascendentes de las curvas V (arriba). En una máquina práctica con pérdidas, el circuito equivalente contendrá una resistencia en paralelo con los terminales para representar las pérdidas mecánicas y magnéticas, y otra resistencia en serie con el generador y L, que representa las pérdidas de cobre en el estator. Por lo tanto, en una máquina práctica habrá un pequeño componente en fase y no caerá a cero.
Un motor síncrono sobreexcitado tiene un factor de potencia adelantado. Esto lo hace útil para la corrección del factor de potencia de cargas industriales. Tanto los transformadores como los motores de inducción extraen corrientes de retraso (magnetizantes) de la línea. En cargas ligeras, la potencia extraída por los motores de inducción tiene un gran componente reactivo y el factor de potencia tiene un valor bajo. La corriente adicional que fluye para suministrar potencia reactiva crea pérdidas adicionales en el sistema eléctrico. En una planta industrial, se pueden utilizar motores síncronos para suministrar parte de la potencia reactiva requerida por los motores de inducción. Esto mejora el factor de potencia de la planta y reduce la corriente reactiva requerida de la red.
Un condensador síncrono proporciona una corrección automática y continua del factor de potencia con la capacidad de producir hasta un 150 % de vars adicionales. El sistema no produce transitorios de conmutación y no se ve afectado por los armónicos eléctricos del sistema (algunos armónicos incluso pueden ser absorbidos por los condensadores síncronos). No producirán niveles de voltaje excesivos y no son susceptibles a resonancias eléctricas. Debido a la inercia rotatoria del condensador síncrono, puede proporcionar un soporte de voltaje limitado durante caídas de potencia muy breves.
Los condensadores síncronos rotativos se introdujeron en la década de 1930 [2] y eran comunes en la década de 1950, pero debido a los altos costos, finalmente fueron reemplazados en las nuevas instalaciones por los compensadores estáticos de var (SVC). [2] Siguen siendo una alternativa (o un complemento) a los capacitores para la corrección del factor de potencia debido a los problemas que se han experimentado con armónicos que causan sobrecalentamiento del capacitor y fallas catastróficas. Los condensadores síncronos también son útiles para soportar niveles de voltaje. La potencia reactiva producida por un banco de capacitores es directamente proporcional al cuadrado de su voltaje terminal, y si el voltaje del sistema disminuye, los capacitores producen menos potencia reactiva, cuando más se necesita, [2] mientras que si el voltaje del sistema aumenta, los capacitores producen más potencia reactiva, lo que agrava el problema. En contraste, con un campo constante, un condensador síncrono naturalmente suministra más potencia reactiva a un voltaje bajo y absorbe más potencia reactiva de un voltaje alto, además de que el campo se puede controlar. Esta potencia reactiva mejora la regulación del voltaje en situaciones como el arranque de motores grandes, o donde la energía debe recorrer largas distancias desde donde se genera hasta donde se utiliza, como es el caso del power wheeling , la transmisión de energía eléctrica de una región geográfica a otra dentro de un conjunto de sistemas de energía eléctrica interconectados.
En comparación con un SVC, el condensador síncrono tiene algunas ventajas: [2]
Los condensadores síncronos también pueden denominarse sistemas de corrección dinámica del factor de potencia . Estas máquinas pueden resultar muy eficaces cuando se utilizan controles avanzados. Un controlador basado en PLC con un controlador y regulador de factor de potencia permitirá configurar el sistema para que cumpla con un factor de potencia determinado o para que produzca una cantidad específica de potencia reactiva.
En los sistemas de energía eléctrica, se pueden utilizar condensadores sincrónicos para controlar el voltaje en líneas de transmisión largas, especialmente para líneas con una relación relativamente alta entre reactancia inductiva y resistencia. [9]
Además de las unidades construidas especialmente, las turbinas de vapor o de combustión existentes se pueden modernizar para su uso como sincronizador. En esta situación, la turbina se puede modernizar con un motor de arranque auxiliar, utilizar el generador existente como medio eléctrico de arranque o un embrague de cambio automático síncrono (SSS) con la fuente de combustible/turbina existente. [10] Por lo general, se recomienda utilizar un motor de arranque independiente en lugar del generador existente para el arranque, ya que el eje/acoplamiento del generador generalmente no puede soportar los pares que se les imponen durante el arranque. Al utilizar métodos de arranque puramente eléctricos, el sincronizador depende del motor de arranque para proporcionar un arranque inicial, y el generador o el motor auxiliar proporcionan al sistema la inercia rotacional necesaria para producir energía reactiva. Con la modernización del embrague SSS, la configuración de la turbina existente se reutiliza en gran medida. Aquí, la turbina utiliza su fuente de combustible existente para arrancar y sincronizarse con la red, que es cuando el embrague SSS desconecta la turbina y el generador. De este modo, el generador utiliza la energía de la red para seguir girando, para proporcionar energía reactiva adelantada o retrasada según sea necesario. Cada configuración tiene sus propias ventajas y desventajas: los sistemas accionados únicamente por electricidad no requieren la combustión de las turbinas antiguas, mientras que un sistema de generación antiguo generalmente produciría más emisiones que uno más nuevo del mismo tipo de combustible, mientras que el sistema accionado por combustión tendría la capacidad de alternar entre generar energía real y reactiva según sea necesario. [11]
