En un sistema de energía eléctrica de corriente alterna (CA) , la sincronización es el proceso de hacer coincidir la frecuencia , fase y voltaje de un generador u otra fuente con una red eléctrica para transferir energía . Si se van a conectar dos segmentos no conectados de una red entre sí, no pueden intercambiar energía de CA de manera segura hasta que estén sincronizados.
Un generador de corriente continua (CC) se puede conectar a una red eléctrica simplemente ajustando el voltaje de su terminal de circuito abierto para que coincida con el voltaje de la red, ya sea ajustando su velocidad o su excitación de campo. La velocidad exacta del motor no es crítica. Sin embargo, un generador de CA debe además hacer coincidir su sincronización (frecuencia y fase) con el voltaje de la red, lo que requiere que tanto la velocidad como la excitación se controlen sistemáticamente para la sincronización. Esta complejidad adicional fue uno de los argumentos en contra del funcionamiento de la CA durante la guerra de corrientes de la década de 1880. En las redes modernas, la sincronización de los generadores se realiza mediante sistemas automáticos.
Hay cinco condiciones que deben cumplirse antes de que se lleve a cabo el proceso de sincronización. La fuente (generador o subred) debe tener voltaje , frecuencia , secuencia de fase , ángulo de fase y forma de onda iguales a los del sistema con el que se está sincronizando. [1]
La forma de onda y la secuencia de fases están fijadas por la construcción del generador y sus conexiones al sistema. Durante la instalación de un generador, se realizan comprobaciones cuidadosas para garantizar que los terminales del generador y todo el cableado de control sean correctos para que el orden de las fases (secuencia de fases) coincida con el sistema. Conectar un generador con la secuencia de fases incorrecta resultará en corrientes grandes, posiblemente dañinas, ya que los voltajes del sistema son opuestos a los voltajes de los terminales del generador. [2]
La tensión, la frecuencia y el ángulo de fase deben controlarse cada vez que se va a conectar un generador a la red. [1]
Las unidades generadoras para conexión a una red eléctrica tienen un control de velocidad de caída inherente que les permite compartir la carga proporcional a su clasificación. Algunas unidades generadoras, especialmente en sistemas aislados, operan con control de frecuencia isócrono, manteniendo constante la frecuencia del sistema independientemente de la carga.
La secuencia de eventos es similar para la sincronización manual o automática. El generador alcanza una velocidad sincrónica aproximada suministrando más energía a su eje; por ejemplo, abriendo las válvulas en una turbina de vapor , abriendo las compuertas en una turbina hidráulica o aumentando la configuración de la cremallera de combustible en un motor diesel . Se energiza el campo del generador y se observa y compara el voltaje en los terminales del generador con el del sistema. La magnitud del voltaje debe ser la misma que el voltaje del sistema.
Si una máquina está ligeramente desfasada, se sincronizará con las demás, pero, si la diferencia de fase es grande, se producirán fuertes corrientes cruzadas que pueden provocar fluctuaciones de tensión y, en casos extremos, daños a las máquinas.
Antiguamente, se conectaban tres bombillas incandescentes entre los terminales del generador y los terminales del sistema (o más generalmente, a los terminales de los transformadores de instrumentos conectados al generador y al sistema). A medida que cambia la velocidad del generador, las luces parpadearán a una frecuencia de batido proporcional a la diferencia entre la frecuencia del generador y la frecuencia del sistema. Cuando el voltaje en el generador es opuesto al voltaje del sistema (ya sea adelante o atrás en fase ), las lámparas brillarán. Cuando el voltaje en el generador coincida con el voltaje del sistema, las luces se apagarán. En ese instante, el disyuntor que conecta el generador al sistema puede cerrarse y el generador permanecerá en sincronismo con el sistema. [3]
Una técnica alternativa utilizó un esquema similar al anterior excepto que las conexiones de dos de las lámparas se intercambiaron en los terminales del generador o en los terminales del sistema. En este esquema, cuando el generador estaba en sincronismo con el sistema, una lámpara estaría apagada, pero las dos con las conexiones intercambiadas tendrían el mismo brillo. Se prefirió la sincronización de lámparas "oscuras" a las lámparas "brillantes" porque era más fácil discernir el brillo mínimo. Sin embargo, una lámpara quemada podría dar un falso positivo para una sincronización exitosa.
Otro método manual de sincronización se basa en observar un instrumento llamado "sincronoscopio", que muestra las frecuencias relativas del sistema y el generador. El puntero del sincroscopio indicará la velocidad "rápida" o "lenta" del generador con respecto al sistema. Para minimizar la corriente transitoria cuando el disyuntor del generador está cerrado, la práctica habitual es iniciar el cierre cuando la aguja se acerca lentamente al punto en fase. Un error de unos pocos grados eléctricos entre el sistema y el generador dará como resultado una irrupción momentánea y un cambio abrupto de velocidad del generador.
Los relés de sincronización permiten la sincronización desatendida de una máquina con un sistema. Hoy en día se trata de instrumentos con microprocesadores digitales, pero en el pasado se aplicaban sistemas de relés electromecánicos. Un relé de sincronización es útil para eliminar el tiempo de reacción humana del proceso, o cuando no hay un humano disponible, como en una planta generadora controlada remotamente. En ocasiones se instalan sincronoscopios o lámparas como complemento de los relés automáticos, para un posible uso manual o para el seguimiento de la unidad generadora.
A veces, como precaución contra la conexión fuera de sincronismo de una máquina a un sistema, se instala un relé de "verificación de sincronismo" que impide cerrar el disyuntor del generador a menos que la máquina esté a unos pocos grados eléctricos de estar en fase con el sistema. . Los relés de verificación de sincronismo también se aplican en lugares donde se pueden conectar varias fuentes de suministro y donde es importante que las fuentes desfasadas no se pongan en paralelo accidentalmente.
Mientras el generador esté sincronizado, la frecuencia del sistema cambiará dependiendo de la carga y las características promedio de todas las unidades generadoras conectadas a la red. [1] Los grandes cambios en la frecuencia del sistema pueden hacer que el generador pierda el sincronismo con el sistema. Los dispositivos de protección del generador funcionarán para desconectarlo automáticamente.
Las velocidades síncronas para motores y alternadores síncronos dependen del número de polos de la máquina y de la frecuencia del suministro.
La relación entre la frecuencia de suministro, f , el número de polos, p , y la velocidad sincrónica (velocidad del campo giratorio), n s viene dada por:
En la siguiente tabla, las frecuencias se muestran en hercios (Hz) y las velocidades de rotación en revoluciones por minuto (rpm):
