En un sistema eléctrico de corriente alterna (CA) , la sincronización es el proceso de hacer coincidir la frecuencia , la fase y el voltaje de un generador u otra fuente con una red eléctrica para transferir energía . Si dos segmentos no conectados de una red se conectan entre sí, no pueden intercambiar energía 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 sus terminales 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 hacer coincidir además 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 con CA durante la guerra de corrientes en la década de 1880. En las redes modernas, la sincronización de los generadores se lleva a cabo 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 un voltaje cuadrático medio , una frecuencia , una secuencia de fase , un ángulo de fase y una 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 determinadas por la construcción del generador y sus conexiones al sistema. Durante la instalación de un generador, se realizan comprobaciones minuciosas para garantizar que los terminales del generador y todo el cableado de control sean correctos, de modo que el orden de las fases (secuencia de fases) coincida con el sistema. Conectar un generador con una secuencia de fases incorrecta dará como resultado corrientes elevadas, posiblemente dañinas, ya que los voltajes del sistema son opuestos a los voltajes de los terminales del generador. [2]
El voltaje, la frecuencia y el ángulo de fase deben controlarse cada vez que se conecta un generador a una 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 de manera proporcional a su potencia nominal. Algunas unidades generadoras, especialmente en sistemas aislados, funcionan 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 se lleva a una velocidad aproximada de sincronismo suministrando más energía a su eje (por ejemplo, abriendo las válvulas de una turbina de vapor , abriendo las compuertas de una turbina hidráulica o aumentando el ajuste de la cremallera de combustible de un motor diésel) . Se energiza el campo del generador y se observa el voltaje en los terminales del generador y se compara con el sistema. La magnitud del voltaje debe ser la misma que el voltaje del sistema.
Si una máquina está ligeramente desfasada, se pondrá en sintonía con las otras, pero si la diferencia de fase es grande, habrá fuertes corrientes cruzadas que pueden causar fluctuaciones de voltaje y, en casos extremos, daños a las máquinas.
Anteriormente, se conectaban tres bombillas incandescentes entre los terminales del generador y los terminales del sistema (o, de manera más general, a los terminales de los transformadores de medida conectados al generador y al sistema). A medida que cambia la velocidad del generador, las luces parpadean a la 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 adelantado o atrasado en fase ), las lámparas brillan. Cuando el voltaje en el generador coincide con el voltaje del sistema, las luces se apagan. 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 sincronía con el sistema, una lámpara estaría apagada, pero las dos con las conexiones intercambiadas tendrían el mismo brillo. Se prefería la sincronización en lámparas "oscuras" en lugar de lámparas "brillantes" porque era más fácil discernir el brillo mínimo. Sin embargo, una lámpara fundida podría dar un falso positivo para una sincronización exitosa.
Otro método manual de sincronización se basa en la observación de un instrumento llamado "sincroscopio", que muestra las frecuencias relativas del sistema y del generador. La aguja del sincroscopio indicará la velocidad "rápida" o "lenta" del generador con respecto al sistema. Para minimizar la corriente transitoria cuando se cierra el disyuntor del generador, la práctica habitual es iniciar el cierre a medida que la aguja se acerca lentamente al punto de enfase. Un error de unos pocos grados eléctricos entre el sistema y el generador dará como resultado una corriente de entrada momentánea y un cambio abrupto de la velocidad del generador.
Los relés de sincronización permiten sincronizar una máquina con un sistema sin necesidad de supervisión. En la actualidad, se trata de instrumentos digitales con microprocesadores, pero en el pasado se utilizaban 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 a distancia. A veces se instalan sincronoscopios o lámparas como complemento de los relés automáticos, para un posible uso manual o para supervisar la unidad generadora.
En ocasiones, como medida de precaución contra la conexión desfasada de una máquina a un sistema, se instala un relé de "verificación de sincronismo" que evita el cierre del 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 conecten en paralelo accidentalmente.
Mientras el generador está sincronizado, la frecuencia del sistema cambiará dependiendo de la carga y las características promedio de todas las unidades generadoras conectadas a la red. [1] Grandes cambios en la frecuencia del sistema pueden hacer que el generador pierda la sincronización con el sistema. Los dispositivos de protección del generador funcionarán para desconectarlo automáticamente.
Las velocidades síncronas de los motores síncronos y alternadores dependen del número de polos de la máquina y de la frecuencia de la alimentación.
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):
