He sido EE durante más de cuarenta años y nunca encontré la respuesta correcta a esta...
¿Cómo se aseguran las centrales eléctricas y las estaciones de conmutación de transformadores de que la energía que alimentan a la red está en fase con la energía existente en las líneas?
Sé que son MUY serios acerca de establecer la frecuencia de línea con una precisión ridículamente buena. Sin embargo, obviamente, no puede conectar una línea eléctrica a otra línea que esté desfasada 180 grados. Incluso una pequeña desviación presumiblemente causaría un gran drenaje en el sistema y generaría una forma de onda de CA bastante extraña y fuera de las especificaciones.
OK, puedo imaginar una solución en la central eléctrica que use la frecuencia de la línea objetivo para sincronizar los alternadores antes de activar el interruptor, tal vez. Sin embargo, esa estación de conmutación a 100 km de distancia puede cambiar a una línea desde un alternador diferente que está mucho más cerca o más lejos y, en consecuencia, en un punto diferente del ciclo de fase...
Cómo lo hacen...
Tenga en cuenta que esto NO es lo mismo que "¿Cómo sincronizar un generador en la red eléctrica?" Ese artículo solo se refiere a un generador local y, en mi opinión, no es lo mismo que la red eléctrica principal y la conmutación del transformador.
Antes de conectar un generador a la red, lo hacen girar más o menos a la velocidad adecuada. Luego conectan lo que es básicamente un voltímetro entre una fase del generador y la fase de línea correspondiente. Ajustan el impulso del generador hasta que el voltaje observado
a) cambia muy lentamente (diferencia de frecuencia por debajo de cierto umbral) y
b) cae por debajo de cierto umbral de bajo voltaje (diferencia de fase lo suficientemente cercana como para que el flujo de energía que resulta cuando activan el interruptor grande sea manejable ).
Una vez que el generador está conectado a la red, siempre se mantiene en fase. Si no se acciona mecánicamente, actuará como un motor. La cantidad de energía que extrae o exporta a la red está controlada por la fuerza con la que se acciona mecánicamente.
Cada generador está conectado a su parte local de la red, sincronizado con su frecuencia local. Habrá una ligera diferencia de fase entre el generador y la red local. Si el generador está suministrando energía a la red, su fase estará ligeramente adelantada. Cuanto mayor sea la entrada de energía al generador, mayor será la diferencia de fase y mayor será la energía exportada a la red.
Este 'flujo de energía sigue la diferencia de fase' se extiende a áreas enteras de la red. Si hay una gran carga en el sur, los generadores del sur se ralentizarán inicialmente, retrasando su fase con respecto al norte. Esta diferencia de fase creará un flujo de energía de norte a sur.
Cuando se tiene una red nacional, la gerencia se esfuerza mucho para no permitir que ninguna parte significativa se convierta en una "isla" de la otra parte. Una vez que se separan en fase, puede pasar mucho tiempo antes de que puedan volver a unirse, ya que la coincidencia de fase deberá ser exquisitamente precisa para evitar un gran flujo de energía en el momento de la conexión.
Cuando se van a conectar dos redes controladas por separado, digamos mediante el cable submarino anglo-francés, se hace con CC. Es fácil en el extremo receptor sincronizar los inversores con la red.
Mantener la red en fase con un promedio de 50 ciclos por segundo durante el transcurso de un día, se hace simplemente alimentando más o menos energía, para acelerar o disminuir la frecuencia de la red, respectivamente, generalmente por la noche cuando hay un poco más de holgura. la demanda.
Está confundiendo una cantidad precisa de ciclos durante un período de 24 horas con un control de frecuencia instantáneo muy rígido. No es así como se hace en la mayoría de los lugares.
La frecuencia se mantiene alrededor de su frecuencia nominal haciendo coincidir la generación con la carga: todo el tiempo que la carga sea mayor que la generación, la frecuencia disminuirá (muy) gradualmente, y todo el tiempo que la carga sea menor que la generación la frecuencia irá aumentando.
La inercia es enorme y, en general, tanto la carga como la generación cambian de manera bastante gradual, por lo que hay mucho tiempo para hacer ajustes en los generadores (o cargas, donde las personas se han contratado para controlar sus cargas de esta manera) para mantener el sistema equilibrado. Se permite que la frecuencia se desplace entre varios límites (operativos y reglamentarios).
Al menos en el Reino Unido, la cantidad correcta de ciclos por día se mantiene al realizar un seguimiento del 'tiempo real' y el 'tiempo de la red', y la red se ejecuta un poco rápido o un poco lento para asegurarse de que no se vuelva demasiado lejos.
Hay referencias de frecuencia precisas en uso dentro del sistema de control de la red: eso es con lo que se están comparando/midiendo, pero la red en sí no está bloqueada en fase/frecuencia de ninguna manera directa.
En la parte inferior izquierda de la pantalla grande de esta imagen, hay un gráfico con un trazo amarillo ondulado vertical: esa es la frecuencia de la cuadrícula nacional del Reino Unido durante un tiempo antes de que se tomara la foto. aunque el gráfico probablemente sea solo de ±0,3 Hz.
Utilizan un sincroscopio. He visto hacer esto en las salas de control de las centrales eléctricas.
Hacer que partes de un sistema de energía individual funcionen en diferentes ángulos de fase de otras partes es rutinario e inevitable. Esto no es un problema hasta que sea necesario volver a conectar las piezas. En la empresa de servicios públicos donde yo trabajaba, la gente de servicio en el sitio conectaría un medidor de fase a cada una de las partes. Debido a la diferencia de fase, el medidor de fase funcionaría como un reloj, indicando la diferencia de fase instantánea. La persona que realiza la conexión (por medio de un interruptor de circuito accionado eléctricamente, por lo general) simplemente cronometraría el cierre del interruptor para el instante en que el medidor de fase mostrara una diferencia de fase cero. Dado que este punto cero ocurre cada pocos segundos, no es difícil atraparlo. Incluso usamos esto con nuestra estación convertidora HVDC Back-to-Back; funciona muy, muy bien.
Hace 20 años, justo después de la universidad, trabajé en una empresa que hacía exactamente esto.
Antes había todo tipo de complejos circuitos de ajuste de fase con electrónica analógica compleja. En estos días, por lo general, ese no es el caso.
Mi empresa en ese entonces se especializaba en la tecnología de conversión de CA/CC de alto voltaje. Construyeron el primer enlace de canal cruzado y, desde entonces, varios enlaces HVDC en todo el mundo. (En largas distancias, las pérdidas en los cables debido a la reactancia son significativas, por lo que la CC brinda una transmisión más eficiente). Cuando la CC se convierte nuevamente en CA (con lo que es esencialmente un inversor de muy alta potencia y muy suave) puede sincronizar el tiempo para que la CA resultante está exactamente en fase con la red local.
A medida que esto se volvió más eficiente con una mejor electrónica de alta potencia, la gente se dio cuenta de que se había vuelto más eficiente convertir de CC a CA y nuevamente a CC que usar cualquier método alternativo. El resultado se denomina "convertidor back-to-back". Donde un enlace de canal cruzado tendría millas de cable entre los convertidores de CA a CC y de CC a CA, un esquema de espalda con espalda solo tiene unos pocos pies de barra colectora extremadamente gruesa.
Por supuesto, la conversión no es 100% eficiente, por lo que los componentes electrónicos están montados en disipadores de calor enfriados por agua y todo se controla con mucho cuidado. Pero es lo suficientemente eficiente como para que las pérdidas sean perfectamente aceptables a cambio de que la energía ingrese a la red perfectamente en fase.
En EE. UU., las redes son gestionadas por operadores independientes del sistema (ISO). Los ISO son algo así como una bolsa de valores. Negocian cuánta energía suministra cada estación generadora a la red. Además de las transacciones de compra/venta, monitorean y gestionan el desempeño de la red. Cuando se conecta un generador, coincide con el voltaje, la frecuencia y la fase en el punto de conexión local. Luego se conecta, pero no suministra energía inmediatamente. Negocia precio, nivel de potencia y tasa de incremento de potencia con la ISO. Esa es mi comprensión de la operación básica del sistema.
En el pasado (1979), justo después de la universidad, trabajé en un fabricante de generadores del Reino Unido, y en el laboratorio de pruebas (esto era para equipos más pequeños) utilizaron el método de luces cruzadas para simplificar la "medición de voltaje" que otros han mencionado.
Básicamente conectaban L1-L1 a través de una lámpara, que necesitaba apagarse (cero voltios / en fase) antes del cierre, y una lámpara cruzada L2 (gen) - L3 (grid) que primero tenía que ir al máximo. Una vez que la lámpara de diferencia de fase estaba 'apagada', el relé de conexión/contactor/interruptor podría lanzarse.
¡Había varias historias apócrifas sobre cosas que habían salido mal en varios lugares que eran educativas!
Rata de acero inoxidable
Trevor_G
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el fotón
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pjc50
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