Imensele rețele de curent alternativ de astăzi constau din multe generatoare separate, cu altele noi care vin în mod continuu online. Atunci când un generator este oprit pentru întreținere sau chiar deconectat temporar, acesta trebuie să se resincronizeze la reintrarea în rețea, în general prin mijloace automate cu instrumentele de rezervă manuale în loc, dacă este necesar.

Procesul de sincronizare a surselor de curent alternativ la tensiunea rețelei a devenit mai important odată cu răspândirea energiei regenerabile. Puterea generată de rețelele eoliene și solare trebuie să se alimenteze în cele din urmă în rețea la frecvențe care se potrivesc îndeaproape cu cea a puterii rețelei. Iată câteva elemente de bază ale procedurilor implicate.

Generatoare de utilități din S.U.A. rețeaua de utilități generează energie la 60 Hz ± 0,5 Hz. Schimbările în frecvența utilităților au loc ca o consecință a schimbării sarcinilor. Încărcările care cauzează o scădere a frecvenței mai mare de jumătate de hertz determină eliminarea automată a sarcinii sau alte acțiuni pentru a readuce frecvența înapoi.

Când un generator de curent alternativ relativ mic se conectează la o rețea de operare, formele de undă ale celor două surse trebuie să se sincronizeze. În mod specific, acestea trebuie să se potrivească în tensiune, frecvență, fază și secvență de fază. Și, desigur, ambele trebuie să fie unde sinusoidale. În cazul fazei, „sincronizarea” este definită ca fiind în cadrul unui grad electric al fazei rețelei.

Sincronizarea este stabilită cu generatorul individual încă izolat electric. O altă cerință pentru sincronizarea alternativă a generatoarelor rotative este ca generatoarele adăugate la rețea să aibă viteza corectă de înclinare (adică diferența dintre rpm nominal și viteza reală), astfel încât sarcina partajată să fie în proporția corectă cu valorile lor respective. Viteza de înclinare se aplică primului motor. Aceasta este o cerință necesară, deoarece încărcarea unui generator reduce viteza acestuia, care la rândul său determină cu precizie frecvența. Este posibil ca generatoarele conectate în paralel să se rotească la viteze diferite, deoarece frecvența de ieșire a fiecăruia este, de asemenea, o funcție a numărului de poli.

Pentru a sincroniza un singur generator de c.a. într-o rețea de operare, trebuie să manipulați noua unitate, astfel încât tensiunea și frecvența acesteia să se potrivească aproape de rețeaua generală. Apoi, generatorul poate fi conectat electric. Când este conectat, acesta se va bloca automat pe rețeaua mai mare și, ulterior, va menține sincronizarea fără alte ajustări. Când un singur generator mic se conectează la o rețea mai mare, fiecare generator constitutiv își schimbă ușor ieșirea de frecvență pentru a acomoda elementul adăugat, care se ajustează într-un grad mult mai mare.

Există peste 500 de utilități individuale care furnizează rețeaua nord-americană, unele având banci extinse de generatoare, toate sincronizate. Rețeaua este împărțită în mai multe segmente, conectate prin legături de curent continuu de înaltă tensiune, evitând nevoia ca aceste segmente mari de curent alternativ să se sincronizeze între ele.

Generatoarele separate, destinate să funcționeze în paralel, se conectează, în general, prin întrerupătoare care funcționează și ca întrerupătoare manuale sau acționate electric. Contactele sunt proiectate să se închidă rapid și să se deschidă rapid pentru a minimiza arcurile. Sistemele trifazate necesită întrerupătoare cu trei poli.

Dacă întrerupătorul este închis și viteza rotorului nu se potrivește, unitatea cu forța de rotație mai mare trage brusc mașina mai slabă (cu impedanță internă mai mare) spre aceasta în termeni de RPM. Rezultatul este o accelerare sau decelerare bruscă, însoțită de curent greu atât în ​​conductorii care se unesc la mașini, cât și în înfășurările ambelor mașini. Acest șoc al sistemului este resimțit și de ambii motoare primare, poate la motoarele diesel care sparg arborele cotit.

Efecte suplimentare pot apărea în întregul sistem de distribuție, inclusiv oscilații bruste ale sursei de alimentare, deteriorarea transformatorului și declanșarea dispozitivelor de supracurent care provoacă întreruperi de curent.

Potrivirea necorespunzătoare a fazelor are ca rezultat același curent ridicat și daune echipamentului, de obicei mai grave decât în ​​urma potrivirii necorespunzătoare a frecvenței. Potrivirea necorespunzătoare a tensiunii determină o putere reactivă ridicată în generator și șocuri mecanice severe la rotor și stator, trăgându-l eventual de pe suporturile sale.

În primele decenii ale unor sisteme mari de distribuție electrică, procesul de sincronizare a fost primitiv conform standardelor actuale, dar cu toate acestea destul de reușit. Trei becuri incandescente au fost conectate între terminalele generatorului trifazat și terminalele sistemului, câte una în fiecare pereche de picioare. Operatorii au adus încet generatorul pentru a fi adăugat la viteză, observând becurile. Acestea ar pâlpâi la o rată corespunzătoare diferenței de frecvență dintre noul generator și cea a rețelei de operare mai mari. Când era un meci, becurile se întunecau, indicând nicio diferență de frecvență. Operatorul va închide apoi comutatorul tripolar și noul generator ar fi adăugat la sistem și va rămâne sincronizat.

sfaturi
Un exemplu de sincroscop.

O metodă alternativă de sincronizare, de asemenea manuală, folosește un instrument cunoscut sub numele de sincroscop. Sincroscopul constă dintr-un stator cu două faze. Cele două înfășurări statorice sunt în unghi drept unul față de celălalt. O rețea de împărțire a fazelor permite curentului dintr-o fază să conducă curentul celeilalte faze cu 90 °, generând astfel un câmp magnetic rotativ. Înfășurările statorului se conectează la generatorul sincronizat. O bobină de polarizare este conectată la generatorul care funcționează.

Elementul rotativ este neîngrădit și se poate roti cu 360 °. De obicei, este alcătuit din două aripi de fier montate în direcții opuse pe un arbore, una în partea superioară și una în partea inferioară și magnetizate de bobina de polarizare. Dacă frecvențele generatoarelor de intrare și de funcționare diferă, sincroscopul se va roti la o viteză corespunzătoare diferenței. Dacă frecvența de intrare depășește frecvența de rulare, rotația va fi în sensul acelor de ceasornic; dacă frecvența de intrare este sub frecvența de rulare, indicatorul se va roti în sens invers acelor de ceasornic. Când sincroscopul indică diferența de fază zero, indicatorul se află în poziția de ora 12 și cei doi generatori de curent alternativ sunt în fază.

Pentru simplitate, sincroscopul este conectat doar la una dintre cele trei faze ale fiecărei surse de energie. Această conexiune testează în mod fiabil frecvența și unghiul de fază, dar nu secvența de fază. Ca o rezervă, cele trei lămpi sunt instalate pentru a verifica succesiunea fazelor. Toate aceste instrumente funcționează la tensiune redusă, derivată din transformatoare cu trepte.

După ce sursa de alimentare locală este reglată pentru a se potrivi cu frecvențele și unghiurile de fază, generatorul mai mic comută online. Generatorul mai mic va trece automat în pas cu rețeaua generală, cu excepția cazului în care există o diferență semnificativă de fază.

Sincronizarea complet automată depindea inițial de releele de sincronizare electromecanică. În prezent, au fost preluate microprocesoare de înaltă fiabilitate, deși lămpile și sincroscoapele rămân în vigoare pentru monitorizare și backup.

Un releu de verificare sincron este introdus ca măsură de precauție suplimentară. Funcționează automat pentru a preveni interconectarea în caz de eroare de fază excesivă.

Toate mașinile rămân sincronizate atunci când sarcina se modifică în limite specifice. Cu toate acestea, o schimbare excesivă a frecvenței sistemului poate determina ca membrii constitutivi să cadă din sincronizare. Deconectarea automată are loc atunci și acest lucru poate provoca o întrerupere temporară de curent până când mașinile se resincronizează.

Un exemplu de invertor sincron, acesta pentru o rețea solară

Sursele de energie regenerabile generează energie prin intermediul invertoarelor care convertesc curent continuu din, să zicem, o rețea solară în curent continuu. În cazul turbinelor eoliene, turbina alimentează un generator de c.a. a cărui frecvență variază proporțional cu energia eoliană. Această frecvență variabilă este, în general, convertită la c.c. și apoi la c.a. cu frecvență constantă, care este compatibilă cu rețeaua.

Desigur, conexiunea alternativă conectată trebuie sincronizată cu rețeaua. Acest lucru are loc prin intermediul unui tip special de invertor numit invertor sincron. Spre deosebire de un generator alternativ care este sincronizat cu un alt generator sau în rețea, invertorul sincron eșantionează continuu utilitatea alternativă și sintetizează o ieșire pentru a se potrivi, copiind forma de undă utilitară în ceea ce privește tensiunea, frecvența și unghiul de fază.

Invertorul sincron este complex, dar prețul a scăzut odată cu creșterea numărului de unități.