direita|miniaturadaimagem|Este sincroscópio foi usado para sincronizar a central elétrica de uma fábrica com a rede elétrica da fornecedora de energia Em sistemas de energia elétrica CA, um sincroscópio é um dispositivo que indica o grau em que dois sistemas (geradores ou redes de energia) estão sincronizados entre si.Terrell Croft, Wilford Summers (ed.), American Electricians' Handbook Eleventh Edition, Mc Graw Hill, 1987 pp. 7-46 - 7-48
Para que dois sistemas elétricos sejam sincronizados, ambos os sistemas devem operar na mesma frequência e o ângulo de fase entre os sistemas deve ser zero (e dois sistemas polifásicos devem ter a mesma sequência de fases ). Os sincroscópios medem e exibem a diferença de frequência e o ângulo de fase entre dois sistemas de energia. Somente quando essas duas grandezas forem zero é seguro conectar os dois sistemas. Conectar dois sistemas de energia CA não sincronizados pode causar altas correntes, o que danificará gravemente qualquer equipamento não protegido por fusíveis ou disjuntores.
Princípios operacionais A ferramenta mais simples para sincronizar um gerador com outro sistema utiliza lâmpadas conectadas entre fases semelhantes dos dois sistemas; quando as lâmpadas permanecem apagadas, a tensão e a frequência dos dois sistemas são as mesmas e o gerador pode ser conectado. No entanto, a precisão dessa abordagem é baixa, pois é difícil discernir pequenas diferenças de fase, e as lâmpadas não mostram as velocidades relativas dos dois sistemas.Os sincroscópios são instrumentos que mostram a diferença de frequência relativa (velocidade) e o ângulo de fase entre a máquina a ser sincronizada e a tensão do sistema.
Como a maioria dos sincroscópios é conectada apenas a uma única fase dos dois sistemas, eles não podem garantir que a sequência de fases esteja correta. Quando geradores são conectados recentemente a um sistema elétrico, ou são utilizadas conexões temporárias, outros meios são necessários para garantir que ambos os sistemas tenham a mesma sequência de fases. Alguns geradores utilizam um sincroscópio e um conjunto de duas lâmpadas. Se as lâmpadas piscarem fora de sequência, a sequência de fases está incorreta.
Os incroscópios são instrumentos eletrodinâmicos que dependem da interação de campos magnéticos para girar um ponteiro. Na maioria dos tipos, diferentemente de voltímetros e wattímetros, não exist torque de mola restaurador para superar os torques produzidos magneticamente; o sistema do ponteiro é livre para girar continuamente. Os sincroscópios possuem uma palheta amortecedora para suavizar a vibração do sistema móvel.
Um sincroscópio de palhetas polarizadas possui um enrolamento de campo com uma rede de defasagem disposta para produzir um campo magnético rotativo. Os enrolamentos de campo são conectados à máquina de "entrada". Um enrolamento polarizador monofásico é conectado ao sistema de "operação". Ele é montado perpendicularmente ao enrolamento de campo e produz um fluxo magnético que passa pelas palhetas móveis. As palhetas móveis giram um eixo que carrega um ponteiro que se move sobre uma escala. Se a frequência da fonte conectada ao enrolamento polarizador for diferente da fonte conectada ao enrolamento de campo, o ponteiro gira continuamente a uma velocidade proporcional à diferença nas frequências do sistema (a frequência de batimento). A escala é marcada para mostrar a direção de rotação correspondente à máquina de "entrada" funcionando mais rápido do que o sistema de "operação". Quando as frequências coincidem, as palhetas móveis giram para uma posição correspondente à diferença de fase entre as duas fontes. A máquina de entrada pode então ter a sua velocidade ajustada para que os dois sistemas estejam em concordância de fase.
No instrumento de ferro móvel, uma palheta de ferro é montada no um eixo junto com o ponteiro. O enrolamento de campo é trifásico, com as fases conectadas às fontes de operação e de entrada por meio de uma rede de "impedimentos" defasadores, contendo resistores, capacitores e indutores. Neste instrumento, conceitualmente, o enrolamento de campo produz dois campos magnéticos rotativos devido às fontes de operação e de entrada. A palheta de ferro move-se em resposta à soma resultante dos dois campos.
O sincroscópio de bobina cruzada assemelha-se um pouco a um motor de indução de campo enrolado. Um enrolamento de rotor bifásico é conectado à fonte de entrada da máquina por uma rede de deslocamento de fase por meio de escovas e anéis coletores. O enrolamento de campo estacionário é conectado à fonte de entrada.
Num sincroscópio de padrão Weston, o elemento móvel não tem liberdade para girar continuamente e oscila lentamente para frente e para trás à medida que as duas fontes são sincronizadas. O ponteiro móvel é iluminado por uma lâmpada piloto conectada a um transformador de três enrolamentos alimentado por ambas as fontes. O ponteiro é iluminado apenas na condição em fase, distinguindo assim entre condições em fase e fora de fase de 180 graus.
Todos estes instrumentos usam conexões monofásicas para os sistemas de operação e entrada para simplificar a fiação. Para a maioria dos sistemas, os sincroscópios são conectados por meio de transformadores de tensão para reduzir a tensão da máquina para cerca de 120 volts para operar os instrumentos. Os sincroscópios operam apenas em uma faixa limitada de frequências, alguns por cento acima e abaixo da frequência nominal do sistema. Os instrumentos do tipo bobina cruzada extraem uma quantidade relativamente grande de energia dos sistemas e são destinados apenas para operação breve. Os instrumentos de ferro móvel e de palheta polarizada colocam menos carga no sistema e podem operar por mais tempo sem sobreaquecimento.
Sistemas eletrónicos digitais podem medir e exibir a diferença do ângulo de fase diretamente. O visor pode ser um anel de LEDs discretos dispostos para simular o efeito de um ponteiro se movendo sobre uma escala, com uma cor diferente de LED para indicar a condição "em fase". Estes instrumentos também podem ter um contacto de relé para uso por circuitos de controlo externos, para indicar sincronismo.
Processo de sincronização direita|miniaturadaimagem|Um exemplo da operação de sincroscópio num gerador hidroelétrico O sincroscópios são usados em qualquer centrais elétrica conectada a uma rede elétrica externa e também em centrais isoladas com mais de um gerador. Cada gerador deve ser sincronizado com os demais antes de ser conectado ao barramento da central. Se as tensões da linha forem desiguais quando conectadas, uma forte corrente fluirá, pois cada linha tentará equalizar a outra, causando danos no processo.
Quando os operadores de um gerador elétrico desejam ligá-lo à rede, eles primeiro colocam o gerador em funcionamento a uma taxa aproximadamente igual à frequência da rede à qual planeiam conectar-se. A tensão do gerador é então ajustada à da rede, ajustando a corrente de campo/armadura. O sincroscópio é conectado à rede elétrica e ao gerador que está a ser ligado.
Se o gerador estiver a girar a uma frequência menor que a da rede, o ponteiro do sincroscópio gira continuamente na direção (geralmente no sentido anti-horário) marcada como "lento" ou "atraso" no mostrador para indicar que o gerador está a funcionar mais devagar ou atrasado em relação à rede. Se o gerador estiver a funcionar mais rápido que a rede, o ponteiro gira continuamente na direção oposta, marcada como "rápido" ou "avançado". Em seguida, o operador da central ajusta a velocidade do gerador até que ele esteja a funcionar precisamente na mesma velocidade (frequência) da rede. À medida que a frequência do gerador se aproxima da da rede, o ponteiro do sincroscópio desacelera e, quando as frequências coincidem, o ponteiro para de girar.
Existe, então, mais uma tarefa a ser realizada antes que o gerador possa ser ligado à rede. Embora o gerador e a rede estejam a operar na mesma frequência, eles não estão necessariamente na mesma posição no ciclo rotacional. Se duas redes elétricas a operar em dois ângulos de fase diferentes fossem conectadas entre si, ocorreria uma falha semelhante a um curto-circuito, representando um risco de danos ao gerador ou a outros equipamentos.
A posição (em oposição à rotação) do ponteiro num sincroscópio indica o ângulo de fase entre os dois sistemas. O ângulo entre os sistemas é zero quando o ponteiro do sincroscópio está diretamente na linha entre as marcações "lento" e "rápido" no mostrador. (No exemplo da imagem neste artigo, a posição do ângulo de fase zero é diretamente para cima, na posição "12 horas".)
A velocidade do motor primário é ajustada ligeiramente de acordo com a indicação "lenta" ou "rápida" do ponteiro. Um pouco antes de o ponteiro atingir a marca zero, o operador da central retorna o gerador à frequência da rede para parar o ponteiro quando ele atingir a marca zero. Quando o ponteiro está em zero e não está se a mover-se, os dois sistemas são sincronizados.
Uma vez sincronizados, os dois sistemas podem ser conectados com segurança. Dependendo da aplicação e do projeto do circuito, o operador fecha o disjuntor quando o ponteiro do sincroscópio estiver a passar aproximadamente pelas "11 horas", enquanto se desloca lentamente na direção rápida. A ideia é que, quando o disjuntor fizer contacto, a diferença de fase seja próxima de zero (12 horas). A frequência ligeiramente mais rápida visa evitar que o gerador entre em paralelo com a rede elétrica como carga do motor, potencialmente danificando o motor principal (turbina a vapor ou motor alternativo de combustão interna). A máquina pode ser protegida contra esta ocorrência por um disparo de "potência reversa".
Em algumas centrais de energia, um conjunto de lâmpadas pode ser conectado entre o gerador e os barramentos do sistema (ou entre os transformadores de instrumentos conectados a esses barramentos) como um backup para o instrumento sincroscópio. As lâmpadas piscam na diferença entre a frequência do sistema e do gerador. As lâmpadas podem ser conectadas para apagar quando as tensões de fase são idênticas e em fase.
Veículos multimotores Além de sincronizar geradores com sistemas de energia, instrumentos indicadores de diferença de frequência semelhantes são usados em navios e aeronaves multimotores para permitir que os operadores sincronizem exatamente a velocidade dos motores. Isto ajuda a reduzir o ruído e a vibração devido a pequenas diferenças, por exemplo, nas velocidades de duas hélices de uma aeronave. Nesta aplicação, um sincroscópio responde a pequenas diferenças de velocidade que não seriam visíveis num tacómetro de motor.
Ligações externas
Uma vista de olhos dentro de um sincroscópio antigo (Artigo, 28 de setembro de 2022, em inglês) Sincroscópio nuclear ganha nova vida (Artigo, 18 de maio de 2018, em inglês)
Categoria:Componentes de sistemas de energia elétrica