La industria de la energía eléctrica cubre la generación , transmisión , distribución y venta de energía eléctrica al público en general y la industria. La distribución comercial de energía eléctrica comenzó en 1882 cuando se produjo la electricidad para la iluminación eléctrica . En los años 1880 y 1890, las crecientes preocupaciones económicas y de seguridad llevaron a la regulación de la industria. Lo que antes era una novedad costosa limitada a las áreas más densamente pobladas, la energía eléctrica confiable y económica se ha convertido en un aspecto esencial para el funcionamiento normal de todos los elementos de las economías desarrolladas.
A mediados del siglo XX, la electricidad era vista como un " monopolio natural ", solo eficiente si un número restringido de organizaciones participaba en el mercado; en algunas áreas, las compañías integradas verticalmente proporcionan todas las etapas desde la generación hasta la venta minorista, y solo la supervisión gubernamental regula la tasa de rendimiento y la estructura de costos.
Desde la década de 1990, muchas regiones han interrumpido la generación y distribución de energía eléctrica para proporcionar un mercado eléctrico más competitivo . Si bien estos mercados pueden manipularse abusivamente con el consiguiente impacto adverso de los precios y la confiabilidad para los consumidores, la producción generalmente competitiva de energía eléctrica conduce a mejoras valiosas en la eficiencia. Sin embargo, la transmisión y la distribución son problemas más difíciles ya que los rendimientos de la inversión no son tan fáciles de encontrar.
Historia [ editar ]
Aunque se sabía que la electricidad se producía como resultado de las reacciones químicas que tienen lugar en una celda electrolítica desde que Alessandro Volta desarrolló la pila voltaica en 1800, su producción por este medio era, y sigue siendo, costosa. En 1831, Michael Faradayideó una máquina que generaba electricidad a partir de un movimiento rotatorio, pero la tecnología tardó casi 50 años en alcanzar una etapa comercialmente viable. En 1878, en los Estados Unidos , Thomas Edisondesarrolló y vendió un reemplazo comercialmente viable para el alumbrado y la calefacción de gas utilizando electricidad de corriente continua generada y distribuida localmente .
El primer suministro público de electricidad del mundo se proporcionó a fines de 1881, cuando las calles de la ciudad de Godalming en el Reino Unido de Surrey se iluminaron con luz eléctrica. Este sistema se accionó desde una rueda hidráulica en el río Wey , que impulsaba un alternadorSiemens que suministraba varias lámparas de arco dentro de la ciudad. Este esquema de suministro también proporcionó electricidad a varias tiendas y locales para encender 34 bombillas incandescentes de Swan.
Además, Robert Hammond, en diciembre de 1881, demostró la nueva luz eléctrica en la ciudad de Brighton, Reino Unido, en Sussex, durante un período de prueba. El éxito resultante de esta instalación le permitió a Hammond poner esta empresa en una posición comercial y legal, ya que varios propietarios de tiendas querían usar la nueva luz eléctrica. Así se lanzó Hammond Electricity Supply Co.
A principios de 1882, Edison abrió la primera estación de generación de electricidad a vapor del mundo en Holborn Viaduct en Londres , donde había firmado un acuerdo con City Corporation por un período de tres meses para proporcionar alumbrado público. Con el tiempo, había suministrado luz eléctrica a varios consumidores locales. El método de suministro fue corriente continua (CC). Mientras que el Godalming y el esquema de viaducto Holborn de 1882 se cerraron después de algunos años, el Brighton Scheme continuó y el suministro en 1887 estuvo disponible las 24 horas del día.
Fue más tarde en el año, en septiembre de 1882, cuando Edison abrió la Central Eléctrica de Pearl Street en la ciudad de Nueva York y nuevamente fue un suministro de CC. Fue por esta razón que la generación estaba cerca o en las instalaciones del consumidor, ya que Edison no tenía medios para la conversión de voltaje. El voltaje elegido para cualquier sistema eléctrico es un compromiso. Para una cantidad dada de potencia transmitida, el aumento del voltaje reduce la corriente y, por lo tanto, reduce el grosor del cable requerido. Desafortunadamente, también aumenta el peligro del contacto directo y aumenta el aislamientorequerido.espesor. Además, algunos tipos de carga eran difíciles o imposibles de hacer funcionar con voltajes más altos. El efecto general fue que el sistema de Edison requería que las centrales eléctricas estuvieran a una milla de los consumidores. Si bien esto podría funcionar en los centros urbanos, sería incapaz de abastecer económicamente a los suburbios con energía. [1]
Desde mediados hasta finales de la década de 1880, se introdujeron los sistemas de corriente alterna (CA) en Europa y los EE. UU. La potencia de CA tuvo la ventaja de que los transformadores , instalados en las centrales eléctricas , podrían utilizarse para elevar el voltaje de los generadores y los transformadores en las subestaciones locales. Podría reducir el voltaje para suministrar cargas. El aumento de la tensión redujo la corriente en las líneas de transmisión y distribución y, por lo tanto, el tamaño de los conductores y las pérdidas de distribución. Esto hizo que fuera más económico distribuir el poder en largas distancias. Los generadores (como los sitios hidroeléctricos ) podrían ubicarse lejos de las cargas. AC y DC compitieron por un tiempo, durante un período llamado Guerra de Corrientes. El sistema de CD pudo reclamar un poco más de seguridad, pero esta diferencia no fue lo suficientemente grande como para abrumar las enormes ventajas técnicas y económicas de la corriente alterna que finalmente se impuso. [1]
El sistema de energía de CA utilizado en la actualidad se desarrolló rápidamente, respaldado por industriales como George Westinghouse con Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Galileo Ferraris , Sebastian Ziani de Ferranti , Lucien Gaulard , John Dixon Gibbs, Carl Wilhelm Siemens , William Stanley, Jr. , Nikola Tesla , y otros contribuyeron a este campo.
Si bien la corriente continua de alto voltaje (HVDC) se usa cada vez más para transmitir grandes cantidades de electricidad a través de largas distancias o para conectar sistemas de energía asíncronos adyacentes , la mayor parte de la generación, transmisión, distribución y venta de electricidad se realiza mediante corriente alterna.
Organización [ editar ]
La industria de la energía eléctrica se divide comúnmente en cuatro procesos. Se trata de la generación de electricidad , como una central eléctrica , transmisión de energía eléctrica , distribución de electricidad y venta minorista de electricidad . En muchos países, las compañías de energía eléctrica poseen toda la infraestructura, desde las estaciones generadoras hasta la infraestructura de transmisión y distribución. Por esta razón, la energía eléctrica es vista como un monopolio natural . La industria generalmente está muy regulada , a menudo con controles de precios y con frecuencia es propiedad del gobierno y está operada. Sin embargo, la tendencia moderna ha ido aumentando la desregulación en al menos los dos últimos procesos. [2]
La naturaleza y el estado de la reforma del mercado del mercado eléctrico a menudo determinan si las compañías eléctricas pueden participar en solo algunos de estos procesos sin tener que poseer toda la infraestructura, o si los ciudadanos eligen qué componentes de la infraestructura desean patrocinar. En los países donde la provisión de electricidad está desregulada, los usuarios finales de la electricidad pueden optar por una electricidad verde más costosa .
Generación [ editar ]
Todas las formas de generación eléctrica tienen aspectos positivos y negativos. La tecnología probablemente declarará las formas más preferidas, pero en una economía de mercado , las opciones con menos costos generales generalmente se elegirán por encima de otras fuentes. Aún no está claro qué forma puede satisfacer mejor las demandas de energía necesarias o qué proceso puede resolver mejor la demanda de electricidad. Hay indicios de que la energía renovable y la generación distribuida son cada vez más viables en términos económicos. Una mezcla diversa de fuentes de generación reduce los riesgos de picos de precios de la electricidad.
Transmisión de energía eléctrica [ editar ]
La transmisión de energía eléctrica es el movimiento masivo de energía eléctrica de un sitio de generación, como una planta de energía , a una subestación eléctrica . Las líneas interconectadas que facilitan este movimiento se conocen como una red de transmisión. Esto es distinto del cableado local entre las subestaciones de alto voltaje y los clientes, que generalmente se conoce como distribución de energía eléctrica . La red de transmisión y distribución combinada se conoce como la " red eléctrica " en América del Norte , o simplemente "la red eléctrica". En el Reino Unido , India , Malasia y Nueva Zelanda., la red es conocida como la " Cuadrícula Nacional ".
Una red sincrónica de área amplia , también conocida como "interconexión" en América del Norte, conecta directamente un gran número de generadores que suministran energía de CA con la misma frecuencia relativa a un gran número de consumidores. Por ejemplo, hay cuatro interconexiones principales en América del Norte (la interconexión occidental , la interconexión oriental , la interconexión de Quebec y la red del Consejo de Confiabilidad Eléctrica de Texas (ERCOT)). En Europa, una gran red conecta la mayor parte de Europa continental .
Históricamente, las líneas de transmisión y distribución eran propiedad de la misma compañía, pero a partir de la década de 1990, muchos países han liberalizado la regulación del mercado de la electricidad de manera que ha llevado a la separación del negocio de transmisión de electricidad del negocio de distribución. [3]
Distribución de energía eléctrica [ editar ]
La distribución de energía eléctrica es la etapa final en la entrega de energía eléctrica ; lleva la electricidad desde el sistema de transmisión a los consumidores individuales. Subestaciones de distribución se conectan a la red de transporte y reducir la tensión de transmisión al medio de tensión que oscila entre 2 kV y 35 kV con el uso de transformadores . [4] Las líneas de distribución primaria llevan esta potencia de media tensión a los transformadores de distribución ubicados cerca de las instalaciones del cliente. Los transformadores de distribución vuelven a bajar el voltaje al voltaje de utilizaciónUtilizado por la iluminación, equipos industriales o electrodomésticos. A menudo, varios clientes se suministran desde un transformador a través de líneas de distribución secundarias . Los clientes comerciales y residenciales están conectados a las líneas de distribución secundarias a través de caídas de servicio . Los clientes que demandan una cantidad de energía mucho mayor pueden estar conectados directamente al nivel de distribución principal o al nivel de subtransmisión . [5]
Venta al por menor eléctrica [ editar ]
La venta minorista de electricidad es la venta final de electricidad de la generación al consumidor final.
Industrias eléctricas mundiales [ editar ]
La organización del sector eléctrico de un país o región varía según el sistema económico del país. En algunos lugares, toda la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica es proporcionada por una organización controlada por el gobierno. Otras regiones tienen empresas de servicios públicos privadas o propiedad de inversionistas, empresas municipales o municipales, empresas cooperativas propiedad de sus propios clientes o combinaciones. La generación, transmisión y distribución puede ser ofrecida por una sola compañía, o diferentes organizaciones pueden proporcionar cada una de estas partes del sistema.
La reforma del mercado [ editar ]
El modelo de negocios detrás de la empresa eléctrica ha cambiado a lo largo de los años, desempeñando un papel vital en la formación de la industria eléctrica en lo que es hoy; Desde la generación, transmisión, distribución, hasta la venta final local. Esto ha ocurrido prominentemente desde la reforma de la industria de suministro de electricidad en Inglaterra y Gales en 1990. En algunos países, los mercados de electricidad al por mayor operan, con generadores y minoristas que comercializan electricidad de manera similar a las acciones y divisas . A medida que la desregulación continúa, las empresas de servicios públicos se ven obligadas a vender sus activos, ya que el mercado de la energía sigue su línea con el mercado del gas en uso de los futurosyMercados spot y otros acuerdos financieros. Incluso la globalización con las compras extranjeras están teniendo lugar. Una de esas compras fue cuando National Grid del Reino Unido , la empresa eléctrica privada más grande del mundo, compró el sistema eléctrico de Nueva Inglaterra por $ 3,2 mil millones. [6] Entre 1995 y 1997, siete de las 12 Compañías Regionales de Electricidad (REC) en Inglaterra y Gales fueron compradas por compañías de energía de EE. UU. [7]A nivel nacional, las empresas locales de electricidad y gas han fusionado sus operaciones al ver las ventajas de la afiliación conjunta, especialmente con la reducción del costo de la medición conjunta. Los avances tecnológicos se llevarán a cabo en los mercados eléctricos mayoristas competitivos, ejemplos que ya se están utilizando incluyen las celdas de combustible utilizadas en vuelos espaciales ; turbinas de gasaeroderivadas utilizadas en aviones a reacción ; ingeniería solar y sistemas fotovoltaicos ; parques eólicos marinos; y los avances en la comunicación generados por el mundo digital, en particular con el microprocesamiento que ayuda en el monitoreo y envío. [8]
Se espera que la electricidad vea una creciente demanda en el futuro. La revolución de la información es altamente dependiente de la energía eléctrica. Otras áreas de crecimiento incluyen nuevas tecnologías exclusivas de electricidad emergentes, desarrollos en acondicionamiento de espacios, procesos industriales y transporte (por ejemplo , vehículos híbridos , locomotoras ).
Un sistema de energía eléctrica es una red de componentes eléctricos desplegados para suministrar, transferir y usar energía eléctrica. Un ejemplo de un sistema de energía eléctrica es la red que proporciona energía a un área extendida. Un sistema eléctrico de red eléctrica se puede dividir ampliamente en los generadores que suministran la energía, el sistema de transmisión que lleva la energía de los centros de generación a los centros de carga y el sistema de distribuciónque alimenta la energía a hogares e industrias cercanas. También se encuentran sistemas de energía más pequeños en la industria, hospitales, edificios comerciales y hogares. La mayoría de estos sistemas se basan en la alimentación trifásica de CA—El estándar para la transmisión y distribución de energía a gran escala en el mundo moderno. Los sistemas de energía especializados que no siempre dependen de la alimentación de CA trifásica se encuentran en aviones, sistemas de rieles eléctricos, transatlánticos y automóviles.
Historia [ editar ]
En 1881, dos electricistas construyeron el primer sistema de energía del mundo en Godalming en Inglaterra. Fue impulsado por dos ruedas hidráulicas y produjo una corriente alterna que, a su vez, suministró siete lámparas de arco de Siemens a 250 voltios y 34 lámparas incandescentes a 40 voltios. [1] Sin embargo, el suministro de las lámparas fue intermitente y, en 1882, Thomas Edison y su compañía, The Edison Electric Light Company, desarrollaron la primera central eléctrica de vapor en Pearl Street, en la ciudad de Nueva York. La estación de Pearl Street inicialmente alimentó alrededor de 3,000 lámparas para 59 clientes. [2] [3] La central generó corriente continua.y operado a una sola tensión. La corriente de corriente directa no se pudo transformar fácil o eficientemente a los voltajes más altos necesarios para minimizar la pérdida de potencia durante la transmisión a larga distancia, por lo que la distancia económica máxima entre los generadores y la carga se limitó a aproximadamente media milla (800 m). [4]
Ese mismo año en Londres, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbsdemostraron el "generador secundario", es decir, el primer transformador adecuado para su uso en un sistema de potencia real. [5] El valor práctico del transformador de Gaulard y Gibbs se demostró en 1884 en Turín, donde se utilizó el transformador para iluminar cuarenta kilómetros (25 millas) de ferrocarril desde un solo generador de corriente alterna. [6] A pesar del éxito del sistema, la pareja cometió algunos errores fundamentales. Quizás lo más serio fue conectar las primarias de los transformadores en seriepara que las lámparas activas afecten el brillo de otras lámparas más abajo en la línea.
En 1885, Ottó Titusz Bláthy (1860–1939) de Ganz & Co. (Budapest) perfeccionó el generador secundario de Gaulard y Gibbs, proporcionándole un núcleo de hierro cerrado, y así obtuvo el primer transformador de potencia verdadero, que él apodó con su nombre actual [7] El mismo año, Bláthy y otros dos ingenieros de la compañía establecieron el sistema ZBD (a partir de sus iniciales) implementando la distribución de CA paralela propuesta por el científico británico R. Kennedy en 1883, en la que varios transformadores de potencia tienen sus devanados primarios. Alimentado en paralelo desde una línea de distribución de alta tensión. El sistema fue presentado en la Exposición General Nacional de Budapest de 1885.
En 1885 , un empresario estadounidense, George Westinghouse , obtuvo los derechos de patente del transformador Gaulard-Gibbs e importó varios de ellos junto con un generador de Siemens , y puso a sus ingenieros a experimentar con ellos con la esperanza de mejorarlos para utilizarlos en una potencia comercial. sistema. En 1886, uno de los ingenieros de Westinghouse, William Stanley , también reconoció el problema de conectar transformadores en serie en lugar de paralelos y también se dio cuenta de que convertir el núcleo de hierro de un transformador en un circuito totalmente cerrado mejoraría la regulación de voltaje del devanado secundario. [8]Utilizando este conocimiento, construyó el primer sistema práctico de corriente alterna basado en transformador en Great Barrington, Massachusetts en 1886. [9] Westinghouse comenzaría a instalar sistemas de transformadores de CA de voltaje múltiple en competencia con la compañía Edison más tarde ese año. En 1888, Westinghouse también otorgó licencias a las patentes de Nikola Tesla para un motor de inducción de CA polifase y diseños de transformadores, y contrató a Tesla por un año como consultor en los laboratorios de Pittsburgh de Westinghouse Electric & Manufacturing Company . [10]
Para 1888, la industria de la energía eléctrica estaba floreciendo, y las compañías eléctricas habían construido miles de sistemas de energía (tanto de corriente directa como alterna) en los Estados Unidos y Europa. Estas redes estaban efectivamente dedicadas a proporcionar iluminación eléctrica. Durante este tiempo, la rivalidad entre las compañías de Thomas Edison y George Westinghouse se había convertido en una campaña de propaganda sobre qué forma de transmisión (corriente directa o alterna) era superior, una serie de eventos conocidos como la " Guerra de Corrientes ". [11] En 1891, Westinghouse instaló el primer sistema de energía principal que fue diseñado para impulsar un motor eléctrico síncrono de 100 caballos de fuerza (75 kW), no solo para proporcionar iluminación eléctrica, en Telluride, Colorado . [12]Al otro lado del Atlántico, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky, de AEG, y Charles Eugene Lancelot Brown, de Maschinenfabrik Oerlikon, construyeron la primera línea de larga distancia (175 km, una distancia nunca antes probada) de alto voltaje (15 kV, luego un registro). ) línea de transmisión trifásica de Lauffen am Neckar a Frankfurt am Main para la Exposición de Ingeniería Eléctrica en Frankfurt, donde se utilizaron lámparas de luz y una bomba de agua. [13] [8] En los EE. UU., La competencia de AC / DC llegó a su fin cuando Edison General Electric fue tomada por su principal rival de AC, Thomson-Houston Electric Company , que formó General Electric.. En 1895, después de un prolongado proceso de toma de decisiones, se eligió la corriente alterna como el estándar de transmisión con Westinghouse construyendo la estación de generación No. 1 de Adams en Niagara Falls y General Electric construyendo el sistema de alimentación de corriente alterna trifásica para suministrar Buffalo a 11 kV . [8]
Los desarrollos en los sistemas de energía continuaron más allá del siglo XIX. En 1936 , se construyó la primera línea experimental de corriente continua de alto voltaje (HVDC) que utiliza válvulas de arco de mercurio entre Schenectady y Mechanicville, Nueva York . [14] HVDC se había logrado anteriormente mediante generadores y motores de corriente continua conectados en serie (el sistema Thury ), aunque esto tenía serios problemas de confiabilidad. [15] [14]El primer diodo metálico de estado sólido adecuado para usos generales de energía fue desarrollado por Ernst Presser en TeKaDe, Alemania, en 1928. Consistía en una capa de selenio aplicada sobre una placa de aluminio. En 1957, un grupo de investigación de General Electric desarrolló un dispositivo de conmutador pnpn de estado sólido que se comercializó con éxito a principios de 1958, comenzando una revolución en la electrónica de potencia. En 1957, también Siemens demostró un rectificador de estado sólido, pero no fue hasta principios de la década de 1970 que los dispositivos de estado sólido se convirtieron en el estándar en HVDC, cuando GE emergió como uno de los principales proveedores de HVDC basado en tiristores. [dieciséis] En 1979, un consorcio europeo que incluía a Siemens, Brown Boveri & Cie y AEG realizó el enlace HVDC récord desde Cabora Bassa (Mozambique) a Johannesburgo (Sudáfrica), extendiéndose más de 1.420 km y con una calificación de 1.9 GW a ± 533 kV, que se destinó a Los mejores tiristores de 3,2 kV, desarrollados por AEG bajo la licencia de GE, [14] En los últimos tiempos, muchos desarrollos importantes se han producido al extender las innovaciones en el campo de la tecnología de la información y las comunicaciones (TIC) al campo de la ingeniería energética. Por ejemplo, el desarrollo de computadoras significó estudios de flujo de carga.podría ejecutarse de manera más eficiente, permitiendo una mejor planificación de los sistemas de energía. Los avances en la tecnología de la información y las telecomunicaciones también permitieron el control remoto de los equipos de conmutación y generadores de un sistema de energía.
Fundamentos de la energía eléctrica [ editar ]
La energía eléctrica es el producto de dos cantidades: corriente y tensión. Estas dos cantidades pueden variar con respecto al tiempo ( alimentación de CA ) o pueden mantenerse a niveles constantes ( alimentación de CC ).
La mayoría de los refrigeradores, acondicionadores de aire, bombas y maquinaria industrial usan alimentación de CA, mientras que la mayoría de las computadoras y equipos digitales usan alimentación de CC (los dispositivos digitales conectados a la red eléctrica típicamente tienen un adaptador de alimentación interno o externo para convertir de CA a CC). La potencia de CA tiene la ventaja de ser fácil de transformar entre voltajes y puede ser generada y utilizada por la maquinaria sin escobillas. La alimentación de CC sigue siendo la única opción práctica en sistemas digitales y puede ser más económico para transmitir a largas distancias a muy altos voltajes (consulte HVDC ). [17] [18]
La capacidad de transformar fácilmente el voltaje de la alimentación de CA es importante por dos razones: en primer lugar, la energía puede transmitirse a largas distancias con menos pérdidas a voltajes más altos. Entonces, en los sistemas de energía donde la generación está alejada de la carga, es deseable aumentar (aumentar) el voltaje de la energía en el punto de generación y luego reducir (disminuir) el voltaje cerca de la carga. En segundo lugar, a menudo es más económico instalar turbinas que producen voltajes más altos que los que utilizarían la mayoría de los aparatos, por lo que la capacidad de transformar fácilmente los voltajes significa que este desajuste entre los voltajes se puede manejar fácilmente. [17]
Los dispositivos de estado sólido , que son productos de la revolución de los semiconductores, hacen posible transformar la alimentación de CC a diferentes voltajes , construir máquinas de CC sin escobillas y convertir entre alimentación de CA y CC . Sin embargo, los dispositivos que utilizan tecnología de estado sólido son a menudo más caros que sus contrapartes tradicionales, por lo que la alimentación de CA permanece en uso generalizado. [19]
Equilibrio de la rejilla [ editar ]
Una de las principales dificultades en los sistemas de energía es que la cantidad de energía activa consumida más las pérdidas siempre debe ser igual a la energía activa producida. Si se produce más potencia de la que se consume, la frecuencia aumentará y viceversa. Incluso pequeñas desviaciones del valor de frecuencia nominal dañarán las máquinas síncronas y otros aparatos. Asegurarse de que la frecuencia sea constante suele ser tarea del operador de un sistema de transmisión . En algunos países (por ejemplo, en la Unión Europea ), esto se logra a través de un mercado de equilibrio que utiliza servicios auxiliares . [20]
Componentes de sistemas de potencia [ editar ]
Suministros [ editar ]
Todos los sistemas de energía tienen una o más fuentes de energía. Para algunos sistemas de energía, la fuente de energía es externa al sistema pero para otros, es parte del sistema en sí; son estas fuentes de energía internas las que se analizan en el resto de esta sección. La energía de corriente continua puede ser suministrada por baterías , células de combustible o células fotovoltaicas . La corriente alterna generalmente es suministrada por un rotor que gira en un campo magnético en un dispositivo conocido como turbo generador . Ha habido una amplia gama de técnicas utilizadas para hacer girar el rotor de una turbina, desde vapor calentado con combustible fósil (incluyendo carbón, gas y petróleo) o energía nuclear , agua que cae ( energía hidroeléctrica).) y el viento ( energía eólica ).
La velocidad a la que gira el rotor en combinación con el número de polos del generador determina la frecuencia de la corriente alterna producida por el generador. Todos los generadores en un solo sistema síncrono, por ejemplo, la red nacional , giran a los submúltiplos de la misma velocidad y generan corriente eléctrica a la misma frecuencia. Si la carga en el sistema aumenta, los generadores requerirán más torque para girar a esa velocidad y, en una central eléctrica típica, se debe suministrar más vapor a las turbinas que los impulsan. Por lo tanto, el vapor utilizado y el combustible gastado dependen directamente de la cantidad de energía eléctrica suministrada. Existe una excepción para los generadores que incorporan electrónica de potencia, como los aerogeneradores sin engranajes.o vinculado a una red a través de un enlace asíncrono, como un enlace HVDC , que puede operar en frecuencias independientes de la frecuencia del sistema de energía.
Dependiendo de cómo se alimenten los polos, los generadores de corriente alterna pueden producir un número variable de fases de potencia. Un mayor número de fases conduce a una operación más eficiente del sistema de energía, pero también aumenta los requisitos de infraestructura del sistema. [21]
Los sistemas de la red eléctrica conectan múltiples generadores y cargas que funcionan a la misma frecuencia y número de fases, el más común es trifásico a 50 o 60 Hz. Sin embargo, hay otras consideraciones. Estos van desde lo obvio: ¿cuánta potencia debería poder suministrar el generador? ¿Cuál es el tiempo aceptable para iniciar el generador (algunos generadores pueden tardar horas en arrancar)? ¿Es aceptable la disponibilidad de la fuente de energía (algunas fuentes renovables solo están disponibles cuando el sol brilla o el viento sopla)? A los más técnicos: ¿Cómo debe arrancar el generador (algunas turbinas actúan como un motor para alcanzar la velocidad, en cuyo caso necesitan un circuito de arranque apropiado)? ¿Cuál es la velocidad mecánica de operación de la turbina y, en consecuencia, cuál es el número de polos requeridos? ¿Qué tipo de generador es adecuado?síncrono o asíncrono ) y qué tipo de rotor (rotor de jaula de ardilla, rotor bobinado, rotor de polo saliente o rotor cilíndrico)? [22]
Cargas [ editar ]
Los sistemas de energía suministran energía a las cargas que realizan una función. Estas cargas van desde electrodomésticos hasta maquinaria industrial. La mayoría de las cargas esperan un cierto voltaje y, para los dispositivos de corriente alterna, una cierta frecuencia y número de fases. Los aparatos que se encuentran en entornos residenciales, por ejemplo, serán típicamente monofásicos operando a 50 o 60 Hz con un voltaje entre 110 y 260 voltios (según los estándares nacionales). Existe una excepción para los sistemas de aire acondicionado centralizados más grandes, ya que en algunos países estos ahora suelen ser trifásicos porque esto les permite operar de manera más eficiente. Todos los aparatos eléctricos también tienen una clasificación de vataje, que especifica la cantidad de energía que consume el dispositivo. En cualquier momento,[23] [24]
Asegurarse de que el voltaje, la frecuencia y la cantidad de energía suministrada a las cargas estén en línea con las expectativas es uno de los grandes desafíos de la ingeniería de sistemas de potencia. Sin embargo, no es el único desafío, además de la potencia utilizada por una carga para realizar un trabajo útil (denominado potencia real ), muchos dispositivos de corriente alterna también usan una cantidad adicional de energía porque causan que la tensión alterna y la corriente alterna se salgan ligeramente -de-sincronización (denominada potencia reactiva ). La potencia reactiva, al igual que la potencia real, debe equilibrarse (es decir, la potencia reactiva producida en un sistema debe ser igual a la potencia reactiva consumida) y puede suministrarse desde los generadores, sin embargo, a menudo es más económico suministrar dicha potencia desde los condensadores (consulte "Condensadores y reactores "abajo para más detalles).[25]
Una consideración final con las cargas tiene que ver con la calidad de la energía. Además de las sobretensiones y subtensiones sostenidas (problemas de regulación de voltaje), así como las desviaciones sostenidas de la frecuencia del sistema (problemas de regulación de frecuencia), las cargas del sistema de energía pueden verse afectadas negativamente por un rango de problemas temporales. Estos incluyen caídas de tensión, caídas y oscilaciones, sobretensiones transitorias, parpadeo, ruido de alta frecuencia, desequilibrio de fase y factor de potencia deficiente. [26]Los problemas de calidad de energía ocurren cuando la fuente de alimentación a una carga se desvía del ideal: para un suministro de CA, lo ideal es que la corriente y el voltaje en sincronismo fluctúen como una onda sinusoidal perfecta a una frecuencia prescrita con el voltaje a una amplitud determinada. Para el suministro de CC, lo ideal es que el voltaje no varíe de un nivel prescrito. Los problemas de calidad de la energía pueden ser especialmente importantes cuando se trata de maquinaria industrial especializada o equipo hospitalario.
Conductores [ editar ]
Los conductores llevan la energía de los generadores a la carga. En una red , los conductores pueden clasificarse como pertenecientes al sistema de transmisión , que transporta grandes cantidades de energía a altos voltajes (generalmente más de 69 kV) desde los centros de generación hasta los centros de carga, o el sistema de distribución , que alimenta cantidades más pequeñas de potencia a voltajes más bajos (por lo general, menos de 69 kV) desde los centros de carga hasta hogares e industrias cercanas. [27]
La elección de los conductores se basa en consideraciones tales como el costo, las pérdidas de transmisión y otras características deseables del metal como la resistencia a la tracción. El cobre , con menor resistividad que el aluminio , fue el conductor elegido para la mayoría de los sistemas de energía. Sin embargo, el aluminio tiene un costo menor para la misma capacidad de carga actual y es el metal primario utilizado para los conductores de líneas de transmisión. Los conductores de línea aérea pueden reforzarse con acero o aleaciones de aluminio. [28]
Los conductores en los sistemas eléctricos exteriores pueden colocarse sobre la superficie o bajo tierra. Los conductores aéreos generalmente están aislados en aire y soportados en aisladores de porcelana, vidrio o polímero. Los cables utilizados para la transmisión subterránea o el cableado del edificio están aislados con polietileno reticulado u otro aislamiento flexible. Los conductores grandes están varados para facilitar su manejo; Los conductores pequeños utilizados para el cableado de edificios a menudo son sólidos, especialmente en construcciones comerciales o residenciales livianas. [29]
Los conductores generalmente se clasifican para la corriente máxima que pueden transportar a un aumento de temperatura dado en condiciones ambientales. A medida que aumenta el flujo de corriente a través de un conductor, se calienta. Para conductores aislados, la clasificación está determinada por el aislamiento. [30] Para los conductores aéreos, la clasificación está determinada por el punto en el que la inclinación de los conductores se volvería inaceptable. [31]
Condensadores y reactores [ editar ]
La mayoría de la carga en un sistema de alimentación de CA típico es inductiva; La corriente está por detrás del voltaje. Dado que el voltaje y la corriente están desfasados, esto conduce a la aparición de una forma de potencia "imaginaria" conocida como potencia reactiva . La potencia reactiva no realiza un trabajo medible, pero se transmite de ida y vuelta entre la fuente de potencia reactiva y carga cada ciclo. Esta potencia reactiva puede ser proporcionada por los propios generadores, a través del ajuste de la excitación del generador, pero a menudo es más barato proporcionarla a través de los condensadores, por lo tanto, los condensadores a menudo se colocan cerca de cargas inductivas para reducir la demanda de corriente en el sistema de energía (es decir, aumentar la Factor de potencia), que nunca puede exceder de 1.0, y que representa una carga puramente resistiva. La corrección del factor de potencia se puede aplicar en una subestación central, mediante el uso de los llamados "condensadores síncronos" (máquinas síncronas que actúan como condensadores que son variables en valor VAR , a través del ajuste de la excitación de la máquina) o adyacentes a grandes cargas, a través de el uso de los llamados "condensadores estáticos" (condensadores que se fijan en valor VAR).
Los reactores consumen energía reactiva y se utilizan para regular el voltaje en líneas de transmisión largas. En condiciones de carga liviana, donde la carga en las líneas de transmisión está muy por debajo de la carga de impedancia de sobretensión , la eficiencia del sistema de potencia puede mejorarse al cambiar los reactores. Los reactores instalados en serie en un sistema de potencia también limitan las corrientes de flujo de corriente, por lo que los reactores pequeños casi siempre se instalan en serie con condensadores para limitar la corriente de corriente asociada con la conmutación de un condensador. Los reactores en serie también se pueden usar para limitar las corrientes de falla.
Los condensadores y los reactores se conmutan mediante disyuntores, lo que da como resultado pasos moderadamente grandes en la potencia reactiva. Una solución viene en forma de compensadores estáticos VARy compensadores estáticos síncronos . Brevemente, los compensadores estáticos VAR funcionan al conmutar los capacitores utilizando tiristores en lugar de los interruptores automáticos, lo que permite que los capacitores se conecten y desconecten dentro de un solo ciclo. Esto proporciona una respuesta mucho más refinada que los condensadores de interruptores automáticos. Los compensadores estáticos síncronos van un paso más allá al lograr ajustes de potencia reactiva utilizando solo electrónica de potencia .
Electrónica de potencia [ editar ]
Los dispositivos electrónicos de potencia son dispositivos basados en semiconductores que pueden cambiar cantidades de energía que van desde unos pocos cientos de vatios a varios cientos de megavatios. A pesar de su función relativamente simple, su velocidad de operación (generalmente en el orden de nanosegundos [32] ) significa que son capaces de realizar una amplia gama de tareas que serían difíciles o imposibles con la tecnología convencional. La función clásica de la electrónica de potencia es la rectificación , o la conversión de la alimentación de CA a CC, la electrónica de potencia se encuentra en casi todos los dispositivos digitales que se suministran desde una fuente de CA ya sea como un adaptador que se enchufa en la pared (vea la foto en Conceptos básicos de la energía eléctricaSección) o como componente interno del dispositivo. La electrónica de potencia de alta potencia también se puede utilizar para convertir la alimentación de CA en alimentación de CC para la transmisión a larga distancia en un sistema conocido como HVDC . Se usa HVDC porque resulta ser más económico que los sistemas de CA de alto voltaje similares para distancias muy largas (de cientos a miles de kilómetros). HVDC también es deseable para las interconexiones porque permite la independencia de la frecuencia, lo que mejora la estabilidad del sistema. La electrónica de potencia también es esencial para cualquier fuente de energía que se requiera para producir una salida de CA, pero que por su naturaleza produce una salida de CC. Por lo tanto, son utilizados por muchas instalaciones fotovoltaicas tanto industriales como residenciales.
La electrónica de potencia también cuenta con una amplia gama de usos más exóticos. Están en el corazón de todos los vehículos eléctricos e híbridos modernos, donde se usan tanto para el control del motor como para ser parte del motor de corriente continua sin escobillas . La electrónica de potencia también se encuentra en prácticamente todos los vehículos modernos con motor de gasolina, esto se debe a que la energía proporcionada por las baterías del automóvil por sí sola no es suficiente para proporcionar pantallas de encendido, aire acondicionado, iluminación interna, radio y tablero de instrumentos durante la vida útil del automóvil. Por lo tanto, las baterías deben recargarse mientras se conduce utilizando la alimentación de CC del motor, una hazaña que normalmente se logra con la electrónica de potencia. Mientras que la tecnología convencional no sería adecuada para un automóvil eléctrico moderno, los conmutadores pueden y han sido utilizados en automóviles propulsados por gasolina, el cambio a alternadoresen combinación con la electrónica de potencia se ha producido debido a la mayor durabilidad de la maquinaria sin escobillas. [33]
Algunos sistemas ferroviarios eléctricos también utilizan corriente continua y, por lo tanto, utilizan la electrónica de potencia para alimentar la red eléctrica a las locomotoras y, a menudo, para controlar la velocidad del motor de la locomotora. A mediados del siglo XX, las locomotoras rectificadoras eran populares, estas usaban electrónica de potencia para convertir la potencia de CA de la red ferroviaria para ser utilizada por un motor de CC. [34]Hoy en día, la mayoría de las locomotoras eléctricas se suministran con alimentación de CA y funcionan con motores de CA, pero siguen utilizando la electrónica de potencia para proporcionar un control adecuado del motor. El uso de la electrónica de potencia para ayudar con el control del motor y con los circuitos de arranque no se puede sobreestimar y, además de la rectificación, es responsable de la electrónica de potencia que aparece en una amplia gama de maquinaria industrial. La electrónica de potencia incluso aparece en los modernos aires acondicionados residenciales.
La electrónica de potencia también está en el corazón del aerogenerador de velocidad variable . Las turbinas eólicas convencionales requieren una ingeniería significativa para garantizar que funcionen en una proporción determinada de la frecuencia del sistema; sin embargo, mediante el uso de la electrónica de potencia, este requisito puede eliminarse, lo que conduce a turbinas eólicas más silenciosas, más flexibles y (en este momento) más costosas. Un último ejemplo de uno de los usos más exóticos de la electrónica de potencia proviene de la sección anterior en la que se utilizaron los rápidos tiempos de conmutación de la electrónica de potencia para proporcionar una compensación reactiva más refinada al sistema de energía.
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