La industria de la energía eléctrica abarca la generación , transmisión , distribución y venta de energía eléctrica al público en general y a la industria. La distribución comercial de energía eléctrica comenzó en 1882 cuando se produjo electricidad para la iluminación eléctrica . En las décadas de 1880 y 1890, las crecientes preocupaciones económicas y de seguridad llevaron a la regulación de la industria. Lo que una vez fue 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 brindan todas las etapas desde la generación hasta el comercio minorista, y solo la supervisión gubernamental regula la tasa de retorno y la estructura de costos.
Desde la década de 1990, muchas regiones han dividido la generación y distribución de energía eléctrica para proporcionar un mercado eléctrico más competitivo . Si bien dichos mercados pueden manipularse de manera abusiva con el consiguiente impacto adverso sobre el precio y la confiabilidad para los consumidores, en general la producción competitiva de energía eléctrica conduce a mejoras valiosas en la eficiencia. Sin embargo, la transmisión y distribución son problemas más difíciles ya que los retornos de la inversión no son tan fáciles de encontrar.
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 de energía de la red eléctrica puede dividirse ampliamente en los generadores que suministran la energía, el sistema de transmisión que transporta la energía desde los centros de generación a los centros de carga y el sistema de distribución que alimenta la energía a los hogares e industrias cercanas. Los sistemas de energía más pequeños también se encuentran en la industria, hospitales, edificios comerciales y hogares. La mayoría de estos sistemas dependen de la alimentación de CA trifásica.—El estándar para la transmisión y distribución de energía a gran escala en todo 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. Funcionaba con dos ruedas hidráulicas y producía una corriente alterna que a su vez suministraba siete lámparas de arco Siemens a 250 voltios y 34 lámparas incandescentes a 40 voltios. [1] Sin embargo, el suministro a las lámparas fue intermitente y en 1882 Thomas Edison y su compañía, The Edison Electric Light Company, desarrollaron la primera estación de energía eléctrica a vapor en Pearl Street en la ciudad de Nueva York. La estación de Pearl Street alimentó inicialmente alrededor de 3.000 lámparas para 59 clientes. [2] [3] La central eléctrica genera corriente continuay operado a un solo voltaje. La energía de corriente continua no se podía transformar de manera fácil o eficiente a los voltajes más altos necesarios para minimizar la pérdida de energía durante la transmisión a larga distancia, por lo que la distancia económica máxima entre los generadores y la carga se limitó a alrededor de 800 metros (media milla). [4]
Ese mismo año en Londres, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs demostraron el "generador secundario", es decir, el primer transformador adecuado para su uso en un sistema de energía 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 serie para que las lámparas activas afecten el brillo de otras lámparas más adelante.
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 de este modo obtuvo el primer transformador de potencia real, que denominó 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) al implementar 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 alto voltaje. El sistema se presentó en la Exposición General Nacional de Budapest de 1885.
En 1885, George Westinghouse , un empresario estadounidense, obtuvo los derechos de patente del transformador Gaulard-Gibbs e importó varios de ellos junto con un generador Siemens , y puso a sus ingenieros a experimentar con ellos con la esperanza de mejorarlos para su uso 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 hacer del núcleo de hierro de un transformador un bucle completamente cerrado mejoraría la regulación de voltaje del devanado secundario. [8]Con este conocimiento, construyó el primer sistema práctico de corriente alterna basado en transformadores 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 la licencia de las patentes estadounidenses de Nikola Tesla para un motor de inducción polifásico de CA y diseños de transformadores y contrató a Tesla por un año para ser consultor en los laboratorios 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 continua como alterna) en los Estados Unidos y Europa. Estas redes se dedicaron efectivamente 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 las Corrientes ". [11] En 1891, Westinghouse instaló el primer sistema de energía principal que fue diseñado para conducir un motor eléctrico síncrono de 100 caballos de fuerza (75 kW), no solo para proporcionar iluminación eléctrica, en Telluride, Colorado . [12]Del otro lado del Atlántico, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky de AEG y Charles Eugene Lancelot Brown de Maschinenfabrik Oerlikon, construyeron la primera larga distancia (175 km, una distancia nunca antes probada) de alto voltaje (15 kV, luego un récord ) línea de transmisión trifásica desde Lauffen am Neckar a Frankfurt am Main para la Exposición de Ingeniería Eléctrica en Frankfurt, donde se utilizaban lámparas de luz y se movía una bomba de agua. [13] [8] En los EE. UU., La competencia AC / DC llegó a su fin cuando Edison General Electric fue asumida por su principal rival AC, la Thomson-Houston Electric Company , formando 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 generadora Adams No. 1 en Niagara Falls y General Electric construyendo el sistema trifásico de corriente alterna 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) con válvulas de arco de mercurio entre Schenectady y Mechanicville, Nueva York . [14] HVDC se había logrado previamente mediante generadores y motores de corriente continua conectados en serie (el sistema Thury ), aunque esto sufría serios problemas de confiabilidad. [15] [14]El primer diodo de metal 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 en una placa de aluminio. En 1957, un grupo de investigación de General Electric desarrolló un dispositivo conmutador pnpn de estado sólido que se comercializó con éxito a principios de 1958, comenzando una revolución en la electrónica de potencia. En 1957, Siemens también 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 a base de tiristores. [dieciséis] En 1979, un consorcio europeo que incluía a Siemens, Brown Boveri & Cie y AEG realizó el enlace récord HVDC desde Cabora Bassa (Mozambique) a Johannesburgo (Sudáfrica), que se extendió más de 1.420 km y calificó 1.9 GW a ± 533 kV, que recurrió tiristores de 3.2 kV de alto rendimiento, desarrollados por AEG bajo la licencia de GE, [14] En los últimos tiempos, muchos desarrollos importantes han surgido 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 cargapodría ejecutarse de manera más eficiente permitiendo una planificación mucho mejor de los sistemas de energía. Los avances en la tecnología de la información y las telecomunicaciones también permitieron el control remoto de los interruptores y generadores de un sistema de energía.
Conceptos básicos de la energía eléctrica [ editar ]
La energía eléctrica es el producto de dos cantidades: corriente y voltaje . Estas dos cantidades pueden variar con respecto al tiempo ( corriente alterna ) o pueden mantenerse a niveles constantes ( corriente continua ).
La mayoría de los refrigeradores, aires acondicionados, bombas y maquinaria industrial usan energía de CA, mientras que la mayoría de las computadoras y equipos digitales usan energía de CC (los dispositivos digitales conectados a la red eléctrica generalmente tienen un adaptador de corriente interno o externo para convertir de CA a CC). La alimentación de CA tiene la ventaja de ser fácil de transformar entre voltajes y puede ser generada y utilizada por maquinaria sin escobillas. La alimentación de CC sigue siendo la única opción práctica en los sistemas digitales y puede ser más económica de transmitir a largas distancias a voltajes muy altos (ver 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 se puede transmitir a largas distancias con menos pérdida a voltajes más altos. Entonces, en los sistemas de energía donde la generación está lejos 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 dispositivos, por lo que la capacidad de transformar fácilmente los voltajes significa que esta falta de coincidencia entre los voltajes se puede gestionar 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 a menudo son más caros que sus equivalentes tradicionales, por lo que la alimentación de CA sigue siendo de uso generalizado. [19]
Equilibrio de la cuadrícula [ 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 del sistema de transmisión . En algunos países (por ejemplo, en la Unión Europea ) esto se logra a través de un mercado equilibrado que utiliza servicios auxiliares . [20]
Componentes de sistemas de energía [ 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 mismo: 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 , celdas de combustible o celdas fotovoltaicas . La energía de corriente alterna es típicamente suministrada por un rotor que gira en un campo magnético en un dispositivo conocido como turbogenerador . Ha habido una amplia gama de técnicas utilizadas para hacer girar el rotor de una turbina, desde vapor calentado con combustible fósil (incluido carbón, gas y petróleo) o energía nuclear , agua que cae ( energía hidroeléctrica) y 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 , rotan en submúltiplos de la misma velocidad y generan corriente eléctrica a la misma frecuencia. Si aumenta la carga en el sistema, los generadores necesitarán más torque para girar a esa velocidad y, en una estación de energía 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 turbinas eólicas sin engranajeso vinculado a una red a través de un enlace asíncrono, como un enlace HVDC , estos pueden operar a frecuencias independientes de la frecuencia del sistema de potencia.
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 red eléctrica conectan múltiples generadores y cargas que operan a la misma frecuencia y número de fases, la más común es trifásica a 50 o 60 Hz. Sin embargo, hay otras consideraciones. Estos van desde lo obvio: ¿cuánta potencia debería poder suministrar el generador? ¿Cuál es un período de tiempo aceptable para iniciar el generador (algunos generadores pueden tardar horas en iniciarse)? ¿Es aceptable la disponibilidad de la fuente de energía (algunas energías renovables solo están disponibles cuando brilla el sol o sopla el viento)? Para los más técnicos: ¿Cómo debe arrancar el generador (algunas turbinas actúan como un motor para alcanzar la velocidad máxima, 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 necesarios? ¿Qué tipo de generador es adecuado (síncrono o asíncrono ) y qué tipo de rotor (rotor de jaula de ardilla, rotor enrollado, rotor de polo saliente o rotor cilíndrico)? [22]
Cargas [ editar ]
Los sistemas de energía entregan 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 dispositivos de corriente alterna, una cierta frecuencia y número de fases. Los electrodomésticos que se encuentran en entornos residenciales, por ejemplo, generalmente funcionarán monofásicos 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 son típicamente trifásicos porque esto les permite operar de manera más eficiente. Todos los aparatos eléctricos también tienen una potencia nominal, 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 esté en línea con las expectativas es uno de los grandes desafíos de la ingeniería de sistemas de energía. 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 potencia porque provocan que la tensión alterna y la corriente alterna disminuyan ligeramente. -de-sincronización (denominada potencia reactiva ). La potencia reactiva como 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 (ver "Condensadores y reactores "a continuación 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 alimentación pueden verse afectadas negativamente por una variedad de problemas temporales. Estos incluyen caídas de tensión, caídas y subidas de tensión, sobretensiones transitorias, parpadeo, ruido de alta frecuencia, desequilibrio de fase y factor de potencia deficiente. [26]Los problemas de calidad de la energía se producen cuando la fuente de alimentación de una carga se desvía del ideal: para una fuente de CA, lo ideal es la corriente y el voltaje sincronizados que fluctúan como una onda sinusoidal perfecta a una frecuencia prescrita con el voltaje a una amplitud prescrita. Para el suministro de CC, lo ideal es el voltaje que no varía de un nivel prescrito. Los problemas de calidad de energía pueden ser especialmente importantes cuando se trata de maquinaria industrial especializada o equipo de hospital.
Conductores [ editar ]
Los conductores transportan energía desde 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 (típicamente más de 69 kV) desde los centros de generación a los centros de carga, o el sistema de distribución , que alimenta cantidades más pequeñas de energía a voltajes más bajos (típicamente menos de 69 kV) desde los centros de carga a hogares e industrias cercanas. [27]
La elección de los conductores se basa en consideraciones 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 por la misma capacidad de carga de corriente y es el metal primario utilizado para los conductores de línea de transmisión. Los conductores de línea aérea pueden reforzarse con aleaciones de acero o aluminio. [28]
Los conductores en sistemas de energía exteriores pueden colocarse en el techo o bajo tierra. Los conductores aéreos suelen estar aislados con aire y apoyados 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 ligeras. [29]
Los conductores generalmente están clasificados 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 caída 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 va por detrás del voltaje. Dado que el voltaje y la corriente están fuera de fase, esto lleva a la aparición de una forma de energía "imaginaria" conocida como potencia reactiva . La potencia reactiva no realiza un trabajo medible, pero se transmite de un lado a otro entre la fuente de potencia reactiva y la carga en cada ciclo. Esta potencia reactiva puede ser provista por los propios generadores, a través del ajuste de la excitación del generador, pero a menudo es más barato proporcionarla a través de condensadores, por lo tanto, los condensadores a menudo se colocan cerca de cargas inductivas para reducir la demanda de corriente en el sistema de potencia (es decir, aumentar Factor de potencia), que nunca puede exceder 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 el 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 están fijos 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 realmente conectando reactores. Los reactores instalados en serie en un sistema de potencia también limitan los impulsos de flujo de corriente, por lo tanto, los reactores pequeños casi siempre se instalan en serie con condensadores para limitar la corriente de corriente asociada con la conmutación en un condensador. Los reactores en serie también se pueden usar para limitar las corrientes de falla.
Los condensadores y reactores se conmutan mediante interruptores automáticos, lo que da como resultado pasos moderadamente grandes en potencia reactiva. Una solución viene en forma de compensadores estáticos VAR y compensadores estáticos síncronos . En resumen, los compensadores VAR estáticos funcionan mediante la conmutación de condensadores mediante tiristores en lugar de interruptores automáticos que permiten la conexión y desconexión de condensadores en un solo ciclo. Esto proporciona una respuesta mucho más refinada que los condensadores con interruptor de circuito. Los compensadores sincrónicos estáticos van un paso más allá al lograr ajustes de potencia reactiva utilizando solo electrónica de potencia .
Electrónica de potencia [ editar ]
La electrónica de potencia son dispositivos basados en semiconductores que pueden cambiar cantidades de potencia que van desde unos pocos cientos de vatios hasta varios cientos de megavatios. A pesar de su función relativamente simple, su velocidad de operación (típicamente del 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, por lo tanto, 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 conecta a la pared (ver foto en Fundamentos 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 utiliza HVDC porque demuestra ser más económico que sistemas de CA de alto voltaje similares para distancias muy largas (cientos a miles de kilómetros). HVDC también es deseable para las interconexiones, ya que permite la independencia de frecuencia, mejorando así la estabilidad del sistema. La electrónica de potencia también es esencial para cualquier fuente de energía que se requiere 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 se presenta en 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 el motor de CC sin escobillas . La electrónica de potencia también se encuentra en prácticamente todos los vehículos modernos que funcionan con gasolina, esto se debe a que la energía proporcionada por las baterías del automóvil por sí sola es insuficiente para proporcionar pantallas de encendido, aire acondicionado, iluminación interna, radio y tablero de instrumentos para la vida útil del automóvil. Por lo tanto, las baterías deben recargarse mientras se conduce utilizando la energía de CC del motor, una hazaña que generalmente se logra usando 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 a gasolina, el cambio a alternadoresEn combinación con la electrónica de potencia se ha producido debido a la durabilidad mejorada de la maquinaria sin escobillas. [33]
Algunos sistemas de ferrocarriles eléctricos también utilizan energía de CC y, por lo tanto, utilizan electrónica de potencia para alimentar la red 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, usaban electrónica de potencia para convertir la alimentación de CA de la red ferroviaria para su uso por un motor de CC. [34]Hoy en día, la mayoría de las locomotoras eléctricas se alimentan con corriente alterna y funcionan con motores de corriente alterna, pero aún usan 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 de la turbina eólica de velocidad variable . Las turbinas eólicas convencionales requieren una ingeniería significativa para garantizar que operen a una cierta proporción de la frecuencia del sistema, sin embargo, al usar la electrónica de potencia, este requisito puede eliminarse, lo que lleva a turbinas eólicas más silenciosas, más flexibles y (por el momento) más costosas. Un último ejemplo de uno de los usos más exóticos de la electrónica de potencia proviene de la sección anterior, donde los tiempos de cambio rápido de la electrónica de potencia se utilizaron para proporcionar una compensación reactiva más refinada al sistema de potencia.
Dispositivos de protección [ editar ]
Los sistemas de alimentación contienen dispositivos de protección para evitar lesiones o daños durante fallas. El dispositivo protector por excelencia es el fusible. Cuando la corriente a través de un fusible excede un cierto umbral, el elemento fusible se derrite, produciendo un arco a través del espacio resultante que luego se extingue, interrumpiendo el circuito. Dado que los fusibles se pueden construir como el punto débil de un sistema, los fusibles son ideales para proteger los circuitos contra daños. Sin embargo, los fusibles tienen dos problemas: primero, una vez que han funcionado, los fusibles deben reemplazarse ya que no se pueden restablecer. Esto puede resultar inconveniente si el fusible está en un sitio remoto o si no tiene un fusible de repuesto. Y segundo, los fusibles son típicamente inadecuados como el único dispositivo de seguridad en la mayoría de los sistemas de energía, ya que permiten flujos de corriente muy superiores a los que resultarían letales para un ser humano o animal.
El primer problema se resuelve mediante el uso de disyuntores.: Dispositivos que se pueden restablecer después de que hayan interrumpido el flujo de corriente. En los sistemas modernos que usan menos de aproximadamente 10 kW, generalmente se usan disyuntores en miniatura. Estos dispositivos combinan el mecanismo que inicia el disparo (al detectar el exceso de corriente), así como el mecanismo que interrumpe el flujo de corriente en una sola unidad. Algunos interruptores automáticos en miniatura funcionan únicamente sobre la base del electromagnetismo. En estos interruptores automáticos en miniatura, la corriente pasa por un solenoide y, en caso de exceso de flujo de corriente, la fuerza magnética del solenoide es suficiente para forzar la apertura de los contactos del interruptor (a menudo indirectamente a través de un mecanismo de disparo). Sin embargo, surge un mejor diseño al insertar una tira bimetálica antes del solenoide; esto significa que en lugar de producir siempre una fuerza magnética,
En aplicaciones de mayor potencia, los relés de protección que detectan una falla e inician un disparo están separados del disyuntor. Los primeros relés funcionaron en base a principios electromagnéticos similares a los mencionados en el párrafo anterior, los relés modernos son computadoras específicas de la aplicación que determinan si se disparan según las lecturas del sistema de alimentación. Diferentes relés iniciarán disparos dependiendo de los diferentes esquemas de protección.. Por ejemplo, un relé de sobrecorriente podría iniciar un disparo si la corriente en cualquier fase supera un cierto umbral, mientras que un conjunto de relés diferenciales podría iniciar un disparo si la suma de las corrientes entre ellos indica que puede haber una fuga de corriente a tierra. Los disyuntores en aplicaciones de mayor potencia también son diferentes. Por lo general, el aire ya no es suficiente para apagar el arco que se forma cuando los contactos se abren de manera forzada, por lo que se utilizan diversas técnicas. Una de las técnicas más populares es mantener la cámara que encierra los contactos inundados con hexafluoruro de azufre (SF 6 ), un gas no tóxico que tiene buenas propiedades de extinción de arco. Se discuten otras técnicas en la referencia. [35]
El segundo problema, la insuficiencia de los fusibles para actuar como el único dispositivo de seguridad en la mayoría de los sistemas de energía, probablemente se resuelva mejor mediante el uso de dispositivos de corriente residual (RCD). En cualquier electrodoméstico que funcione correctamente, la corriente que fluye hacia el electrodoméstico en la línea activa debe ser igual a la corriente que fluye fuera del electrodoméstico por la línea neutra. Un dispositivo de corriente residual funciona monitoreando las líneas activas y neutras y disparando la línea activa si nota una diferencia. [36]Los dispositivos de corriente residual requieren una línea neutra separada para cada fase y poder dispararse dentro de un marco de tiempo antes de que ocurra el daño. Por lo general, esto no es un problema en la mayoría de las aplicaciones residenciales, donde el cableado estándar proporciona una línea activa y neutra para cada aparato (es por eso que sus enchufes siempre tienen al menos dos pinzas) y los voltajes son relativamente bajos, sin embargo, estos problemas limitan la efectividad de los RCD en otras aplicaciones como la industria. Incluso con la instalación de un RCD, la exposición a la electricidad puede resultar letal.
Sistemas SCADA [ editar ]
En grandes sistemas de energía eléctrica, control de supervisión y adquisición de datos.(SCADA) se utiliza para tareas tales como encender generadores, controlar la salida del generador y encender o apagar elementos del sistema para mantenimiento. Los primeros sistemas de control de supervisión implementados consistieron en un panel de lámparas e interruptores en una consola central cerca de la planta controlada. Las lámparas proporcionaron información sobre el estado de la planta (la función de adquisición de datos) y los interruptores permitieron realizar ajustes en la planta (la función de control de supervisión). Hoy en día, los sistemas SCADA son mucho más sofisticados y, debido a los avances en los sistemas de comunicación, las consolas que controlan la planta ya no necesitan estar cerca de la misma. En cambio, ahora es común que las plantas se controlen con equipos similares (si no idénticos) a una computadora de escritorio.[37]
Sistemas de potencia en la práctica [ editar ]
A pesar de sus componentes comunes, los sistemas de alimentación varían ampliamente tanto con respecto a su diseño como a su funcionamiento. Esta sección presenta algunos tipos de sistemas de energía comunes y explica brevemente su funcionamiento.
Sistemas de energía residencial [ editar ]
Las viviendas residenciales casi siempre se abastecen de las líneas o cables de distribución de baja tensión que pasan por la vivienda. Estos operan a voltajes de entre 110 y 260 voltios (fase a tierra) dependiendo de los estándares nacionales. Hace unas décadas, las viviendas pequeñas se alimentarían en una sola fase utilizando un cable de servicio dedicado de dos núcleos (un núcleo para la fase activa y un núcleo para el retorno neutro). La línea activa se ejecutará a través de un interruptor de aislamiento principal en la caja de fusiblesy luego se divide en uno o más circuitos para alimentar la iluminación y los electrodomésticos dentro de la casa. Por convención, los circuitos de iluminación y electrodomésticos se mantienen separados para que la falla de un electrodoméstico no deje a los ocupantes de la vivienda en la oscuridad. Todos los circuitos se fusionarían con un fusible apropiado basado en el tamaño del cable utilizado para ese circuito. Los circuitos tendrían un cable activo y neutro con la iluminación y las tomas de corriente conectadas en paralelo. Los enchufes también estarían provistos de una tierra protectora. Esto se pondría a disposición de los electrodomésticos para conectarse a cualquier carcasa metálica. Si esta carcasa se activara, la teoría es que la conexión a tierra provocaría la desconexión de un RCD o un fusible, evitando así la electrocución futura de un ocupante que manipula el aparato. Sistemas de puesta a tierravarían entre regiones, pero en países como el Reino Unido y Australia, tanto la tierra de protección como la línea neutral se conectarían a tierra cerca de la caja de fusibles antes del interruptor de aislamiento principal y el neutro a tierra nuevamente en el transformador de distribución. [38]
Ha habido una serie de cambios menores a lo largo de los años para practicar el cableado residencial. Algunas de las formas más significativas en que los sistemas de energía residencial modernos en los países desarrollados tienden a variar de los más antiguos incluyen:
- Por conveniencia, los interruptores automáticos en miniatura ahora se usan casi siempre en la caja de fusibles en lugar de los fusibles, ya que estos pueden ser reiniciados fácilmente por los ocupantes y, si son del tipo termomagnético, pueden responder más rápidamente a algunos tipos de fallas.
- Por razones de seguridad, los RCD ahora se instalan a menudo en circuitos de electrodomésticos y, cada vez más, incluso en circuitos de iluminación.
- Mientras que los aires acondicionados residenciales del pasado podrían haberse alimentado de un circuito dedicado conectado a una sola fase, los aires acondicionados centralizados más grandes que requieren energía trifásica ahora se están volviendo comunes en algunos países.
- Las tierras de protección ahora se ejecutan con circuitos de iluminación para permitir la conexión a tierra de los portalámparas metálicos.
- Cada vez más, los sistemas de energía residencial están incorporando microgeneradores , más notablemente, células fotovoltaicas.
Sistemas de energía comercial [ editar ]
Los sistemas de energía comercial, como los centros comerciales o los edificios de gran altura, son más grandes que los sistemas residenciales. Los diseños eléctricos para sistemas comerciales más grandes generalmente se estudian para el flujo de carga, los niveles de falla de cortocircuito y la caída de voltaje para cargas de estado estacionario y durante el arranque de motores grandes. Los objetivos de los estudios son asegurar el equipo adecuado y el tamaño del conductor, y coordinar los dispositivos de protección para que se produzca una interrupción mínima cuando se borra una falla. Las grandes instalaciones comerciales tendrán un sistema ordenado de subpaneles, separado del tablero de distribución principal para permitir una mejor protección del sistema y una instalación eléctrica más eficiente.
Por lo general, uno de los electrodomésticos más grandes conectados a un sistema de energía comercial en climas cálidos es la unidad HVAC, y garantizar que esta unidad se suministre adecuadamente es una consideración importante en los sistemas de energía comercial. Las regulaciones para establecimientos comerciales establecen otros requisitos para los sistemas comerciales que no se colocan en los sistemas residenciales. Por ejemplo, en Australia, los sistemas comerciales deben cumplir con AS 2293, el estándar para el alumbrado de emergencia, que requiere que el alumbrado de emergencia se mantenga durante al menos 90 minutos en caso de pérdida del suministro de la red eléctrica. [39] En los Estados Unidos, el Código Eléctrico Nacional requiere que se construyan sistemas comerciales con al menos una salida de señalización de 20 A para iluminar la señalización exterior. [40] Las regulaciones del código de construcción pueden establecer requisitos especiales en el sistema eléctrico para iluminación de emergencia, evacuación, energía de emergencia, control de humo y protección contra incendios.
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