sistema de energía eléctrica

Todos los sistemas de energía tienen una o más fuentes de energía. Para algunos sistemas, la fuente de energía es externa, pero para otros, forma parte del propio sistema; estas fuentes de energía internas son las que se analizan en el resto de esta sección. La energía de corriente continua puede ser suministrada por baterías , pilas de combustible o células fotovoltaicas . La energía de corriente alterna suele ser suministrada por un rotor que gira en un campo magnético en un dispositivo conocido como turbogenerador . Se han utilizado diversas técnicas para hacer girar el rotor de una turbina, desde vapor calentado mediante combustibles fósiles (incluidos carbón, gas y petróleo) o energía nuclear hasta agua en caída ( energía hidroeléctrica ) y viento ( energía eólica ).

La velocidad de giro del rotor, junto con el número de polos del generador, determina la frecuencia de la corriente alterna producida. Todos los generadores de un sistema síncrono, como la red eléctrica nacional , giran a submúltiplos de la misma velocidad y, por lo tanto, generan corriente eléctrica a la misma frecuencia. Si la carga del sistema aumenta, los generadores requerirán mayor par para girar a esa velocidad y, en una central termoeléctrica, se deberá suministrar más vapor a las turbinas que los impulsan. De este modo, el vapor utilizado y el combustible consumido están directamente relacionados con la cantidad de energía eléctrica suministrada. Existe una excepción para los generadores que incorporan electrónica de potencia, como las turbinas eólicas sin engranajes o conectados a la red mediante una conexión asíncrona, como un enlace HVDC ; estos pueden operar a frecuencias independientes de la frecuencia del sistema eléctrico.

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 conlleva un funcionamiento más eficiente del sistema eléctrico, pero también aumenta los requisitos de infraestructura del sistema. ^{[ 24 ]} Los sistemas de red eléctrica conectan múltiples generadores que operan a la misma frecuencia: la más común es la trifásica a 50 o 60  Hz.

Existen diversas consideraciones de diseño para las fuentes de alimentación. Estas van desde lo obvio: ¿Cuánta potencia debe poder suministrar el generador? ¿Cuál es un tiempo aceptable para el arranque del generador (algunos generadores pueden tardar horas en arrancar)? ¿Es aceptable la disponibilidad de la fuente de energía (algunas energías renovables solo están disponibles cuando brilla el sol o sopla el viento)? Hasta lo más técnico: ¿Cómo debe arrancar el generador (algunas turbinas actúan como un motor para alcanzar su velocidad, en cuyo caso necesitan un circuito de arranque adecuado)? ¿Cuál es la velocidad mecánica de funcionamiento de la turbina y, por consiguiente, cuántos polos se requieren? ¿Qué tipo de generador es adecuado ( síncrono o asíncrono ) y qué tipo de rotor (rotor de jaula de ardilla, rotor bobinado, rotor de polos salientes o rotor cilíndrico)? ^{[ 25 ]}

Los sistemas eléctricos suministran energía a cargas que realizan una función. Estas cargas abarcan desde electrodomésticos hasta maquinaria industrial. La mayoría de las cargas requieren un voltaje determinado y, en el caso de los dispositivos de corriente alterna, una frecuencia y un número de fases específicos. Los electrodomésticos que se encuentran en entornos residenciales, por ejemplo, suelen ser monofásicos y funcionan a 50 o 60  Hz con un voltaje entre 110 y 260 voltios (según las normas nacionales). Existe una excepción para los sistemas de aire acondicionado centralizados de mayor tamaño, que ahora suelen ser trifásicos para lograr una mayor eficiencia. Todos los aparatos eléctricos también tienen una potencia nominal, que especifica la cantidad de energía que consumen. En cualquier momento, la cantidad neta de energía consumida por las cargas en un sistema eléctrico debe ser igual a la cantidad neta de energía producida por la red menos la energía perdida durante la transmisión. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Asegurar que la tensión, la frecuencia y la cantidad de potencia suministrada a las cargas se ajusten a 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 trabajo útil (denominada potencia activa o real ), muchos dispositivos de corriente alterna también consumen una cantidad adicional de potencia, ya que provocan una ligera desincronización entre la tensión y la corriente alternas (denominada potencia reactiva ). La potencia reactiva, al igual que la potencia activa, debe equilibrarse (es decir, la potencia reactiva producida en un sistema debe ser igual a la potencia reactiva consumida) y puede ser suministrada por los generadores; sin embargo, a menudo es más económico suministrar dicha potencia desde los condensadores (véase «Condensadores y reactores» más adelante para obtener más detalles). ^{[ 28 ]}

Una consideración final con respecto a las cargas tiene que ver con la calidad de la energía. Además de las sobretensiones y subtensiones sostenidas (problemas de regulación de voltaje) y las desviaciones sostenidas de la frecuencia del sistema (problemas de regulación de frecuencia), las cargas del sistema eléctrico pueden verse afectadas negativamente por una serie de problemas temporales. Estos incluyen caídas, bajadas y subidas de voltaje, sobretensiones transitorias, parpadeo, ruido de alta frecuencia, desequilibrio de fase y un factor de potencia bajo. ^{[ 29 ]} Los problemas de calidad de la energía ocurren cuando el suministro de energía a una carga se desvía del ideal. Los problemas de calidad de la energía pueden ser especialmente importantes cuando se trata de maquinaria industrial especializada o equipos hospitalarios.

Los conductores transportan energía desde los generadores hasta la carga. En una red , los conductores pueden clasificarse como pertenecientes al sistema de transmisión , que transporta grandes cantidades de energía a altos voltajes (normalmente superiores a 69 kV) desde los centros de generación hasta los centros de carga, o al sistema de distribución , que suministra cantidades menores de energía a voltajes más bajos (normalmente inferiores a 69 kV) desde los centros de carga a los hogares e industrias cercanos. ^{[ 30 ]}

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 en su momento el conductor preferido para la mayoría de los sistemas eléctricos. Sin embargo, el aluminio tiene un menor costo para la misma capacidad de conducción de corriente y ahora suele ser el conductor de elección. Los conductores de líneas aéreas pueden reforzarse con acero o aleaciones de aluminio. ^{[ 31 ]}

Los conductores en los sistemas de alimentación exterior pueden colocarse aéreos o subterráneos. Los conductores aéreos suelen estar aislados con aire y soportados por aisladores de porcelana, vidrio o polímero. Los cables utilizados para la transmisión subterránea o el cableado de edificios están aislados con polietileno reticulado u otro aislamiento flexible. Los conductores suelen ser multifilares para que sean más flexibles y, por lo tanto, más fáciles de instalar. ^{[ 32 ]}

Los conductores suelen tener una capacidad nominal que indica la corriente máxima que pueden transportar a un determinado aumento de temperatura con respecto a la temperatura ambiente. A medida que aumenta el flujo de corriente a través de un conductor, este se calienta. En el caso de conductores aislados, la capacidad nominal viene determinada por el aislamiento. ^{[ 33 ]} En el caso de conductores desnudos, la capacidad nominal viene determinada por el punto en el que la flecha de los conductores se vuelve inaceptable. ^{[ 34 ]}

La mayor parte de la carga en un sistema de potencia de CA típico es inductiva; la corriente está desfasada con respecto a la tensión. Dado que la tensión y la corriente están desfasadas, se produce potencia reactiva . La potencia reactiva no realiza trabajo medible, pero se transmite entre la fuente de potencia reactiva y la carga en cada ciclo. Esta potencia reactiva puede ser suministrada por los propios generadores, pero suele ser más económico suministrarla a través de condensadores. Por ello, los condensadores se suelen colocar cerca de las cargas inductivas (si no en la subestación más cercana) para reducir la demanda de corriente en el sistema de potencia (es decir, aumentar el factor de potencia ).

Los reactores consumen potencia reactiva y se utilizan para regular la tensión en líneas de transmisión largas. En condiciones de baja carga, donde la carga en las líneas de transmisión es muy inferior a la impedancia de sobretensión , la eficiencia del sistema eléctrico puede mejorarse mediante la conexión de reactores. Los reactores instalados en serie en un sistema eléctrico también limitan las sobretensiones transitorias; por lo tanto, los reactores pequeños casi siempre se instalan en serie con condensadores para limitar la sobretensión asociada a la conexión de un condensador. Los reactores en serie también pueden utilizarse para limitar las corrientes de falla.

Los condensadores y reactores se conmutan mediante interruptores automáticos, lo que produce cambios bruscos de potencia reactiva. Una solución a esto se presenta en forma de condensadores síncronos , compensadores estáticos de VAR y compensadores síncronos estáticos . En resumen, los condensadores síncronos son motores síncronos que giran libremente para generar o absorber potencia reactiva. ^{[ 35 ]} Los compensadores estáticos de VAR funcionan conmutando condensadores mediante tiristores en lugar de interruptores automáticos, lo que permite que los condensadores se conecten y desconecten dentro de un solo ciclo. Esto proporciona una respuesta mucho más precisa que los condensadores conmutados por interruptores automáticos. Los compensadores síncronos estáticos van un paso más allá al lograr ajustes de potencia reactiva utilizando únicamente electrónica de potencia .

La electrónica de potencia se basa en dispositivos semiconductores capaces de conmutar 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 ^{[ 36 ]} ) les permite 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 corriente alterna (CA) a corriente continua (CC). Por lo tanto, la electrónica de potencia se encuentra en casi todos los dispositivos digitales alimentados por una fuente de CA, ya sea como un adaptador que se enchufa a la pared (ver foto) o como un componente interno del dispositivo. La electrónica de potencia de alta potencia también se puede utilizar para convertir corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) para la transmisión a larga distancia en un sistema conocido como HVDC . El HVDC se utiliza porque resulta más económico que sistemas de CA de alto voltaje similares para distancias muy largas (cientos a miles de kilómetros). El HVDC también es deseable para las interconexiones porque permite la independencia de la frecuencia, mejorando así la estabilidad del sistema. La electrónica de potencia también es esencial para cualquier fuente de alimentación que requiera generar corriente alterna (CA) pero que, por su naturaleza, genere corriente continua (CC). Por lo tanto, se utiliza en instalaciones fotovoltaicas.

La electrónica de potencia también se encuentra en prácticamente todos los vehículos modernos de gasolina, ya que la energía que proporcionan las baterías del coche por sí sola es insuficiente para alimentar el encendido, el aire acondicionado, la iluminación interior, la radio y las pantallas del salpicadero durante toda la vida útil del vehículo. Por lo tanto, las baterías deben recargarse mientras se conduce, una tarea que normalmente se logra mediante la electrónica de potencia. ^{[ 37 ]}

Algunos sistemas ferroviarios eléctricos también utilizan corriente continua y, por lo tanto, emplean electrónica de potencia para suministrar energía de la red a las locomotoras y, a menudo, para el control de velocidad del motor de la locomotora. A mediados del siglo XX, las locomotoras rectificadoras eran populares; estas utilizaban electrónica de potencia para convertir la corriente alterna de la red ferroviaria para su uso por un motor de corriente continua. ^{[ 38 ]} Hoy en día, la mayoría de las locomotoras eléctricas se alimentan con corriente alterna y funcionan con motores de corriente alterna, pero aún utilizan electrónica de potencia para proporcionar un control adecuado del motor. El uso de electrónica de potencia para ayudar con el control del motor y con los circuitos de arranque, además de la rectificación, es responsable de que la electrónica de potencia aparezca en una amplia gama de maquinaria industrial. La electrónica de potencia incluso aparece en los modernos aires acondicionados residenciales y es el núcleo de la turbina eólica de velocidad variable .

Los sistemas eléctricos contienen dispositivos de protección para prevenir lesiones o daños durante fallas. El dispositivo de protección por excelencia es el fusible. Cuando la corriente que atraviesa un fusible supera un cierto umbral, el elemento fusible se funde, produciendo un arco eléctrico a través del espacio resultante que luego se extingue, interrumpiendo el circuito. Dado que los fusibles pueden construirse como el punto débil de un sistema, son ideales para proteger los circuitos de daños. Sin embargo, los fusibles presentan dos problemas: primero, una vez que han funcionado, deben reemplazarse, ya que no se pueden reiniciar. Esto puede resultar inconveniente si el fusible se encuentra en un lugar remoto o no se dispone de uno de repuesto. Segundo, los fusibles suelen ser insuficientes como único dispositivo de seguridad en la mayoría de los sistemas eléctricos, ya que permiten el paso de corrientes muy superiores a las que serían letales para un ser humano o un animal.

El primer problema se resuelve mediante el uso de disyuntores , dispositivos que se pueden restablecer después de interrumpir el flujo de corriente. En sistemas modernos que consumen menos de 10  kW, se suelen utilizar disyuntores miniatura. Estos dispositivos combinan en una sola unidad el mecanismo que inicia el disparo (al detectar un exceso de corriente) y el mecanismo que interrumpe el flujo de corriente. Algunos disyuntores miniatura funcionan exclusivamente mediante electromagnetismo. En estos disyuntores, la corriente pasa a través de un solenoide y, en caso de un exceso de corriente, la atracción magnética del solenoide es suficiente para abrir los contactos del disyuntor (a menudo indirectamente mediante un mecanismo de disparo).

En aplicaciones de alta potencia, los relés de protección que detectan una falla e inician un disparo están separados del interruptor automático. Los primeros relés funcionaban según principios electromagnéticos similares a los mencionados en el párrafo anterior; los relés modernos son computadoras específicas para cada aplicación que determinan si se debe realizar el disparo en función de las lecturas del sistema eléctrico. Los diferentes relés iniciarán el disparo según los distintos 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 iniciarlo si la suma de las corrientes entre ellos indica que puede haber fugas de corriente a tierra. Los interruptores automáticos en aplicaciones de alta potencia también son diferentes. El aire ya no suele ser suficiente para extinguir el arco que se forma cuando los contactos se abren a la fuerza, por lo que se utilizan diversas técnicas. Una de las más populares consiste en mantener la cámara que rodea los contactos inundada con hexafluoruro de azufre (SF6 ₎ , un gas no tóxico con buenas propiedades de extinción de arco. Otras técnicas se describen en la referencia. ^{[ 39 ]}

El segundo problema, la insuficiencia de los fusibles para actuar como único dispositivo de seguridad en la mayoría de los sistemas eléctricos, probablemente se resuelve mejor mediante el uso de dispositivos de corriente residual (DCR). En cualquier aparato eléctrico que funcione correctamente, la corriente que entra al aparato por la línea activa debe ser igual a la corriente que sale del aparato por la línea neutra. Un DCR funciona monitorizando las líneas activa y neutra y desconectando la línea activa si detecta una diferencia. ^{[ 40 ]} Los DCR requieren una línea neutra independiente para cada fase y deben poder desconectarse dentro de un plazo de tiempo antes de que se produzca un daño. Esto no suele ser un problema en la mayoría de las aplicaciones residenciales, donde el cableado estándar proporciona una línea activa y una neutra para cada aparato (por eso los enchufes siempre tienen al menos dos clavijas) y los voltajes son relativamente bajos; sin embargo, estos problemas limitan la eficacia de los DCR en otras aplicaciones, como la industria. Incluso con la instalación de un DCR, la exposición a la electricidad aún puede resultar fatal.

En los grandes sistemas de energía eléctrica, el control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) se utiliza para tareas como la activación de generadores, el control de su potencia y la activación o desactivación de elementos del sistema para mantenimiento. Los primeros sistemas de control de supervisión implementados consistían en un panel de luces e interruptores en una consola central cerca de la planta controlada. Las luces proporcionaban información sobre el estado de la planta (función de adquisición de datos) y los interruptores permitían realizar ajustes (función de control de supervisión). Hoy en día, los sistemas SCADA son mucho más sofisticados y, gracias a los avances en los sistemas de comunicación, las consolas que controlan la planta ya no necesitan estar cerca de la propia planta. En cambio, ahora es común que las plantas se controlen con equipos similares (si no idénticos) a un ordenador de sobremesa. La capacidad de controlar dichas plantas mediante ordenadores ha aumentado la necesidad de seguridad; ya se han reportado ciberataques a estos sistemas que han causado importantes interrupciones en los sistemas de energía. ^{[ 41 ]}

Las viviendas residenciales casi siempre reciben suministro eléctrico de las líneas o cables de distribución de baja tensión que pasan junto a la vivienda. Estos operan a tensiones de entre 110 y 260 voltios (fase-tierra), según las normas nacionales. Hace algunas décadas, las viviendas pequeñas se alimentaban con una sola fase mediante un cable de servicio dedicado de dos conductores (uno para la fase activa y otro para el neutro). La línea activa pasaba por un interruptor principal en el cuadro eléctrico y luego se dividía en uno o más circuitos para alimentar la iluminación y los electrodomésticos de la casa. Por convención, los circuitos de iluminación y electrodomésticos se mantienen separados para que la avería de un aparato no deje a los ocupantes de la vivienda a oscuras. Todos los circuitos estaban protegidos con un fusible adecuado según el calibre del cable utilizado. Los circuitos tenían un cable de fase y un neutro, y tanto la iluminación como las tomas de corriente estaban conectadas en paralelo. Las tomas de corriente también contaban con una toma de tierra de protección. Esta toma estaba disponible para que los electrodomésticos se conectaran a cualquier carcasa metálica. Si esta carcasa se electrificara, la teoría es que la conexión a tierra provocaría el disparo de un interruptor diferencial o un fusible, evitando así la electrocución de un ocupante que manipule el aparato. Los sistemas de puesta a tierra varían según la región, pero en países como el Reino Unido y Australia, tanto la toma de tierra de protección como el neutro se conectarían a tierra cerca del cuadro de fusibles, antes del interruptor principal de aislamiento, y el neutro se conectaría a tierra nuevamente en el transformador de distribución. ^{[ 42 ]}

A lo largo de los años, se han producido varios cambios menores en las prácticas de cableado residencial. Algunas de las diferencias más significativas entre los sistemas eléctricos residenciales modernos en los países desarrollados y los antiguos incluyen:

• Para mayor comodidad, actualmente se utilizan casi siempre disyuntores miniatura en la caja de fusibles en lugar de fusibles, ya que los ocupantes pueden restablecerlos fácilmente y, si son de tipo termomagnético, pueden responder más rápidamente a ciertos tipos de fallas.
• Por motivos de seguridad, los interruptores diferenciales se instalan ahora con frecuencia en los circuitos de los electrodomésticos y, cada vez más, incluso en los circuitos de iluminación.
• Mientras que los aires acondicionados residenciales del pasado podían alimentarse de un circuito dedicado conectado a una sola fase, los aires acondicionados centralizados más grandes que requieren alimentación trifásica se están volviendo comunes en algunos países.
• Actualmente, los circuitos de iluminación incorporan tomas de tierra de protección para permitir la conexión a tierra de los portalámparas metálicos.
• Cada vez más, los sistemas de energía residenciales incorporan microgeneradores , sobre todo células fotovoltaicas.

Los sistemas eléctricos comerciales, como los de centros comerciales o edificios de gran altura, son de mayor escala que los residenciales. Los diseños eléctricos para sistemas comerciales de mayor tamaño suelen estudiarse considerando el flujo de carga, los niveles de cortocircuito y la caída de tensión. El objetivo de estos estudios es asegurar el dimensionamiento adecuado de los equipos y conductores, y coordinar los dispositivos de protección para minimizar las interrupciones al solucionar una falla. Las grandes instalaciones comerciales cuentan con un sistema ordenado de subpaneles, separados del cuadro de distribución principal, para una mejor protección del sistema y una instalación eléctrica más eficiente.

Por lo general, uno de los aparatos más grandes conectados a un sistema eléctrico comercial en climas cálidos es la unidad de climatización (HVAC), y asegurar que esta unidad esté adecuadamente alimentada es una consideración importante en los sistemas eléctricos comerciales. Las regulaciones para establecimientos comerciales imponen otros requisitos a los sistemas comerciales que no se aplican a los sistemas residenciales. Por ejemplo, en Australia, los sistemas comerciales deben cumplir con la norma AS 2293, la norma para iluminación de emergencia, que requiere que la iluminación de emergencia se mantenga durante al menos 90 minutos en caso de pérdida del suministro eléctrico principal. ^{[ 43 ]} En los Estados Unidos, el Código Eléctrico Nacional requiere que los sistemas comerciales se construyan con al menos una toma de corriente de 20 A para letreros para iluminar letreros exteriores. ^{[ 44 ]} Las regulaciones del código de construcción pueden imponer requisitos especiales al sistema eléctrico para iluminación de emergencia, evacuación, energía de emergencia, control de humo y protección contra incendios.

La gestión de fallas implica monitorear el comportamiento del sistema eléctrico para identificar y corregir problemas que afecten su confiabilidad. ^{[ 46 ]} La gestión de fallas puede ser específica y reactiva: por ejemplo, enviar un equipo para reconectar un conductor que se haya caído durante una tormenta. O bien, puede centrarse en mejoras sistémicas: como la instalación de reconectadores en secciones del sistema que están sujetas a interrupciones temporales frecuentes (como las causadas por vegetación, rayos o fauna silvestre). ^{[ 47 ]}

Además de la gestión de fallas, los sistemas de potencia pueden requerir mantenimiento o ampliación. Dado que a menudo no es económico ni práctico que grandes partes del sistema estén fuera de servicio durante estos trabajos, los sistemas de potencia se construyen con muchos interruptores. Estos interruptores permiten aislar la parte del sistema en la que se está trabajando mientras el resto del sistema permanece activo. En altos voltajes, hay dos interruptores importantes: los seccionadores y los interruptores automáticos . Los interruptores automáticos son interruptores de interrupción de carga, mientras que operar los seccionadores bajo carga provocaría arcos eléctricos inaceptables y peligrosos . En una interrupción planificada típica, se disparan varios interruptores automáticos para permitir la conmutación de los seccionadores antes de que los interruptores automáticos se cierren nuevamente para redirigir la energía alrededor del área aislada. Esto permite completar el trabajo en el área aislada. ^{[ 48 ]}

Más allá de la gestión de fallas y el mantenimiento, una de las principales dificultades en los sistemas de potencia es que la potencia activa consumida más las pérdidas debe ser igual a la potencia activa producida. Si se reduce la carga mientras las entradas de generación permanecen constantes, los generadores síncronos girarán más rápido y la frecuencia del sistema aumentará. Lo contrario ocurre si se aumenta la carga. Por lo tanto, la frecuencia del sistema debe gestionarse activamente, principalmente mediante la conexión y desconexión de cargas y generación controlables . Asegurarse de que la frecuencia sea constante suele ser tarea del operador del sistema . ^{[ 49 ]} Incluso con la frecuencia mantenida, el operador del sistema puede mantenerse ocupado asegurando: