Optimización de voltaje - Voltage optimisation
La optimización de voltaje es un término dado a la reducción controlada sistemática de los voltajes recibidos por un consumidor de energía para reducir el uso de energía, la demanda de energía y la demanda de energía reactiva. Mientras que algunos dispositivos de 'optimización' de voltaje tienen un ajuste de voltaje fijo, otros regulan electrónicamente el voltaje automáticamente.
Los sistemas de optimización de voltaje se instalan típicamente en serie con la red eléctrica de un edificio, lo que permite que todos sus equipos eléctricos se beneficien de un suministro optimizado.
Fondo
La optimización de voltaje es una técnica de ahorro de energía eléctrica que se instala principalmente en serie con el suministro eléctrico de la red para proporcionar un voltaje de suministro reducido para los equipos del sitio. Por lo general, la optimización de voltaje puede mejorar la calidad de la energía al equilibrar los voltajes de fase y filtrar armónicos y transitorios del suministro, aunque no siempre. Los optimizadores de voltaje son esencialmente transformadores que se utilizan para entregar energía a un voltaje reducido desde el suministro de red sin procesar.
El término optimización de voltaje con frecuencia se usa incorrectamente, ya que el término implica alguna forma de reducción de voltaje selectiva, que mejorará el consumo de energía dentro de un edificio, mientras que generalmente estas unidades consisten en un transformador dentro de una caja, que no ofrece selectividad y caída de voltaje en todos los suministros , tanto si esto ofrecería un beneficio comercial como si no. Algunas unidades VO se han instalado en circuitos de iluminación de alta frecuencia, ofreciendo poco o ningún beneficio comercial, por lo que se debe tener cuidado cuando se usa el término.
La mayoría de las unidades VO se instalan en locales comerciales, entre el transformador de la red principal y el cuadro de distribución principal de baja tensión. Sin embargo, esto no proporciona selectividad y, en términos de ingeniería eléctrica, se considera una mala solución. El gerente de las instalaciones y la empresa de VO deben realizar un estudio completo para seleccionar qué suministros podrían beneficiar al propietario al reducir el voltaje y qué suministros no darían ningún beneficio comercial. De esta manera, el propietario solo compra un VO del tamaño correcto y no uno que sea para todos los suministros. La instalación de una unidad VO para "optimizar" todos los suministros daría un mayor retorno de la inversión, un mayor desembolso de capital y tiene poco sentido comercial.
Reino Unido
El suministro eléctrico de baja tensión declarado en el Reino Unido según el Reglamento de seguridad, calidad y continuidad eléctrica de 2002 es ahora de 230 V con una tolerancia de + 10% a -6%. Esto significa que, en teoría, la tensión de alimentación puede oscilar entre 216 V y 253 V, según las condiciones locales. Sin embargo, el voltaje promedio suministrado desde la red nacional (en el Reino Unido continental) es de 242 V, en comparación con el voltaje europeo típico de 218-222 V. (El voltaje de suministro promedio en Irlanda del Norte es de alrededor de 239 V y de 235 V en la República de Irlanda.)
Los equipos eléctricos más antiguos fabricados para el Reino Unido tenían una potencia nominal de 240 V, y los equipos más antiguos fabricados para Europa continental tenían una potencia nominal de 220 V (consulte Voltajes de red mundial ). Los equipos nuevos deben diseñarse para 230 V. Es probable que se encuentre una combinación de equipos en locales más antiguos. Todos los equipos comercializados en la UE desde la armonización de voltaje en 1995 deberían funcionar satisfactoriamente a voltajes dentro del rango de 230 V +/- 10%. El equipo con una potencia nominal de 220 V debería funcionar satisfactoriamente hasta 200 V. Al llevar de manera eficiente los voltajes de suministro al extremo inferior del rango de voltaje legal, la tecnología de optimización de voltaje podría producir un ahorro de energía promedio de alrededor del 13%.
Cuanto mayor sea el voltaje, mayor será el consumo de energía en el caso de una carga de resistencia pura. Una reducción de voltaje no afecta la energía consumida por los electrodomésticos que utilizan cargas resistivas excepto en dispositivos como hervidores y tostadores que tardarán más en hacer su trabajo debido a las pérdidas atmosféricas. El principal beneficio comercial al instalar unidades VO es sobre cargas inductivas, como motores que hacen funcionar bombas, ventiladores y similares. En el hogar, el ahorro energético potencial puede llegar hasta un 12% en la factura de la luz. Un dispositivo VO reducirá el voltaje al nivel más eficiente para maximizar los ahorros en el consumo de electricidad, por lo que puede notar que ciertas cosas tardan un poco más, como un hervidor que puede tardar un poco más en hervir.
Es un error común pensar que los frigoríficos y congeladores no proporcionan ahorros mediante la optimización del voltaje porque están equipados con un termostato. Los frigoríficos y congeladores funcionan de forma completamente diferente a los dispositivos de calefacción resistiva. Si un dispositivo de calentamiento resistivo es impulsado por un voltaje más alto, el resultado es calor que es útil para su propósito previsto (calentamiento). Si un frigorífico o congelador funciona con un voltaje más alto, el resultado también es calor, sin embargo, esto no es útil para el propósito previsto (enfriamiento). La salida de potencia del motor del compresor se reduce ligeramente mediante la optimización del voltaje, por lo que el termostato del refrigerador / congelador mantendrá el motor encendido un poco más, sin embargo, en general, el efecto es que el motor funcione un poco más con pérdidas mucho menores. Las pruebas en la Universidad de Manchester mostraron una reducción de 10 ° C en la temperatura del motor bajo optimización de voltaje debido a la reducción de pérdidas en el motor.
Problemas comunes de calidad de energía
Sobretensión
La sobretensión se refiere a una tensión superior a la tensión a la que el equipo está diseñado para funcionar de forma más eficaz. Puede reducir la vida útil del equipo y aumentar la energía consumida sin mejorar el rendimiento. Un comentario sobre el Reglamento de cableado BS 7671 hace las siguientes declaraciones en relación con la sobretensión: "Una lámpara nominal de 230 V utilizada a 240 alcanzará solo el 55% de su vida nominal" (refiriéndose a las lámparas incandescentes ) y "Se utiliza un aparato lineal de 230 V con un suministro de 240 V consumirá un 4,3% más de corriente y consumirá casi un 9% más de energía ".
Se pueden usar varias tecnologías para evitar la sobretensión, pero debe hacerse de manera tan eficiente para que los ahorros de energía resultantes de usar la tensión correcta no se vean compensados por la energía desperdiciada dentro del dispositivo utilizado para hacerlo. La confiabilidad también es importante, y existen problemas potenciales inherentes al funcionamiento de la potencia de entrada completa a través de dispositivos electromecánicos como los autotransformadores variables servocontrolados.
La subtensión se refiere a una tensión inferior a la tensión a la que el equipo está diseñado para funcionar de forma más eficaz. Si el diseño del VO no tiene en cuenta la caída de voltaje a lo largo de la distancia a los usuarios de energía remotos, esto puede provocar una falla prematura del equipo, una falla en el arranque, un aumento de la temperatura en el caso de los devanados del motor y la pérdida de servicio.
Armónicos
Los armónicos son formas de onda de corriente y voltaje en múltiplos de la frecuencia fundamental del suministro principal de 50 Hz (o 60 Hz). Los armónicos son causados por cargas no lineales, que incluyen fuentes de alimentación para equipos informáticos, variadores de velocidad e iluminación de descarga. Los armónicos "triples" (múltiplos impares del tercer armónico) resultan cuando los voltajes de fase no están balanceados en un sistema de energía trifásica y se agregan en el neutro, causando el flujo de corrientes inútiles.
Los posibles efectos si el nivel de armónicos, conocido como distorsión armónica total, llega a ser demasiado alto, incluyen daños a equipos electrónicos sensibles y reducción de la eficiencia del transformador de AT. La eficiencia de las cargas eléctricas se puede mejorar atenuando los armónicos en el suministro o evitando su generación. Algunos dispositivos de optimización de voltaje también mitigan los armónicos, reduciendo las pérdidas asociadas con el contenido de armónicos en el sistema eléctrico.
Transitorios
Los transitorios son aumentos de voltaje grandes, muy breves y potencialmente destructivos. Sus causas incluyen los rayos, la conmutación de grandes cargas eléctricas como motores, transformadores y accionamientos eléctricos, y la conmutación entre fuentes de generación de energía para equilibrar la oferta y la demanda. Aunque normalmente solo duran milésimas o millonésimas de segundo, los transitorios pueden dañar los sistemas electrónicos provocando la pérdida de datos, degradando los componentes del equipo y acortando la vida útil del equipo. Algunos dispositivos de optimización de voltaje incluyen protección transitoria.
Desequilibrio de voltaje de fase
Los sitios industriales y comerciales se suministran con electricidad trifásica . El desequilibrio entre las fases provoca problemas como el calentamiento de los motores y el cableado existente, lo que lleva a un derroche de energía. Algunos dispositivos de optimización de voltaje pueden mejorar el equilibrio en el suministro eléctrico del edificio, reduciendo las pérdidas y mejorando la longevidad de los motores de inducción trifásicos.
Caídas de potencia
Las caídas de potencia son reducciones de voltaje, en su mayoría de corta duración (<300 ms) pero a veces más. Pueden causar una serie de problemas con el equipo, por ejemplo, los contactores y relés pueden desconectarse y hacer que la maquinaria se detenga. Hay una serie de técnicas de conducción de bajo voltaje , incluidas las fuentes de alimentación ininterrumpida, el uso de condensadores en circuitos de control de CC de bajo voltaje, el uso de condensadores en el bus de CC de los variadores de velocidad. Se debe tener cuidado de que las medidas de optimización de voltaje no reduzcan el voltaje hasta el punto de que el equipo sea más vulnerable a las caídas de energía.
Factor de potencia y potencia reactiva
El factor de potencia de un suministro eléctrico es la relación entre la potencia real y la potencia aparente del suministro. Es la potencia útil utilizada por el sitio dividida por la potencia total consumida. Este último incluye energía que no se puede utilizar, por lo que es deseable un factor de potencia de 1. Un factor de potencia bajo significaría que el proveedor de electricidad suministraría efectivamente más energía de la que indicaría la factura del consumidor, y los proveedores pueden cobrar por factores de potencia bajos.
La potencia reactiva es el nombre que se le da a la potencia inutilizable. No funciona en el sistema eléctrico, pero se utiliza para cargar condensadores o producir un campo magnético alrededor del campo de un inductor. La energía reactiva debe generarse y distribuirse a través de un circuito para proporcionar suficiente energía real para permitir que los procesos se ejecuten. La potencia reactiva aumenta significativamente al aumentar el voltaje a medida que aumenta la reactancia del equipo. Corregir esto con la optimización del voltaje conducirá, por tanto, a una reducción de la potencia reactiva y a una mejora del factor de potencia.
Efectos sobre cargas eléctricas
Un error común en lo que respecta a la optimización de voltaje es asumir que una reducción en el voltaje dará como resultado un aumento de la corriente y, por lo tanto, de la potencia constante. Si bien esto es cierto para ciertas cargas de energía fija, la mayoría de los sitios tienen una diversidad de cargas que se beneficiarán en mayor o menor medida con los ahorros de energía acumulados en todo el sitio. El beneficio del equipo típico en sitios trifásicos se analiza a continuación.
Motores trifásicos
Los motores de inducción trifásicos son probablemente el tipo más común de carga trifásica y se utilizan en una variedad de equipos que incluyen refrigeración, bombas, aire acondicionado, accionamientos de transportadores, así como sus aplicaciones más obvias. Los efectos de reducción de potencia de la sobretensión y el desequilibrio trifásico en los motores de CA son bien conocidos. Una sobretensión excesiva da como resultado la saturación del núcleo de hierro, desperdiciando energía a través de corrientes parásitas y mayores pérdidas por histéresis. La extracción de corriente excesiva da como resultado un exceso de producción de calor debido a las pérdidas de cobre. El estrés adicional de la sobretensión en los motores reducirá la vida útil del motor.
Evitar una sobretensión lo suficientemente alta como para causar saturación no reduce la eficiencia, por lo que se pueden lograr ahorros de energía sustanciales reduciendo las pérdidas de hierro y cobre. Sin embargo, los motores diseñados para la tensión nominal (por ejemplo, 400 V) deberían poder hacer frente a la variación normal de la tensión dentro de los límites de suministro (+/- 10%) sin saturación, por lo que es poco probable que esto sea un problema importante.
Reducir el voltaje a un motor de inducción afectará ligeramente la velocidad del motor ya que aumentará el deslizamiento, pero la velocidad es principalmente una función de la frecuencia de suministro y el número de polos. La eficiencia del motor es óptima a una carga razonable (típicamente 75%) y al voltaje diseñado, y caerá levemente con pequeñas variaciones a ambos lados de este voltaje. Las variaciones más grandes afectan más la eficiencia.
Los motores con muy poca carga (<25%) y los motores pequeños se benefician más de la reducción de voltaje.
Para el caso de motores impulsados por variadores de velocidad, cuando se reduce el voltaje de entrada, habrá una reducción proporcional del voltaje de salida del VSD y el motor consumirá menos corriente y eventualmente consumirá menos energía. Sin embargo, si el motor está funcionando con una carga alta (> 80%), la reducción de voltaje dará como resultado un par reducido y el motor terminará consumiendo más corriente y potencia.
Encendiendo
Cuando se utilizan cargas de iluminación durante una gran parte del tiempo, los ahorros de energía en los equipos de iluminación son extremadamente valiosos. Cuando se reduce el voltaje, la iluminación incandescente verá una gran disminución en el consumo de energía, una gran disminución en la salida de luz y un aumento en la vida útil, como lo ilustran los extractos anteriores de la Guía de electricistas. Dado que la disminución de la salida de luz superará la disminución de la energía consumida, la eficiencia energética (eficacia luminosa ) de la iluminación disminuirá.
Sin embargo, otros tipos de iluminación también pueden beneficiarse de una mejor calidad de la energía, incluidos los sistemas con balastos resistivos o reactivos. La iluminación fluorescente y de descarga es más eficiente que la iluminación incandescente. La iluminación fluorescente con balastos magnéticos convencionales verá un consumo de energía reducido, pero también una salida de lumen reducida de la lámpara. Las lámparas fluorescentes de los balastos electrónicos modernos utilizarán aproximadamente la misma potencia y darán la misma luz.
Para proporcionar la misma potencia a la tensión reducida se requerirá una mayor corriente y aumentará las pérdidas de cable. Sin embargo, los controladores y balastos de iluminación son los responsables de generar altos niveles de distorsión armónica, que pueden filtrarse con algunos tipos de optimizadores de voltaje, además de reducir la necesidad de controladores de iluminación. Una preocupación común es que algunas luces no se enciendan con voltajes más bajos. Sin embargo, esto no debería ocurrir ya que el objetivo de la optimización del voltaje no es simplemente reducir el voltaje tanto como sea posible, sino llevarlo al nivel de voltaje de servicio al cual fue diseñado para operar de manera más eficiente.
Calefacción
Los calentadores consumirán menos energía, pero darán menos calor. Los calentadores de agua o de espacio controlados termostáticamente consumirán menos energía mientras están en funcionamiento, pero tendrán que funcionar durante más tiempo en cada hora para producir la salida requerida, lo que no producirá ningún ahorro.
Fuentes de alimentación de modo conmutado
Las fuentes de alimentación de modo conmutado utilizarán la misma potencia que antes, pero consumirán una corriente ligeramente mayor para lograrlo, con pérdidas de cable ligeramente mayores y un ligero riesgo de que los interruptores de circuito intermedio de corriente aumenten .
Ahorros de energía
Los ahorros de energía logrados por la Optimización de voltaje son una suma de la eficiencia mejorada de todos los equipos en un sitio en respuesta a las mejoras en los problemas de calidad de energía descritos anteriormente. Es posible técnica de ahorro en el consumo energético en determinadas circunstancias.
Una investigación en Taiwán sugirió que, para un suministro industrial, para la reducción de voltaje aguas arriba del transformador, hay una disminución del 0,241% del consumo de energía cuando el voltaje se reduce en un 1% y un aumento del 0,297% cuando el voltaje se incrementa en 1 %. Esto supuso una mezcla de cargas que incluía 7% de iluminación fluorescente, 0,5% de iluminación incandescente, 12,5% de acondicionadores de aire trifásicos, 5% de motores, 22,5% de motores trifásicos pequeños, 52,5% de motores trifásicos grandes.
Es probable que una instalación moderna tenga menos oportunidades: casi sin iluminación incandescente, iluminación fluorescente en parte de alta frecuencia (sin ahorro), algunos variadores de velocidad (sin ahorro), mayor eficiencia del motor (por lo que se ahorra menos desperdicio). Una instalación del norte de Europa no tendría la gran cantidad de pequeños motores monofásicos para aire acondicionado.
El ahorro de energía es posible con iluminación más antigua, a expensas de una salida de luz más baja (por ejemplo, iluminación incandescente o fluorescente y de descarga con balasto o equipo de control ineficaces). Por lo tanto, los locales comerciales y de oficinas más antiguos pueden ahorrar más que los edificios modernos o los sitios industriales. Sin embargo, los sistemas de iluminación modernos (generalmente LED) ahorrarán significativamente más energía debido a una mayor eficiencia que la energía ahorrada en los sistemas de iluminación más antiguos después de la instalación de un optimizador de voltaje.
Obtener ahorros de energía con un optimizador de voltaje utilizado con los sistemas de iluminación modernos es muy cuestionable. Los controladores de conmutación electrónicos modernos para sistemas de iluminación LED o fluorescentes están diseñados para hacer funcionar las luces con una salida de luz y una longevidad óptimas con alta eficiencia. Por lo tanto, las variaciones en el voltaje de suministro no harán ninguna diferencia en el uso general de energía de este tipo de luces. Sin embargo, existen tipos de controladores de lámparas fluorescentes y LED de bajo costo que reducen el voltaje al eliminar energía en forma de calor (por ejemplo, múltiples LED en serie con una resistencia en serie). La variación del voltaje de suministro afectaría la energía utilizada por este tipo de luces, pero este tipo de lámparas generalmente son de baja potencia y la salida de luz también se vería afectada.
Ejemplo resuelto
Una lámpara incandescente típica de 100 vatios tiene una eficiencia de no más de 17,5 lúmenes por vatio (l / W) y, por lo tanto, producirá 1750 lúmenes a su voltaje nominal. Una lámpara LED moderna típica tiene una eficiencia de aproximadamente 150 lúmenes por vatio y, por lo tanto, no requiere más de 12 vatios para la misma salida de luz. Según las fórmulas de reclasificación de la lámpara , reducir el voltaje a través de una lámpara incandescente en un 10% reduce la potencia (y por lo tanto la energía) en aproximadamente un 16% y reduce la salida de luz en aproximadamente un 31%.
Por lo tanto, un optimizador de voltaje que reduce el voltaje en una lámpara incandescente en un 10%, reducirá la energía en un 16% y la salida de luz en un 31%, produciendo solo 1210 lúmenes y consumiendo 84 vatios. Cambiar la lámpara incandescente a una lámpara LED con una salida de luz similar habría reducido el consumo de manera más efectiva, hasta 12 vatios. Además, dado que la salida de luz se reduce tanto, se podrían lograr mayores ahorros al cambiar a una lámpara incandescente de 75 vatios sin un optimizador de voltaje (1312.5 lúmenes asumiendo 17.5 L / W). La lámpara LED también podría reducirse en tamaño a 8W, si solo se requieren 1210 lúmenes.