Optimización de voltaje

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, teóricamente, la tensión de suministro puede estar entre 216 V y 253 V, dependiendo de las condiciones locales. Sin embargo, la tensión media suministrada por la red nacional (en el Reino Unido continental) es de 242 V, ^{[ 1 ]} en comparación con la tensión típica europea de 218-222 V. (La tensión media de suministro en Irlanda del Norte es de alrededor de 239 V, y de 235 V en la República de Irlanda. ^{[ 2 ]} )

Los equipos eléctricos antiguos fabricados para el Reino Unido tenían una tensión nominal de 240 V, y los equipos antiguos fabricados para Europa continental tenían una tensión nominal de 220 V (véase Tensiones de red mundiales ). Los equipos nuevos deben diseñarse para 230 V. Es probable que en las instalaciones antiguas se encuentre una mezcla de equipos. Todos los equipos puestos en el mercado dentro de la UE desde la armonización de voltajes en 1995 deben funcionar satisfactoriamente a voltajes dentro del rango de 230 V +/-10 %. Los equipos con una tensión nominal de 220 V deben funcionar satisfactoriamente hasta 200 V. ^{[ 3 ]} Al llevar eficientemente los voltajes de suministro al extremo inferior del rango de voltaje reglamentario, la tecnología de optimización de voltaje podría producir ahorros de energía promedio de alrededor del 13 % .

Cuanto mayor sea el voltaje, mayor será el consumo de energía en el caso de una carga puramente resistiva. Una reducción del voltaje no afecta la energía consumida por los electrodomésticos que utilizan cargas resistivas, excepto en dispositivos como hervidores y tostadoras, que tardarán más en funcionar debido a las pérdidas atmosféricas. El principal beneficio comercial al instalar unidades VO se observa en cargas inductivas, como motores que accionan bombas, ventiladores, etc. En el hogar, el ahorro potencial de energía puede llegar hasta el 12 % en la factura de la luz. Un dispositivo VO reduce el voltaje al nivel más eficiente para maximizar el ahorro en el consumo de electricidad, por lo que es posible que note que algunas cosas tardan un poco más, como por ejemplo, que un hervidor tarda un poco más en hervir. ^{[ 4 ]}

Es un error común pensar que los refrigeradores y congeladores no generan ahorros mediante la optimización de voltaje porque están equipados con un termostato. Los refrigeradores y congeladores funcionan de manera completamente diferente a los dispositivos de calefacción resistiva . Si un dispositivo de calefacción resistiva se alimenta con un voltaje más alto, el resultado es calor, lo cual es útil para su propósito (calentar). Si un refrigerador o congelador se alimenta con un voltaje más alto, el resultado también es calor, pero esto no es útil para su propósito (enfriar). La potencia de salida del motor del compresor se reduce ligeramente con la optimización de voltaje, por lo que el termostato del refrigerador/congelador mantendrá el motor encendido un poco más de tiempo; sin embargo, en general, el efecto es que el motor funcione un poco más de tiempo con pérdidas mucho menores. Pruebas realizadas en la Universidad de Manchester mostraron una  reducción de 10 °C en la temperatura del motor con la optimización de voltaje debido a la reducción de las pérdidas en el motor.

La sobretensión se refiere a un voltaje superior al voltaje óptimo para el funcionamiento óptimo de un equipo. Puede provocar una reducción en la vida útil del equipo y un aumento en el consumo de energía sin ninguna mejora en el rendimiento. Un comentario sobre la norma de cableado BS 7671 hace las siguientes afirmaciones en relación con la sobretensión: "Una lámpara de 230 V utilizada a 240 V solo alcanzará el 55 % de su vida útil nominal" (en referencia a las lámparas incandescentes ) y "Un aparato lineal de 230 V utilizado en una fuente de alimentación de 240 V consumirá un 4,3 % más de corriente y casi un 9 % más de energía".

Se pueden utilizar diversas tecnologías para evitar la sobretensión, pero es fundamental hacerlo de forma eficiente para que el ahorro energético derivado del uso de la tensión correcta no se vea contrarrestado por la energía desperdiciada en el dispositivo utilizado. La fiabilidad también es importante, y existen posibles problemas inherentes al funcionamiento con 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 óptima para el funcionamiento del equipo. Si el diseño del variador de tensión no considera la caída de tensión a lo largo de la distancia hasta los usuarios remotos, esto puede provocar fallos prematuros del equipo, problemas de arranque, aumento de la temperatura en el caso de los devanados del motor e interrupción del servicio.

Los armónicos son formas de onda de corriente y voltaje que son múltiplos de la frecuencia fundamental de la alimentación 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 y lámparas de descarga. Los armónicos "triples" (múltiplos impares del tercer armónico) se producen cuando los voltajes de fase no están equilibrados en un sistema de alimentación trifásico y se suman al neutro, lo que provoca el flujo de corrientes innecesarias. ^{[ 5 ]}

Los posibles efectos de un nivel de armónicos, conocido como distorsión armónica total, excesivo incluyen daños a equipos electrónicos sensibles ^{[ 5 ]} y una reducción en la eficiencia del transformador de alta tensión ^{[ 6 ]} . La eficiencia de las cargas eléctricas puede mejorarse atenuando los armónicos en la fuente de alimentación o evitando su generación. Algunos dispositivos de optimización de voltaje también mitigan los armónicos, reduciendo las pérdidas asociadas al contenido armónico en el sistema eléctrico.

Los transitorios son aumentos de voltaje grandes, muy breves y potencialmente destructivos. Sus causas incluyen rayos, la conmutación de grandes cargas eléctricas como motores, transformadores y variadores de velocidad, y la conmutación entre fuentes de generación de energía para equilibrar la oferta y la demanda. Aunque suelen durar solo milésimas o millonésimas de segundo, los transitorios pueden dañar los sistemas electrónicos, provocando pérdida de datos , degradación de los componentes y acortando la vida útil de los equipos. Algunos dispositivos de optimización de voltaje incluyen protección contra transitorios.

Los emplazamientos industriales y comerciales se abastecen de electricidad trifásica . El desequilibrio entre las fases provoca problemas como el sobrecalentamiento de los motores y el cableado existente, lo que conlleva un consumo energético ineficiente. ^{[ 7 ]} Algunos dispositivos de optimización de voltaje pueden mejorar el equilibrio del suministro eléctrico del edificio, reduciendo las pérdidas y prolongando la vida útil de los motores de inducción trifásicos.

Las caídas de tensión son reducciones de voltaje, generalmente de corta duración (<300 ms), aunque a veces pueden ser más prolongadas. Pueden causar diversos problemas en los equipos; por ejemplo, los contactores y relés pueden desconectarse, provocando la parada de la maquinaria. Existen varias técnicas para soportar bajas tensiones , como los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), el uso de condensadores en circuitos de control de CC de baja tensión y el uso de condensadores en el bus de CC de los variadores de velocidad. Es fundamental asegurarse de que las medidas de optimización de voltaje no reduzcan la tensión hasta un punto que haga que los equipos sean más vulnerables a las caídas de tensión.

El factor de potencia de un suministro eléctrico es la relación entre la potencia real y la potencia aparente del suministro. Se calcula dividiendo la potencia útil utilizada por la instalación entre la potencia total consumida. Esta última incluye la potencia no utilizable, por lo que un factor de potencia de 1 es deseable. Un factor de potencia bajo significa que el proveedor de electricidad suministraría efectivamente más energía de la que refleja la factura del consumidor, y los proveedores tienen permitido cobrar por factores de potencia bajos.

La potencia reactiva es la potencia no utilizable. No realiza trabajo en el sistema eléctrico, pero se utiliza para cargar condensadores o generar un campo magnético alrededor del campo de un inductor. La potencia reactiva debe generarse y distribuirse a través de un circuito para proporcionar suficiente potencia activa que permita el funcionamiento de los procesos. La potencia reactiva aumenta significativamente con el incremento de la tensión, ya que aumenta la reactancia de los equipos. Por lo tanto, la optimización de la tensión reducirá la potencia reactiva y mejorará el factor de potencia.

Los motores de inducción trifásicos son probablemente el tipo más común de carga trifásica y se utilizan en una variedad de equipos, incluyendo refrigeración, bombas, aire acondicionado, accionamientos de transportadores, así como sus aplicaciones más obvias. Los efectos de la sobretensión y el desequilibrio trifásico en los motores de CA que reducen su potencia son bien conocidos. ^{[ 7 ]} Una sobretensión excesiva provoca la saturación del núcleo de hierro, la pérdida de energía por corrientes parásitas y el aumento de las pérdidas por histéresis. El consumo excesivo de corriente produce un exceso de calor debido a las pérdidas en el cobre. El estrés adicional que supone la sobretensión en los motores reduce su vida útil. ^{[ 8 ]}

Evitar sobretensiones lo suficientemente altas como para causar saturación no reduce la eficiencia ^{[ 9 ]} , por lo que se pueden lograr ahorros de energía sustanciales al reducir las pérdidas de hierro y cobre. Sin embargo, los motores diseñados para la tensión nominal (por ejemplo, 400 V) deberían poder soportar variaciones normales de tensión dentro de los límites de la fuente de alimentación (+/-10 %) sin saturación, por lo que es poco probable que esto represente un problema significativo.

Reducir la tensión en un motor de inducción afectará ligeramente a su velocidad, ya que aumentará el deslizamiento; sin embargo, la velocidad depende principalmente de la frecuencia de alimentación y del número de polos. La eficiencia del motor es óptima con una carga razonable (normalmente el 75 %) y a la tensión de diseño, y disminuye ligeramente con pequeñas variaciones a ambos lados de dicha tensión. Las variaciones mayores afectan más a la eficiencia.

Los motores con carga muy ligera (<25%) y los motores pequeños son los que más se benefician de la reducción de voltaje. ^{[ 9 ]}

En el caso de motores accionados por variadores de velocidad, al reducirse la tensión de entrada, se produce una reducción proporcional de la tensión de salida del variador, lo que provoca que el motor consuma menos corriente y, por consiguiente, menos potencia. Sin embargo, si el motor funciona con una carga elevada (>80%), la reducción de la tensión conlleva una disminución del par motor, lo que resulta en un mayor consumo de corriente y potencia.

Cuando las cargas de iluminación se utilizan durante una gran parte del tiempo, el ahorro de energía en los equipos de iluminación es sumamente valioso. Al reducir el voltaje, la iluminación incandescente experimentará una gran disminución en el consumo de energía, una gran disminución en la intensidad luminosa y un aumento en su vida útil, como ilustran los extractos anteriores de la Guía del electricista. Dado que la disminución en la intensidad luminosa superará la disminución en el consumo de energía, la eficiencia energética ( eficacia luminosa ) de la iluminación disminuirá. ^{[ 10 ]}

Sin embargo, otros tipos de iluminación también pueden beneficiarse de una mejor calidad de energía, incluidos los sistemas con balastos resistivos o reactivos. La iluminación fluorescente y de descarga es más eficiente que la incandescente. La iluminación fluorescente con balastos magnéticos convencionales presenta un menor consumo de energía, pero también una menor emisión de lúmenes. Las lámparas fluorescentes con balastos electrónicos modernos consumen aproximadamente la misma energía y proporcionan la misma luz. ^{[ 3 ]}

Para proporcionar la misma potencia a la tensión reducida se requerirá una mayor corriente y aumentarán las pérdidas en el cable. Sin embargo, los controladores de iluminación y los balastos son responsables de generar altos niveles de distorsión armónica, que se pueden filtrar con algunos tipos de optimizadores de tensión, reduciendo además la necesidad de controladores de iluminación. ^{[ 3 ]} Una preocupación común es que algunas luminarias no se enciendan a tensiones más bajas. Sin embargo, esto no debería ocurrir, ya que el objetivo de la optimización de tensión no es simplemente reducir la tensión al máximo, sino llevarla a la tensión de nivel de servicio en la que fue diseñada para funcionar de manera más eficiente.

Los calentadores eléctricos consumirán menos energía, pero generarán menos calor. Los calentadores de agua o de ambiente con control termostático consumirán menos energía durante su funcionamiento, pero tendrán que funcionar durante más tiempo por hora para producir la potencia requerida, lo que no supone ningún ahorro.

Las fuentes de alimentación conmutadas 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 el aumento de corriente provoque el disparo de los disyuntores .

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, produce 1750 lúmenes a su voltaje nominal. Una lámpara LED moderna típica tiene una eficiencia de aproximadamente 150 lúmenes por vatio y, por lo tanto, requiere no más de 12 vatios para la misma intensidad luminosa. Según las fórmulas de revalorización de lámparas , reducir el voltaje de una lámpara incandescente en un 10 % reduce la potencia (y, por lo tanto, la energía) en aproximadamente un 16 % y la intensidad luminosa en aproximadamente un 31 %.

Por lo tanto, un optimizador de voltaje que reduce el voltaje de una lámpara incandescente en un 10%, reducirá el consumo de energía en un 16% y la intensidad lumínica en un 31%, produciendo solo 1210 lúmenes y consumiendo 84 vatios. Cambiar la lámpara incandescente por una lámpara LED con una intensidad lumínica similar reduciría el consumo de forma más efectiva, hasta 12 vatios. Además, dado que la intensidad lumínica se reduce tanto, se podrían obtener mayores ahorros cambiando a una lámpara incandescente de 75 vatios sin optimizador de voltaje (1312,5 lúmenes, suponiendo 17,5 L/W). La lámpara LED también podría reducirse a 8 W, si solo se requieren 1210 lúmenes.