Optimización de voltaje

La optimización de voltaje es un término que se aplica a la reducción sistemática y controlada de los voltajes que recibe un consumidor de energía para reducir el uso de energía, la demanda de potencia y la demanda de potencia reactiva. Mientras que algunos dispositivos de "optimización" de voltaje tienen un ajuste de voltaje fijo, otros regulan electrónicamente el voltaje de manera automática.

Los sistemas de optimización de voltaje generalmente se instalan en serie con la red eléctrica de un edificio, lo que permite que todos sus equipos eléctricos se beneficien de un suministro optimizado.

La optimización de la tensión es una técnica de ahorro de energía eléctrica que se instala principalmente en serie con la red eléctrica para proporcionar una tensión de suministro reducida para el equipo del sitio. Por lo general, la optimización de la tensión puede mejorar la calidad de la energía al equilibrar las tensiones de fase y filtrar los armónicos y transitorios de la red, aunque no siempre. Los optimizadores de tensión son esencialmente transformadores que se utilizan para suministrar energía a una tensión reducida a partir de la red eléctrica sin procesar.

El término optimización de voltaje se utiliza con frecuencia de forma incorrecta, ya que implica algún tipo de reducción selectiva de voltaje, que mejorará el consumo de energía dentro de un edificio, mientras que, por lo general, estas unidades consisten en un transformador dentro de una caja, que no ofrece selectividad y reduce el voltaje en todos los suministros, independientemente de si esto ofrece un beneficio comercial o no. Algunas unidades VO se han instalado en circuitos de iluminación de alta frecuencia, que ofrecen poco o ningún beneficio comercial, por lo que hay que tener cuidado cuando se utiliza el término.

La mayoría de las unidades de VO se instalan en locales comerciales, entre el transformador de red y el cuadro de distribución principal de baja tensión. Sin embargo, esto no permite ninguna selectividad y, en términos de ingeniería eléctrica, se considera una mala solución. El administrador de las instalaciones y la empresa de VO deben realizar un estudio completo para seleccionar qué suministros podrían beneficiar al propietario al reducir la tensión y cuáles no le reportarían ningún beneficio comercial. De esta forma, el propietario solo compra una unidad de VO del tamaño correcto y no una que sea para todos los suministros. Instalar una unidad de VO para "optimizar" todos los suministros daría un retorno de la inversión más largo, un mayor desembolso de capital y tiene poco sentido comercial.

Según el Reglamento de seguridad, calidad y continuidad eléctricas de 2002, el suministro eléctrico de baja tensión declarado en el Reino Unido es ahora de 230 V con una tolerancia de entre el +10 % y el -6 %. Esto significa que, en teoría, la tensión de suministro puede estar entre 216 V y 253 V, según las condiciones locales. Sin embargo, la tensión media suministrada desde la red nacional (en el Reino Unido continental) es de 242 V ^[1], en comparación con la tensión europea típica de 218-222 V. (La tensión de suministro media en Irlanda del Norte ronda los 239 V y los 235 V en la República de Irlanda ^[2] ) .

Los equipos eléctricos más antiguos fabricados para el Reino Unido tenían una tensión nominal de 240 V, y los equipos más antiguos fabricados para Europa continental tenían una tensión nominal de 220 V (consulte Tensiones de red en todo el mundo ). Los equipos nuevos deben diseñarse para 230 V. Es probable que se encuentre una mezcla de equipos en instalaciones más antiguas. Todos los equipos comercializados en la UE desde la armonización de voltaje en 1995 deberían funcionar satisfactoriamente con voltajes dentro del rango de 230 V +/-10%. Los equipos con una tensión nominal de 220 V deberían funcionar satisfactoriamente hasta 200 V. ^[3] 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% ^{[ cita requerida ]} .

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 utilizada por los electrodomésticos que utilizan cargas resistivas, excepto en dispositivos como teteras y tostadoras, que tardarán más en hacer su trabajo debido a las pérdidas atmosféricas. El principal beneficio comercial al instalar unidades VO es en cargas inductivas, como motores que hacen funcionar bombas, ventiladores y similares. ^{[ cita requerida ]} En el hogar, el ahorro potencial de energía puede ser de hasta un 12% en las facturas de electricidad. Un dispositivo VO reducirá el voltaje al nivel más eficiente para maximizar los ahorros en el consumo de electricidad, por lo que es posible que notes que algunas cosas tardan un poco más, como una tetera que puede tardar un poco más en hervir. ^[4]

Es un error muy común pensar que los frigoríficos y congeladores no permiten ahorrar energía mediante la optimización del voltaje porque están equipados con un termostato. Los frigoríficos y congeladores funcionan de forma completamente diferente a los dispositivos de calentamiento resistivo. Si un dispositivo de calentamiento resistivo se activa con un voltaje más alto, el resultado es calor, lo que resulta útil para su propósito previsto (calefacción). Si un frigorífico o congelador se activa con un voltaje más alto, el resultado también es calor, pero esto no resulta útil para su propósito previsto (refrigeración). La potencia de salida del motor del compresor se reduce ligeramente mediante la optimización del voltaje, por lo que el termostato del frigorífico/congelador mantendrá el motor encendido un poco más de tiempo; sin embargo, en general, el efecto es que el motor funciona un poco más de tiempo con pérdidas mucho menores. Las pruebas realizadas en la Universidad de Manchester mostraron una reducción de 10 °C en la temperatura del motor con la optimización del voltaje debido a las pérdidas reducidas en el motor. ^{[ cita requerida ]}

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 provocar una reducción de la vida útil del equipo y un aumento de la energía consumida sin mejorar el rendimiento. Un comentario sobre las Normas de cableado BS 7671 hace las siguientes afirmaciones en relación con la sobretensión: "Una lámpara con una tensión nominal de 230 V utilizada a 240 alcanzará solo 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 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 se debe hacer de manera eficiente para que el ahorro de energía que se obtiene al utilizar la tensión correcta no se vea contrarrestado por el desperdicio de energía en el dispositivo utilizado para ello. La fiabilidad también es importante y existen posibles problemas inherentes al uso de dispositivos electromecánicos como los autotransformadores variables servocontrolados que utilizan toda la potencia entrante.

La subtensión se refiere a una tensión inferior a la tensión con la que el equipo está diseñado para funcionar de forma más eficaz. Si el diseño de la VO no tiene en cuenta la caída de tensión con la distancia hasta los usuarios de energía remotos, esto puede provocar una falla prematura del equipo, problemas de arranque, aumento de la temperatura en el caso de los devanados del motor y pérdida del servicio.

Los armónicos son formas de onda de corriente y voltaje en múltiplos de la frecuencia fundamental de la fuente de 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 e iluminación de descarga. Los armónicos "triple" (múltiplos impares del tercer armónico) se producen cuando los voltajes de fase no están equilibrados en un sistema de energía trifásica y se suman al neutro, lo que hace que fluyan corrientes desperdiciadoras. ^[5]

Los posibles efectos si el nivel de armónicos, conocido como distorsión armónica total, se vuelve demasiado alto incluyen daños a equipos electrónicos sensibles ^[5] y reducción en la eficiencia del transformador de alta tensión ^[6] . La eficiencia de las cargas eléctricas se puede mejorar 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 con el contenido armónico en el sistema eléctrico.

Los transitorios son grandes aumentos de voltaje, muy breves y potencialmente destructivos. Sus causas incluyen la caída de rayos, la conmutación de grandes cargas eléctricas como motores, transformadores y variadores 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 causando pérdida de datos, degradando los componentes del equipo y acortando la vida útil del mismo. Algunos dispositivos de optimización de voltaje incluyen protección contra transitorios.

Los sitios industriales y comerciales se abastecen con electricidad trifásica . El desequilibrio entre las fases causa problemas como el calentamiento de los motores y el cableado existente, lo que lleva a un consumo de energía derrochador. ^[7] 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.

Las caídas de tensión son reducciones de tensión, en su mayoría de corta duración (<300 ms), pero a veces más prolongadas. Pueden provocar una serie de problemas con los equipos; por ejemplo, los contactores y relés pueden desconectarse y hacer que la maquinaria se detenga. Existen varias técnicas de mantenimiento de baja tensión , como los sistemas de alimentación ininterrumpida, 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. Se debe tener cuidado de que las medidas de optimización de la tensión no reduzcan la tensión hasta el punto de que el equipo sea más vulnerable 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. Es la potencia útil utilizada por el sitio dividida por la potencia total que se consume. Esta última incluye la potencia 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 están autorizados a cobrar por factores de potencia bajos.

La potencia reactiva es el nombre que se le da a la potencia no utilizable. No realiza ningún trabajo en el sistema eléctrico, sino que se utiliza para cargar condensadores o producir 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 real para permitir que se ejecuten los procesos. La potencia reactiva aumenta significativamente con el aumento de la tensión a medida que aumenta la reactancia del equipo. Por lo tanto, corregir esto con la optimización de la tensión conducirá a una reducción de la potencia reactiva y a una mejora del factor de potencia.

Un error muy común en lo que respecta a la optimización de la tensión es suponer que una reducción de la tensión dará como resultado un aumento de la corriente y, por lo tanto, una potencia constante. Si bien esto es cierto para ciertas cargas de potencia fija, la mayoría de los sitios tienen una diversidad de cargas que se beneficiarán en mayor o menor medida con los ahorros de energía que se acumulan en el sitio en su conjunto. A continuación se analiza el beneficio para los equipos típicos en los sitios trifásicos.

Los motores de inducción trifásicos son probablemente el tipo más común de carga trifásica y se utilizan en una variedad de equipos, incluidos refrigeración, bombas, aire acondicionado, accionamientos de cintas transportadoras, 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. ^[7] La ​​sobretensión excesiva da como resultado la saturación del núcleo de hierro, desperdiciando energía a través de corrientes parásitas y mayores pérdidas por histéresis. El consumo de corriente excesiva da como resultado una salida de calor excesiva debido a las pérdidas de cobre. La tensión adicional de la sobretensión en los motores reducirá la vida útil del motor. ^[8]

Evitar una sobretensión lo suficientemente alta como para causar saturación no reduce la eficiencia ^[9] , por lo que se pueden lograr ahorros sustanciales de energía mediante la reducción de 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 significativo.

Reducir el voltaje de un motor de inducción afectará levemente la velocidad del motor, ya que aumentará el deslizamiento, pero la velocidad es principalmente una función de la frecuencia de suministro y la cantidad de polos. La eficiencia del motor es óptima con una carga razonable (normalmente el 75 %) y con el voltaje diseñado, y disminuirá levemente con pequeñas variaciones en ambos lados de este voltaje. Las variaciones mayores afectan más 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 los motores accionados por variadores de velocidad, cuando se reduce el voltaje de entrada, se produce una reducción proporcional del voltaje de salida del variador de velocidad y el motor consume menos corriente y, en última instancia, menos energía. Sin embargo, si el motor funciona con una carga elevada (>80 %), la reducción del voltaje se traducirá en una reducción del par motor y el motor acabará consumiendo más corriente y energía.

Cuando las cargas de iluminación se utilizan durante una gran parte del tiempo, el ahorro de energía en los equipos de iluminación es extremadamente valioso. Cuando se reduce el voltaje, la iluminación incandescente experimentará 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 para electricistas. Dado que la disminución en la salida de luz 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 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 reducido el consumo de energía, pero también una menor salida de lúmenes de la lámpara. Las lámparas fluorescentes con balastos electrónicos modernos consumirán aproximadamente la misma energía y darán la misma luz. ^[3]

Para proporcionar la misma potencia con un voltaje reducido se necesitará una corriente mayor y aumentarán las pérdidas en los cables. 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 voltaje, además de reducir la necesidad de controladores de iluminación. ^[3] 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 de voltaje no es simplemente reducir el voltaje tanto como sea posible, sino llevarlo al voltaje de nivel de servicio en el que fue diseñado para funcionar de manera más eficiente.

Los calentadores consumen menos energía, pero dan menos calor. Los calentadores de agua o de ambiente controlados por termostato consumen menos energía cuando están en funcionamiento, pero deben funcionar durante más tiempo cada hora para producir la potencia requerida, lo que no genera ahorro.

Las fuentes de alimentación de modo conmutado utilizarán la misma energía que antes, pero consumirán una corriente ligeramente mayor para lograr esto, con pérdidas de cable ligeramente mayores y un ligero riesgo de que la mayor corriente dispare los MCB .

Los ahorros de energía que se logran con 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 una técnica posible para ahorrar en el consumo de energía en ciertas circunstancias.

Una investigación en Taiwán ^[11] 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 un 1%. Esto supuso una mezcla de cargas que incluían 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 tuviera menos oportunidades: casi ninguna iluminación incandescente, en parte iluminación fluorescente de alta frecuencia (sin ahorro), algunos variadores de velocidad (sin ahorro), mayor eficiencia del motor (por lo que se ahorraría menos residuos). Una instalación del norte de Europa no tendría la gran cantidad de pequeños motores monofásicos para el aire acondicionado.

Es posible ahorrar energía con sistemas de iluminación más antiguos, a costa de una menor emisión de luz (por ejemplo, iluminación incandescente o fluorescente y de descarga con balastos o equipos de control ineficientes). Por lo tanto, los edificios comerciales y de oficinas más antiguos pueden ahorrar más que los edificios o las instalaciones industriales modernos. Sin embargo, los sistemas de iluminación modernos (normalmente LED) ahorrarán significativamente más energía debido a una mayor eficiencia que la energía ahorrada en sistemas de iluminación más antiguos tras la instalación de un optimizador de voltaje.

Es muy cuestionable obtener ahorros de energía con un optimizador de voltaje utilizado en sistemas de iluminación modernos. Los controladores de conmutación electrónicos modernos para sistemas de iluminación LED o fluorescente están diseñados para que las luces funcionen con una salida de luz óptima y una larga vida útil con alta eficiencia. Por lo tanto, las variaciones en la tensión de alimentación no supondrán ninguna diferencia en el uso general de energía de este tipo de luces. Sin embargo, existen tipos de controladores de lámparas LED y fluorescentes de bajo coste que reducen la tensión liberando energía en forma de calor (por ejemplo, varios LED en serie con una resistencia en serie). Variar la tensión de alimentación afectaría a la energía utilizada por este tipo de luces, pero este tipo de lámparas suelen tener una potencia baja y la salida de luz también se vería afectada.

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 lámparas , 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 de 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 por una lámpara LED con una salida de luz similar habría reducido el consumo de manera más efectiva, hasta 12 vatios. Además, como la salida de luz se reduce tanto, se podría lograr un mayor ahorro cambiando 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 8 W, si solo se necesitan 1210 lúmenes.

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