En ingeniería eléctrica , particularmente en ingeniería energética , la regulación de voltaje es una medida del cambio en la magnitud del voltaje entre el extremo emisor y receptor de un componente, como una línea de transmisión o distribución. La regulación de voltaje describe la capacidad de un sistema para proporcionar un voltaje casi constante en una amplia gama de condiciones de carga . El término puede referirse a una propiedad pasiva que resulta en una mayor o menor caída de voltaje bajo diversas condiciones de carga, o a la intervención activa con dispositivos con el propósito específico de ajustar el voltaje.
En los sistemas de energía eléctrica, la regulación de voltaje es una cantidad adimensional definida en el extremo receptor de una línea de transmisión como:
donde V nl es el voltaje sin carga y V fl es el voltaje a plena carga. El porcentaje de regulación de voltaje de una línea de transmisión ideal, definida por una línea de transmisión con resistencia y reactancia cero , sería igual a cero debido a que V nl es igual a V fl como resultado de que no hay caída de voltaje a lo largo de la línea. Es por eso que un valor menor de Regulación de voltaje suele ser beneficioso, lo que indica que la línea está más cerca de lo ideal.
La fórmula de regulación de voltaje podría visualizarse con lo siguiente: "Considere que la energía se entrega a una carga de modo que el voltaje en la carga sea el voltaje nominal de la carga V Nominal , si luego la carga desaparece, el voltaje en el punto de la carga aumentará a Vnl . "
La regulación de voltaje en las líneas de transmisión se produce debido a la impedancia de la línea entre sus extremos emisor y receptor. Las líneas de transmisión tienen intrínsecamente cierta cantidad de resistencia, inductancia y capacitancia que cambian el voltaje continuamente a lo largo de la línea. Tanto la magnitud como el ángulo de fase del voltaje cambian a lo largo de una línea de transmisión real. Los efectos de la impedancia de línea se pueden modelar con circuitos simplificados como la aproximación de línea corta (menos precisa), la aproximación de línea media (más precisa) y la aproximación de línea larga (más precisa).
La aproximación de línea corta ignora la capacitancia de la línea de transmisión y modela la resistencia y la reactancia de la línea de transmisión como una simple resistencia e inductor en serie. Esta combinación tiene impedancia R + jωL o R + jX. Hay una corriente de línea única I = I S = I R en la aproximación de línea corta, diferente de la línea media y larga. La aproximación de línea de longitud media tiene en cuenta la admitancia en derivación , generalmente capacitancia pura, distribuyendo la mitad de la admitancia en el extremo emisor y receptor de la línea. Esta configuración a menudo se denomina nominal - π. La aproximación de línea larga toma estos valores agrupados de impedancia y admitancia y los distribuye uniformemente a lo largo de la línea. Por lo tanto, la aproximación de línea larga requiere la resolución de ecuaciones diferenciales y da como resultado el mayor grado de precisión. [2]
En la fórmula de regulación de voltaje, V sin carga es el voltaje medido en los terminales del extremo receptor cuando el extremo receptor es un circuito abierto. Todo el modelo de línea corta es un circuito abierto en esta condición, y no fluye corriente en un circuito abierto, por lo que I = 0 A y la caída de voltaje a través de la línea dada por la ley de Ohm V caída de línea = línea IZ es 0 V. El envío y los voltajes del extremo receptor son, por lo tanto, los mismos. Este valor es el que sería el voltaje en el extremo receptor si la línea de transmisión no tuviera impedancia. La línea no cambiaría el voltaje en absoluto, lo cual es un escenario ideal en la transmisión de energía.
V carga completa es el voltaje a través de la carga en el extremo receptor cuando la carga está conectada y la corriente fluye en la línea de transmisión. Ahora la caída de la línea V = la línea IZ es distinta de cero, por lo que los voltajes y los extremos de envío y recepción de la línea de transmisión no son iguales. La corriente I se puede encontrar resolviendo la ley de Ohm usando una impedancia combinada de línea y carga: . Entonces la carga completa V R está dada por .
Los efectos de esta modulación sobre la magnitud del voltaje y el ángulo de fase se ilustran usando diagramas fasoriales que mapean V R , V S y los componentes resistivos e inductivos de la caída de línea V . Se muestran tres escenarios de factor de potencia, donde (a) la línea sirve a una carga inductiva, por lo que la corriente se retrasa con el voltaje final de recepción, (b) la línea sirve a una carga completamente real, por lo que la corriente y el voltaje final de recepción están en fase, y (c) la línea sirve una carga capacitiva por lo que los cables de corriente reciben el voltaje final. En todos los casos, la resistencia de la línea R provoca una caída de voltaje que está en fase con la corriente, y la reactancia de la línea X provoca una caída de voltaje que adelanta la corriente en 90 grados. Estas caídas de voltaje sucesivas se suman al voltaje del extremo receptor, recorriendo hacia atrás desde V R a V S en el circuito de aproximación de línea corta. La suma vectorial de VR y las caídas de voltaje es igual a VS , y es evidente en los diagramas que VS no es igual a VR en magnitud o ángulo de fase.
Los diagramas muestran que el ángulo de fase de la corriente en la línea afecta significativamente la regulación de voltaje. La corriente retrasada en (a) hace que la magnitud requerida del voltaje del extremo emisor sea bastante grande en relación con el extremo receptor. Sin embargo, se minimiza la diferencia del ángulo de fase entre el extremo emisor y el receptor. La corriente principal en (c) en realidad permite que la magnitud del voltaje del extremo de envío sea menor que la magnitud del extremo de recepción, por lo que el voltaje aumenta de manera contraria a la intuición a lo largo de la línea. La corriente en fase en (b) afecta poco la magnitud del voltaje entre los extremos emisor y receptor, pero el ángulo de fase cambia considerablemente.
Las líneas de transmisión reales suelen servir a cargas inductivas, que son los motores que existen en todas partes en la electrónica y las máquinas modernas. La transferencia de una gran cantidad de potencia reactiva Q a cargas inductivas hace que la corriente de línea se retrase del voltaje y la regulación del voltaje se caracteriza por una disminución en la magnitud del voltaje. Al transferir una gran cantidad de potencia real P a cargas reales, la corriente está mayoritariamente en fase con el voltaje. La regulación de voltaje en este escenario se caracteriza por una disminución del ángulo de fase en lugar de la magnitud.
A veces, el término regulación de voltaje se utiliza para describir procesos mediante los cuales se reduce la cantidad VR , especialmente en lo que respecta a circuitos y dispositivos especiales para este propósito (ver más abajo).
La calidad de la regulación de tensión de un sistema se describe mediante tres parámetros principales:
Las empresas eléctricas tienen como objetivo brindar servicio a los clientes a un nivel de voltaje específico, por ejemplo, 220 V o 240 V. Sin embargo, debido a las Leyes de Kirchhoff , la magnitud del voltaje y, por lo tanto, el voltaje de servicio a los clientes, de hecho, variará a lo largo de un conductor. como un alimentador de distribución (ver Distribución de energía eléctrica ). Dependiendo de la ley y la práctica local, el voltaje de servicio real dentro de una banda de tolerancia como ±5% o ±10% puede considerarse aceptable. Para mantener el voltaje dentro de la tolerancia bajo condiciones de carga cambiantes, tradicionalmente se emplean varios tipos de dispositivos: [3]
Una nueva generación de dispositivos para regulación de voltaje basados en tecnología de estado sólido se encuentra en las primeras etapas de comercialización. [4]
La regulación de la distribución implica un "punto de regulación": el punto en el que el equipo intenta mantener una tensión constante. Los clientes que se encuentran más allá de este punto observan el efecto esperado: voltaje más alto con carga ligera y voltaje más bajo con carga alta. Los clientes más cerca de este punto experimentan el efecto opuesto: voltaje más alto con carga alta y voltaje más bajo con carga ligera.
La generación distribuida , en particular la fotovoltaica conectada a nivel de distribución, presenta una serie de desafíos importantes para la regulación de voltaje.
Los equipos de regulación de voltaje convencionales funcionan bajo el supuesto de que el voltaje de la línea cambia de manera predecible con la distancia a lo largo del alimentador . Específicamente, el voltaje del alimentador cae al aumentar la distancia desde la subestación debido a la impedancia de la línea y la tasa de caída de voltaje disminuye a medida que se aleja de la subestación . [5] Sin embargo, esta suposición puede no ser válida cuando la DG está presente. Por ejemplo, un alimentador largo con una alta concentración de DG al final experimentará una inyección de corriente significativa en los puntos donde el voltaje normalmente es más bajo. Si la carga es suficientemente baja, la corriente fluirá en dirección inversa (es decir, hacia la subestación), lo que dará como resultado un perfil de voltaje que aumenta con la distancia desde la subestación. Este perfil de voltaje invertido puede confundir a los controles convencionales. En uno de esos escenarios, los cambiadores de tomas de carga que esperan que el voltaje disminuya con la distancia desde la subestación pueden elegir un punto de operación que de hecho cause que el voltaje en la línea exceda los límites operativos. [6]
Los problemas de regulación de voltaje causados por la GD a nivel de distribución se complican por la falta de equipos de monitoreo de servicios públicos a lo largo de los alimentadores de distribución. La relativa escasez de información sobre voltajes y cargas de distribución dificulta que las empresas de servicios públicos realicen los ajustes necesarios para mantener los niveles de voltaje dentro de los límites operativos. [7]
Aunque la DG plantea una serie de desafíos importantes para la regulación de voltaje a nivel de distribución, si se combina con electrónica de potencia inteligente , la DG puede servir para mejorar los esfuerzos de regulación de voltaje. [8] Un ejemplo de ello es la energía fotovoltaica conectada a la red a través de inversores con control volt-VAR . En un estudio realizado conjuntamente por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) , cuando se agregó control volt-VAR a un alimentador de distribución con una penetración fotovoltaica del 20%, las oscilaciones de voltaje diurnas en el alimentador se redujeron significativamente. . [9]
Un caso de regulación de voltaje es en un transformador . Los componentes no ideales del transformador provocan un cambio de voltaje cuando fluye la corriente. Sin carga, cuando no fluye corriente a través de las bobinas secundarias, V nl viene dado por el modelo ideal, donde V S = V P *N S /N P . Si se observa el circuito equivalente y se desprecian los componentes en derivación, como es una aproximación razonable, se puede referir toda la resistencia y la reactancia al lado secundario y ver claramente que el voltaje secundario sin carga vendrá dado por el modelo ideal. Por el contrario, cuando el transformador entrega carga completa, se produce una caída de voltaje sobre la resistencia del devanado, lo que hace que el voltaje terminal a través de la carga sea menor de lo previsto. Según la definición anterior, esto conduce a una regulación de voltaje distinta de cero que debe considerarse en el uso del transformador. [2]
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