La ingeniería eléctrica , también llamada ingeniería de sistemas de potencia , es un subcampo de la ingeniería eléctrica que se ocupa de la generación, transmisión, distribución y utilización de la energía eléctrica y de los aparatos eléctricos conectados a dichos sistemas. Aunque gran parte del campo se ocupa de los problemas de la energía de CA trifásica (el estándar para la transmisión y distribución de energía a gran escala en todo el mundo moderno), una fracción significativa del campo se ocupa de la conversión entre energía de CA y CC y del desarrollo de sistemas de energía especializados como los que se utilizan en aeronaves o en redes ferroviarias eléctricas. La ingeniería eléctrica obtiene la mayor parte de su base teórica de la ingeniería eléctrica y la ingeniería mecánica .
La electricidad se convirtió en un tema de interés científico a finales del siglo XVII. Durante los dos siglos siguientes se realizaron varios descubrimientos importantes, entre ellos la bombilla incandescente y la pila voltaica . [1] [2] Probablemente el mayor descubrimiento en materia de ingeniería energética provino de Michael Faraday , quien en 1831 descubrió que un cambio en el flujo magnético induce una fuerza electromotriz en un bucle de cable, un principio conocido como inducción electromagnética que ayuda a explicar cómo funcionan los generadores y transformadores. [3]
En 1881, dos electricistas construyeron la primera central eléctrica del mundo en Godalming , Inglaterra. La central empleaba dos ruedas hidráulicas para producir una corriente alterna que se utilizaba para alimentar siete lámparas de arco Siemens a 250 voltios y treinta y cuatro lámparas incandescentes a 40 voltios. [4] Sin embargo, el suministro era intermitente y en 1882 Thomas Edison y su empresa, The Edison Electric Light Company, desarrollaron la primera central eléctrica alimentada por vapor en Pearl Street, en la ciudad de Nueva York. La estación de Pearl Street constaba de varios generadores e inicialmente alimentaba alrededor de 3000 lámparas para 59 clientes. [5] [6] La central utilizaba corriente continua y funcionaba con un solo voltaje. Dado que la energía de corriente continua no podía transformarse fácilmente en los voltajes más altos necesarios para minimizar la pérdida de energía durante la transmisión, la distancia posible entre los generadores y la carga se limitaba a alrededor de media milla (800 m). [7]
Ese mismo año, en Londres, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs demostraron el primer transformador adecuado para su uso en un sistema de energía real. El valor práctico del transformador de Gaulard y Gibbs se demostró en 1884 en Turín , donde el transformador se utilizó para iluminar cuarenta kilómetros (25 millas) de vías de ferrocarril con un solo generador de corriente alterna . [8] A pesar del éxito del sistema, la pareja cometió algunos errores fundamentales. Quizás el más grave fue conectar los primarios de los transformadores en serie de modo que encender o apagar una lámpara afectara a otras lámparas más abajo en la línea. Después de la demostración, George Westinghouse , un empresario estadounidense, importó varios de los transformadores junto con un generador Siemens y puso a sus ingenieros a experimentar con ellos con la esperanza de mejorarlos para su uso en un sistema de energía comercial.
Uno de los ingenieros de Westinghouse, William Stanley , reconoció el problema de conectar transformadores en serie en lugar de en paralelo y también se dio cuenta de que hacer que el núcleo de hierro de un transformador fuera un bucle completamente cerrado mejoraría la regulación de voltaje del devanado secundario. Usando este conocimiento, construyó el primer sistema de energía de corriente alterna basado en transformador práctico del mundo en Great Barrington, Massachusetts en 1886. [9] [10] En 1885, el físico e ingeniero eléctrico italiano Galileo Ferraris demostró un motor de inducción y en 1887 y 1888 el ingeniero serbio-estadounidense Nikola Tesla presentó una serie de patentes relacionadas con sistemas de energía, incluida una para un motor de inducción bifásico práctico [11] [12] que Westinghouse licenció para su sistema de CA.
En 1890, la industria eléctrica había florecido y las compañías eléctricas habían construido miles de sistemas de energía (tanto de corriente continua como alterna) en los Estados Unidos y Europa; estas redes estaban efectivamente dedicadas a proporcionar iluminación eléctrica. Durante este tiempo, surgió una feroz rivalidad en los EE. UU. conocida como la " guerra de las corrientes " entre Edison y Westinghouse sobre qué forma de transmisión (corriente continua o alterna) era superior. En 1891, Westinghouse instaló el primer sistema de energía importante que fue diseñado para impulsar un motor eléctrico y no solo proporcionar iluminación eléctrica. La instalación alimentó un motor síncrono de 100 caballos de fuerza (75 kW) en Telluride, Colorado , y el motor se puso en marcha mediante un motor de inducción Tesla. [13] Al otro lado del Atlántico, Oskar von Miller construyó una línea de transmisión trifásica de 20 kV de 176 km desde Lauffen am Neckar hasta Frankfurt am Main para la Exposición de Ingeniería Eléctrica en Frankfurt. [14] En 1895, después de un prolongado proceso de toma de decisiones, la central generadora Adams N.° 1 de las cataratas del Niágara comenzó a transmitir energía de corriente alterna trifásica a Buffalo a 11 kV. Tras la finalización del proyecto de las cataratas del Niágara, los nuevos sistemas de energía optaron cada vez más por la corriente alterna en lugar de la corriente continua para la transmisión eléctrica. [15]
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La generación de electricidad se consideró particularmente importante después de la toma del poder por los bolcheviques . Lenin afirmó: "El comunismo es el poder soviético más la electrificación de todo el país". [16] Posteriormente apareció en muchos carteles, sellos, etc. soviéticos que presentaban esta visión. El plan GOELRO se inició en 1920 como el primer experimento bolchevique en planificación industrial y en el que Lenin se involucró personalmente. Gleb Krzhizhanovsky fue otra figura clave involucrada, habiendo estado involucrado en la construcción de una central eléctrica en Moscú en 1910. También había conocido a Lenin desde 1897, cuando ambos estaban en el capítulo de San Petersburgo de la Unión de Lucha por la Liberación de la Clase Obrera .
En 1936 se construyó la primera línea comercial de corriente continua de alto voltaje (HVDC) que utilizaba válvulas de arco de mercurio entre Schenectady y Mechanicville, Nueva York . La HVDC se había logrado anteriormente instalando generadores de corriente continua en serie (un sistema conocido como el sistema Thury ), aunque esto adolecía de serios problemas de confiabilidad. [17] En 1957, Siemens demostró el primer rectificador de estado sólido (los rectificadores de estado sólido son ahora el estándar para los sistemas HVDC), sin embargo, no fue hasta principios de la década de 1970 que esta tecnología se utilizó en sistemas de energía comerciales. [18] En 1959, Westinghouse demostró el primer disyuntor que utilizaba SF 6 como medio de interrupción. [19] El SF 6 es un dieléctrico muy superior al aire y, en los últimos tiempos, su uso se ha extendido para producir equipos de conmutación mucho más compactos (conocidos como aparamenta ) y transformadores . [20] [21] Muchos avances importantes también surgieron de la extensión de las innovaciones en el campo de las TIC al campo de la ingeniería energética. Por ejemplo, el desarrollo de las computadoras permitió que los estudios de flujo de carga se pudieran realizar de manera más eficiente, lo que permitió una planificación mucho mejor de los sistemas de energía. Los avances en la tecnología de la información y las telecomunicaciones también permitieron un control remoto mucho mejor de los cuadros de distribución y los generadores del sistema de energía.
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La ingeniería eléctrica se ocupa de la generación , transmisión , distribución y utilización de la electricidad , así como del diseño de una variedad de dispositivos relacionados, entre los que se incluyen transformadores , generadores eléctricos , motores eléctricos y electrónica de potencia .
Los ingenieros de energía también pueden trabajar en sistemas que no se conectan a la red. Estos sistemas se denominan sistemas de energía fuera de la red y pueden usarse con preferencia a los sistemas conectados a la red por diversas razones. Por ejemplo, en lugares remotos puede resultar más económico para una mina generar su propia energía en lugar de pagar por la conexión a la red y, en la mayoría de las aplicaciones móviles, la conexión a la red simplemente no es práctica.
La generación de electricidad abarca la selección, el diseño y la construcción de instalaciones que convierten la energía de formas primarias en energía eléctrica.
La transmisión de energía eléctrica requiere la ingeniería de líneas de transmisión de alto voltaje e instalaciones de subestaciones para interconectarse con los sistemas de generación y distribución. Los sistemas de corriente continua de alto voltaje son uno de los elementos de una red eléctrica.
La ingeniería de distribución de energía eléctrica cubre aquellos elementos de un sistema eléctrico desde una subestación hasta el cliente final.
La protección del sistema de energía es el estudio de las formas en que un sistema de energía eléctrica puede fallar y los métodos para detectar y mitigar dichas fallas.
En la mayoría de los proyectos, un ingeniero de energía debe coordinarse con muchas otras disciplinas, como ingenieros civiles y mecánicos, expertos ambientales y personal legal y financiero. Los proyectos de sistemas de energía de gran envergadura, como una gran central generadora, pueden requerir decenas de profesionales del diseño además de los ingenieros de sistemas de energía. En la mayoría de los niveles de práctica profesional de ingeniería de sistemas de energía, el ingeniero necesitará tantos conocimientos de administración y organización como de ingeniería eléctrica.
Tanto en el Reino Unido como en los Estados Unidos, existían sociedades profesionales para ingenieros civiles y mecánicos desde hacía mucho tiempo. La Institution of Electrical Engineers (IEE) se fundó en el Reino Unido en 1871 y la AIEE en los Estados Unidos en 1884. Estas sociedades contribuyeron al intercambio de conocimientos eléctricos y al desarrollo de la educación en ingeniería eléctrica. A nivel internacional, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), fundada en 1906, prepara normas para la ingeniería eléctrica, con 20.000 expertos electrotécnicos de 172 países que desarrollan especificaciones globales basadas en el consenso.
El comunismo es el poder soviético más la electrificación de todo el país, ya que la industria no puede desarrollarse sin electrificación.
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