Un medidor de electricidad , medidor eléctrico , medidor eléctrico , medidor de energía o medidor de kilovatios-hora es un dispositivo que mide la cantidad de energía eléctrica consumida por una residencia , un negocio o un dispositivo alimentado eléctricamente durante un intervalo de tiempo.
Las empresas eléctricas utilizan medidores eléctricos instalados en las instalaciones de los clientes para fines de facturación y control. Por lo general, se calibran en unidades de facturación, siendo la más común el kilovatio hora ( kWh ). Por lo general, se leen una vez por cada período de facturación.
Cuando se desea ahorrar energía durante ciertos períodos, algunos medidores pueden medir la demanda, el uso máximo de energía en algún intervalo. La medición por "hora del día" permite cambiar las tarifas eléctricas durante un día, para registrar el uso durante los períodos pico de alto costo y los períodos de menor costo fuera de horas pico. Además, en algunas áreas, los medidores tienen relés para la reducción de carga en respuesta a la demanda durante los períodos de carga pico. [1]
Los primeros usos comerciales de la energía eléctrica, en la década de 1880, tenían un uso fácilmente predecible; la facturación se basaba en la cantidad de lámparas o motores instalados en un edificio. [ cita requerida ] Sin embargo, a medida que se extendió su uso, y especialmente con la invención de los electrodomésticos enchufables , también se volvió más variable y las empresas de servicios eléctricos buscaron un medio para facturar a los clientes en función del uso real en lugar del estimado.
Se desarrollaron muchos tipos experimentales de medidores. Thomas Edison trabajó primero en un medidor electromecánico de corriente continua (CC) con un registro de lectura directa, pero en su lugar desarrolló un sistema de medición electroquímico , que utilizaba una celda electrolítica para totalizar el consumo de corriente. A intervalos periódicos, se retiraban las placas y se pesaban, y se facturaba al cliente. El medidor electroquímico requería mucho trabajo para leer y no fue bien recibido por los clientes.
Los medidores de CC solían medir la carga en amperios-hora. Como el voltaje de la fuente de alimentación debía permanecer prácticamente constante, la lectura del medidor era proporcional a la energía real consumida. Por ejemplo, si un medidor registraba que se habían consumido 100 amperios-hora en una fuente de alimentación de 200 voltios, entonces se habían suministrado 20 kilovatios-hora de energía.
Un tipo temprano de medidor electroquímico utilizado en el Reino Unido fue el medidor "Reason". Este consistía en una estructura de vidrio montada verticalmente con un depósito de mercurio en la parte superior del medidor. A medida que se extraía corriente de la fuente de alimentación, la acción electroquímica transfería el mercurio a la parte inferior de la columna. Como todos los demás medidores de CC, registraba amperios-hora. Una vez que se agotaba el depósito de mercurio, el medidor se convertía en un circuito abierto. Por lo tanto, era necesario que el consumidor pagara por un suministro adicional de electricidad, tras lo cual, el agente del proveedor desbloqueaba el medidor de su soporte y lo invertía, restaurando el mercurio en el depósito y la fuente de alimentación. En la práctica, el consumidor hacía que el agente de la compañía de suministro entrara antes de que se agotara el suministro y pagaba solo por la carga consumida según lo leído en la escala. Luego, el agente ponía el medidor a cero invirtiéndolo.
En 1885 Ferranti ofreció un medidor de motor de mercurio con un registro similar a los medidores de gas; esto tenía la ventaja de que el consumidor podía leer fácilmente el medidor y verificar el consumo. [2] El primer medidor de consumo de electricidad preciso y con registro fue un medidor de CC de Hermann Aron , quien lo patentó en 1883. Hugo Hirst de la British General Electric Company lo introdujo comercialmente en Gran Bretaña a partir de 1888. [3] El medidor de Aron registraba la carga total utilizada a lo largo del tiempo y la mostraba en una serie de diales de reloj.
El primer ejemplar de un contador de kilovatios-hora de corriente alterna , fabricado a partir de la patente del húngaro Ottó Bláthy y que lleva su nombre, fue presentado por la fábrica Ganz en la Feria de Frankfurt en el otoño de 1889, y el primer contador de kilovatios-hora de inducción ya había sido comercializado por la fábrica a finales del mismo año. Se trataba de los primeros contadores de vatios-hora de corriente alterna, conocidos con el nombre de contadores de Bláthy. [4] Los contadores de kilovatios-hora de corriente alterna que se utilizan en la actualidad funcionan según el mismo principio que el invento original de Bláthy. [5] [6] [7] [8] También alrededor de 1889, Elihu Thomson, de la empresa estadounidense General Electric, desarrolló un contador de vatios-hora registrador (contador de vatios-hora) basado en un motor de conmutador sin hierro. Este contador superaba las desventajas del tipo electroquímico y podía funcionar tanto con corriente alterna como con corriente continua. [9]
En 1894, Oliver Shallenberger, de la Westinghouse Electric Corporation, aplicó el principio de inducción utilizado anteriormente [10] solo en los amperímetros-hora de CA para producir un medidor de vatios-hora de la forma electromecánica moderna, utilizando un disco de inducción cuya velocidad de rotación se hizo proporcional a la potencia en el circuito. [11] [12] El medidor de Bláthy era similar al medidor de Shallenberger y Thomson en que son medidores de motores bifásicos. [5] Aunque el medidor de inducción solo funcionaría con corriente alterna, eliminó el delicado y problemático conmutador del diseño de Thomson. Shallenberger enfermó y no pudo refinar su diseño inicial grande y pesado, aunque también desarrolló una versión polifásica.
La unidad de medida más común en los medidores de electricidad es el kilovatio hora [ kWh ], que equivale a la cantidad de energía utilizada por una carga de un kilovatio durante un período de una hora , o 3.600.000 julios . Algunas compañías eléctricas utilizan en su lugar el megajulio del SI .
La demanda normalmente se mide en vatios, pero se promedia durante un período, generalmente un cuarto o media hora.
La potencia reactiva se mide en "miles de voltamperios- hora reactiva" (kvarh). Por convención, una carga "retrasada" o inductiva , como un motor, tendrá potencia reactiva positiva. Una carga "adelantada" o capacitiva tendrá potencia reactiva negativa. [13]
Los voltamperios miden toda la energía que pasa por una red de distribución, tanto la reactiva como la real. Es igual al producto de la media cuadrática de voltios y amperios.
La distorsión de la corriente eléctrica por cargas se mide de varias maneras. El factor de potencia es la relación entre la potencia resistiva (o real) y los voltamperios. Una carga capacitiva tiene un factor de potencia adelantado y una carga inductiva tiene un factor de potencia retrasado. Una carga puramente resistiva (como una lámpara de filamento, un calentador o una tetera) presenta un factor de potencia de 1. Los armónicos de corriente son una medida de la distorsión de la forma de onda. Por ejemplo, las cargas electrónicas, como las fuentes de alimentación de ordenadores, extraen su corriente en el pico de tensión para llenar sus elementos de almacenamiento interno. Esto puede provocar una caída de tensión significativa cerca del pico de tensión de alimentación, que se manifiesta como un aplanamiento de la forma de onda de la tensión. Este aplanamiento provoca armónicos impares que no son permisibles si superan límites específicos, ya que no solo son un desperdicio, sino que pueden interferir en el funcionamiento de otros equipos. Las emisiones de armónicos están obligadas por ley en la UE y otros países a estar dentro de límites específicos.
Además de la medición basada en la cantidad de energía utilizada, existen otros tipos de medición. En los primeros días de la electrificación se utilizaban medidores que medían la cantidad de carga ( culombios ) utilizada, conocidos como medidores de amperios-hora . Estos dependían de que el voltaje de suministro permaneciera constante para una medición precisa del uso de energía, lo que no era una circunstancia probable con la mayoría de los suministros. La aplicación más común estaba relacionada con medidores de propósito especial para monitorear el estado de carga/descarga de baterías grandes. Algunos medidores medían solo el tiempo durante el cual fluía la carga, sin realizar ninguna medición de la magnitud del voltaje o la corriente. Estos solo son adecuados para aplicaciones de carga constante y rara vez se usan en la actualidad.
Los medidores de electricidad funcionan midiendo continuamente el voltaje instantáneo ( voltios ) y la corriente ( amperios ) para dar la energía utilizada (en julios , kilovatios-hora, etc.). Los medidores para servicios más pequeños (como pequeños clientes residenciales) se pueden conectar directamente en línea entre la fuente y el cliente. Para cargas más grandes, más de unos 200 amperios de carga, se utilizan transformadores de corriente , de modo que el medidor se puede ubicar en otro lugar que no sea en línea con los conductores de servicio. Los medidores se dividen en dos categorías básicas, electromecánicos y electrónicos.
El tipo más común de medidor de electricidad es el medidor electromecánico de vatios-hora. [14] [15]
En una fuente de alimentación monofásica de CA, el medidor de inducción electromecánica funciona mediante inducción electromagnética contando las revoluciones de un disco metálico no magnético, pero eléctricamente conductor, que se hace girar a una velocidad proporcional a la potencia que pasa a través del medidor. El número de revoluciones es, por tanto, proporcional al consumo de energía. La bobina de tensión consume una cantidad pequeña y relativamente constante de energía, normalmente alrededor de 2 vatios, que no se registra en el medidor. La bobina de corriente consume de forma similar una pequeña cantidad de energía en proporción al cuadrado de la corriente que fluye a través de ella, normalmente hasta un par de vatios a plena carga, que se registra en el medidor.
El disco es accionado por dos conjuntos de bobinas de inducción , que forman, en efecto, un motor de inducción lineal de dos fases . Una bobina está conectada de tal manera que produce un flujo magnético proporcional al voltaje y la otra produce un flujo magnético proporcional a la corriente . El campo de la bobina de voltaje se retrasa 90 grados, debido a la naturaleza inductiva de la bobina, y se calibra utilizando una bobina de retardo. [16] Esto produce corrientes parásitas en el disco y el efecto es tal que se ejerce una fuerza sobre el disco proporcional al producto de la corriente instantánea y el voltaje instantáneo. Un imán permanente actúa como un freno de corrientes parásitas , ejerciendo una fuerza opuesta proporcional a la velocidad de rotación del disco. El equilibrio entre estas dos fuerzas opuestas da como resultado que el disco gire a una velocidad proporcional a la potencia o tasa de uso de energía. El disco impulsa un mecanismo de registro que cuenta las revoluciones, de forma muy similar al odómetro de un automóvil, para brindar una medición de la energía total utilizada.
Las diferentes configuraciones de fase utilizan bobinas de voltaje y corriente adicionales.
El disco está soportado por un husillo que tiene un engranaje helicoidal que impulsa el registro. El registro es una serie de diales que registran la cantidad de energía utilizada. Los diales pueden ser del tipo de ciclometro , una pantalla similar a un odómetro que es fácil de leer donde para cada dial se muestra un solo dígito a través de una ventana en la cara del medidor, o del tipo de aguja donde una aguja indica cada dígito. Con el tipo de aguja de aguja, las agujas adyacentes generalmente giran en direcciones opuestas debido al mecanismo de engranaje.
La cantidad de energía representada por una revolución del disco se denota con el símbolo Kh, que se expresa en unidades de vatios-hora por revolución. El valor más común es 7,2. Con el valor de Kh se puede determinar el consumo de energía en un momento dado midiendo el disco con un cronómetro.
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Por ejemplo, si Kh = 7,2 como se indica anteriormente y una revolución se produjo en 14,4 segundos, la potencia es de 1800 vatios. Este método se puede utilizar para determinar el consumo de energía de los electrodomésticos encendiéndolos uno por uno.
La mayoría de los medidores de electricidad domésticos deben ser leídos manualmente, ya sea por un representante de la compañía eléctrica o por el cliente. Cuando el cliente lee el medidor, la lectura puede ser proporcionada a la compañía eléctrica por teléfono , correo postal o por Internet . La compañía eléctrica normalmente requerirá una visita de un representante de la compañía al menos una vez al año para verificar las lecturas proporcionadas por el cliente y hacer una comprobación básica de seguridad del medidor.
En un medidor de inducción, el deslizamiento es un fenómeno que puede afectar negativamente la precisión y que ocurre cuando el disco del medidor gira continuamente con potencial aplicado y los terminales de carga en circuito abierto. Una prueba para detectar errores debido al deslizamiento se denomina prueba de deslizamiento.
Dos normas regulan la precisión del medidor: ANSI C12.20 para América del Norte e IEC 62053.
Los medidores electrónicos muestran la energía utilizada en una pantalla LCD o LED, y algunos también pueden transmitir lecturas a lugares remotos. Además de medir la energía utilizada, algunos medidores electrónicos también pueden registrar otros parámetros de la carga y el suministro, como la demanda instantánea y máxima de uso, los voltajes, el factor de potencia y la potencia reactiva utilizada, etc. También pueden admitir la facturación por hora del día, por ejemplo, registrando la cantidad de energía utilizada durante las horas pico y las horas valle.
El medidor tiene una fuente de alimentación, un motor de medición, un motor de procesamiento y comunicación (es decir, un microcontrolador ) y otros módulos complementarios como un reloj de tiempo real (RTC), una pantalla de cristal líquido, puertos/módulos de comunicación por infrarrojos, etc.
El motor de medición recibe las entradas de tensión y corriente y tiene una referencia de tensión, muestreadores y cuantificadores, seguidos de una sección de conversión de analógico a digital para generar los equivalentes digitalizados de todas las entradas. Estas entradas se procesan luego utilizando un procesador de señales digitales para calcular los diversos parámetros de medición.
La mayor fuente de errores a largo plazo en el medidor es la desviación del preamplificador, seguida de la precisión de la referencia de voltaje. Ambos factores también varían con la temperatura y varían enormemente cuando los medidores están al aire libre. Caracterizar y compensar estos factores es una parte importante del diseño del medidor.
La sección de procesamiento y comunicación tiene la responsabilidad de calcular las distintas magnitudes derivadas de los valores digitales generados por el motor de medición. También tiene la responsabilidad de comunicarse mediante distintos protocolos e interactuar con otros módulos complementarios conectados como esclavos a él.
El RTC y otros módulos adicionales se conectan como esclavos a la sección de procesamiento y comunicación para diversas funciones de entrada/salida. En un medidor moderno, la mayoría, si no la totalidad, de estas funciones se implementarán dentro del microprocesador, como el RTC, el controlador LCD, el sensor de temperatura, la memoria y los convertidores analógicos a digitales.
La lectura remota de medidores es un ejemplo práctico de telemetría . Ahorra el costo de un lector de medidores humano y los errores resultantes, pero también permite más mediciones y aprovisionamiento remoto. Muchos medidores inteligentes ahora incluyen un interruptor para interrumpir o restablecer el servicio.
Históricamente, los medidores rotativos podían informar su información medida de forma remota, utilizando un par de contactos eléctricos conectados a una línea KYZ .
Una interfaz KYZ es un contacto de formato C que se alimenta desde el medidor. En una interfaz KYZ, los cables Y y Z son contactos de conmutación, en cortocircuito con K para una cantidad medida de energía. Cuando un contacto se cierra, el otro se abre para proporcionar seguridad de precisión de conteo. [17] Cada cambio de estado de contacto se considera un pulso. La frecuencia de pulsos indica la demanda de energía. La cantidad de pulsos indica la energía medida. [18] Cuando se incorpora a un medidor electromecánico, el relé cambia de estado con cada rotación completa o media rotación del disco del medidor. Cada cambio de estado se denomina "pulso".
Históricamente, las salidas KYZ estaban conectadas a "relés totalizadores" que alimentaban un "totalizador" para que se pudieran leer muchos medidores a la vez en un solo lugar.
Las salidas KYZ también son la forma clásica de conectar los medidores de electricidad a controladores lógicos programables , sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado u otros sistemas de control. Algunos medidores modernos también incorporan un cierre de contacto que avisa cuando el medidor detecta una demanda cercana a una tarifa eléctrica más alta , para mejorar la gestión de la demanda .
La norma EN 62053-31 (anteriormente DIN 43864) define la interfaz S0 , que es una salida de colector abierto aislada galvánicamente . La tensión y la corriente están limitadas a 27 V y 27 mA, respectivamente. Cada cantidad medida de energía eléctrica produce un impulso con una duración de 32-100 ms. La constante del medidor (pulsos por kWh) es programable en algunos medidores, pero a menudo se fija en 1000-10000 pulsos por kWh . Otros medidores implementan una interfaz de pulsos similar, pero con un LED infrarrojo en lugar de una conexión eléctrica. La interfaz también se utiliza en otros tipos de medidores, como los de agua.
Muchos medidores diseñados para lectura semiautomática tienen un puerto serial que se comunica mediante un LED infrarrojo a través de la placa frontal del medidor. En algunos edificios de varias unidades, se utiliza un protocolo similar, pero en un bus cableado que utiliza un bucle de corriente serial para conectar todos los medidores a un solo enchufe. El enchufe suele estar cerca de un punto de más fácil acceso.
En la Unión Europea, el protocolo de infrarrojos más común es "FLAG", un subconjunto simplificado del modo C de IEC 61107. En Estados Unidos y Canadá, el protocolo de infrarrojos preferido es ANSI C12.18 . Algunos medidores industriales utilizan protocolos para controladores lógicos programables , como Modbus o DNP3 .
Un protocolo propuesto para este fin es el DLMS/COSEM , que puede funcionar sobre cualquier medio, incluidos los puertos serie. Los datos pueden transmitirse por Zigbee , Wi-Fi , líneas telefónicas o por las propias líneas eléctricas . Algunos medidores pueden leerse a través de Internet. También se están utilizando ampliamente otros protocolos más modernos, como OSGP (Open Smart Grid Protocol).
Los medidores electrónicos ahora también utilizan radio de baja potencia , GSM , GPRS , Bluetooth , IrDA y enlace por cable RS-485 . Los medidores pueden almacenar los perfiles de uso completos con marcas de tiempo y transmitirlos con solo hacer clic en un botón. Las lecturas de demanda almacenadas con los perfiles indican con precisión los requisitos de carga del cliente. Estos datos del perfil de carga se procesan en las empresas de servicios públicos para fines de facturación y planificación.
AMR ( Automatic Meter Reading ) y RMR (Remote Meter Reading) describen varios sistemas que permiten verificar los medidores de forma remota, sin necesidad de enviar un lector de medidores. Un medidor electrónico puede transmitir sus lecturas por línea telefónica o radio a una oficina central de facturación.
Los grandes locales comerciales e industriales pueden utilizar medidores electrónicos que registran el consumo de energía en bloques de media hora o menos. Esto se debe a que la mayoría de las redes eléctricas tienen picos de demanda a lo largo del día y la compañía eléctrica puede querer ofrecer incentivos de precios a los grandes clientes para que reduzcan la demanda en esos momentos. Estos picos de demanda suelen coincidir con las horas de las comidas o, como es bien sabido, con los anuncios que interrumpen programas de televisión populares .
Un medio potencialmente poderoso para reducir el consumo de energía en los hogares es proporcionar a los usuarios una retroalimentación conveniente en tiempo real para que puedan cambiar su comportamiento de consumo de energía. Recientemente, han aparecido pantallas de retroalimentación de energía de bajo costo que pueden medir la energía (vatios-hora), la potencia momentánea (vatios) y, además, pueden medir el voltaje de la RED, la corriente, el tiempo de funcionamiento, la potencia aparente , capturando el vatio pico y la corriente pico, y tienen un reloj configurado manualmente. La pantalla puede indicar el consumo de energía a lo largo de la semana de forma gráfica. [19] [20]
Un estudio realizado por Hydro One en 500 hogares de Ontario en el que se utilizó un medidor legible por el consumidor mostró una reducción promedio del 6,5 % en el consumo total de electricidad en comparación con un grupo de control de tamaño similar. Posteriormente, Hydro One ofreció monitores de energía gratuitos a 30 000 clientes en función del éxito del proyecto piloto. [21] Proyectos como Google PowerMeter toman información de un medidor inteligente y la ponen a disposición de los usuarios para ayudar a fomentar la conservación. [22]
Los medidores de electricidad enchufables (o medidores de carga enchufables) miden la energía que consumen los electrodomésticos individuales. Actualmente, hay una variedad de modelos disponibles en el mercado, pero todos funcionan según el mismo principio básico. El medidor se enchufa a una toma de corriente y el aparato que se va a medir se enchufa al medidor. Estos medidores pueden ayudar a ahorrar energía al identificar los principales consumidores de energía o los dispositivos que consumen energía en exceso en modo de espera . También se pueden utilizar recursos web, si una estimación del consumo de energía es suficiente para los fines de la investigación. A menudo, se puede pedir prestado un medidor de energía a las autoridades energéticas locales [23] o a una biblioteca pública local. [24] [25]
Los minoristas de electricidad pueden desear cobrar a los clientes tarifas diferentes en diferentes momentos del día para reflejar mejor los costos de generación y transmisión. Dado que normalmente no es rentable almacenar cantidades significativas de electricidad durante un período de baja demanda para usarla durante un período de alta demanda, los costos variarán significativamente según la hora del día. La capacidad de generación de bajo costo (carga base), como la nuclear, puede tardar muchas horas en ponerse en marcha, lo que significa un excedente en períodos de baja demanda, mientras que la capacidad de generación de alto costo pero flexible (como las turbinas de gas) debe mantenerse disponible para responder en cualquier momento (reserva giratoria) a la demanda máxima, tal vez utilizándose durante unos pocos minutos al día, lo que es muy costoso.
Algunos medidores de tarifas múltiples utilizan tarifas diferentes para distintas cantidades de demanda. Estos suelen ser medidores industriales.
Los medidores domésticos de tarifa variable generalmente permiten dos o tres tarifas ("pico", "fuera de pico" y "hombro") y en tales instalaciones se puede utilizar un simple interruptor horario electromecánico. Históricamente, estos se han utilizado a menudo junto con calentadores de almacenamiento eléctricos o sistemas de almacenamiento de agua caliente .
La tarificación múltiple se hace más sencilla gracias a los medidores de tiempo de uso (TOU) que incorporan o están conectados a un interruptor horario y que tienen múltiples registros.
El cambio de tarifa puede realizarse mediante un control remoto o mediante un interruptor activado por radio. En principio, también se puede utilizar un interruptor horario sellado, pero se considera más vulnerable a la manipulación para obtener electricidad más barata. [ cita requerida ]
En el Reino Unido, la conmutación activada por radio es común, con una señal de datos nocturna enviada dentro de la portadora de onda larga de BBC Radio 4 , 198 kHz. El tiempo de carga fuera de horas punta suele ser de siete horas entre la medianoche y las 7:00 a. m. GMT/BST, y está diseñado para alimentar calentadores de almacenamiento y calentadores de inmersión . En el Reino Unido, estas tarifas suelen tener la marca Economy 7 , White Meter o Dual-Rate . La popularidad de estas tarifas ha disminuido en los últimos años, al menos en el mercado interno, debido a las deficiencias (percibidas o reales) de los calentadores de almacenamiento y al costo comparativamente mucho más bajo del gas natural por kWh (generalmente un factor de 3 a 5 veces menor). Sin embargo, una cantidad considerable de propiedades no tienen la opción de gas, y muchas en áreas rurales están fuera de la red de suministro de gas, y en otras es costoso actualizar a un sistema de radiadores.
También está disponible un medidor Economy 10 , que proporciona 10 horas de electricidad barata fuera de horas punta, distribuidas en tres franjas horarias a lo largo de un período de 24 horas. Esto permite múltiples recargas de energía para los calentadores de almacenamiento, o una buena distribución de horarios para hacer funcionar un sistema de calefacción eléctrica húmeda a una tarifa eléctrica más barata. [26]
La mayoría de los medidores que utilizan Economy 7 cambian todo el suministro eléctrico a la tarifa más barata durante el período nocturno de 7 horas, no solo el circuito de calentadores de almacenamiento. La desventaja de esto es que la tarifa diurna por kWh es significativamente más alta y que los cargos fijos a veces son más altos. Por ejemplo, a partir de julio de 2017, la electricidad normal ("tarifa única") cuesta 17,14 peniques por kWh en la región de Londres en la tarifa predeterminada estándar para EDF Energy (el proveedor de electricidad titular posterior a la privatización en Londres), con un cargo fijo de 18,90 peniques por día. [27] Los costos equivalentes de Economy 7 son 21,34 peniques por kWh durante el período de uso pico con 7,83 peniques por kWh durante el período de uso fuera de horas punta y un cargo fijo de 18,90 peniques por día. [28] Los interruptores temporizadores instalados en lavadoras , secadoras de ropa , lavavajillas y calentadores de inmersión pueden configurarse para que solo se enciendan durante el período de uso fuera de horas punta.
Los medidores inteligentes van un paso más allá de la simple lectura automática de medidores (AMR ). Ofrecen funciones adicionales, como lecturas en tiempo real o casi en tiempo real, notificaciones de cortes de energía y monitoreo de la calidad de la energía. Permiten que las agencias de fijación de precios introduzcan diferentes precios para el consumo según la hora del día y la temporada.
Otro tipo de medidor inteligente utiliza un control de carga no intrusivo para determinar automáticamente la cantidad y el tipo de electrodomésticos de una vivienda, cuánta energía consume cada uno y cuándo. Este medidor lo utilizan las empresas de servicios eléctricos para realizar estudios sobre el uso de energía. Elimina la necesidad de poner temporizadores en todos los electrodomésticos de una casa para determinar cuánta energía consume cada uno.
El modelo comercial estándar de venta minorista de electricidad implica que la compañía eléctrica facture al cliente la cantidad de energía utilizada en el mes o trimestre anterior. En algunos países, si el minorista cree que el cliente no puede pagar la factura, puede instalar un medidor de prepago. Esto requiere que el cliente realice un pago por adelantado antes de poder utilizar la electricidad. [ cita requerida ] Si se agota el crédito disponible, se corta el suministro de electricidad mediante un relé .
En el Reino Unido, los contadores mecánicos de prepago con monedas solían ser comunes, tanto en viviendas de alquiler privadas como para clientes residenciales de las compañías eléctricas, el sector eléctrico nacionalizado. Entre las desventajas de estos contadores se encontraban la necesidad de visitas periódicas para retirar el dinero en efectivo y el riesgo de robo del dinero en efectivo en los contadores por parte de los clientes y los ladrones. [ cita requerida ]
Los primeros contadores automáticos de prepago fueron introducidos por London Electricity, en colaboración con Schlumberger Metering, con sede en Felixstowe (Reino Unido). Inicialmente se denominaron Key Meters y más tarde se los rebautizó como Budget Meters. Evitaban las 60.000 desconexiones por falta de pago al año y las numerosas desventajas del prepago en efectivo. También eran populares entre los clientes que querían un método de pago cómodo, especialmente en alquileres a corto plazo. En los primeros años tras su introducción, se instalaron más de un millón de contadores de este tipo en todo el Reino Unido. Los contadores de electricidad de estado sólido modernos, junto con las tarjetas inteligentes , han eliminado estas desventajas y estos contadores se utilizan habitualmente para clientes considerados de bajo riesgo crediticio . En el Reino Unido, los clientes pueden utilizar organizaciones como Post Office Limited o la red PayPoint , donde se pueden cargar fichas recargables (tarjetas Quantum para el gas natural o "llaves" de plástico para la electricidad) con el dinero que el cliente tenga disponible.
En Sudáfrica , Sudán e Irlanda del Norte, los medidores prepago se recargan ingresando un número único codificado de veinte dígitos mediante un teclado. Esto hace que las fichas, que pueden entregarse electrónicamente o imprimirse en un papel en el punto de venta, sean muy económicas de producir.
En todo el mundo se están realizando experimentos, especialmente en países en desarrollo, para probar los sistemas de prepago. En algunos casos, los medidores de prepago no han sido aceptados por los clientes. Existen varios grupos, como la asociación Standard Transfer Specification (STS), que promueven estándares comunes para los sistemas de medición de prepago entre los fabricantes. En muchos países se utilizan medidores de prepago que utilizan el estándar STS. [29] [30] [31]
La medición horaria (TOD), también conocida como medición horaria de uso (TOU) o horaria estacional (SToD), implica dividir el día, el mes y el año en franjas tarifarias, con tarifas más altas en los períodos de carga máxima y tarifas más bajas en los períodos de carga mínima. Si bien esto se puede utilizar para controlar automáticamente el uso por parte del cliente (lo que da como resultado un control automático de la carga), a menudo es simplemente responsabilidad del cliente controlar su propio uso o pagar en consecuencia (control voluntario de la carga). Esto también permite a las empresas de servicios públicos planificar su infraestructura de transmisión de manera adecuada. Consulte también Gestión de la demanda (DSM).
La medición TOD normalmente divide las tarifas en una disposición de múltiples segmentos que incluyen horas punta, horas valle, horas punta medias o de media altura y horas punta críticas. Una disposición típica es una hora punta que ocurre durante el día (solo días no festivos), como de 13:00 a 21:00 horas de lunes a viernes durante el verano y de 6:30 a 12:00 horas y de 17:00 a 21:00 horas durante el invierno. Las disposiciones más complejas incluyen el uso de horas punta críticas que ocurren durante períodos de alta demanda. Los momentos de demanda pico/costo variarán en diferentes mercados alrededor del mundo.
Los grandes usuarios comerciales pueden comprar energía por hora utilizando precios previstos o precios en tiempo real. Algunas empresas de servicios públicos permiten a los clientes residenciales pagar tarifas por hora, como en Illinois, que utiliza precios con un día de anticipación. [32] [33]
Muchos clientes de electricidad instalan sus propios equipos de generación de electricidad, ya sea por razones económicas, de redundancia o medioambientales . Cuando un cliente genera más electricidad de la que necesita para su propio consumo, el excedente puede ser exportado de vuelta a la red eléctrica . Los clientes que generan de vuelta a la "red" normalmente deben tener equipos especiales y dispositivos de seguridad para proteger los componentes de la red (así como los del propio cliente) en caso de fallos (cortocircuitos eléctricos) o mantenimiento de la red (por ejemplo, tensión en una línea caída procedente de una instalación de un cliente exportador).
Esta energía exportada puede contabilizarse, en el caso más simple, haciendo que el medidor funcione en sentido inverso durante los períodos de exportación neta , reduciendo así el consumo de energía registrado del cliente por la cantidad exportada. Esto, en efecto, da como resultado que el cliente reciba el pago por sus exportaciones al precio minorista completo de la electricidad. A menos que esté equipado con un trinquete o equivalente, un medidor estándar registrará con precisión el flujo de energía en cada dirección simplemente funcionando en sentido inverso cuando se exporta energía. Cuando lo permite la ley, las empresas de servicios públicos mantienen un margen rentable entre el precio de la energía entregada al consumidor y la tarifa acreditada por la energía generada por el consumidor que fluye de regreso a la red.
Últimamente, las fuentes de carga suelen proceder de fuentes renovables (por ejemplo, turbinas eólicas , células fotovoltaicas ) o turbinas de gas o vapor , que suelen encontrarse en sistemas de cogeneración . Otra fuente de carga potencial que se ha propuesto son las baterías de automóviles híbridos enchufables ( sistemas de energía de vehículo a red ). Esto requiere una " red inteligente ", que incluye medidores que miden la electricidad a través de redes de comunicación que requieren control remoto y ofrecen a los clientes opciones de tiempo y precio. Los sistemas de vehículo a red podrían instalarse en los estacionamientos y garajes de los lugares de trabajo y en los estacionamientos disuasorios y podrían ayudar a los conductores a cargar sus baterías en casa por la noche cuando los precios de la energía fuera de horas punta son más baratos, y recibir créditos en la factura por vender el exceso de electricidad a la red durante las horas de alta demanda.
La ubicación de un medidor de electricidad varía según cada instalación. Las posibles ubicaciones incluyen un poste de servicio público que atienda a la propiedad, en un gabinete del lado de la calle (caja de medidor) o dentro de las instalaciones adyacentes a la unidad de consumo / cuadro de distribución . Las compañías eléctricas pueden preferir ubicaciones externas ya que el medidor se puede leer sin tener que acceder a las instalaciones, pero los medidores externos pueden ser más propensos al vandalismo .
Los transformadores de corriente permiten ubicar el medidor lejos de los conductores que transportan corriente. Esto es común en instalaciones grandes. Por ejemplo, una subestación que atiende a un solo cliente grande puede tener equipos de medición instalados en un gabinete, sin tener que introducir cables pesados en el gabinete.
Dado que las normas eléctricas varían en las distintas regiones, las "tomas de corriente" de la red al cliente también varían en función de las normas y del tipo de instalación. Existen varios tipos comunes de conexiones entre una red y un cliente. Cada tipo tiene una ecuación de medición diferente. El teorema de Blondel establece que para cualquier sistema con N conductores que transportan corriente, son suficientes N-1 elementos de medición para medir la energía eléctrica. Esto indica que se necesita una medición diferente, por ejemplo, para un sistema trifásico de tres cables que para un sistema trifásico de cuatro cables (con neutro).
En Europa, Asia, África y la mayoría de los demás lugares, la distribución monofásica es común para los clientes residenciales y comerciales pequeños. La distribución monofásica es menos costosa, porque un conjunto de transformadores en una subestación normalmente sirve a un área grande con voltajes relativamente altos (generalmente 230 V) y sin transformadores locales. Estos tienen una ecuación de medición simple: vatios = voltios x amperios , con voltios medidos desde el neutro hasta el cable de fase. En los Estados Unidos, Canadá y partes de América Central y del Sur, los clientes similares normalmente son atendidos por monofásico de tres cables . La monofásica de tres cables requiere transformadores locales, tan solo uno por cada diez residencias, pero proporciona voltajes más bajos y seguros en el enchufe (generalmente 120 V), y proporciona dos voltajes a los clientes: neutro a fase (generalmente 120 V) y fase a fase (generalmente 240 V). Además, los clientes de tres cables normalmente tienen neutro cableado al lado cero de los devanados del generador, lo que proporciona una conexión a tierra que se puede medir fácilmente para que sea segura. Estos medidores tienen una ecuación de medición de vatios = 0,5 x voltios x (amperios de la fase A − amperios de la fase B), con voltios medidos entre los cables de fase.
La energía industrial normalmente se suministra como energía trifásica. Hay dos formas: tres cables o cuatro cables con un sistema neutro. En "tres cables" o "triángulo de tres cables", no hay neutro, pero una toma de tierra es la tierra de seguridad. Las tres fases tienen voltaje solo en relación entre sí. Este método de distribución tiene un cable menos, es menos costoso y es común en Asia, África y muchas partes de Europa. En regiones que mezclan residencias e industria ligera, es común que este sea el único método de distribución. Un medidor para este tipo normalmente mide dos de los devanados en relación con el tercer devanado y suma los vatios. Una desventaja de este sistema es que si la tierra de seguridad falla, es difícil descubrirlo mediante una medición directa, porque ninguna fase tiene un voltaje en relación con la tierra.
En el sistema trifásico de cuatro cables, a veces llamado "en estrella de cuatro cables", la conexión a tierra de seguridad está conectada a un cable neutro que está conectado físicamente al lado de voltaje cero de los tres devanados del generador o transformador. Dado que todas las fases de energía son relativas al neutro en este sistema, si el neutro está desconectado, se puede medir directamente. En los Estados Unidos, el Código Eléctrico Nacional requiere que los neutros sean de este tipo. [34] En este sistema, los medidores de energía miden y suman las tres fases relativas al neutro.
En América del Norte, es habitual que los medidores de electricidad se conecten a un enchufe estandarizado en el exterior, en el lateral de un edificio. Esto permite reemplazar el medidor sin alterar los cables que van al enchufe ni al ocupante del edificio. Algunos enchufes pueden tener una derivación mientras se retira el medidor para realizar tareas de mantenimiento. La cantidad de electricidad utilizada sin registrarse durante este breve período se considera insignificante en comparación con las molestias que podría ocasionarle al cliente cortar el suministro eléctrico. La mayoría de los medidores electrónicos en América del Norte utilizan un protocolo en serie, ANSI C12.18 .
En muchos otros países, los terminales de suministro y carga se encuentran en la propia carcasa del medidor. Los cables se conectan directamente al medidor. En algunas áreas, el medidor está en el exterior, a menudo en un poste de servicios públicos. En otras, está dentro del edificio en un nicho. Si está en el interior, puede compartir una conexión de datos con otros medidores. Si existe, la conexión compartida suele ser un pequeño enchufe cerca del buzón. La conexión suele ser EIA-485 o infrarroja con un protocolo en serie como IEC 62056 .
En 2014, la conexión en red de los medidores está cambiando rápidamente. Los esquemas más comunes parecen combinar un estándar nacional existente para datos (por ejemplo, ANSI C12.19 o IEC 62056 ) que funciona a través del Protocolo de Internet con una pequeña placa de circuito para la comunicación por línea eléctrica , o una radio digital para una red de telefonía móvil , o una banda ISM .
Los contadores de electricidad deben registrar la energía consumida con un grado de precisión aceptable. Cualquier error significativo en la energía registrada puede representar una pérdida para el proveedor de electricidad o una factura excesiva para el consumidor. La precisión suele estar establecida por la ley del lugar en el que se instala el contador. Las disposiciones legales también pueden especificar un procedimiento a seguir en caso de que se cuestione la precisión.
En el Reino Unido, se exige que cualquier medidor de electricidad instalado registre con precisión la energía consumida, pero se permite que la lectura sea inferior en un 3,5 % o superior en un 2,5 %. [35] Los medidores en disputa se verifican inicialmente con un medidor de verificación que funciona junto con el medidor en disputa. El último recurso es que el medidor en disputa se pruebe por completo tanto en el lugar de instalación como en un laboratorio de calibración especializado. [36] Aproximadamente el 93 % de los medidores en disputa funcionan satisfactoriamente. Solo se realizará un reembolso de la electricidad pagada, pero no consumida (pero no al revés) si el laboratorio puede estimar cuánto tiempo ha estado registrando incorrectamente el medidor. Esto contrasta con los medidores de gas, donde si se descubre que un medidor tiene una lectura inferior, se asume que ha tenido una lectura inferior durante todo el tiempo que el consumidor ha tenido suministro de gas a través de él. [37] Cualquier reembolso adeudado se limita a los seis años anteriores. [38]
Los medidores pueden manipularse para que registren menos de lo que realmente se necesita, lo que permite el uso de energía sin pagar por ella. Este robo o fraude puede ser peligroso y deshonesto.
Las compañías eléctricas suelen instalar medidores con notificación remota específicamente para permitir la detección remota de manipulaciones y, en particular, para descubrir el robo de energía. El cambio a medidores de energía inteligentes es útil para detener el robo de energía.
Cuando se detecta una manipulación, la táctica normal, legal en la mayoría de las áreas de los Estados Unidos, es cambiar al suscriptor a una tarifa de " manipulación " cobrada según la corriente máxima diseñada del medidor [ cita requerida ] . A US $ 0,095/kWh, un medidor residencial estándar de 50 A causa un cargo legalmente cobrable de aproximadamente US$ 5.000,00 por mes. Los lectores de medidores están capacitados para detectar señales de manipulación y, con medidores mecánicos rudimentarios, se puede cobrar la tarifa máxima cada período de facturación hasta que se elimine la manipulación o se desconecte el servicio.
Un método común para manipular los medidores de disco mecánicos es colocar imanes en el exterior del medidor. Los imanes potentes saturan los campos magnéticos del medidor, de modo que la parte del motor de un medidor mecánico no funciona. Los imanes de menor potencia pueden aumentar la resistencia de arrastre de los imanes de resistencia del disco interno. Los imanes también pueden saturar los transformadores de corriente o los transformadores de alimentación de los medidores electrónicos, aunque es común recurrir a contramedidas.
Algunas combinaciones de carga capacitiva e inductiva pueden interactuar con las bobinas y la masa de un rotor y provocar un movimiento reducido o inverso.
Todos estos efectos pueden ser detectados por la compañía eléctrica, y muchos medidores modernos pueden detectarlos o compensarlos.
El propietario del medidor normalmente lo protege contra manipulaciones. Los mecanismos y conexiones de los medidores de ingresos están sellados. Los medidores también pueden medir VAR-hora (la carga reflejada), corrientes neutras y continuas (que aumentan con la mayoría de las manipulaciones eléctricas), campos magnéticos ambientales, etc. Incluso los medidores mecánicos simples pueden tener indicadores mecánicos que se desactivan con la manipulación magnética o con grandes corrientes continuas.
Los medidores computarizados más nuevos suelen tener contramedidas contra la manipulación. Los medidores AMR (lectura automática de medidores) a menudo tienen sensores que pueden informar la apertura de la tapa del medidor, anomalías magnéticas, ajustes adicionales del reloj, botones pegados, instalación invertida, fases invertidas o conmutadas, etc.
Algunos dispositivos antimanipulación pasan por alto el medidor, total o parcialmente. Los dispositivos antimanipulación seguros de este tipo normalmente aumentan la corriente neutra en el medidor. La mayoría de los medidores residenciales de fase dividida en los Estados Unidos no pueden detectar corrientes neutras. Sin embargo, los medidores modernos a prueba de manipulaciones pueden detectarlas y facturarlas a tarifas estándar. [39]
Desconectar el conector neutro de un medidor no es seguro porque los cortocircuitos pueden pasar a través de personas o equipos en lugar de una conexión a tierra metálica hacia el generador o tierra.
Una conexión de bucle fantasma a través de una toma de tierra suele tener una resistencia mucho mayor que el conector neutro metálico. Incluso si una toma de tierra es segura, la medición en la subestación puede alertar al operador de una manipulación. Las subestaciones, interconexiones y transformadores normalmente tienen un medidor de alta precisión para el área servida. Las compañías eléctricas normalmente investigan las discrepancias entre el total facturado y el total generado, con el fin de encontrar y solucionar problemas de distribución de energía. Estas investigaciones son un método eficaz para descubrir la manipulación.
Los robos de electricidad en Estados Unidos suelen estar relacionados con las operaciones de cultivo de marihuana en interiores . Los detectives antinarcóticos asocian un consumo de energía anormalmente alto con la iluminación que requieren dichas operaciones. [40] Los cultivadores de marihuana en interiores conscientes de esto están particularmente motivados a robar electricidad simplemente para ocultar su uso de ella.
Tras la desregulación de los mercados de suministro eléctrico en muchos países, la empresa responsable de un contador eléctrico puede no ser tan evidente. Según las disposiciones vigentes, el contador puede ser propiedad del operador del contador , del distribuidor de electricidad , del minorista o, en el caso de algunos grandes usuarios de electricidad, puede pertenecer al cliente.
La empresa encargada de leer el contador no siempre es la propietaria del mismo. En la actualidad, la lectura de los contadores se realiza en ocasiones mediante subcontrataciones y, en algunas zonas, la misma persona puede leer los contadores de gas , agua y electricidad al mismo tiempo.
La introducción de medidores avanzados en áreas residenciales ha generado problemas de privacidad adicionales que pueden afectar a los clientes comunes. Estos medidores suelen ser capaces de registrar el uso de energía cada 15, 30 o 60 minutos. Algunos medidores tienen uno o dos LED IR en el frente: uno se usa para realizar pruebas y que actúa como el equivalente de la marca de tiempo en los medidores mecánicos más antiguos y el otro como parte de un puerto de comunicaciones IR bidireccional para leer / programar el medidor. Estos LED IR son visibles con algunos visores de visión nocturna y ciertas cámaras de video que son capaces de detectar transmisiones IR. Estos se pueden usar para vigilancia, revelando información sobre las posesiones y el comportamiento de las personas. [41] Por ejemplo, puede mostrar cuando el cliente está fuera por períodos prolongados. El monitoreo de carga no intrusivo brinda aún más detalles sobre los electrodomésticos que tienen las personas y sus patrones de vida y uso.
El Laboratorio de Seguridad de Illinois realizó un análisis más detallado y reciente de este problema . [42] [ Se necesita más explicación ]
Medios relacionados con Contadores de electricidad (kWh) en Wikimedia Commons
