En ingeniería eléctrica , en particular en ingeniería energética , la regulación de voltaje es una medida del cambio en la magnitud del voltaje entre el extremo emisor y el receptor de un componente, como una línea de transmisión o distribución. La regulación de voltaje describe la capacidad de un sistema de proporcionar un voltaje casi constante en un amplio rango 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 ser ideal.
La fórmula de regulación de voltaje se puede visualizar de la siguiente manera: "Considere que se entrega potencia a una carga tal que el voltaje en la carga es el voltaje nominal de la carga V Nominal , si luego la carga desaparece, el voltaje en el punto de la carga aumentará a V nl ."
La regulación de voltaje en las líneas de transmisión se produce debido a la impedancia de la línea entre sus extremos de envío y recepción. 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 la 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 reactancia de la línea de transmisión como una simple resistencia en serie y un inductor. Esta combinación tiene impedancia R + jωL o R + jX. Hay una sola corriente de línea 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, al distribuir la mitad de la admitancia en el extremo de envío y recepción de la línea. Esta configuración a menudo se conoce como nominal - π. La aproximación de línea larga toma estos valores de impedancia y admitancia agrupados y los distribuye uniformemente a lo largo de la longitud 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 = IZ línea es 0 V. Los voltajes de los extremos de envío y recepción 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. El voltaje no se modificaría en absoluto por la línea, lo que es un escenario ideal en la transmisión de energía.
V a plena carga 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, V caída de línea = IZ línea 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 utilizando una impedancia de línea y carga combinadas: . Entonces , VR a plena carga viene dada por .
Los efectos de esta modulación sobre la magnitud del voltaje y el ángulo de fase se ilustran utilizando diagramas fasoriales que representan 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 va retrasada respecto del voltaje del extremo receptor, (b) la línea sirve a una carga completamente real, por lo que la corriente y el voltaje del extremo receptor están en fase, y (c) la línea sirve a una carga capacitiva, por lo que la corriente va adelantada respecto del voltaje del extremo receptor. En todos los casos, la resistencia de 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 va adelantada respecto de la corriente en 90 grados. Estas caídas de voltaje sucesivas se suman al voltaje del extremo receptor, trazando hacia atrás desde V R hasta V S en el circuito de aproximación de línea corta. La suma vectorial de V R y las caídas de voltaje es igual a V S , y es evidente en los diagramas que V S no es igual a V R 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 de voltaje en el extremo de envío sea bastante grande en relación con el extremo de recepción. Sin embargo, la diferencia de ángulo de fase entre el extremo de envío y el de recepción se minimiza. La corriente adelantada en (c) en realidad permite que la magnitud de voltaje en el extremo de envío sea menor que la magnitud en el extremo de recepción, por lo que el voltaje aumenta contrariamente a la intuición a lo largo de la línea. La corriente en fase en (b) hace poco para afectar la magnitud de voltaje entre los extremos de envío y recepción, pero el ángulo de fase cambia considerablemente.
Las líneas de transmisión reales suelen servir para 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 la línea se retrase con respecto a la tensión, y la regulación de la tensión se caracteriza por una disminución de la magnitud de la tensión. Al transferir una gran cantidad de potencia real P a cargas reales, la corriente está en su mayoría en fase con la tensión. La regulación de la tensión en este escenario se caracteriza por una disminución del ángulo de fase en lugar de la magnitud.
A veces se utiliza el término regulación de tensión para describir procesos mediante los cuales se reduce la cantidad VR , especialmente en lo que respecta a circuitos y dispositivos especiales para este fin (véase más abajo).
La calidad de la regulación de voltaje de un sistema se describe mediante tres parámetros principales:
Las empresas eléctricas tienen como objetivo proporcionar 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 del servicio a los clientes, de hecho, variarán a lo largo de la longitud de un conductor, como un alimentador de distribución (consulte 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 en 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 encuentran 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 encuentren más allá de este punto observarán un efecto esperado: una tensión más alta con una carga ligera y una tensión más baja con una carga elevada. Los clientes que se encuentren más cerca de este punto experimentarán el efecto opuesto: una tensión más alta con una carga elevada y una tensión más baja con una carga ligera.
La generación distribuida , en particular la energía fotovoltaica conectada a nivel de distribución, presenta una serie de desafíos importantes para la regulación del voltaje.
Los equipos de regulación de voltaje convencionales funcionan bajo el supuesto de que el voltaje de 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 hay DG. Por ejemplo, un alimentador largo con una alta concentración de DG en el extremo experimentará una inyección de corriente significativa en puntos donde el voltaje normalmente es más bajo. Si la carga es suficientemente baja, la corriente fluirá en la 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 estos 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, hace que el voltaje a lo largo de la línea exceda los límites operativos. [6]
Los problemas de regulación de voltaje causados por la generación distribuida a nivel de distribución se complican por la falta de equipos de monitoreo de las empresas 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 realmente 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 de voltios-VAR . En un estudio realizado conjuntamente por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) , cuando se agregó el control de voltios-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 causan un cambio en el voltaje cuando fluye corriente. Sin carga, cuando no fluye corriente a través de las bobinas secundarias, V nl está dado por el modelo ideal, donde V S = V P * N S / N P . Mirando el circuito equivalente y descuidando los componentes de derivación, como es una aproximación razonable, uno puede referir toda la resistencia y reactancia al lado secundario y ver claramente que el voltaje secundario sin carga será dado por el modelo ideal. Por el contrario, cuando el transformador entrega carga completa, ocurre una caída de voltaje sobre la resistencia del devanado, causando que el voltaje terminal a través de la carga sea menor de lo previsto. Por la definición anterior, esto conduce a una regulación de voltaje distinta de cero que debe considerarse en el uso del transformador. [2]
{{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )