Los desafíos más comunes en el diseño eléctrico de una planta de energía

La casa de energía, la central eléctrica y la planta de generación eléctrica son comunes nombres utilizados por las plantas de energía. Las centrales eléctricas son esenciales para la vida cotidiana de la vida moderna. No habría televisión, ni internet, ni electricidad, ni luces. La generación de energía ha existido desde finales del siglo XIX, cuando el agua de un lago se utilizaba para alimentar dínamos Siemens. La electricidad suministró energía a las luces, la calefacción, produjo agua caliente, hizo funcionar un ascensor, así como dispositivos que ahorran mano de obra y edificios agrícolas.

Una planta de energía es una instalación industrial para la generación de energía eléctrica. Cada planta de energía puede contener numerosos generadores para convertir la energía mecánica en energía eléctrica. El nivel de ingeniería requiere múltiples consideraciones antes incluso de comprender la implementación. ¿Cuáles son algunos de los problemas de diseño eléctrico de las centrales eléctricas que enfrentan las instalaciones en la actualidad? ¿Y cuáles son algunas de las soluciones habituales que han ayudado a solucionar estos problemas?

Planta de generación de energía

Hasta hace poco, el principal objetivo de los sistemas eléctricos era garantizar el funcionamiento ininterrumpido de los sistemas de iluminación, procesos y ambientales de una instalación. Este modelo muy simple se derivó a principios del siglo XX, cuando el consumo de energía provenía principalmente de cargas lineales. En los últimos años, las cargas no lineales como los motores de velocidad variable, los controladores lógicos programables y otros equipos eléctricos se han convertido en la norma.
En comparación con las cargas lineales, estas cargas no lineales son mucho más sensibles a la sobretensión, la subtensión y otras perturbaciones que siempre han existido en la línea eléctrica de la red pública. Tales alteraciones de rutina pueden causar problemas que van desde fallas menores en el equipo hasta costosas paradas del sistema y daños al equipo. Además, los dispositivos no lineales pueden crear sus propias perturbaciones de energía, que pueden causar problemas en otras partes de la instalación de la planta y pueden retroalimentar el sistema de distribución de servicios públicos.
La mayor dependencia de cargas no lineales ha agregado nuevos objetivos al diseño de sistemas eléctricos. Si bien el suministro de energía garantizado sigue siendo crucial, los problemas de confiabilidad y calidad de la energía se están volviendo primordiales, y los requisitos de capacidad han aumentado. Además, sigue existiendo la necesidad de controlar el uso y el costo de la energía para seguir siendo competitivos. Frente a estos desafíos, los ingenieros eléctricos deben aprovechar el riesgo de experimentar problemas de confiabilidad y calidad de la energía y evaluar el impacto económico de los problemas e implementar un programa de administración de riesgos de costo-efecto.

Fuente de alimentación confiable

Una fuente de alimentación confiable es aquella que entrega suficiente electricidad para servir la carga de una instalación en el grado de calidad de energía deseada, y una que proporciona suficiente energía durante la reducción u otras condiciones de emergencia para garantizar la seguridad del personal y la protección de procesos cruciales y equipos de proceso.
El diseño eléctrico de la planta de energía que puede anticipar los requisitos de carga exigidos por la instalación rara vez se acerca al ideal. Es necesario que los ingenieros de la planta realicen un perfil de carga de la instalación. El perfil proporcionará al equipo de gestión un conocimiento profundo de cómo varía el consumo eléctrico de la instalación según el intervalo de tiempo deseado. Un método para identificar el patrón de carga del servicio eléctrico es realizar un análisis a través de gráficos de demanda. O, alternativamente, utilice sistemas de medición para transmitir datos con información durante las horas pico de uso. La instrumentación es esencial para monitorear continuamente los sistemas eléctricos e informar a los operadores sobre su desempeño y eficiencia.

Fuente de alimentación poco confiable

Calidad de energía

En términos de calidad de la energía, el servicio público convencional no es 100% confiable. Para algunos clientes de servicios públicos dispuestos a pagar una prima, la fuente de alimentación puede estar más cerca del 100% de confiabilidad. Incluso con este mayor nivel de confianza, puede ser necesario que algunos usuarios proporcionen un sistema de acondicionamiento de energía interno.
A pesar del uso de diagnósticos y medidas preventivas por parte de los ingenieros de la planta, ocurren interrupciones inesperadas y otras fallas. En tales situaciones, un sistema eléctrico de planta bien administrado proporciona energía de emergencia, al menos lo suficiente para permitir el apagado del equipo.
La energía de respaldo puede ser suministrada por generadores auxiliares o un dispositivo conocido como fuente de alimentación ininterrumpida (UPS). En un número creciente de plantas, puede ser económicamente viable proporcionar generación de energía in situ a través de un sistema de cogeneración. Los sistemas de cogeneración utilizan residuos o compran combustibles para generar energía y recuperar el calor desperdiciado.

Fuente de alimentación ininterrumpida

Fuentes de problemas de calidad de la energía

Aunque hoy en día las empresas de servicios públicos utilizan hardware y software avanzados en sus subestaciones y en sus sistemas de distribución, se producen perturbaciones en el suministro eléctrico. Estos pueden resultar de:

• Fallos de transmisión
• Fallos de conmutación del sistema de distribución
• Cae un rayo
• Operación simultánea de equipos

En muchos casos, las perturbaciones pueden atribuirse a problemas de cableado y conexión a tierra dentro de la propia planta. Las perturbaciones comunes son cortes, subtensión, sobretensión, picos, sobretensiones, sobretensiones o ruido. Estas perturbaciones pueden variar en duración, desde interrupciones sostenidas que duran varias horas hasta sobretensiones que duran solo unos pocos microsegundos, y que son imperceptibles para los ingenieros de la planta.

Rayos que causan problemas de calidad de energía

Los equipos eléctricos más antiguos, como motores, solenoides y controles electromecánicos, no se ven afectados en gran medida por perturbaciones de corta duración. Sin embargo, los equipos electrónicos de estado sólido son mucho más susceptibles a una amplia gama de perturbaciones. Esta vulnerabilidad se debe a la forma en que los dispositivos electrónicos consumen la energía de corriente alterna (CA) que se les suministra. Los dispositivos electrónicos que no pueden convertir la alimentación de CA en corriente continua (CC) pueden tener problemas que incluyen:

• Interrupción del dispositivo
• Errores de datos
• Pérdida de memoria
• E incluso cierres

En el peor de los casos, algunos dispositivos pueden sufrir daños.

Consideraciones para corregir problemas de calidad de la energía

Hay varios tipos de soluciones disponibles para proteger los equipos sensibles a la energía de estado sólido de las perturbaciones eléctricas; la mayoría son sencillas y económicas. Además, las perturbaciones se pueden prevenir por completo acondicionando la fuente de alimentación para suavizar la forma de onda sinusoidal (detalles aquí). Debido a que el equipo de acondicionamiento de energía es costoso, es más adecuado solo para aquellas aplicaciones que requieren el grado más alto de energía.

• Cableado y puesta a tierra
  Aproximadamente el 80% de los problemas de calidad de la energía en las instalaciones comerciales e industriales se pueden atribuir a problemas con una conexión a tierra inadecuada, cableado inadecuado, conexiones sueltas y la acumulación de polvo y suciedad debido a prácticas de mantenimiento deficientes. No se puede exagerar la importancia de una buena conexión a tierra de baja resistencia, especialmente porque los sistemas de estado sólido dependen de la conexión a tierra como referencia para operar y para disipar la energía perdida que podría causar daños si se deja en el circuito. Esta es una medida de prevención de bajo costo para problemas de calidad de energía.
  
• Circuitos dedicados
  La mayoría de las perturbaciones eléctricas en forma de ruido se generan dentro de la propia planta. Como resultado, un método eficaz para proteger equipos cruciales o altamente sensibles es ubicar el equipo en su propio circuito aislado para protegerlo de las perturbaciones de energía causadas por otros equipos cercanos.
  
• Supresor de picos
  Los supresores de picos reducen la amplitud de los picos de voltaje a niveles seguros y pueden eliminar muchos cambios repentinos de voltaje. Son los dispositivos de protección más simples y económicos; sin embargo, su capacidad depende de la calidad del supresor comprado.
• Transformadores de aislamiento
  Los transformadores de aislamiento filtran el ruido eléctrico y la distorsión de otros equipos en el sitio o energía entrante. Sin embargo, no pueden proteger contra otros tipos de perturbaciones, como picos y sobretensiones.
  
  
• Reguladores de voltaje
  Los reguladores de voltaje mantienen un voltaje relativamente constante al proteger contra sobretensiones y caídas a través de medios mecánicos o eléctricos. Esta opción es más costosa que las enumeradas anteriormente, pero se encuentra en el punto medio del espectro de costos de los dispositivos de mejora de energía.
• Sistema de alimentación ininterrumpida
  Un UPS protege contra interrupciones de energía a corto plazo y perturbaciones de energía externas. Los sistemas UPS generalmente constan de un rectificador / cargador, un banco de baterías, un inversor estático y un interruptor de bypass automático o manual. Ofrece protección contra todos los problemas de calidad de la energía, incluidas las interrupciones momentáneas. La protección contra cortes sostenidos se limita al tamaño del banco de baterías. UPS no protege contra transitorios, caídas, hinchazones u otras anomalías.