Como funciona la red eléctrica

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La electricidad es un flujo de energía sumamente versátil que puede llegar casi de manera instantánea a todos los puntos de una red eléctrica nacional. Es una forma simple y eficiente de proveer energía a cualquier equipo que esté conectado a la red eléctrica y lo único que se requiere es que el equipo se adapte a los valores de voltaje que la red eléctrica es capaz de proveer. El único detalle, que es extremadamente importante, es que se debe tener en cuenta que la electricidad como flujo de energía no se puede almacenar, y si no se utiliza justo en el momento en que se está produciendo simplemente desaparece. Por tanto, en una red eléctrica nunca debe haber más energía de la que se está consumiendo justo en ese momento porque sino dicha energía se desperdicia.

Las operadoras de las redes eléctricas deben de manera contínua aumentar o reducir la potencia eléctrica instantánea para proveer exactamente la cantidad de electricidad que requieren los consumidores a lo largo de todo el día, en cada instante de tiempo. La capacidad para aumentar o disminuir la potencia eléctrica intantánea se logra gracias a una mezcla de plantas eléctricas de bajos costos que sirven de base para mantener una producción de potencia constante, y estas se complementan con una serie adicional de plantas de muy alto costo de respuesta muy rápida que sirven para cubrir el exceso de potencia cuando la demanda aumenta demasiado. Las grandes corporaciones eléctricas siempre están haciendo previsiones de demanda eléctrica y modelajes de distribución para asegurarse que la demanda y el suministro se igualen perfectamente en todo momento. Este balanceo de carga es extremadamente delicado y el control preciso es llevado a cabo por una mezcla de sistemas de controles manuales y automáticos.

Líneas de distribución de alta tensión
Líneas de distribución de alta tensión de la red eléctrica nacional

Balanceo de cargas: igualando el suministro a la demanda eléctrica

La potencia en las redes eléctricas siempre está perfectamente balanceada, casi en el orden de los milisegundos; la energía que usan los consumidores es igual a la energía que es suministrada por la red. Para poder hacer este balance casi perfecto entre consumo y demanda las redes eléctricas utilizan varios mecanismos de amortiguamiento de carga que ayudan a que todo permanezca balanceado a diferentes escalas de tiempo.

Si la redes eléctricas no tuvieran ningún tipo de capacidad de amortiguamiento de la carga, lo cual es físicamente imposible, la demanda excesiva de energía por parte de los consumidores resultaría en una caída del voltaje general de la red eléctrica, lo cual redundaría en una limitación de la potencia disponible para ser consumida por todas las cargas conectadas a la red eléctrica en ese momento. En este caso la mayoría de los dispositivos eléctricos en hogares e industrias simplemente dejarían de funcionar. Por otro lado, si se produce un exceso de producción de potencia eléctrica esto generaría un aumento del voltaje o sobrevoltaje en las redes eléctricas, causando un flujo de potencia adicional a través de todos los equipos que están conectados a la red eléctrica en ese momento. En esta situación la mayoría de los equipos conectados a la red eléctrica  sufrirían daños de algún tipo. Ambos escenarios, exceso de consumo o exceso de producción de potencia son indeseados. Los electrodomésticos y equipos de hogares e industrias están diseñados para funcionar con un suministro de voltaje estable dentro de ciertos valores muy específicos, y cualquier variación del voltaje de la red eléctrica perjudica seriamente su funcionamiento.

Los generadores síncronos

Un generador síncrono, que son los más utilizados en las redes eléctricas de muchos paises, es un tipo de generador eléctrico que produce una onda cuyos campos eléctricos y magnéticos siempre están sincronizados a la misma frecuencia con los campos eléctricos y magnéticos que están en las redes eléctricas de distribución. Es decir, en los generadores síncronos las turbinas siempre giran en una proporción (realmente la caja de engranaje) que es un múltiplo de la frecuencia de la red eléctrica. Esto significa que su energía cinética rotacional puede ser utilizada como un amortiguador de cargas eléctricas. Los generadores síncronos siempre giran a la misma frecuencia que la red eléctrica, pero la cantidad de torque que generan se puede controlar con la cantidad de combustible que consumen. Si se aumenta el consumo de combustible aumenta el torque y como resultado las bobinas del generador son forzadas a girar unos pocos grados por delante del campo magnético de la red eléctrica; pero siguen girando a la misma frecuencia sólo que están ligeramente fuera de fase. Entre más se force el generador a girar fuera de fase por delante de la red eléctrica, mayor es la potencia que el generador puede entregar a la red eléctrica. Este es el mecanismo que se utiliza en el momento en que la demanda es excesiva y se logra controlar con el aumento del torque de las turbinas para proveer la energía adicional que se requiere.

Si todos los generadores síncronos están perfectamente balanceados con la demanda de potencia de la red eléctrica, es decir el consumo es igual a la demanda, el torque que se está aplicando en cada una de las turbinas está balanceado de manera precisa por la fuerza electromotriz en cada una de sus bobinas. En estas condiciones los generadores mantienen constantes sus revoluciones por minuto. Pero si en algún momento la demanda de la red eléctrica cae porque hubo una baja abrupta en el consumo, el exceso de energía que se está produciendo debe ser manejado de alguna manera. Lo que suele ocurrir es que las turbinas comienzan a girar mucho más rápido, por lo tanto la frecuencia de la red eléctrica aumenta como consecuencia de una menor demanda. Por otro lado, cuando la demanda es excesiva y la red eléctrica requiere más potencia entonces todos los generadores conectados bajan simultáneamente su rapidez de giro haciendo que la frecuencia de la red eléctrica caiga.

Justamente estos cambios de frecuencia proveen un mecanismo de control para balancear la producción de energía con la demanda. La respuesta inmediata a la variación del consumo viene de los sistemas de control de las turbinas que son muy sensibles a los cambios de frecuencia en la red eléctrica. Si la frecuencia de la red cae esto significa que hay un déficit de producción de energía con respecto a la demanda, entonces los sistemas de control de la turbina incrementarán el consumo de combustible para incrementar el torque, y producir nuevamente un aumento de la frecuencia.

Por otro lado, si se detecta un aumento de la frecuencia en la red eléctrica, esto hace que los sistemas de control en las turbinas disminuyan el consumo de combustible obligando a bajar la frecuencia de la red eléctrica. Este sistema de control o amortiguamiento de cargas se llama reserva de respuesta por frecuencia. Este es el mecanismo principal que actúa cuando la demanda no está balanceada con el suministro. En la mayoría de las regulaciones estatales se establece que esta reserva de potencia por variación de frecuencia debería ser al menos equivalente a la planta eléctrica más grande que esté conectada la red eléctrica, para así disponer de un margen de seguridad en caso de que dicha planta o alguna otra de menor capacidad salga fuera de servicio.

El control por torque es relativamente lento porque puede tomar varios segundos para que el combustible cambie la rapidez de giro de la turbina, en este caso es la inercia rotacional de todas las turbinas que están conectadas a la red las que están asumiendo durante ese tiempo el exceso o deficiencia de potencia eléctrica que se requiere. Igualmente para los grandes picos que suelen ser de algunos milisegundos existe una capacidad de almacenamiento en los capacitores de la líneas de alta potencia y en los campos magnéticos dentro de los transformadores de voltaje que pueden dar cuenta de estos picos.

En las legislaciones de muchos países se toma en cuenta la carga eléctrica de las grandes industrias consumidoras de energía como la industria del aluminio o la del acero como sistemas de reserva de energía. En muchos casos se obliga a que estas industrias se desconecten de las redes eléctricas si llega a ocurrir una caída de producción de potencia eléctrica por la salida de una o varias plantas eléctricas. Esto se hace de manera automática cuando la red eléctrica baja la frecuencia de cierto valor umbral previamente determinado. Esto es un mecanismo muy eficiente porque la misma red eléctrica sirve como un sistema de control automático para las grandes industrias y de esta manera ese consumo de energía pasa a suplir la demanda del resto de la población.

El exceso de energía no suele ser un gran problema porque lo que hay que hacer es simplemente bajar el consumo de combustible en todas las turbinas para balancear el suministro con la demanda de energía. El único problema que se puede presentar es que por alguna razón no funcione el control de frecuencia para bajar el suministro de combustible, en cuyo caso la turbina simplemente aumentará su frecuencia de giro hasta que se produce un corto a tierra de sus bobinas, lo cual termina dañando las turbinas.

Conclusiones

Parece un tanto complicado entender como funcionan las redes eléctricas por la gran cantidad de información técnica que utilice en la explicación; pero en realidad lo que hay que saber es que las redes eléctricas se construyen con generadores de potencia síncronos que giran a una frecuencia fija determinada. Si la carga está balanceada, lo cual significa que la demanda de energía es igual al consumo, entonces las revoluciones por minuto del generador síncrono son constantes y la frecuencia es la fijada, digamos 60 Hz. Si la demanda de energía por parte de los consumidores cae abruptamente en algún momento, entonces el generador síncrono comenzará a acelerar sus revoluciones por minuto, en este caso la frecuencia de la red eléctrica aumenta por encima de los 60 Hz y ya no está balanceada la carga. Se debe corregir la situación lo más pronto posible disminuyendo el torque de las turbinas de generador síncrono, lo cual se logra bajando el consumo de combustible. Cuando se produce un aumento excesivo de la demanda por parte de los consumidores, entonces los generadores síncronos comienza a desacelerarse y la frecuencia de la red eléctrica cae por debajo, en nuestro ejemplo, de los 60 Hz. Nuevamente la carga está desbalanceada y se debe corregir la situación lo más pronto posible aumentando el torque lo cual se logra aumentando el consumo de combustible en las turbinas. Es importante entender que todas las turbinas, a veces decenas o cientos de ellas, deben estar sincronizadas para que la red eléctrica funcione adecuadamente.

La conclusión más importante es que usted puede monitorear el estado de la red eléctrica simplemente midiendo la frecuencia. Si la frecuencia está por debajo de la especificada para su red eléctrica nacional entonces la red no está cubriendo la demanda, si por el contrario la frecuencia está por encima de la especificada entonces hay una sobre producción de energía o un descenso abrupto en el consumo.

Si tiene alguna duda, consulta o comentario puede hacerlo llegar aquí

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