Redes de energía: AC vs DC

Sabemos que ahora tenemos 50/60 Hz en nuestras paredes debido a razones principalmente históricas: hace 100 años atrás no había formas de aumentar / disminuir la tensión de CC.

En estos días solo tenemos problemas debido a eso: cada dispositivo vendido tiene que tener ~ 1uF cap por 1W de potencia antes de que la PSU tenga suficiente potencia cuando pasamos por 0. (este problema no existe en la alimentación trifásica, pero está disponible principalmente en aplicaciones industriales, solo AFAIK) + las tapas tienen que tener un voltaje nominal más alto para sobrevivir a los picos sinusoidales + todo este desastre de PFC.

¿Es correcto decir que si tuviéramos que diseñar una red eléctrica moderna, omitiríamos CA y solo tendríamos CC en todas partes? Por lo que veo, aumentaría significativamente la confiabilidad y reduciría el costo de muchos dispositivos.

Guy Allee de Intel Research escribió sobre este tema el año pasado - DC - ¿Una idea cuyo momento ha llegado y se ha ido? - en apoyo de una red de 380VDC, con los siguientes puntos:

• 7% de ahorro de energía versus alta eficiencia de 415VCA; 28% vs corriente típica 208VAC
• 15% menos costo de capital
• 15% menos componentes de PSU
• 33% de ahorro de espacio en el centro de datos
• Mejora del 200% de confiabilidad, que llega al 1000% si conecta directamente el bus de la batería
• Eliminación de armónicos e inherentemente inmune a otros problemas de calidad de alimentación de CA
• La afinidad natural con la generación de energía alternativa (fotovoltaica y eólica son ~ 400Vdc internamente, y realmente pierde energía y eficiencia cuando se ve obligado a convertir a CA)

Agregó en los comentarios:

Elegimos muy deliberadamente 380Vdc porque desea llegar a un voltaje tan alto como sea posible para la eficiencia. Al mismo tiempo, este estándar está dirigido solo a aplicaciones de bajo voltaje (<600V). Hubiéramos ido más alto, pero hay barreras de costos estructurales a 400Vdc y 420Vdc. En 380Vdc nos mantenemos con las mismas clasificaciones de partes de volumen que AC está utilizando y obtenemos los beneficios de costo de volumen de llevar a cuestas la mayor parte de los volúmenes actuales de componentes de la fuente de alimentación de CA. Estoy seguro de que también puede apreciar los importantes sumadores de costos que +/- 340Vdc tiene en el equipo de seguridad personal, por lo que el estándar permite una distribución rentable de +/- 190Vdc. Por lo tanto, tenemos el estándar más eficiente y rentable. Y con la afinidad entre otras industrias, fotovoltaica, eólica, vehículos eléctricos e iluminación,

También menciona la idea de una distribución mixta de AC y DC dentro de un edificio (por ejemplo, centros de datos). Para más información sobre esa iniciativa, visite el sitio web de EMerge Alliance: http://www.emergealliance.org .

La seguridad. Tener HVDC a través de la toma de corriente no es inteligente. Desenchufar un dispositivo de alta corriente sin apagarlo primero generará un gran arco

Respuesta corta:

No.

Respuesta larga:

La ventaja de la CA para distribuir energía a distancia se debe a la facilidad de cambiar los voltajes usando un transformador. La conversión de energía de CC de un voltaje a otro requiere un gran convertidor giratorio giratorio o un grupo motor-generador, lo cual es difícil, costoso, ineficiente y requiere mantenimiento, mientras que con CA el voltaje se puede cambiar con transformadores simples y eficientes que no tienen partes móviles. y requieren muy poco mantenimiento.

Lectura sugerida:

Guerra de las corrientes

Puede que tengas razón. AC alguna vez tuvo una gran ventaja sobre DC en el pasado. Pero a medida que el costo de los convertidores CC-CC ha disminuido, la ventaja relativa de la CA ha disminuido y, en algunos casos, se ha cruzado. Si estuviéramos diseñando un nuevo sistema de transmisión de energía hoy, DC en todas partes podría reducir los costos totales del sistema.

Para una potencia y niveles de corriente y confiabilidad equivalentes, DC requiere piezas ligeramente más fuertes para interruptores de circuito, fusibles y pararrayos; pero la CA requiere líneas de transmisión un poco más caras y una mejor coordinación de los generadores de energía para evitar fallas en cascada.

Aunque (por razones históricas) los equipos de CA tienen ventajas de economía de escala de producción en masa sobre los equipos de CC, los diseñadores de muchos sistemas recientes de transmisión de energía a larga distancia aparentemente han decidido que el uso de CC de alto voltaje (típicamente 200,000 VCC) tiene menos costos netos del sistema que el uso de AC.

Aunque (por razones históricas) muchos aviones y el transbordador espacial usan 400 Hz 120 VCA, los primeros planes para la estación espacial internacional exigían que usara una potencia de distribución de 20,000 Hz 440 VCA (!), Hasta que las prioridades del programa cambiaran y los ingenieros cambiaran a 120 VDC de potencia. ( Mukund R. Patel pág. 543)

Las personas de Google ( a , b ) han sugerido a los fabricantes de computadoras de escritorio y servidores que el costo neto podría disminuir si cambiamos a "suministros de solo 12 V" que convierten la alimentación de CA a 12 V CC, y luego la placa base de la computadora requiere solo 12 V CC , que se reduce a la colección de voltajes que necesita (como la mayoría de las computadoras portátiles), en lugar de la configuración actual de la fuente de alimentación ATX que tiene un grueso haz de cables con una variada variedad de voltajes.

Lee Felsenstein y Douglas Adams han ido aún más lejos y han pedido que alguien desarrolle un sistema de distribución estándar de 12 VCC. ( c , d )

Hay otro punto, que me gusta agregar, por qué no podemos omitir AC en mi opinión. Las pistas largas, especialmente los cables, se realizan mejor en CC (debido a la inductancia / capacidad que son costosas de manejar a distancias más largas).

Lo importante es que las líneas HVDC son punto a punto. Una red de malla de CC es otra historia. Si en algún punto de la cuadrícula se produce un error, por ejemplo, un árbol cae en la línea, toda la red de malla está caída (el voltaje cae a casi cero y los convertidores tienen que apagarse).
En AC, la impedancia está influenciada principalmente por la inductancia, por lo que tenemos una impedancia mucho mayor que en DC, donde la impedancia es igual a la pequeña resistencia. Si un árbol cae en una línea de CA, la volatilidad en ese punto es cero. Pero la alta corriente de error y la alta impedancia generan una gran tensión. Entonces, solo esta línea está fuera, las otras (si no están muy cerca) tienen (casi) su voltaje normal. En CC, la impedancia es muy pequeña, por lo que la volatilidad en toda la red de malla cae a casi cero y no solo en una línea, sino que toda la red está baja. También debe saber que el equilibrio de la producción de energía y el consumo en CA se realiza a través de frecuencias. En DC se realiza a través del voltaje. Esto debería hacer obvio que un problema tan grande con el voltaje no es bueno en absoluto.
Si alguien quisiera trasladar cualquier poder significativo sobre esta red con un bajo volage o desea aumentar la volatilidad, se necesitan corrientes muy, muy grandes, tan grandes, que las líneas simplemente se derretirían. Por lo tanto, los convertidores se apagan (apagan) y esperan hasta que la línea esté reparada y lista.

Respuesta corta: No tan rápido. Más largo: los convertidores de estado sólido son bastante buenos. La transmisión de larga distancia tiene muchas ventajas. La distancia corta probablemente aún se beneficie de los transformadores.

Información adicional: hay algunas líneas de alimentación de CC en el mundo. Tomemos como ejemplo la línea HVDC en Itaipú , sigue siendo una de las instalaciones de HVDC más importantes del mundo. Es una línea de 6300 MW con 780 km de longitud.