Redes eléctricas: AC vs DC

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

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

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

@Leon Heller Realmente estoy empezando a enojarme con lo corto que eres con las cosas en este sitio. Realmente no es necesario. Si no te gusta algo, tienes que explicarlo tú mismo.
Otra idea es tener un SMPS centralizado y bien diseñado para cada casa, y suministrar algunos voltajes de CC estandarizados a tomas especiales, de modo que no esté desperdiciando cobre y energía en toneladas de verrugas de pared y adaptadores de ladrillo ineficientes.
@endolith esa es la idea que siempre me ha encantado. La logística de cambiar una red a CC es difícil independientemente de las dificultades técnicas. Mantener nuestra infraestructura existente y solo distribuir el SMPS será la ruta más económica. No hay razón para que las casas no puedan implementar esto ahora.

Respuestas (7)

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

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

Agregó en los comentarios:

Elegimos deliberadamente 380 V CC porque desea obtener el voltaje más alto que pueda permitirse para la eficiencia. Al mismo tiempo, esta norma se dirige únicamente a aplicaciones de bajo voltaje (<600 V). Habríamos ido más alto, pero existen barreras de costos estructurales en 400Vdc y 420Vdc. A 380 V CC, nos mantenemos con las mismas clasificaciones de partes de volumen que usa CA y obtenemos los beneficios de costo de volumen de aprovechar la mayor parte de los volúmenes actuales de componentes de fuente de alimentación de CA. Estoy seguro de que también puede apreciar los aumentos significativos de costos que +/-340Vdc tiene en el equipo de seguridad personal, razón por la cual el estándar permite una distribución rentable de +/-190Vdc. Por lo tanto, tenemos el estándar más alto de eficiencia pero rentable. Y con la afinidad entre otras industrias, fotovoltaica, eólica, vehículos eléctricos e iluminación, la economía de volumen parece convincente.

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

Me pregunto si es factible tener 380 en los hogares, debe ser demasiado peligroso...
Bueno, tenemos 400 V CA trifásico en casi todos los hogares de aquí (Dinamarca), por lo que ciertamente no es más peligroso que lo que ya estamos haciendo.
Presumiblemente, se refiere a 380 V CC como el alimentador a casa. Me pregunto cuáles son sus planes para la transmisión/distribución real. Ciertamente puede hacer CC de alto voltaje (probablemente 3k-200k V dependiendo de la distancia/carga de la carrera), pero tiene que encontrar una alternativa económica y eficiente para un transformador de polo que tendría que convertir algo del orden de 3k- 30k VDC a 380VDC (suponiendo niveles de corriente similares a los de los sistemas de CA).
Sí, es una red local de +/- 190 V (con, por ejemplo, salidas de 24 V en centros de datos). Aquí hay una lista de Wikipedia de proyectos de CC de alto voltaje: en.wikipedia.org/wiki/List_of_HVDC_projects

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

Utilice un diodo flyback.
Al igual que en CA: si desconecta el enchufe en el momento adecuado, cortará 380v ...
Sin embargo, la CA se apaga automáticamente a cero 50/60 veces por segundo. NO PUEDE cambiar HVDC de la misma manera que AC.
@Eddie: ¡incluso se autoextingue 100/120 veces por segundo!

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. Convertir la energía de CC de un voltaje a otro requiere un gran convertidor rotativo giratorio o un conjunto motor-generador, que 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 corrientes

Sí, pero ¿qué pasa con las pérdidas ya que ningún transformador es 100% eficiente? También los riesgos para la salud asociados con vivir al lado de las subestaciones (los transformadores, los llamamos subestaciones en el Reino Unido).
Sí, pero en estos días también tenemos tiristores y transistores que pueden hacer DCDC de manera muy eficiente sin partes móviles también hasta unos 2kV...
también hay que fijarse en las propias centrales eléctricas. La mayoría de las centrales eléctricas crean algún tipo de CA a través de medios mecánicos. ¿Hay formas de convertir eso en CC de manera eficiente, para la transmisión de energía de CC a niveles tan altos?
@Dean, ¿hay riesgos para la salud al estar cerca de una subestación? ¿Te refieres a electrocutarte?
Al cambiar cadenas largas de semiconductores sincrónicamente, puede obtener hasta cientos de kV en estos días. Pero es muy nuevo y no es barato, por lo que solo se hace para transmisiones de muy larga distancia, para reducir pérdidas.
@Kortuk♦ Algunas personas creen que, entre otras cosas, el campo ЕМ puede causar cáncer y "cosas malas" similares. Desafortunadamente, no pude encontrar ningún dato de investigación serio que respaldara las afirmaciones. Parece que hay un artículo de Wikipedia , pero no lo he analizado en detalle.
@Andrejako, la gente cree muchas cosas, sigamos con la ciencia <3
@Kortuk la posibilidad de que los campos magnéticos causen daños a la salud humana. Personalmente creo que es un montón de basura.
@Kortuk♦ ¡Es verdad!
Creo que esta respuesta es incorrecta. Si busca la página de HVDC en Wikipedia, las desventajas de la transmisión de CC son que debe convertirse a CA. La razón por la que se eligió CA en lugar de CC fue que, en ese momento, no había medios eficientes para aumentar y reducir los voltajes. Con la tecnología actual, esto ya no es un problema. Los nuevos enlaces de energía de larga distancia en estos días se construyen con CC, ya que es más eficiente.

Puede que tengas razón. AC una 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, la CC en todas partes podría reducir los costos totales del sistema.

Para una potencia y niveles de corriente y confiabilidad equivalentes, la CC requiere piezas ligeramente más fuertes para interruptores automáticos, fusibles y pararrayos; pero la CA requiere líneas de transmisión un poco más costosas 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 V CC) tiene menos costos netos del sistema que usar AC.

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

La gente de Google ( a , b ) ha 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 cualquier colección de voltajes que necesite (como la mayoría de las computadoras portátiles), en lugar de la configuración actual de la fuente de alimentación ATX que tiene un grueso manojo de cables con una variada variedad de voltajes.

Lee Felsenstein y Douglas Adams fueron aún más lejos y pidieron que alguien desarrollara un sistema de distribución estándar de 12 V CC. ( c , d )

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

Lo importante es que las líneas HVDC son punto a punto. Una red de CC en malla es otra historia. Si en cualquier punto de la red se produce un error, por ejemplo, un árbol cae en la línea, toda la red en malla se cae (el voltaje cae casi a cero y los convertidores tienen que apagarse).
En CA, la impedancia en su mayoría está influenciada por la inductancia, por lo que tenemos una impedancia mucho mayor que en CC, donde la impedancia es igual a la pequeña resistencia. Si un árbol cae en una línea de CA, el voltaje en ese punto es cero. Pero la alta corriente de error y la alta impedancia generan un gran voltaje. Entonces, solo esta línea está apagada, las otras (si no están muy cerca) tienen (casi) su voltaje normal. En CC, la impedancia es muy pequeña, por lo que el voltaje en toda la red de malla cae casi a cero y no solo una línea, sino toda la red está inactiva. También debe saber que el equilibrio entre la producción y el consumo de energía en CA se realiza a través de la frecuencia. En DC se hace a través de Voltaje. Esto debería hacer obvio que un problema tan grande con el voltaje no es bueno en absoluto.
Si alguien quisiera transportar cualquier potencia significativa a través de esta red con un voltaje bajo o si quisiera aumentar el voltaje, se necesitan corrientes muy, muy grandes, tan grandes que las líneas simplemente se derretirían. Por lo tanto, los convertidores se apagan (apagón) 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. El transporte de corta distancia probablemente todavía se beneficie de los transformadores.

No entiendo tanto 'No tan rápido por más tiempo' como lo que se dice en la segunda parte... ¿¿Tanto los convertidores de estado sólido como los transformadores son buenos? :-|

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

Probablemente debería tenerse en cuenta que este tipo de instalación HVDC normalmente se realiza por otras razones, a saber, cargar la capacitancia de líneas eléctricas extremadamente largas conduce a grandes corrientes reactivas, lo que provoca pérdidas resistivas. No es un gran problema para las líneas eléctricas más cortas, pero cuando tiene líneas eléctricas de recorrido extremadamente largo que no tienen tomas para suministrar energía a los lugares a lo largo de su longitud, en realidad se vuelve rentable.
La razón habitual por la que se eligen los enlaces de CC es para subdividir las regiones de transmisión de CA para que sean más fáciles de administrar (por ejemplo, la Interconexión del Pacífico). O entre el Reino Unido y Francia. Pueden interconectar regiones con diferentes frecuencias o fases.