Si pudiéramos empezar nuestra red eléctrica desde cero con la tecnología actual, ¿cuál sería la opción más eficiente? ¿Ac o c.c.?

Question

Últimamente he estado leyendo sobre las muchas ventajas de los sistemas de transmisión HVDC para la transmisión a larga distancia, los enlaces submarinos y otros. La razón histórica por la que se eligió la corriente alterna en lugar de la continua se debe sobre todo a la invención del transformador, que permitió manipular fácilmente la tensión alterna, haciendo posible la transmisión de alta tensión a largas distancias.

Sin embargo, tras la invención de las válvulas de mercurio, los tiristores, los IGBT y todos estos componentes que han hecho factible la transmisión de corriente continua, he estado pensando que si tuviéramos una red puramente de corriente continua podríamos deshacernos de todos los rectificadores de corriente alterna y continua que encontramos en nuestros aparatos electrónicos. Esto podría mejorar enormemente la eficiencia energética y ahorrar toneladas de dinero en recursos.

Si tuviéramos la oportunidad de empezar de nuevo, ¿podría ser mejor un sistema de transmisión basado en corriente continua? 1 ¿o AC seguiría siendo la mejor opción?

1: con mejor Quiero decir más eficiente energéticamente .

Answer 1

Un poco de historia

Las sugerencias de este tema van en contra de lo que se ha enseñado a muchos ingenieros eléctricos desde su primer curso de circuitos: que la corriente alterna es mejor para la transmisión de potencia. Al fin y al cabo, en la "guerra de las corrientes" de finales del siglo XIX, fue Tesla quien ayudó a Westinghouse a luchar por la CA, derrotando finalmente los sueños de Edison de un imperio de la CC.

La principal ventaja de utilizar CA frente a CC en aquella época era la eficiencia. Cada vez era más fácil transformar una tensión alterna en otra, sobre todo si se compara con el coste, la dificultad y la ineficacia de convertir una tensión continua en otra en aquella época. Según Primera ley de Joule la cantidad de energía desperdiciada en forma de calor en las líneas de transmisión es proporcional a la corriente al cuadrado. Considerando que las líneas de transmisión tienen una resistencia conocida (básicamente) fija, para una transmisión de la misma cantidad de potencia, se desperdicia mucho más en una transmisión de baja tensión y alta corriente que en una transmisión de alta tensión y baja corriente. Como ya se ha dicho, resultaba muy poco práctico convertir las tensiones continuas a un nivel lo suficientemente alto como para superar las pérdidas de la línea, en comparación con la relativa facilidad de transformar las tensiones alternas.

Como nota al margen, en muchos lugares no se pasó completamente de los sistemas originales de transmisión de corriente continua a corriente alterna hasta mediados del siglo XX.

Puede leer toda la historia aquí .

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Esto no quiere decir que la AC no tenga sus propios problemas. En efecto piel es un ejemplo de que la CA es menos eficiente que la CC, pero sigue sin compensar las pérdidas de línea antes mencionadas. Otro problema es el de descarga de corona que se producen a altos niveles de tensión de transmisión. En largas distancias, la corriente alterna también presenta problemas de estabilidad. Este Artículo del IEEE algunas distancias diferentes, observando que la reactancia de línea puede compensarse en distancias de hasta 600 - 700 millas.

Con modernas implementaciones de válvulas de arco de mercurio, tiristores e IGBT, y medios eficientes de conversión de tensión continua, Transmisión HVDC no sólo es posible, sino que supera muchos de los problemas que plantea la transmisión por HVAC. La distancia total de transmisión es mucho mayor y se superan los efectos de la CA mencionados. Además, el coste asociado al HVDC es menor que el del HVAC, una vez superado un umbral de distancia. Esta diferencia de costes se analiza en detalle en este documento que incluye también un desglose del coste de la subestación eléctrica. El coste también se analiza en el enlace proporcionado por Jake en su respuesta .

El hecho es que la infraestructura eléctrica actual se basa en la transmisión de corriente alterna. La inmensa mayoría de la tecnología moderna requiere este tipo de energía para funcionar correctamente, y si nunca se hubiera utilizado la corriente alterna dudo que tuviéramos muchos de los "avances" tecnilógicos que conocemos y amamos. Teóricamente, utilizar sólo HVDC podría resultar más eficiente, pero para compensar la diferencia de coste, un sistema híbrido HVAC/HVDC es la mejor solución, al menos en este momento del desarrollo humano.

Answer 2

Creo que un buen candidato a tener en cuenta sería la CA trifásica a cada enchufe.

• Pueden utilizarse transformadores robustos y eficientes para aislar y cambiar tensiones
• No se necesitan condensadores de reserva de frecuencia de red para fuentes de alimentación de CC o accionamientos de motor VFD.
• Los eficientes motores trifásicos pueden utilizarse directamente donde sea posible una sola velocidad
• Se necesita menos cobre para la misma transmisión de potencia y las mismas pérdidas.

El coste es de conductores y clavijas de conexión adicionales.

Answer 3

Con el costo de cobre y otros metales esenciales en aumento, y los problemas ambientales con aceites aislantes usados en ellas, de alta potencia transformadores de corriente ALTERNA están convirtiendo en algo muy caro, en comparación a su estado sólido equivalentes. No es sólo el costo de los devanados, pero los grandes del metal de los casos, y el transporte y la instalación de los costos asociados con grandes transformadores.

Un interruptor de CC de alta tensión de transmisión probablemente sería un lavado en términos de eficiencia, sin embargo, podría ser de menor costo, si no ya tenemos nuestro actual de la infraestructura en el lugar. Los transformadores será necesario, pero en lugar de baja frecuencia de transformadores de potencia nos gustaría par de semiconductores de convertidores cc-CC con alta frecuencia de transformadores de potencia que pueden ser mucho más pequeños (por lo tanto más barato) para la misma cantidad de potencia capacidad de conversión.

Answer 4

La pregunta tiene sentido, pero implica que es posible una respuesta simplista. En realidad no es así. La solución óptima se deduce de las estrategias de transmisión y distribución que se están aplicando en todo el mundo. Consulte el artículo de Wikipedia o muchos otros que se pueden encontrar. En nuestros primeros años Tesla en realidad trabajó para Edison. Edison era un hijo de puta en general y era tan desagradable con Tesla específicamente, Tesla renunció y básicamente dio todas sus patentes a George Westinghouse. Tesla SABÍA que la transmisión de corriente continua a larga distancia no era factible EN ESE MOMENTO debido a la incapacidad de subir y bajar el voltaje. Westinghouse (utilizando la tecnología de Tesla) apoyó la construcción de la central hidroeléctrica de corriente alterna de Adams, cerca de las cataratas del Niagra. Suministraba energía a Niagra y también a lugares tan lejanos como Buffalo. Se inauguró en 1985. Fue la primera gran central eléctrica ~2MW de distribución a larga distancia del mundo. La dirección de G.E. fue tomada por sorpresa y básicamente pusieron a Edison en una caja. Esto proviene de documentos internos de G.E. Ahora se dieron cuenta de que la transmisión de CA era tan importante que contrataron al "Mago de Schenectady", Charles Steinmetz, ya que necesitaban a alguien que entendiera la energía de CA. ¿Qué ocurriría hoy en Estados Unidos? Nuestras instalaciones de generación/transmisión/consumo de energía se construirían con criterio de ingeniería, utilizando sobre todo CA, y se construirían líneas de transmisión más largas para la transmisión de CC. Probablemente tendríamos más líneas de CC que ahora, simplemente porque no tendríamos ya muchas líneas de CA que actualmente ocupan derecho de paso. Los convertidores CA/CC siguen estando muy extendidos, por lo que probablemente no se consumiría mucha corriente continua a nivel local EN ESTE MOMENTO. Los motores de inducción de CA son mucho más sencillos que cualquier motor de CC que yo conozca. Además, hay una razón por la que se eligieron 50 o 60 hercios para las frecuencias de transmisión. Requiere más hierro en el motor, pero le permite generar potencia a una velocidad de rotación más baja. Los motores eléctricos de los aviones son de 400 Hz CA y tienen generadores y motores más pequeños y ligeros. Sin embargo, no tienen tanta potencia. Una gran potencia requiere bobinados internos pesados tanto para los generadores como para los motores. 50-60 hercios no fue una decisión caprichosa. Los generadores de gran potencia giran a frecuencias MUCHO más bajas, ya que sus bobinados internos pesan TONELADAS. Los grandes generadores suelen tener veinte polos o más (giran a 3HZ, a veces menos). Así pues, la distribución a los consumidores industriales probablemente seguiría siendo a 60HZ CA. ¿Y en su casa? Las tensiones de distribución local tienen que rondar los 2000-4000 voltios, como ahora. Eso es lo que entra en el transformador del poste. La corriente continua tendría que ser la misma, por razones económicas de transmisión. Eso significaría que la electricidad de CC tendría que invertirse de (p. ej.) +-400 KV a (p. ej. 115 KV) CA, transformarse a (p. ej. 34,5 KV) CA, rectificarse a (p. ej. +-1 KV) CC y entregarse en el poste. Esta estrategia de reducción de la tensión, al tener que ver con las tensiones que pueden