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Transformadores para red eléctrica inteligente

Un transformador electrónico inteligente que funciona de manera extremadamente eficiente para transformar medio voltaje en bajo voltaje ha sido desarrollado por los ingenieros deLos ingenieros eléctricos de ETH Zurich . Los transformadores inteligentes de este tipo también son mucho más pequeños que los transformadores estándar. Esto los hace especialmente adecuados para usar donde el espacio es limitado o el peso debe mantenerse al mínimo, como es el caso, por ejemplo, en las locomotoras de ferrocarril.

Las aplicaciones futuras incluyen estaciones de carga rápida para vehículos eléctricos, fuentes de alimentación para centros de datos o para usar en redes eléctricas.

La mayoría de las redes eléctricas para aplicaciones ferroviarias suministran corriente alterna a nivel de media tensión. Las locomotoras reducen el voltaje a un valor inferior. “Por razones técnicas, cuanto menor sea la frecuencia de la corriente alterna, mayor será el transformador requerido para reducir la tensión. Y a 16,7 hertzios, la frecuencia utilizada en el transporte ferroviario en Suiza y en otros países europeos es relativamente baja”, explica Daniel. Rothmund, uno de los dos estudiantes de doctorado en ETH en el grupo del profesor Johann Kolar que construyó el nuevo transformador.

Componentes individuales del nuevo transformador en un entorno de laboratorio. (Fotografía: ETH Zurich / Peter Rüegg)

Para evitar este problema de tamaño, los transformadores inteligentes tienen un truco bajo la manga: en primer lugar, un convertidor frontal aumenta en gran medida la frecuencia de la corriente alterna, lo que significa que el transformador puede ser mucho más pequeño. Luego, un convertidor posterior produce corriente alterna a la frecuencia deseada.

Transformador inteligente
Este convertidor de voltaje medio es parte del nuevo transformador inteligente. (Fotografía: ETH Zurich / Daniel Rothmund)

Conmutación a frecuencias extremadamente altas

Rothmund y su colega Thomas Guillod tuvieron que desarrollar muchos de los componentes para sus propios transformadores, ya que hay pocos componentes disponibles para el voltaje medio de 10.000 voltios con los que trabajan.

Los componentes hechos de carburo de silicio que permiten una conmutación extremadamente rápida, prototipos fabricados por una empresa estadounidense, fueron especialmente importantes.

Usando estos, los estudiantes de doctorado de ETH pudieron convertir voltaje medio a una frecuencia muy alta de 75,000 hercios; como resultado, el transformador. El sistema que construyeron es apenas un tercio del tamaño de transformadores inteligentes anteriores con clasificaciones de potencia similares. Y aunque los sistemas anteriores lograron una eficiencia energética de alrededor del 96 por ciento, Rothmund y Guillod administraron el 98 por ciento, en otras palabras, pudieron reducir a la mitad las pérdidas de energía del 4 por ciento a solo el 2 por ciento.

Los dos estudiantes de doctorado de ETH, Daniel Rothmund (izquierda) y Thomas Guillod, en el laboratorio de voltaje medio. (Fotografía: ETH Zurich / Peter Rüegg)

Rectificar la corriente alterna

Las locomotoras de ferrocarril son solo una de las muchas aplicaciones para estos nuevos transformadores. “A diferencia de los transformadores convencionales, los transformadores inteligentes se pueden controlar“, explica Rothmund.

Se pueden usar en futuras redes eléctricas, conocidas como redes inteligentes, para administrar activamente la distribución de energía y equilibrar las fluctuaciones en la generación y demanda de electricidad.

El nuevo sistema es capaz no solo de alterar la frecuencia de la corriente alterna en la red, sino también de convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Una aplicación podrían ser futuras estaciones de carga rápida a gran escala, que pueden cargar varios vehículos eléctricos simultáneamente. Estos puntos de carga podrían entonces conectarse directamente a la red de corriente alterna de voltaje medio existente, con los transformadores compactos eficientes y luego reducir la tensión media al voltaje deseado. “Las baterías se cargan utilizando una tensión continua comparativamente baja”, explica Rothmund, y agrega: “En comparación con la tecnología convencional, los transformadores inteligentes tienen la ventaja cuando se trata de producir CC a partir de una red de CA de media tensión”.

Otra clase de consumidores a gran escala que se beneficiará de este desarrollo son los centros de datos .  Proporcionarles sistemas de suministro de energía más eficientes reduciría no solo sus facturas de electricidad sino también la cantidad de calor residual producido, por lo tanto, minimizaría la energía requerida para la refrigeración.
Irónicamente, la nueva tecnología bien podría hacer más que facilitar el cambio a una nueva economía energética que se descarboniza y electrifica; también podría facilitar la explotación de reservas fósiles de difícil acceso. La industria del petróleo y el gas está trabajando actualmente en formas de acceder a los depósitos mar adentro ubicados en los océanos profundos utilizando fábricas submarinas en lugar de plataformas de perforación. Estos incluirían bombas, compresores y robots ubicados en el fondo del océano y extraerían electricidad de un “cordón umbilical” que se extendería varios kilómetros para aterrizar. La nueva tecnología significa que los cables podrían transportar CC, que se puede transmitir más eficientemente que CA a largas distancias, mientras que un convertidor relativamente pequeño en el fondo del océano podría convertir la CC en la CA que requieren las máquinas.

Su trabajo de investigación se realizó como parte del Programa de Investigación Nacional Suizo “Turnoverund Energy” (NRP 70), que se centra en la investigación de las tecnologías necesarias para implementar la Energy Strategy 2050 del país.

Fuente: Fabio Bergamin, ETH Zürich

Los transformadores “inteligentes” podrían hacer realidad una red inteligente confiable

Los transformadores inteligentes de estado sólido (SST) podrían usarse para hacer una “red inteligente” estable y confiable, permitiendo que el sistema de distribución de energía dirija la energía renovable de hogares y empresas a la red eléctrica.

La idea de una red inteligente que pueda manejar los flujos de energía no solo desde la compañía eléctrica hasta nuestros hogares, sino también desde nuestros hogares hasta la compañía eléctrica, ha existido por años.

Entre otros beneficios, una red de este tipo mejoraría el uso eficiente de la energía renovable y el almacenamiento.

Pero, hasta la fecha, la red inteligente ha sido principalmente conceptual. Un nuevo estudio indica que podría pasar del concepto a la realidad en el futuro cercano, utilizando tecnología que ya existe. La tecnología clave es la SST.

En 2010, los investigadores del FREEDM Systems Center de la North Carolina State University dieron a conocer la primera SST, que no solo desempeñaba todas las funciones de un transformador tradicional, sino que también podía redirigir la energía según fuera necesario para abordar los cambios en la oferta y la demanda.

“El SST es un elemento fundamental en el concepto de la red inteligente”, dice Iqbal Husain, profesor distinguido de ABB de Ingeniería Eléctrica e Informática en NC State y director del Centro FREEDM. “Puede reducir el voltaje para su uso en hogares y negocios, pero también puede aumentar el voltaje de paneles solares u otras fuentes renovables de escala residencial con el fin de alimentar esa energía a la red”.

Este diagrama muestra cómo los transformadores de estado sólido podrían incorporarse en un sistema de energía de red inteligente. Crédito: FREEDM Systems Center, Universidad Estatal de Carolina del Norte

El documento, “Análisis de punto de equilibrio y métodos de reparto de poder para sistemas de distribución impulsados por transformadores de estado sólido”, se publica en la revista IEEE Transactions on Power Systems . Alireza Afiat Milani y otros, Análisis de punto de equilibrio y métodos de distribución de potencia para sistemas de distribución impulsados por transformadores de estado sólido, Transacciones IEEE en sistemas de potencia (2017): DOI: 10.1109 / TPWRS.2017.2720540