Transformador de Corriente Continua, el último reto de electrónica de potencia

Transformador de Corriente Continua (CC) – el último reto de electrónica de potencia

En las últimas dos décadas hemos visto un cambio tecnológico importante desde el punto de vista de cómo se produce y almacena energía eléctrica. Últimamente, las aplicaciones se dirigen cada vez más hacia el mundo de la Corriente Continua (CC), lo cual empieza a recordar a la famosa guerra de corrientes entre Edison y Tesla. Sin embargo, para que el concepto de CC empiece a contribuir a nuestra sociedad, se hace necesario resolver unos cuantos retos de los cuales el transformador de CC es el más grande. Este componente será la pieza clave en la descarbonización y electrificación futura.

Nueva guerra de corrientes – la Corriente Continua ha vuelto

Tras el fin de la famosa guerra de corrientes, la corriente alterna (CA) en combinación con el transformador magnético ofreció una solución robusta, simple, eficiente y fiable para el aislamiento galvánico, la transformación de tensión y protección, permitiendo una transferencia eficiente de energía a largas distancias. El impacto del transformador de CA, un componente sencillo pero voluminoso, sin control activo y hecho de cobre y hierro, fue tan importante que este concepto se mantiene en la actualidad en las redes de distribución. De un tiempo a esta parte, el paradigma que se utiliza para generar, distribuir o almacenar energía eléctrica ha cambiado sustancialmente, orientándose hacia una filosofía basada en la Corriente Continua (CC), utilizando para ello paneles solares y celdas de combustible para su generación, baterías y ultra-condensadores para su almacenamiento o redes de CC para su distribución.

La sociedad moderna se enfrenta a importantes megatendencias fuertemente dependientes de la energía, y la energía eléctrica será el motor clave para el desarrollo futuro de nuestra sociedad. Se prevé que la proporción de electricidad consumida como fuente primaria de energía subirá casi un 50% en el año 2050 y que su contribución a los medios de transporte será de un 40%. Un 86% de esa electricidad se producirá con fuentes de energía renovables (un 60% eólica y solar) [1]. Estas previsiones sólo se podrán cumplir si se habilita el paradigma de las redes de distribución de CC, que permita mejorar el rendimiento eléctrico y reduzca la complejidad de la conversión de energía. Las redes de distribución de CC ofrecen una mayor eficiencia energética que sus equivalentes de CA para el mismo nivel de tensión. Además, son más flexibles, ya que no hay necesidad de sincronización con la red o de compensación de potencia, y es más fácil conectar múltiples fuentes de energía (fuentes de energía renovables, baterías, celdas de combustible), ahorrando etapas de conversión.

Las aplicaciones de Corriente Continua

La Figura 1 muestra un sistema de alimentación de CA de última generación en el que se utilizan transformadores de CA e interruptores para trabajar como interfaz y protección entre varios niveles de tensión de CA (por ejemplo, V_AC-1 a V_AC-2). Por las ventajas que ofrece el procesamiento de energía utilizando CC, existe una fuerte línea de investigación en este área, que trata de abordar temas de convertidores [2], dispositivos semiconductores [3] o protecciones [4]. Estos elementos son necesarios para que la tecnología de CC muestre sus ventajas y llegue a ser ampliamente aceptada. Aplicaciones como barcos y aviones eléctricos [5] (Figura 2) o hidrogeneras [6] (Figura 3) podrían aprovecharse de esta idea mejorando sus prestaciones desde el punto de vista de rendimiento energético.

Sin embargo, actualmente no existe una tecnología ampliamente disponible para la conversión CC-CC de alta potencia en Media Tensión. La falta de cruce natural de corriente cero en los sistemas de CC dificulta la protección porque las tecnologías de interruptores solo están disponibles para niveles de tensión continua relativamente modestos (por ejemplo, hasta 3 kV en aplicaciones de tracción). Hay una gran brecha tecnológica, tanto conceptual como práctica, que impide la realización de redes de corriente continua. Además, la pregunta sobre cómo realizar el aislamiento galvánico aparece de manera natural y resulta clave para esta tecnología.

Figura 1. Futura red de CC con transformadores integrados de CC con doble propósito (procesador de energía e interruptor de circuito)

Figura 2. El esquema simplificado de una red de distribución dentro de un barco eléctrico

Figura 3. El esquema simplificado de una futura hidrogenera con su Microred en CC

Un paradigma nuevo – Transformador de Corriente Continua

Hoy en día, las soluciones establecidas siguen utilizando un transformador voluminoso de CA, por su robustez y fiabilidad para obtener aislamiento, protección y transformación de tensión, y porque el transformador de CA está basado en una ley simple, la ley de Faraday, donde hay que aplicar corrientes y tensiones alternas para que funcione. Esta misma ley, por las propiedades de la física, hace que la falta de campos magnéticos variables en caso de la CC imposibilite el transformador de CC, la pieza clave para solucionar los problemas de las megatendencias modernas, impidiendo el desarrollo energético de la sociedad.

Para la implementación de este transformador, se utilizan normalmente topologías resonantes basadas en el concepto del Transformador de Estado Solido [7] (Figura 4). Con una red de interruptores controlables implementados con transistores, se provoca la resonancia en el lado del primario de un transformador de frecuencia alta. Esta resonancia provoca tensiones sinusoidales que pueden pasar por el transformador, procesando la energía de una manera muy eficiente, y en el secundario estas tensiones se rectifican con otro conjunto de transistores.

Como se aplican frecuencias en el rango entre 10 kHz y 100 kHz, el tamaño y el peso de un Transformador de CC basado en este concepto es mucho más pequeño que de un transformador convencional de 50 Hz. Adicionalmente, como contiene interruptores controlados en primario y en secundario puede ofrecer incluso control sobre el flujo de energía, saliendo del papel pasivo del transformador de CA.

Figura 4. Esquema simplificado de un convertidor resonante, la base para el transformador de CC

Sin embargo, por su complejidad, la robustez es más baja y todavía se trabaja en el desarrollo de este concepto. Lo más difícil es integrar el papel del componente protector dentro del transformador de CC, lo cual es inmediato en el caso del transformador de CA.

El futuro del paradigma de Corriente Continua

Aunque, obviamente, la tecnología de CC conlleva bastantes retos, es muy probable que su implantación será cada vez mayor. La aceptación de este paradigma en el coche eléctrico es ya un hecho y, de cara al futuro, se esperan progresos importantes en otras aplicaciones. El Centro de Electrónica Industrial, bajo el proyecto Retos PID2019-111427RB-I00 llamado ASSTRA está desarrollando su Transformador de CC sin material magnético para bajar el peso del transformador de CC. Este concepto podría ser muy interesante para aplicaciones de aeronáutica donde el peso del convertidor es de gran importancia.

Por otro lado, no hay que esperar que las redes de CC vayan a reemplazar las redes de CA en poco tiempo. Considerando que el coste de la infraestructura de las redes de CA y su robustez son altos, será difícil optar por una tecnología emergente en un tema tan delicado ahora mismo como es el de la distribución de energía. La tecnología basada en la CC convivirá en paralelo con la tecnología de CA pero es de esperar que la transmisión de energía a largas distancias, desde aerogeneradores eólicos hasta la red o edificios inteligentes con sus redes locales, aprovechará todas las ventajas que ofrece la CC.

Referencias

[1] IRENA, International Renewable Energy Agency, ”Global energy transformation: A roadmap to 2050 (2019 edition”), 2019 , Abu Dhabi

[2] Online: http://www.heart.tf.uni-kiel.de/en

[3] S. Falcones, X. Mao, R. Ayyanar, “Topology comparison for solid state transformer implementation,” in Proc. IEEE Power and Energy Society General Meeting, Minneapolis, MN, USA, Jul. 2010

[4] J. Häfner, G. Asplund, Patente US9208979B2, “High voltage DC breaker apparatus”, 2010

[5] H. Lan, S. Wen, Y. Y. Hong, D. C. Yu and L. Zhang, “Optimal sizing of hybrid PV/diesel/battery in ship power system”, Applied Energy, Volume 158, 2015, Pages 26-34, ISSN 0306-2619

[6] IRENA (2018), Hydrogen from renewable power: Technology outlook for the energy transition, International Renewable Energy Agency, Abu Dhab

[7] J.E.Huber and J.W.Kolar, «Solid-state transformers: on the origins and evolution of key concepts,» in IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 10, no. 3, pp. 19-28, Sept. 2016.

Miroslav Vasic es Profesor Contratado Doctor en el Departamento de Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial de la E.T.S.I. Industriales de la UPM. Su actividad investigadora se centra en el procesamiento eficiente de la energía eléctrica, especialmente en el diseño de convertidores de corriente continua y diseño automatizado de estos sistemas. Nació en Serbia en 1981. En 2005, obtuvo el título de Ingeniero de Electrónica por la Universidad de Belgrado y, desde entonces, Miroslav está vinculado al Centro de Electrónica Industrial de la ETSI Industriales de la UPM donde realizó el doctorado en 2010. Desde 2020 trabaja como profesor Contratado Doctor.

Sus líneas de investigación se centran en convertidores de potencia, especialmente convertidores continua-continua y en la investigación del impacto de GaN a las aplicaciones de electrónica de potencia. Miroslav tiene cinco patentes concedidos y ha publicado más de 80 trabajos en revistas y congresos de alto impacto. En 2015, obtuvo la medalla de la Real Academia de Ingeniería como reconocimiento de sus méritos y su trayectoria investigadora y en 2016 el premio UPM de proyección investigadora. Ha dirigido tres tesis doctorales. Desde 2021 Miroslav es el Vice-chair de IEEE PELS Technical Committee 10 – Design Methodologies.