Prototipo de transformador para eficientar la energía eléctrica
Por Miguel Ángel González G.
México, DF. 22 de mayo de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- Con la finalidad de hacer más eficiente la distribución de energía eléctrica en el país, científicos del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), unidad Guadalajara, realizaron un prototipo de transformador electrónico multialimentado.
El doctor Juan Manuel Ramírez, líder del proyecto, explicó que el propósito principal es flexibilizar la operación de una red eléctrica al ofrecer mejor desempeño, auxiliar a una mejor operación de la red y dar al usuario un mejor servicio.
En entrevista con la Agencia Informativa Conacyt, el investigador detalló en qué consiste este desarrollo –que fue posible gracias a cuatro años de investigación–, cómo funciona, y los beneficios y aportaciones del mismo.
Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Cómo nació este proyecto?
Juan Manuel Ramírez (JMR): En 2010, la revista de tecnología del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) denominó al transformador de estado sólido (SST, por sus siglas en inglés) como una de las 10 tecnologías emergentes más importantes.
En esta década se ha incrementado el interés en el SST. Varios grupos en el mundo están investigando su aplicabilidad para diferentes propósitos.
AIC: ¿Cuáles son las diferencias de este desarrollo respecto de los que ya existen?
JMR: El transformador convencional tiene una entrada y una salida; (en cambio) este puede poseer múltiples entradas y salidas.
Asimismo, con este nuevo tipo de tecnología pueden lograrse ventajas operativas que no son posibles con el transformador convencional. Por ejemplo, corregir factor de potencia, balance a fases, control del contenido armónico, reducir las fluctuaciones de voltaje, entre otros.
Es un equipo que puede llegar a tener una aplicación extensa en las nuevas redes eléctricas que se están desarrollando, llamadas smart grid o redes inteligentes.
AIC: ¿Cuáles son las aportaciones de esta tecnología?
JMR: Principalmente la propuesta de múltiples entradas y múltiples salidas, con la posibilidad de transferir potencia entre salidas y entre entradas.
AIC: ¿Qué costo tiene este transformador?
JMR: Con los costos de la electrónica actual, este transformador puede costar entre siete u ocho veces más que uno convencional de la misma capacidad; pero se espera que en el futuro, con el avance de esa tecnología, el gasto disminuya.
Por lo mismo, actualmente se están desarrollado principalmente transformadores del tipo de distribución convencionales, con capacidades de algunas decenas de kilovatios. Asimismo, se espera que la electrónica de potencia llegue a ser económicamente más accesible y con mayores capacidades, de modo que puedan desarrollarse transformadores de estado sólido de capacidades mayores.
AIC: ¿Ahorrará energía?
JMR: No es su propósito principal, aunque indirectamente podría ahorrar energía. Su mayor objetivo es flexibilizar la operación de una red eléctrica, ofreciendo mejores desempeños, auxiliando a una mejor operación de la red y dando al usuario un mejor servicio.
AIC: ¿Será más eficiente?
JMR: Se prevé lograr las mismas eficiencias de un transformador convencional (que como dato, es la máquina eléctrica más eficiente), con valores de al menos 98 por ciento de eficiencia.
AIC: ¿Qué beneficios traería?
JMR: Hoy en día, existe gran necesidad de modernizar y mejorar la operación de las redes de energía eléctrica, de modo que los usuarios tengan una buena calidad en el servicio.
En ese contexto, la flexibilidad operativa representa un reto enorme, que se puede abordar a través de la reconfiguración de la red; este aspecto puede representar una importante cantidad de maniobras de elementos de conmutación electromecánicos.
En todo el mundo, la infraestructura eléctrica y las fuentes de abastecimiento son cada vez más escasas, lo que representa consecuencias negativas para los usuarios, ya que esto incrementa los costos del servicio.
Aunque hay avances trascendentes relacionados con la planificación de redes, la energía verde, la calidad de la energía, los métodos de medición, la transmisión digital, etcétera, se requieren esfuerzos adicionales para el mejoramiento de la infraestructura de la red eléctrica.
Para lo anterior se requiere una sustitución gradual de elementos electromecánicos por equipos basados en dispositivos de estado sólido de potencia con el fin de aumentar su controlabilidad. Con el adecuado dimensionamiento, equipos como el SST pueden ayudar a incrementar la flexibilidad y la fiabilidad de la red eléctrica.
Diagrama esquemático de un PET. Versión trifásica con convertidor DC/DC intermedio bidireccional.AIC: ¿Cuál es su principio básico de funcionamiento?
JMR: Un SST es un convertidor CA/CA (CA: corriente alterna) que utiliza dispositivos semiconductores, como transistores bipolares de puerta aislada (IGBT, por sus siglas en inglés), trabajando en régimen de conmutación.
Los SST ofrecen las mismas características de los transformadores convencionales, como por ejemplo el aislamiento galvánico, además de otras importantes como la posibilidad de mitigación de armónicos, corrección de factor de potencia, regulación instantánea de tensión y mitigación de transitorios de voltaje, sin el uso de refrigerantes líquidos.
Todo esto es posible gracias al avance realizado en semiconductores de potencia, técnicas de modulación y sistemas de procesamiento digital, lo que permite implementar técnicas de control para el tratamiento de cada uno de los fenómenos señalados.
El funcionamiento de un SST se basa en la modulación de alta frecuencia del voltaje de CA de entrada. Esta se aplica al transformador de alta frecuencia, que ofrece aislamiento galvánico. La señal del secundario se modula, si es el caso, o se filtra para obtener nuevamente un voltaje de CA con una amplitud menor o mayor a la de entrada.
En los circuitos conmutados de entrada y salida se tienen convertidores CA/CA que, dependiendo de la topología de dicho convertidor, proporcionan voltajes de salida mayores o menores al voltaje de entrada.
Prototipo experimental del transformador multialimentado
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