Análisis de modelos de distribución en corriente continua a nivel doméstico

Abstract

Este proyecto estudiará las posibilidades de la distribución en corriente continua a nivel doméstico. Actualmente cada vez más consumos están basados en DC. En los últimos años se han desarrollado proyectos de distribución en corriente continua en viviendas, centros comerciales y, especialmente, en centros de datos. En primer lugar se han analizado todos los equipos que pueden aparecer a nivel doméstico. La iluminación, los equipos de limpieza, los aparatos electrónicos, la refrigeración y algunos equipos destinados a la cocina serían más eficientes alimentados en corriente continua, mientras el resto de los equipos se podrían alimentar independientemente en corriente continua o en corriente alterna. Además de todo esto, otros aparatos que están basados en corriente continua y que se utilizan a nivel doméstico están en expansión. Entre ellos destacan el coche eléctrico, los paneles fotovoltaicos y otras generaciones domésticas. Además las baterías eléctricas también funcionan exclusivamente en corriente continua. Todo esto ha sido posible gracias al gran desarrollo de la electrónica de potencia. Los elementos principales son el rectificador, el transformador DC-DC y el inversor. Estos aparatos ya pueden trabajar con grandes potencias y con rendimientos superiores al 90%. Para comparar los distintos métodos de distribución se ha simulado en Matlab el consumo de una vivienda. Todos los electrodomésticos de la casa a analizar tendrán la electrónica de potencia necesaria para alimentar los equipos. El primer modelo de distribución a simular, distribución AC, es un modelo de distribución en corriente alterna. Para dimensionar las secciones de los conductores y la distribución de los circuitos se ha utilizado el Reglamento Español de Baja Tensión. Se analizarán las pérdidas por cableado y por la EP interna de los equipos. El segundo modelo de distribución, distribución DC, se basará en el uso de corriente continua a un nivel de tensión de 326V y corriente alterna a 230V F-N. A la entrada de la vivienda se colocará un rectificador que transformará la corriente alterna en corriente continua a 326V y desde ahí se alimentarán todos los circuitos que tienen equipos que deben ser utilizados en corriente continua. Se analizarán las pérdidas en el cableado, en el rectificador central y en los transformadores DC-DC internos de los aparatos que necesitan trabajar a un nivel de tensión inferior. El tercer modelo de distribución, distribución HVLV, se basará en el uso de corriente continua a dos niveles de tensión, un primer nivel de 326V que se conseguirá a partir de un rectificador central, un segundo nivel de 50V que alimentará los equipos electrónicos y un tercer nivel de corriente alterna a 230V F-N. Se estudiarán las pérdidas del rectificador y los transformadores. De estos modelos el modelo de distribución más eficiente tanto a nivel energético como a nivel económico es el modelo DC.

The objective of this project is to study the possibilities of DC distribution in households. Nowadays the importance of DC based end-uses is emerging. In recent years some projects of DC distribution have been developed, specially in data centers. First of all, a detailed analysis of the typical housewifely consumptions has been done. Illumination, cleaning machines, refrigeration and some cook devices would be more efficient with a DC distribution; meanwhile, the other end-uses would work independently in AC or DC. Moreover than that, other devices that are based in DC and that are used in homes are in expansion. Within those devices PV panels, electric vehicles, must be highlighted. Besides, the electrical batteries work exclusively in DC. All these have been possible because of the proliferation of power electronics. The most important power electronics are the rectifier, DC-DC transformers and inverters. Those devices can work with great powers and have improved dramatically their efficiency and nowadays have efficiencies up to 95%. To compare different methods of distribution, the consumption of a household have been simulated in Matlab. All the end-uses of the house have the power electronics necessary to connect the devices to the network. The first distribution model is the classical AC distribution. To calculate the area of the conductors the Reglamento de Baja Tensión Español has been used. The losses of cabling and of EP will be analysed. The second distribution model, DC distribution, will be built on the use of direct current with a voltage level of 325V and a level of 230V F-N of alternating current. In the entry of the house a rectifier will be located. This rectifier will transform the alternating current from the network to direct current. The rectifier will feed all the circuits that have DC devices such as illumination or A.C. All the losses of cabling and EP will be studied. The third distribution model, HVLV distribution, will be based in the use of DC current with two voltage levels. A first level of 326V from the rectifier and a second level, of 50V, that will be obtained by DC-DC transformers located strategically in the building. A third level of 230V F-N will be used to feed the appliances that do not need DC. From those models, the most efficient and economical is DC distribution.