La Armónica - El instrumento del futuro

por Luis Corvalán

 Un poco de historia

Hace unas décadas, la electricidad llamada “industrial” o incluso la comercial y doméstica se estudiaba como una disciplina casi completamente desconectada de la electrónica. Las carreras técnicas y las ingenierías que las estudian están aun hoy diferenciadas.

Pero para los que, como en mi caso, nos hemos especializado en la primera de las mencionadas, hoy estamos obligados a contemplar también los comportamientos y los fenómenos que el equipamiento electrónico tiene sobre las instalaciones de potencia. Esto se debe a la proliferación de sistemas electrónicos que han invadido nuestra vida cotidiana y también los grandes medios de producción. Por un lado el abaratamiento y por otro el aumento de la confiabilidad de estos dispositivos han permitido una verdadera inundación, a tal punto de convertir en tema de controversia hoy qué hacer con la enorme cantidad de elementos que cada vez más rápidamente se convierten en obsoletos. Hoy es inimaginable el funcionamiento de un establecimiento comercial o fabril sin el empleo de computadoras, centrales telefónicas o de alarmas, procesos automatizados, monitoreo, climatización, etc. Esta comodidad y eficiencia por un lado, tiene por otro una influencia “contaminante” en los sistemas convencionales de generación y distribución de energía eléctrica. Aquí analizaremos cómo influye y haremos una introducción a los métodos que se proponen para amortiguar estos efectos negativos.

Esa obsesión por los senos.

Cuando la tensión alterna finalmente le ganó la pulseada a la tensión continua (esta última histéricamente defendida hasta el final por su gran impulsor Thomas Edison) como sistema comercial a fines del siglo XIX, se adoptó la forma senoidal como forma de onda de la necesaria “alternancia”, en detrimento de otras formas más simples como la cuadrada por ejemplo. Esto no fue por capricho o por una convención, sino por una necesidad técnica. En esos años, previos a la electrónica, las cargas que existían eran las resistencias y las inductancias (bobinas) principalmente de motores y transformadores y a continuación los capacitores, que se les encontró utilidad como buen complemento de las inductancias, entre otras aplicaciones.

El conectar una carga a un sistema de tensión alterna constante, como la disponible en hogar e industria produce la circulación de una corriente eléctrica por esa carga. Esta corriente va a depender de la tensión aplicada y del tipo de carga conectada, sintéticamente expresada en una ley natural de causa/efecto que en la electrotecnia se conoce como “Ley de Ohm”.

Ahora bien, si la carga conectada es una resistencia, la corriente que se establece tendrá una característica que será un reflejo fiel de la forma de onda de tensión aplicada, siendo directamente proporcional a ésta y coincidente en el tiempo.

Pero si la carga es una bobina, la corriente que se establece es proporcional a la integral matemática de la forma de alternancia de la tensión. Y si la carga es un capacitor, la corriente es proporcional a la derivada de aquella.

Y el proceso inverso es totalmente análogo: si una corriente es la que circula por una resistencia, bobina o capacitor, la tensión que aparecerá en los extremos de esos elementos será: directamente proporcional, la derivada, o la integral de la forma de onda de la corriente, respectivamente.

Es de imaginar que, a pesar de estar hablando de cargas muy simples como ser resistencias, bobinas y capacitores, los efectos y las formas de onda que van a ir apareciendo en nuestro sistema eléctrico rápidamente se nos complican.

Salvo en un único caso. Y he aquí la razón de nuestros desvelos: la función senoidal es la única cuya derivada y cuya integral son también funciones senoidales.

Por esta razón es que en el diseño de generadores, que van a establecer la forma de onda de tensión generada y de motores, que como carga van a definir el tipo de corriente que se establecerá en nuestro sistema, siempre fue un tema fundamental tratar de lograr una forma de onda lo más perfectamente senoidal posible, ya que eso garantizaba en gran medida la ausencia de distorsiones en los sistemas de potencia, y las consecuencias de éstas: pérdidas adicionales, calentamiento excesivo e ineficiencias varias.

Llegaron los ruidos

Como dijimos al principio, en las últimas décadas la electrónica tuvo su irrupción masiva en nuestras vidas. Y básicamente lo que más afecta son los semiconductores que se conectan directamente al sistema eléctrico. Esto se da en las fuentes conmutadas y/o controladas, que abarcan desde un simple cargador de celular hasta variadores de velocidad de motores de gran potencia, pasando por lámparas de bajo consumo, televisores, notebooks, pc’s, centrales telefónicas, plc’s e infinidad de otros dispositivos, muchos ya de consumo masivo.

Estas fuentes tienen la particularidad de consumir corriente de manera controlada y por lo tanto su forma de onda es generalmente muy diferente a la forma senoidal. Y la incidencia de este tipo de consumo es cada vez más gravitante, ya que pasó de ser un consumo muy marginal hasta la década del 70 a ser algo bastante habitual hoy, y en constante aumento.

El efecto inmediato y que ya se aprecia en muchas instalaciones es un aumento en las pérdidas en líneas y transformadores de distribución principalmente. En industrias con generación propia como son las azucareras, mineras, papeleras y otras industrias pesadas, estos ruidos afectan también a los generadores y son particularmente molestos para los sistemas convencionales de corrección de factor de potencia en base a capacitores.

Las pérdidas adicionales que ahora se presentan en estas instalaciones hacen que no se pueda generar o transmitir la potencia para las que fueron diseñadas en un primer momento, previo a los ruidos, ya que las temperaturas de trabajo alcanzadas serán superiores a las nominales, acelerando el envejecimiento de las máquinas y cables, poniendo en riesgo la seguridad del servicio.

Para establecer las capacidades reales de generadores y transformadores sometidos a corrientes con formas de onda fuertemente no senoidales se debe aplicar un factor llamado de “demérito” que es menor a la unidad y que es función de la cantidad de ruido presente en las corrientes que circulan.

En algunas instalaciones se va dar el caso de que el equipamiento existente es insuficiente para satisfacer la demanda a pesar de no aumentar el consumo, pero sí la forma de consumir. 

Y ahora quién podrá salvarnos?

Como en la legislación, “hecha la ley hecha la trampa”, en la electrotecnia también cuando aparecen los inconvenientes, aparecen las soluciones.

En general las soluciones empleadas consisten en brindar un camino alternativo a las corrientes molestas y que éstas no circulen por las líneas, transformadores y generadores de nuestra instalación. Esto se logra mediante distintos tipos de filtros. El diseño de estos filtros no es sencillo ya que dependen de cada instalación y además debe ser hecho con la suficiente previsión para no resultar contraproducente o inoperante si las condiciones del sistema varían, ya sea por las propias fluctuaciones de la carga o por modificaciones que se puedan realizar en la instalación en un futuro cercano.

Los estudios se basan en los análisis de las transformadas de Fourier de las ondas de corriente, las que permiten estudiar las formas de onda no senoidales descomponiendo las mismas en ondas senoidales de frecuencia fundamental (la componente útil en el proceso de transformación electromecánica o de conversión de energía activa) y otras de frecuencias múltiples de la fundamental, las que nos molestan. Estos componentes se conocen comúnmente como armónicas o armónicos, identificados por el número de “orden” que no es otra cosa que el múltiplo que le corresponde respecto de la fundamental.

El Factor de Potencia y el coseno fi:

La presencia de armónicas en nuestra instalación nos obliga a tener en cuenta ahora que "factor de potencia" y "cos fi" son conceptos muy distintos. El FP es el cociente entre la potencia activa y la potencia aparente total. Es de hacer notar que la potencia activa es el producto de la tensión y la corriente fundamentales por el coseno del ángulo de desfasaje entre ambos, el llamado "cos fi". Pero la potencia aparente involucra a todas las componentes (fundamental y armónicos) de las formas de onda de tensión y corriente. En instalaciones con fuerte distorsión armónica total (THD), puede fácilmente darse el caso de tener un excelente cos fi del órden de la unidad y sin embargo un factor de potencia muy bajo. Como ejemplo podemos citar una simple lámpara de bajo consumo, cuyo cos fi es superior a 0,97 y sin embargo su FP es menor a 0,5. En estos casos lo que debe compensarse en la instalación es el FP, algo un poco más complicado que en instalaciones "limpias", o sea, con THD despreciable.

Conclusiones

Los métodos de atenuación de los efectos nocivos de estos tipos de carga se van a convertir más temprano que tarde en dispositivos indispensables en toda instalación eléctrica de cierta consideración. Ya sea porque el usuario genera su propio sistema y desea resguardar la buena prestación del mismo o en el caso de quienes compran su energía porque el proveedor del servicio comenzará a exigir parámetros de calidad en el consumo, para no ver afectada su propia instalación.

De una forma u otra, los filtros para sistemas de potencia aparecieron para quedarse y va a depender del criterio de cada responsable del área determinar cuando es el momento de emprender los estudios para su implementación. Esto estará en función del grado de prevención que se quiera adoptar para anticiparse a los efectos nocivos que se puedan producir o si éstos ya empezaron a manifestarse en la instalación y la magnitud de los perjuicios que estén causando.

Pronto seguiremos con el estudio de LOS FILTROS DE ARMÓNICOS EN SISTEMAS DE POTENCIA...