Durante muchos años, los transformadores para rectificadores/inversores fallaban debido al envejecimiento prematuro causado por un calentamiento excesivo. Con el tiempo, y gracias al desarrollo de diversas normas (IEEE C57.110 e IEC 61378 son buenos ejemplos), el efecto de los componentes de corriente armónica se comprendió mejor y se asoció correctamente con el sobrecalentamiento en los devanados de los transformadores.
La siguiente figura nos ayuda a comprender el flujo de potencia en estos sistemas. Es importante destacar que el sistema de potencia impone el voltaje, y el inversor y la carga definen la forma de onda de la corriente.
Hoy en día, todos sabemos que los armónicos de corriente provocan un aumento de las pérdidas en los transformadores dependientes de la frecuencia. Estas pérdidas son parásitas en los devanados o en vigas, tanques y otros elementos metálicos, debido al campo disperso. Para colmo, las pérdidas parásitas suelen ser más intensas en los extremos de los devanados y su aumento afecta directamente al punto más caliente del transformador (el punto caliente). Esta fue la causa de tantas fallas en transformadores, ya que la temperatura del punto caliente es el factor que más influye en la vida útil de este equipo. Se suele afirmar que por cada 6 °C de aumento en el punto caliente, la vida útil del transformador se reduce a la mitad (de hecho, esto es un hecho y una consecuencia de aplicar la ecuación de Arrhenius, que la norma IEC 60076-7 explica adecuadamente).
Las normas mencionadas acabaron definiendo algunas magnitudes que facilitan la definición del impacto de los armónicos de corriente en los transformadores. El factor K y el factor FHL son formas de expresar el aumento de las pérdidas parásitas en el transformador. En aplicaciones de rectificadores, los valores de factor K entre 4 y 8 eran comunes, y podían alcanzar 13 o más en aplicaciones más extremas sin filtros.
Cabe recordar que las configuraciones de transformadores multipulso, como 12, 18 y 36, ayudan a reducir los componentes transmitidos a la red (en realidad, se drenan de ella). En cuanto al orden de los componentes armónicos en estos transformadores para rectificadores, los más significativos fueron el 5.º y el 7.º, seguidos del 11.º y el 13.º, y así sucesivamente, siempre según el patrón N*6±1, donde N es un número natural. Sin embargo, cuanto mayor sea el orden del armónico, menor será su amplitud. ¿Quién no recuerda los nomogramas del libro del profesor Ivo Barbi?
Otro factor relevante en este contexto es la tasa de distorsión de tensión y corriente (THDv y THDi). En el caso de transformadores para rectificadores, no son infrecuentes valores de THDi superiores al 15 %.
Veamos ahora qué sucede en un parque de generación de energía fotovoltaica, los parques solares. Como indica la siguiente figura, el flujo es diferente. Ya no está tan claro quién impone la corriente o la tensión, pero lo cierto es que la corriente del transformador del colector es la suma de la corriente de todos los transformadores unitarios. Y estos parques deben cumplir una condición de calidad de energía muy específica: una THDi inferior al 5 %.
Esto indica que los armónicos de corriente generados por los generadores fotovoltaicos son menores que los de los sistemas rectificadores analizados en la introducción. Y eso es exactamente lo que ocurre. El requisito de calidad de la energía es una de las razones, pero existen otros puntos importantes. Uno de ellos es el orden de los armónicos; a diferencia de los rectificadores, los armónicos en los generadores fotovoltaicos dependen de la frecuencia de conmutación de los semiconductores (actualmente el carburo de silicio es el más común), que puede alcanzar hasta 4 kHz. Los armónicos principales serán múltiplos de la frecuencia de conmutación; por lo tanto, en un sistema de 60 Hz, comenzarán cerca del orden 66 y volverán a ser relevantes en el orden 132. El punto positivo es que cuanto mayor sea el orden del armónico, más fácil será filtrarlo, y los sistemas fotovoltaicos sin duda lo hacen (como se mencionó aquí).
En definitiva, es improbable que el transformador se someta alguna vez a un factor K superior a 3. Esto no es irrelevante, pero supone un cambio significativo con respecto a aplicaciones anteriores de electrónica de potencia, y debemos reflexionar dos veces antes de atribuir cualquier calentamiento excesivo a armónicos de corriente. Y otro punto interesante: el uso de transformadores multipulso no ayuda en absoluto, ya que no hay armónicos de orden bajo.
El objetivo de este artículo es más bien expositivo, con el objetivo de hacernos reflexionar un poco más sobre estas aplicaciones, que son tendencia no solo en Brasil.