LA NANO ELECTRONICA Y EL AUTOENSAMBLAJE
El acelerado desarrollo tecnológico del que hemos sido testigos las últimas décadas, ha llevado a la Humanidad a adaptarse rápidamente a nuevos conceptos e innovaciones. Dentro de una sociedad hambrienta de crecimiento, ha sido posible evolucionar desde gigantescas y costosas máquinas de cómputo a ordenadores portátiles, teléfonos móviles, revolucionarios sistemas médicos y un amplio espectro de herramientas electrónicas hoy en día fácilmente adquiribles, producto del desarrollo de dispositivos semiconductores cada vez más rápidos y con mayor capacidad de almacenamiento como las memorias digitales.
La evolución de la tecnología de los circuitos integrados que permite desarrollar sistemas cada vez más complejos está recogida en la denominada ley de Moore (1), pronosticada por Gordon Moore en y que puede ser enunciada de la siguiente manera: La capacidad de las memorias digitales de estado sólido aumenta a un ritmo de un factor de 2 cada 1.5 años (2). Lo anterior nos da una idea del máximo número de transistores por unidad de superficie que se puede integrar en un circuito; Siguiendo la ley de Moore, los circuitos integrados (CI) llegarán a tener densidades de 1012 bits / cm2 en aproximadamente 12 o 15 años. Comparando con el cerebro humano que contiene aproximadamente 1012 sinapsis / cm3 y haciendo la analogía entre una sinapsis y un bit, el sistema biológico y los circuitos integrados llegarán a tener densidades iguales dentro de 15 años.
Sin embargo, el aumento de la velocidad de respuesta y el número de transistores por chip han generando nuevos problemas para los diseñadores, quienes se han empeñado durante las últimas décadas en buscar soluciones que corrijan los efectos colaterales no deseados que surgen con la miniaturización (3).
Los retos de la tecnología actual
Actualmente los fabricantes, producen los chips de una "oblea" de silicio cortada de un lingote de cristal. La fabricación de estructuras muy complejas se basa en procesos de múltiple deposición, modelado y grabado, similares a esculpir sobre mármol, sin embargo, cuanto más pequeña es la estructura (nano dimensiones), los fabricantes deben pagar costos muy altos debidos a que el proceso requiere alta fidelidad. Una máquina de modelado de precisión cuesta alrededor de 15 millones de dólares y la evolución en los procesos de miniaturización sugieren que este tipo de herramientas será cada vez más costoso, sin contar con que una fábrica puede necesitar 50 de estas máquinas (4).
Según los expertos, las fábricas no podrán soportar los elevados costos que el avance tecnológico requiere, además de enfrentar las limitaciones propias de la tecnología del silicio (a escalas tan pequeñas, los dispositivos empiezan mostrar comportamientos diferentes)
Ante esta perspectiva, muchos científicos han apostado por las nuevas tendencias nano tecnológicas como la litografía basada en el ribosoma y el denominado Self- assembly (auto ensamble), en el cual los dispositivos se construyen así mismos, con alta densidad y perfecta funcionalidad que los hace competitivos en la práctica.
Nanofabricación
"Los principios de la física, como yo lo veo, no hablan sobre la posibilidad de maniobrar cosas
átomo por átomo. Esto no es un intento de violar alguna ley; es algo que en principio
se puede hacer; pero en la práctica, no se ha hecho porque somos demasiado grandes."
Richard Feynman (premio Nóbel de física 1959)
El modelo biológico
Tradicionalmente los sistemas físicos (puentes, ordenadores, teléfonos móviles, etc.) han sido diseñados por ingenieros mediante el uso de complejas y definidas reglas de diseño. Los diseños parten de lo general a lo específico contrastando con los procesos naturales que evolucionan constantemente. El diseño natural comienza como un conjunto de instrucciones codificadas en el ADN cuyas regiones de codificación son inicialmente transcritas al ARN dentro de los núcleos de las células y después a las proteínas en el citoplasma. El ADN contiene las instrucciones para la construcción de moléculas usando secuencias de amino ácidos que finalmente, después de innumerables y complejas reacciones químicas crean un organismo vivo.
La supervivencia de un organismo se puede ver como un proceso de ensamble de un enorme sistema con múltiples componentes o partes y como un proceso de pruebas continuas respecto al medio ambiente en el que se encuentra.
De acuerdo a lo anterior, la nano electrónica pretende manipular los procesos de construcción natural (siguiendo las leyes que en la naturaleza rigen estos procesos), para manufacturar complejos sistemas electrónicos buscando que los nano dispositivos al igual que los sistemas naturales (los árboles por ejemplo) sinteticen moléculas (en el caso de los árboles moléculas de dióxido de carbono y agua) sin ruido, calor, gases tóxicos o labor humana y que consuman además los contaminantes en el proceso.
De esta manera el nuevo reto consiste en la manipulación, precisa e intencionada, de la materia en el ámbito atómico para construir sistemas electrónicos. Para observar en perspectiva las dimensiones de lo que se discute, es importante citar que:
1 nanómetro = (10-9metros)
Una célula = 20 micrómetros (10-6metros)
Los métodos de fabricación actuales presentan dificultades de manipulación en el ámbito molecular. Se puede afirmar que intentamos armar bloques de ladrillos de plástico con guantes de boxeo en nuestras manos, es decir, podemos apilarlos unos con otros pero no podemos colocarlos como realmente quisiéramos. De manera que para desarrollar los dispositivos apropiados para esta manipulación se introduce el concepto de nano tecnología, que involucra a las ciencias Química y Bioquímica, Biología molecular y Física y a las tecnologías de la Ingeniería Electrónica y de Proteínas, hace uso de microscopios y pruebas de proximidad, imágenes electrónicas y posicionamiento molecular electrónico, química supramolecular y química computacional, que en conjunto buscan desarrollar una tecnología industrial capaz de fabricar con precisión molecular el mayor número de estructuras compatibles con las leyes de la física.
Nano electrónica
¿Cómo es posible que los organismos vivos, cuya complejidad es infinitamente mayor que la de muchos sistemas electrónicos actuales, puedan continuamente y a través de una interrelación profunda llevar a cabo el proceso natural de la auto-construcción?
En contraste y desde nuestra actual perspectiva resultaría ilógico pensar que un Boeing 777 pueda hacer lo mismo. Los ingenieros trabajan actualmente en diseñar los materiales, la arquitectura y las condiciones ambientales que hagan posible que nuestras complejas estructuras tecnológicas como dispositivos electrónicos y ordenadores puedan llegar a auto-organizarse, aunque por ahora desconozcamos muchos de los secretos que estas técnicas utilizan en la naturaleza.
Una de las aplicaciones
Una de las ideas de los investigadores de la nano electrónica es la posibilidad de reducir aún más el tamaño de ciertos dispositivos como las memorias de semiconductor que actualmente se utilizan en los ordenadores, por memorias moleculares.
El mundo de la computación se basa en la lógica booleana, es decir en sistemas de numeración binarios que se utilizan debido a la facilidad para la manipulación de datos cuando se diseñan sistemas con dos símbolos (ceros y unos) en lugar del decimal (10 símbolos) para representar datos mediante señales eléctricas (es más fácil manipular dos señales eléctricas en lugar de diez), de manera que mediante arreglos binarios podemos representar cualquier variable física, procesarla y dar una respuesta. Las memorias convencionales están fabricadas de materiales semiconductores que almacenan cargas eléctricas (un uno lógico equivale a la presencia de carga eléctrica y un cero a su ausencia), con los sistemas moleculares se pretende reemplazar los dispositivos microelectrónicos que sirven para cumplir dichas tareas por uniones moleculares sencillas en las que un átomo de hidrógeno representa un uno lógico y un átomo de flúor un cero, consiguiendo almacenar mayor cantidad de información en espacios más reducidos (5).
Principios del autoensamble
Auto- ensamble (Self-assembly)
Más allá de la anterior aplicación encontramos que no sólo la posibilidad de manipular elementos a escala nano dimensional es la meta; se trata también de que una vez desarrollados los equipos para manipulación de materiales de estas magnitudes, podamos descubrir los mecanismos que utilizan los organismos vivientes para reproducirse y poder implementar fábricas automáticas de dispositivos moleculares, siguiendo las cadenas naturales de auto-ensamble.
Los investigadores parten de que un sistema inteligente acumula, organiza y procesa información procedente de su entorno, y contrariamente, los sistemas que carecen de estas características tienden hacia el caos. La pregunta es: ¿qué clase de información define que el universo o los átomos se organicen en entidades complejas como células vivas o sistemas galácticos sin caer en el caos?
Las respuestas dadas por muchos científicos apuntan a considerar que parte de esta información está contenida en derivaciones experimentales de constantes físicas universales como la constante de Planck, la velocidad de la luz, la gravedad, la constante de Boltzman y otras. Aunque la tarea de calcular dichas constantes está hasta ahora comenzando, sus valores no son arbitrarios, y esto lo demuestran muchas de las formaciones orgánicas e inorgánicas conocidas que siguen patrones uniformes (el cuerpo humano, la organización de los átomos de cristales en enrejados regulares, etc.)
Por ejemplo, el equilibrio termodinámico es la información intrínseca que permite a los átomos de cristales formar estructuras hexagonales o cúbicas, los copos de nieve utilizan la información de presión, temperatura y flujo de viento de su entorno para auto- organizar su sistema atómico y definir sus uniformes y complejas formas (6).
La anterior información se utiliza actualmente en la producción de algunos polímeros de escala nanométrica que son fabricados a través de la manipulación adecuada de las características de los monómeros y algunas fuerzas externas.
Finalmente, se puede definir el auto ensamble como la construcción automática de estructuras ordenadas ó complejas partiendo de pequeños bloques de construcción con un flujo mínimo de información morfológica.
El cambio de los conceptos tradicionales
Los circuitos integrados tradicionales consisten en una serie de interruptores eléctricos y cables tan pequeños y económicos como sea posible, idénticos y reproducibles en serie. Será entonces muy difícil -si no imposible- para la fabricación tradicional de semiconductores, producir circuitos con la exactitud necesaria a niveles subatómicos. En la búsqueda de soluciones a estos problemas, los investigadores intentan cambiar algunos conceptos básicos acerca de los dispositivos y sus interconexiones.
El cambio de ideas sobre los interruptores e interconexiones
La electrónica molecular utilizada para construir circuitos integrados a partir de átomos o moléculas idénticas, ha cobrado nuevamente importancia debido a las herramientas que actualmente posee la química; una nueva generación de investigadores está trabajando en el diseño de estructuras moleculares análogas a los circuitos electrónicos como sumadores digitales y compuertas lógicas.
En lugar de ver un ordenador como un sistema de interruptores interconectados mediante cables, en circuitos a nano escalas, debemos ver un computador como un conjunto de cables de interconexión que tienen interruptores que cuelgan de ellos.
Perspectivas de desarrollo
Las nano tecnologías, en su acepción más general, -técnicas de manipulación o control a escala nano técnica e incluso molecular o atómica- no tendrán aplicación práctica hasta dentro de unas décadas. Sin embargo, las previsiones apuntan a que estarán presentes en todos los campos de las ciencias y supondrán, según los expertos, una revolución sólo comparable a la que ha supuesto la microelectrónica.
Países como Estados Unidos, Japón, Suiza, Alemania y otros, están invirtiendo enormes cantidades de dinero en su investigación sobre la ciencia de la nano escala y la tecnología que conlleva. Los Estados Unidos anunciaron en el 2000 que en su nuevo presupuesto para algunas universidades de California dedicaría doscientos mil millones de pesetas a investigación biomédica pero que también quería dejar como legado un presupuesto de cien mil millones de pesetas en iniciativas sobre nano tecnología, porque para ellos es claro que ésta tiene un horizonte sin fin por el momento. Suiza, dedicará a esta iniciativa ocho mil millones de pesetas en cuatro años; Japón setenta mil millones aproximadamente en cuatro años.
En todos los países situados a la cabeza del desarrollo tecnológico, cobran cada día más relevancia las investigaciones en estos campos, entendiéndose como un proceso de revolución tecnológica posterior al vertiginoso cambio que ha supuesto la microelectrónica.
Notas
1. Moore 1979.
2. Aunque en los últimos años este factor se ha incrementado notablemente.
3. Al reducir el tamaño de ciertos dispositivos, estos empiezan a presentar comportamientos que difieren de los que inicialmente establecieron su diseño.
4. Rubio, 2000.
5 Un proyecto de la NASA de almacenamiento de datos de alta densidad, pretende conseguir densidades de 1015 bytes por cm2
6 Zhirnov y Herr, 2001.
Wednesday, May 17, 2006
Friday, April 28, 2006
CORRIENTE ESTATICA
En el curso de Circuitos Electronicos, analizamos el comportamiento de los transistores de efecto de campo o FET, los cuales a su vez se dividen en dos grandes grupos: los FET de juntura o union (JFET) y los FET de compuerta aislada (IGFET), llamados tambien MOSFET por su estructura de tres capas (Metal-Oxido-Semiconductor).
Cuando trabajamos con los FET, el principal inconveniente lo representa su sensibilidad a las corrientes estaticas que se producen cuando se toca directamente con las manos los terminales de los componentes, esta caracteristica se acentua mas en los JFET. Esto nos obliga a tener que trabajar con sumo cuidado para evitar el deterioro de los dispositivos. Por ejemplo se debe evitar retirar el componente y volverlo a colocar sin antes haber desconectado la fuente de alimentacion, al momento de verificar los terminales del dispositivo, evitar hacer cruces entre ellos con las puntas del instrumento, entre otras precauciones mas.
En el caso del MOSFET se deben tener las mismas consideraciones para evitar su deterioro, pero en este caso ayuda a nuestro proposito el hecho de que los MOSFET en su mayoria tienen incorporado un diodo interno de proteccion entre Drenador y Surtidor, que protege al componente contra corrientes estaticas.
Ya que estamos hablando de corrientes estáticas, sería bueno definirla: la corriente o electricidad estática es, como su nombre lo indica, estática (no se mueve), pues a diferencia de la corriente que todos conocen es una corriente que no va a ninguna parte. Tanto la corriente continua como la corriente alterna fluyen en algún sentido, la corriente estática no.
Esta corriente aparece principalmente por el efecto de la fricción entre dos cuerpos. Este efecto se da, por ejemplo, cuando se camina sobre una alfombra, cuando una persona se peina, el roce entre el peine y el cabello causa que un cuerpo pierda y el otro gane electrones, etc.
Cuando hay contacto entre dos cuerpos hay electrones de un cuerpo que pasan al otro, de manera que un cuerpo queda con más electrones y en consecuencia más negativo y otro con menos electrones (los electrones que acaba de perder) y en consecuencia más positivo. Como no existe un camino para que los electrones regresen al cuerpo original, este desbalance se mantiene.
Cuando trabajamos con los FET, el principal inconveniente lo representa su sensibilidad a las corrientes estaticas que se producen cuando se toca directamente con las manos los terminales de los componentes, esta caracteristica se acentua mas en los JFET. Esto nos obliga a tener que trabajar con sumo cuidado para evitar el deterioro de los dispositivos. Por ejemplo se debe evitar retirar el componente y volverlo a colocar sin antes haber desconectado la fuente de alimentacion, al momento de verificar los terminales del dispositivo, evitar hacer cruces entre ellos con las puntas del instrumento, entre otras precauciones mas.
En el caso del MOSFET se deben tener las mismas consideraciones para evitar su deterioro, pero en este caso ayuda a nuestro proposito el hecho de que los MOSFET en su mayoria tienen incorporado un diodo interno de proteccion entre Drenador y Surtidor, que protege al componente contra corrientes estaticas.
Ya que estamos hablando de corrientes estáticas, sería bueno definirla: la corriente o electricidad estática es, como su nombre lo indica, estática (no se mueve), pues a diferencia de la corriente que todos conocen es una corriente que no va a ninguna parte. Tanto la corriente continua como la corriente alterna fluyen en algún sentido, la corriente estática no.
Esta corriente aparece principalmente por el efecto de la fricción entre dos cuerpos. Este efecto se da, por ejemplo, cuando se camina sobre una alfombra, cuando una persona se peina, el roce entre el peine y el cabello causa que un cuerpo pierda y el otro gane electrones, etc.
Cuando hay contacto entre dos cuerpos hay electrones de un cuerpo que pasan al otro, de manera que un cuerpo queda con más electrones y en consecuencia más negativo y otro con menos electrones (los electrones que acaba de perder) y en consecuencia más positivo. Como no existe un camino para que los electrones regresen al cuerpo original, este desbalance se mantiene.
Friday, April 07, 2006
ARMÓNICOS EN LAS REDES INDUSTRIALES
La contaminación armónica de una red aun cuando no es causal de la interrupción de la transmisión de la energía, hace sentir marcadamente sus efectos en la calidad de la misma.
El efecto de una o más fuentes de armónicos sobre las redes industriales, dependerá principalmente de la característica de respuesta de frecuencia del sistema.
La mayoría de las industrias se ven afectadas por los armónicos que se producen a través de los equipos que representan cargas no lineales para el sistema eléctrico en general.
La presencia de los armónicos en un sistema de red industrial trae graves consecuencias para la misma, ya que se producen daños de equipos que se traducen en pérdidas económicas debido a que al dañarse estos equipos pueden distorsionar el normal funcionamiento de un proceso determinado y por ende bajar la calidad de los productos que son elaborados en una industria con estos problemas.
En esta investigación se somero estudio sobre la presencia de los armónicos, quién los produce, los efectos que pueden causar sobre los equipos utilizados en las industrias y las medidas a tomar para disminuir los armónicos.
ARMÓNICOS
Son componentes senoidales de una forma de onda periódica y compleja, cuya frecuencia son múltiplos enteros de la onda fundamental, requeridos para la operación de las cargas no lineales y tienden a circular desde las cargas no lineales hacia las impedancias mas pequeñas que estén conectadas a la red. En otras palabras se puede decir que los armónicos son el resultado del análisis que se le hace a una onda distorsionada de tensión o corriente apoyado en el desarrollo de las Series de Fourier.
Como se producen los Armónicos
Los armónicos se producen a través de los equipos que representan cargas no lineales para el sistema eléctrico en general.
Una carga no lineal demanda corriente en pulsos abruptos, en lugar de una onda sinusoidal. La manera como las cargas no lineales requieren la corriente es lo que origina las armónicas en el sistema, y la magnitud de la distorsión está determinada por la amplitud y la recurrencia de las armónicas.
Las cargas no lineales, pueden dividirse en tres grupos principales:
- Las cargas con impedancia variable tales como: hornos de arco e iluminación fluorescente.
- Cargas con circuitos magnéticos saturados, hornos de inducción, etc.
- Cargas a semiconductores como: convertidores estáticos AC/DC, convertidores estáticos de frecuencia, ups, y rectificadores.
En instalaciones con presencia de condensadores de compensación los armónicos se reparten entre los condensadores y la red y pueden ser notablemente incrementados dando lugar al fenómeno conocido como resonancia paralelo o antiresonancia.
Evidencia de la presencia de Armónicos en la red
Se puede inferir la presencia de armónicos en un sistema de potencia cuando:
- Se presenta calentamiento y vibraciones excesivas en las máquinas rotativas tales como: motores, generadores, etc.
- Sobrecalentamiento de los conductores.
- Daño de los fusibles que protegen a los bancos de condensadores de corrección del factor de potencia.
- Disparos innecesarios de los relés y breakers de protecciones.
- Operación incorrecta de los circuitos de disparo de equipos electrónicos basados en paso por cero de la corriente y la tensión.
- Error en los equipos de medición de estado sólido.
- Interferencia en los circuitos de comunicación.
- Señales de interferencia en los circuitos electrónicos y mal funcionamiento de los relés electrónicos.
- Falla en los bancos de condensadores.
- Sobretensiones y excesivas corrientes en los circuitos debido a la resonancia.
- Destrucción del dieléctrico en cables aislados y capacitores instalados.
- Oscilaciones mecánicas exageradas en los motores eléctricos.
Existen otros problemas atribuidos en teoría a la presencia de los armónicos, estos problemas son:
- Pérdidas inexplicables de la data en las memorias de las computadoras.
- Fallas en los capacitores en las unidades de alimentación.
- Excesivo calentamiento y fallas en los sistemas de iluminación.
Efecto de los Armónicos
En forma general, todos los equipos se ven afectados por la presencia de corrientes armónicas, debido a que muchas veces se traduce en pérdidas de energía en los conductores, sobrecalentamiento de los motores, así como también caídas de voltajes.
Existen equipos que son pocos susceptibles a la presencia de armónicos como lo son los hornos y soldadores de arco, ya que la función es de calentamiento y no dependen de la calidad de la energía. Pero hay equipos mas susceptibles ya que su diseño o funcionamiento asume una perfecta alimentación sinusoidal. Sin embargo, los motores se encuentran entre estos dos extremos de susceptibilidad, ya que ellos pueden tolerar relativamente a los armónicos.
Para una mejor comprensión de los efectos de los armónicos sobre los equipos y los sistemas de potencia se estudiará a continuación de una manera individual.
Efecto de los armónicos sobre las redes Industriales
El impacto más significativo que tienen los armónicos sobre las redes es que pueden causar las llamadas pérdidas por efecto Joule caracterizada por el calentamiento de los elementos del sistema, además pueden provocar que el control y Monitoreo de los equipos de medición hagan registros de forma inadecuada. Adicionalmente, los armónicos pueden causar distorsiones en el voltaje. Estos efectos ocurren principalmente como resultado de situaciones de resonancia paralela o en serie, ya que la resonancia del sistema es el factor mas importante que afecta los armónicos existentes en la red. Cuando las condiciones de resonancia no se presentan y no son un problema para la red, el sistema tiene la capacidad de absorber cantidades significativas de corrientes armónicas sin mayores problemas. Cuando no está presente una condición de resonancia, las corrientes armónicas que puedan existir, fluirán a la a la fuente de alimentación (transformadores y generadores).
Efecto de los armónicos sobre las Cargas y Dispositivos
Motores y Generadores
El mayor efecto de las corrientes y voltajes armónicos en las máquinas rotativas (inducción y sincrónicas) es el incremento del calentamiento debido a las pérdidas en el entrehierro y el cobre por frecuencias armónicas. Los componentes de armónicos de voltaje afectarán la eficiencia de la máquina y pueden afectar el torque desarrollado por las misma.
Las corrientes armónicas en un motor pueden dar lugar a emisión de ruidos (oscilaciones mecánicas) en comparación con la excitación sinusoidal. Estas corrientes armónicas también producen una distribución de flujo resultante en el entrehierro llamado cogging (rechazo para arrancar suavemente) o crawling (alto deslizamiento) en los motores de inducción.
Transformadores
Además de los armónicos aplicados a transformadores pueden resultar en un aumento de niveles de ruidos audibles, el efecto principal de los armónicos en los transformadores es el calentamiento producido por corrientes parásitas. Las corrientes armónicas causan pérdidas adicionales a las producidas en el cobre y generan flujos desviados a los arrollamientos, mientras que los armónicos de voltaje causan un incremento en las pérdidas del hierro.
En algunas bibliografías se propone un límite sobre los niveles de armónicos en las corrientes del transformador con el límite superior del factor de distorsión de corriente ajustado a un 5% de la corriente nominal.
Capacitores
El mayor interés que surge del uso de los capacitores en un sistema de potencia es la posibilidad de resonancia en el sistema. Este efecto impone voltajes y corrientes que son considerablemente mayores a los que serían para el caso sin resonancia.
La reactancia de una banco de condensadores disminuye con la frecuencia, y de esta manera actúa como un dispositivo para corrientes armónicas mayores. Este efecto aumenta las tensiones dieléctricas y el calentamiento dentro del capacitor, las tensiones dieléctricas en el capacitor son de importancia porque los voltajes armónicos son aditivas al pico de voltaje fundamental. Como resultado de esto, la película dieléctrica en el capacitor está sujeta a mayores voltajes que los permitidos por el diseño de este y trae como consecuencia fatigas en el aislamiento, lo que a su vez ocasiona la disminución de la vida útil del capacitor.
Equipos de Medición
La medición e instrumentación son afectadas por los componentes armónicos, particularmente si existen condiciones resonantes que resultan en los altos voltajes y corrientes armónicas, los dispositivos de disco de inducción, tales como los medidores de Kilovatios – horas (KWh), normalmente ven solamente la corriente fundamental que está en la fase con el voltaje fundamental. Las corrientes armónicas también se registrarán en el medidor debido a que la mayoría del voltaje armónico está fuera de fase con la corriente armónica.
Estudios realizados han demostrado que los errores positivos y negativos son posibles con la distorsión armónica presente, dependiendo del tipo de medidor bajo consideración y de los armónicos involucrados.
Cables de Potencia
Los cables involucrados en la resonancia del sistema pueden estar sujetos a esfuerzos y al efecto corona, lo cual puede conducir a fallas dieléctricas en el aislamiento. Os cables que están sujetos a niveles ordinarios de corrientes armónicas están propensos a calentamientos elevados.
El flujo no sinusoidal en un conductor, producirá un calentamiento adicional por encima de lo esperado para un valor rms de la forma de onda. Esto se debe al fenómeno conocido como efecto piel o de proximidad, los cuales varían como una función de la frecuencia, así como también, del tamaño del conductor. Como resultado estos dos efectos, la resistencia efectiva de corriente alterna se eleva por encima de la resistencia de corriente directa, especialmente para conductores grandes.
Equipos Electrónicos
Los equipos electrónicos pueden ser susceptibles a los efectos de la distorsión armónica. Estos equipos pueden ser afectados debido a la inclusión de armónicos, a través del suministro de potencia del equipo o por medio del acoplamiento magnético de los armónicos en las componentes del equipo.
Las computadoras y los equipos asociados a esta, tales como los controladores programables, frecuentemente requieren de fuentes de corrientes alternas que no poseen mas del 5% del factor de distorsión de voltaje armónico. Niveles mayores de armónicos provocan un mal funcionamiento del equipo en ocasiones imperceptible, lo cual puede, en algunos casos traer consecuencias serias. Los instrumentos pueden ser afectados de manera similar, dando datos erróneos de modo impredecible.
Mecanismos de Control y Relés
Al igual que otro tipo de equipos, las corrientes armónicas pueden aumentar el calentamiento y las pérdidas en mecanismos de control, reduciendo la capacidad de transporte de corriente, acortando la vida de algunos componentes de aislamiento.
Los fusibles pueden reducir su capacidad debido al calor generado por los armónicos durante las operaciones normales. En general, los niveles armónicos que se requieren para causar una mala operación de los relés son mayores que los niveles recomendados por los estándares.
Interferencia Telefónica
Las corrientes armónicas y voltajes asociados con las cargas no lineales pueden inducir campos magnéticos y eléctricos en circuitos de comunicación que están en paralelo con los conductores de potencia. Cuando estas corrientes inducidas fluyen en los sistemas de comunicación, producen voltajes, dando como resultado ruido en los circuitos.
Métodos para disminuir los Armónicos
Existen tres métodos para tratar de reducir o controlar los niveles de los armónicos provenientes de cargas no lineales en los sistemas de potencia industriales. Ellos son:
- Uso de filtros en paralelo.
- Multiplicación de fases.
- Inyección de corrientes Armónicas.
Filtros en Paralelo
El método comúnmente utilizado para disminuir el flujo de corrientes armónicas es la adición de filtros en paralelos a la red. Estos resultan de una combinación en serie de reactores (inductancias) y de capacitores (capacitancias). Los filtros en paralelo funcionan como las trampas de onda existentes en las subestaciones, debido a que estas trampas, que por lo general están en derivación, son de alta impedancia para la señal de 60Hz pero de muy baja impedancia para las señales de comunicación que son de alta frecuencia. De esta misma manera funcionan los filtros en derivación ya que drenan a tierra las corrientes armónicas que son de frecuencias superiores a 60Hz y las de esas frecuencias continúan su paso libre por las redes del sistema de potencia.
Multiplicación de Fases
Para alimentar pequeñas cargas se utilizan comúnmente convertidores monofasicos. Por el bajo costo inicial, un circuito de media onda puede usarse cuando los requerimientos de corrientes son pequeños, pero ellos producen gran cantidad de armónicos que poseen una componente DC que saturan a los transformadores, esto debe ser evitado, y es por ello que se recomienda el uso de convertidores de onda completa.
Inyección de Armónicos
Las corrientes armónicas pueden ser eliminadas por la inducción del flujo armónico en el núcleo de un transformador con defasaje de 180º con respecto al flujo armónico normal que induce las corrientes armónicas que fluyen por el secundario del transformador. Los compensadores activos (filtros activos) están haciendo un cambio radical en lo referente al filtraje de armónicos en el ámbito industrial.
CONCLUSIÓN
En los sistemas de potencia los equipos no lineales se constituyen en fuentes de corrientes armónicas generando la circulación de los mismos a través de la impedancia del sistema ocurriendo distorsión del voltaje; la respuesta frecuencial que ocurre en este tipo de reacción se da cuando se cambian los esquemas de alimentación , la topología de las redes, se realiza una compensación reactiva o se varía los niveles de cortocircuito.
El flujo de las corrientes armónicas tiende a circular desde las cargas no lineales hacia las impedancias que se encuentran conectadas a las red como por ejemplo transformadores y generadores. Los bancos de capacitores también representan una baja impedancia solo que a altas frecuencias, repitiéndose el fenómeno descrito anteriormente.
Enfrentarse a un problema de perturbaciones armónicas, no conlleva a la utilización de una metodología única, pues, cada caso tiene características particulares que lo distingue de otros, en consecuencia la solución de dicho problema va a depender del comportamiento de la carga o del sistema que alimente, sin embargo se puede precisar cuando un estudio de armónicos es requerido, bien sea por la presencia de una total distorsión armónica, por la existencia de banco de capacitores o por la expansión de la red.
Se puede concluir que todos los equipos son susceptibles a los armónicos sin embargo los efectos de los mismos resaltarán mas en aquellos equipos que requieren calidad de energía para su operatividad.
Ojeda Muñoz Marlib Victoria
El efecto de una o más fuentes de armónicos sobre las redes industriales, dependerá principalmente de la característica de respuesta de frecuencia del sistema.
La mayoría de las industrias se ven afectadas por los armónicos que se producen a través de los equipos que representan cargas no lineales para el sistema eléctrico en general.
La presencia de los armónicos en un sistema de red industrial trae graves consecuencias para la misma, ya que se producen daños de equipos que se traducen en pérdidas económicas debido a que al dañarse estos equipos pueden distorsionar el normal funcionamiento de un proceso determinado y por ende bajar la calidad de los productos que son elaborados en una industria con estos problemas.
En esta investigación se somero estudio sobre la presencia de los armónicos, quién los produce, los efectos que pueden causar sobre los equipos utilizados en las industrias y las medidas a tomar para disminuir los armónicos.
ARMÓNICOS
Son componentes senoidales de una forma de onda periódica y compleja, cuya frecuencia son múltiplos enteros de la onda fundamental, requeridos para la operación de las cargas no lineales y tienden a circular desde las cargas no lineales hacia las impedancias mas pequeñas que estén conectadas a la red. En otras palabras se puede decir que los armónicos son el resultado del análisis que se le hace a una onda distorsionada de tensión o corriente apoyado en el desarrollo de las Series de Fourier.
Como se producen los Armónicos
Los armónicos se producen a través de los equipos que representan cargas no lineales para el sistema eléctrico en general.
Una carga no lineal demanda corriente en pulsos abruptos, en lugar de una onda sinusoidal. La manera como las cargas no lineales requieren la corriente es lo que origina las armónicas en el sistema, y la magnitud de la distorsión está determinada por la amplitud y la recurrencia de las armónicas.
Las cargas no lineales, pueden dividirse en tres grupos principales:
- Las cargas con impedancia variable tales como: hornos de arco e iluminación fluorescente.
- Cargas con circuitos magnéticos saturados, hornos de inducción, etc.
- Cargas a semiconductores como: convertidores estáticos AC/DC, convertidores estáticos de frecuencia, ups, y rectificadores.
En instalaciones con presencia de condensadores de compensación los armónicos se reparten entre los condensadores y la red y pueden ser notablemente incrementados dando lugar al fenómeno conocido como resonancia paralelo o antiresonancia.
Evidencia de la presencia de Armónicos en la red
Se puede inferir la presencia de armónicos en un sistema de potencia cuando:
- Se presenta calentamiento y vibraciones excesivas en las máquinas rotativas tales como: motores, generadores, etc.
- Sobrecalentamiento de los conductores.
- Daño de los fusibles que protegen a los bancos de condensadores de corrección del factor de potencia.
- Disparos innecesarios de los relés y breakers de protecciones.
- Operación incorrecta de los circuitos de disparo de equipos electrónicos basados en paso por cero de la corriente y la tensión.
- Error en los equipos de medición de estado sólido.
- Interferencia en los circuitos de comunicación.
- Señales de interferencia en los circuitos electrónicos y mal funcionamiento de los relés electrónicos.
- Falla en los bancos de condensadores.
- Sobretensiones y excesivas corrientes en los circuitos debido a la resonancia.
- Destrucción del dieléctrico en cables aislados y capacitores instalados.
- Oscilaciones mecánicas exageradas en los motores eléctricos.
Existen otros problemas atribuidos en teoría a la presencia de los armónicos, estos problemas son:
- Pérdidas inexplicables de la data en las memorias de las computadoras.
- Fallas en los capacitores en las unidades de alimentación.
- Excesivo calentamiento y fallas en los sistemas de iluminación.
Efecto de los Armónicos
En forma general, todos los equipos se ven afectados por la presencia de corrientes armónicas, debido a que muchas veces se traduce en pérdidas de energía en los conductores, sobrecalentamiento de los motores, así como también caídas de voltajes.
Existen equipos que son pocos susceptibles a la presencia de armónicos como lo son los hornos y soldadores de arco, ya que la función es de calentamiento y no dependen de la calidad de la energía. Pero hay equipos mas susceptibles ya que su diseño o funcionamiento asume una perfecta alimentación sinusoidal. Sin embargo, los motores se encuentran entre estos dos extremos de susceptibilidad, ya que ellos pueden tolerar relativamente a los armónicos.
Para una mejor comprensión de los efectos de los armónicos sobre los equipos y los sistemas de potencia se estudiará a continuación de una manera individual.
Efecto de los armónicos sobre las redes Industriales
El impacto más significativo que tienen los armónicos sobre las redes es que pueden causar las llamadas pérdidas por efecto Joule caracterizada por el calentamiento de los elementos del sistema, además pueden provocar que el control y Monitoreo de los equipos de medición hagan registros de forma inadecuada. Adicionalmente, los armónicos pueden causar distorsiones en el voltaje. Estos efectos ocurren principalmente como resultado de situaciones de resonancia paralela o en serie, ya que la resonancia del sistema es el factor mas importante que afecta los armónicos existentes en la red. Cuando las condiciones de resonancia no se presentan y no son un problema para la red, el sistema tiene la capacidad de absorber cantidades significativas de corrientes armónicas sin mayores problemas. Cuando no está presente una condición de resonancia, las corrientes armónicas que puedan existir, fluirán a la a la fuente de alimentación (transformadores y generadores).
Efecto de los armónicos sobre las Cargas y Dispositivos
Motores y Generadores
El mayor efecto de las corrientes y voltajes armónicos en las máquinas rotativas (inducción y sincrónicas) es el incremento del calentamiento debido a las pérdidas en el entrehierro y el cobre por frecuencias armónicas. Los componentes de armónicos de voltaje afectarán la eficiencia de la máquina y pueden afectar el torque desarrollado por las misma.
Las corrientes armónicas en un motor pueden dar lugar a emisión de ruidos (oscilaciones mecánicas) en comparación con la excitación sinusoidal. Estas corrientes armónicas también producen una distribución de flujo resultante en el entrehierro llamado cogging (rechazo para arrancar suavemente) o crawling (alto deslizamiento) en los motores de inducción.
Transformadores
Además de los armónicos aplicados a transformadores pueden resultar en un aumento de niveles de ruidos audibles, el efecto principal de los armónicos en los transformadores es el calentamiento producido por corrientes parásitas. Las corrientes armónicas causan pérdidas adicionales a las producidas en el cobre y generan flujos desviados a los arrollamientos, mientras que los armónicos de voltaje causan un incremento en las pérdidas del hierro.
En algunas bibliografías se propone un límite sobre los niveles de armónicos en las corrientes del transformador con el límite superior del factor de distorsión de corriente ajustado a un 5% de la corriente nominal.
Capacitores
El mayor interés que surge del uso de los capacitores en un sistema de potencia es la posibilidad de resonancia en el sistema. Este efecto impone voltajes y corrientes que son considerablemente mayores a los que serían para el caso sin resonancia.
La reactancia de una banco de condensadores disminuye con la frecuencia, y de esta manera actúa como un dispositivo para corrientes armónicas mayores. Este efecto aumenta las tensiones dieléctricas y el calentamiento dentro del capacitor, las tensiones dieléctricas en el capacitor son de importancia porque los voltajes armónicos son aditivas al pico de voltaje fundamental. Como resultado de esto, la película dieléctrica en el capacitor está sujeta a mayores voltajes que los permitidos por el diseño de este y trae como consecuencia fatigas en el aislamiento, lo que a su vez ocasiona la disminución de la vida útil del capacitor.
Equipos de Medición
La medición e instrumentación son afectadas por los componentes armónicos, particularmente si existen condiciones resonantes que resultan en los altos voltajes y corrientes armónicas, los dispositivos de disco de inducción, tales como los medidores de Kilovatios – horas (KWh), normalmente ven solamente la corriente fundamental que está en la fase con el voltaje fundamental. Las corrientes armónicas también se registrarán en el medidor debido a que la mayoría del voltaje armónico está fuera de fase con la corriente armónica.
Estudios realizados han demostrado que los errores positivos y negativos son posibles con la distorsión armónica presente, dependiendo del tipo de medidor bajo consideración y de los armónicos involucrados.
Cables de Potencia
Los cables involucrados en la resonancia del sistema pueden estar sujetos a esfuerzos y al efecto corona, lo cual puede conducir a fallas dieléctricas en el aislamiento. Os cables que están sujetos a niveles ordinarios de corrientes armónicas están propensos a calentamientos elevados.
El flujo no sinusoidal en un conductor, producirá un calentamiento adicional por encima de lo esperado para un valor rms de la forma de onda. Esto se debe al fenómeno conocido como efecto piel o de proximidad, los cuales varían como una función de la frecuencia, así como también, del tamaño del conductor. Como resultado estos dos efectos, la resistencia efectiva de corriente alterna se eleva por encima de la resistencia de corriente directa, especialmente para conductores grandes.
Equipos Electrónicos
Los equipos electrónicos pueden ser susceptibles a los efectos de la distorsión armónica. Estos equipos pueden ser afectados debido a la inclusión de armónicos, a través del suministro de potencia del equipo o por medio del acoplamiento magnético de los armónicos en las componentes del equipo.
Las computadoras y los equipos asociados a esta, tales como los controladores programables, frecuentemente requieren de fuentes de corrientes alternas que no poseen mas del 5% del factor de distorsión de voltaje armónico. Niveles mayores de armónicos provocan un mal funcionamiento del equipo en ocasiones imperceptible, lo cual puede, en algunos casos traer consecuencias serias. Los instrumentos pueden ser afectados de manera similar, dando datos erróneos de modo impredecible.
Mecanismos de Control y Relés
Al igual que otro tipo de equipos, las corrientes armónicas pueden aumentar el calentamiento y las pérdidas en mecanismos de control, reduciendo la capacidad de transporte de corriente, acortando la vida de algunos componentes de aislamiento.
Los fusibles pueden reducir su capacidad debido al calor generado por los armónicos durante las operaciones normales. En general, los niveles armónicos que se requieren para causar una mala operación de los relés son mayores que los niveles recomendados por los estándares.
Interferencia Telefónica
Las corrientes armónicas y voltajes asociados con las cargas no lineales pueden inducir campos magnéticos y eléctricos en circuitos de comunicación que están en paralelo con los conductores de potencia. Cuando estas corrientes inducidas fluyen en los sistemas de comunicación, producen voltajes, dando como resultado ruido en los circuitos.
Métodos para disminuir los Armónicos
Existen tres métodos para tratar de reducir o controlar los niveles de los armónicos provenientes de cargas no lineales en los sistemas de potencia industriales. Ellos son:
- Uso de filtros en paralelo.
- Multiplicación de fases.
- Inyección de corrientes Armónicas.
Filtros en Paralelo
El método comúnmente utilizado para disminuir el flujo de corrientes armónicas es la adición de filtros en paralelos a la red. Estos resultan de una combinación en serie de reactores (inductancias) y de capacitores (capacitancias). Los filtros en paralelo funcionan como las trampas de onda existentes en las subestaciones, debido a que estas trampas, que por lo general están en derivación, son de alta impedancia para la señal de 60Hz pero de muy baja impedancia para las señales de comunicación que son de alta frecuencia. De esta misma manera funcionan los filtros en derivación ya que drenan a tierra las corrientes armónicas que son de frecuencias superiores a 60Hz y las de esas frecuencias continúan su paso libre por las redes del sistema de potencia.
Multiplicación de Fases
Para alimentar pequeñas cargas se utilizan comúnmente convertidores monofasicos. Por el bajo costo inicial, un circuito de media onda puede usarse cuando los requerimientos de corrientes son pequeños, pero ellos producen gran cantidad de armónicos que poseen una componente DC que saturan a los transformadores, esto debe ser evitado, y es por ello que se recomienda el uso de convertidores de onda completa.
Inyección de Armónicos
Las corrientes armónicas pueden ser eliminadas por la inducción del flujo armónico en el núcleo de un transformador con defasaje de 180º con respecto al flujo armónico normal que induce las corrientes armónicas que fluyen por el secundario del transformador. Los compensadores activos (filtros activos) están haciendo un cambio radical en lo referente al filtraje de armónicos en el ámbito industrial.
CONCLUSIÓN
En los sistemas de potencia los equipos no lineales se constituyen en fuentes de corrientes armónicas generando la circulación de los mismos a través de la impedancia del sistema ocurriendo distorsión del voltaje; la respuesta frecuencial que ocurre en este tipo de reacción se da cuando se cambian los esquemas de alimentación , la topología de las redes, se realiza una compensación reactiva o se varía los niveles de cortocircuito.
El flujo de las corrientes armónicas tiende a circular desde las cargas no lineales hacia las impedancias que se encuentran conectadas a las red como por ejemplo transformadores y generadores. Los bancos de capacitores también representan una baja impedancia solo que a altas frecuencias, repitiéndose el fenómeno descrito anteriormente.
Enfrentarse a un problema de perturbaciones armónicas, no conlleva a la utilización de una metodología única, pues, cada caso tiene características particulares que lo distingue de otros, en consecuencia la solución de dicho problema va a depender del comportamiento de la carga o del sistema que alimente, sin embargo se puede precisar cuando un estudio de armónicos es requerido, bien sea por la presencia de una total distorsión armónica, por la existencia de banco de capacitores o por la expansión de la red.
Se puede concluir que todos los equipos son susceptibles a los armónicos sin embargo los efectos de los mismos resaltarán mas en aquellos equipos que requieren calidad de energía para su operatividad.
Ojeda Muñoz Marlib Victoria
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