La instalación de una batería de condensadores nos permitirá tener una instalación eficiente optimizándola tanto a nivel técnico como económico
Una carga inductiva con un bajo factor de potencia hace que los generadores y los sistemas de transmisión/distribución entreguen la corriente reactiva (retrasando la tensión del sistema en 90 grados) con pérdidas de energía asociadas y caídas de tensión.
Si se añade a la carga una batería de condensadores, su corriente reactiva (capacitiva) recorrerá la misma trayectoria a través del sistema de alimentación que la de la corriente reactiva de carga. Como esta corriente capacitiva IC (que desfasa la tensión 90 grados) está en oposición de fase directa a la corriente reactiva de carga (IL), los dos componentes que fluyen a través de la misma trayectoria se anularán mutuamente, de tal forma que si la batería de condensadores es suficientemente grande e IC = IL, no habrá flujo de corriente reactiva en el sistema aguas arriba de los condensadores.
Si se añade a la instalación una batería de condensadores con una potencia reactiva igual o mayor que la demandada por la instalación, aguas arriba de la batería de condensadores no habrá demanda de energía reactiva. Esto se ve gráficamente en la Figura L1 (a) y (b), donde:
• R representa los elementos de potencia activa de la carga.
• L representa los elementos de potencia reactiva (inductiva) de la carga.
• C representa los elementos de potencia reactiva (capacitiva) del equipo de corrección del factor de potencia.
Se observa en el diagrama (b) de la Figura L1 que la batería de condensadores C aparece como suministradora de toda la corriente reactiva de la carga. En el diagrama (c) de la Figura L1, se ha añadido el componente de corriente de potencia activa y se indica que la carga (totalmente compensada) tiene en el sistema de alimentación un factor de potencia de 1.
La Figura L2 utiliza el diagrama de potencia tratado anteriormente para ilustrar el principio de compensación al reducir una potencia reactiva Q a un valor más pequeño Q' mediante una batería de condensadores que tiene una potencia reactiva Qc. Con esto, se observa que la magnitud de la potencia aparente S se reduce a S'.
Ejemplo:
Un motor consume 100 kW con un factor de potencia de 0,75 (es decir, tan j = 0,88). Para mejorar el factor de potencia a 0,98 (por ejemplo, tan j = 0,2), la potencia reactiva de la batería de condensadores debe ser: Qc = 100 (0,88 - 0,2) = 68 kVAr.
Si las corrientes y tensiones son señales perfectamente sinusoidales, el factor de potencia es igual a cosj . El cosj hace referencia a valores de la fundamental, 50 Hz, y el factor de potencia a valores eficaces; es decir, teniendo en cuenta toda la componente armónica (H1, H3, H5, H7…). El factor de potencia siempre será inferior al cosj , aunque el cosj sea la unidad.
Optimización técnica y económica
Un factor de potencia o cosj elevado permite la optimización de los diferentes componentes de una instalación:
Reducción de la sección de los cables
Reducción de las pérdidas (P, kW) en cables:
Las pérdidas en los cables son proporcionales a la corriente al cuadrado y se cuantifican en kWh. La reducción de la corriente total en un conductor en un 10%, por ejemplo, reducirá las pérdidas en casi un 20%.
Reducción de las caídas de tensión
Nota: la sobrecompensación producirá un aumento de la tensión en los condensadores.
Aumento de la potencia disponible
Al mejorar el factor de potencia de la instalación, se reduce la corriente que pasa a través del transformador, lo que permite optimizar el transformador y añadir más receptores.
En la práctica, puede resultar menos costoso mejorar el factor de potencia, instalando equipos de compensación, que llegar a sustituir el transformador.
1- ¿Qué equipos se deben utilizar para la compensación en baja tensión?
En baja tensión, la compensación de la energía reactiva se puede realizar con:
• Condensadores fijos.
• Baterías automáticas de condensadores.
Condensadores fijos (Figura L3)
En esta configuración, se utilizan uno o varios condensadores para obtener la potencia reactiva necesaria. La conexión se puede realizar:
• Por interruptor de corte en carga o interruptor automático.
• Por contactor.
• Directamente a bornes del receptor a compensar y maniobrado conjuntamente.
La utilización de esta configuración se suele aplicar en:
• En bornes de los dispositivos inductivos (motores y transformadores).
• En los casos en los que el nivel de carga es razonablemente constante, y no hay riesgo de sobrecompensación.
En el REBT en la ITC-BT 43 - Apartado 2.7, Compensación del factor de potencia, se deduce que:
• Se podrá realizar la compensación de la energía reactiva pero en ningún momento la energía absorbida por la red podrá ser capacitiva.
• Se podrá realizar la compensación fija para uno o varios receptores siempre que funcionen por medio de un único interruptor, es decir simultáneamente.
• Para compensar la totalidad de la instalación se deberá instalar un equipo automático.
En la práctica, se realiza la compensación fija de algunos motores y de transformadores y una compensación automática para la compensación global en cabecera de la instalación.
Baterías de condensadores automáticos
Este tipo de equipos proporciona a la instalación la reactiva necesaria dentro de unos límites cercanos a un nivel seleccionado del factor de potencia. Generalmente, se instalan en los puntos de una instalación en los que las variaciones de potencia activa o reactiva son importantes, por ejemplo:
• En la cabecera de la instalación en el embarrado del CGBT.
• En la salida de un cuadro secundario con bastantes cargas inductivas.
Figura L4: Ejemplo de equipos de regulación de compensación automática
2- Principios y motivos del uso de la compensación automática
Un equipo de compensación automática debe ser capaz de adecuarse a las variaciones de potencia reactiva de la instalación para conseguir mantener el cos j objetivo de la instalación. Un equipo de compensación automática está constituido por 3 elementos principales:
• El regulador: cuya función es medir el cos j de la instalación y dar las órdenes a los contactores para intentar aproximarse lo más posible al cos j objetivo, conectando los distintos escalones de potencia reactiva.
• Los contactores: son los elementos encargados de conectar los distintos condensadores que configuran la batería. El número de escalones que es posible disponer en un equipo de compensación automática depende de las salidas que tenga el regulador.
• Los condensadores: son los elementos que aportan la energía reactiva a la instalación.
Además, para el correcto funcionamiento de un equipo de compensación automática, es necesaria la toma de datos de la instalación; los elementos externos son los que le permiten actuar al equipo correctamente:
• La lectura de intensidad: se debe conectar un transformador de intensidad que lea el consumo de la totalidad de la instalación.
• La lectura de tensión: normalmente se incorpora en la propia batería de manera que, al efectuar la conexión de potencia de la misma, ya se obtiene este valor.
Esta información de la instalación (tensión e intensidad) le permite al regulador efectuar el cálculo del cos existente en la instalación en todo momento y le capacita para tomar la decisión de introducir o sacar escalones de potencia reactiva.
3- Elección entre compensación fija o automática
Normas aplicadas habitualmente
Cuando la demanda de kVAr es inferior o igual al 10% de la potencia nominal del transformador de potencia, es posible la utilización de condensadores fijos. Para valores superiores al 10%, es recomendable instalar una batería de condensadores automática.
La ubicación de los equipos de compensación dentro de una instalación puede ser:
• Global (un equipo para toda la instalación).
• Parcial (grupo a grupo de receptores).
• Individual (en cada receptor).
En principio, la compensación ideal, a nivel técnico, es aquella que se aplica en el mismo punto de demanda. En la práctica, los factores técnicos y económicos determinarán la elección del equipo.
4- ¿Dónde se deben instalar los equipos de compensación?
4.1 Compensación global
Principio
La batería de condensadores está conectada al embarrado del cuadro de distribución principal de baja tensión y permanece en servicio durante el periodo de carga normal.
Ventajas:
• Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de energía reactiva.
• Ajusta la potencia aparente (S en kVA) a la necesidad real de la instalación.
• Descarga el centro de transformación (potencia disponible en kW).
Observaciones
• La corriente reactiva (Ir) está presente en la instalación desde el nivel 1 hasta los receptores.
• Las pérdidas por efecto Joule en los cables no quedan disminuidas. 4.2 Compensación por grupos
Principio
Los equipos de compensación están conectados en el embarrado de cada cuadro de distribución local, tal como se muestra en la Figura L7. Una parte significativa de la instalación se ve beneficiada por este tipo de compensación, sobre todo los cables de alimentación del CGBT y cada uno de los cuadros de distribución secundarios en los que se aplican las medidas de compensación.
Ventajas
• Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de energía reactiva.
• Optimiza una parte de la instalación.
• Descarga el centro de transformación (potencia disponible en kW).
• Reducción de la sección de cables aguas arriba.
Observaciones
• La corriente reactiva (Ir) está presente en una parte de la instalación.
• Las pérdidas por efecto Joule en los cables disminuyen.
4.3 Compensación individual
Principio
Los condensadores se conectan directamente en bornes de los receptores (especialmente motores). Es recomendable utilizar la compensación individual cuando la potencia del motor es significativa con respecto al conjunto de la potencia total demandada por la instalación.
Igualmente se recomienda utilizar siempre la compensación fija para compensar el transformador de potencia; tanto para vacío o como para plena carga.
Ventajas
• Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de energía reactiva.
• Optimiza toda la instalación eléctrica. La corriente reactiva Ir se abastece en el mismo lugar de su consumo.
• Descarga el centro de transformación (potencia disponible en kW).
Observaciones
• La corriente reactiva no está presente en los cables de la instalación.
• Las pérdidas por efecto Joule en los cables se suprimen totalmente.
5. Compensación y armónicos
Además de lo visto anteriormente, hay que tener presente la mayor presencia de armónicos en las instalaciones eléctricas.
Desde hace unos años, la necesidad de optimizar al máximo las instalaciones, y sobre todo, los procesos ligados a la producción, ha significado un aumento considerable de elementos generadores de armónicos, que si bien han permitido optimizar y rentabilizar al máximo las instalaciones, generan como efecto secundario ese incremento de la polución armónica.
A estos elementos que contaminan las instalaciones, se les puede denominar cargas no lineales; es decir, equipos en los que se obtiene una corriente deformada a su salida cuando se le ha aplicado una tensión senoidal a la entrada.
Algunos generadores de armónicos del ámbito industrial son:
• Equipamientos de electrónica de potencia: variadores de velocidad, rectificadores, onduladores...
• Cargas que utilizan arco eléctrico: hornos de arco, máquinas de soldar, iluminación (lámparas fluorescentes...). Los arranques de motores con arrancadores electrónicos y los enganches de transformadores de potencia son también generadores de armónicos (temporales).
Esta presencia de componente armónica produce a corto y medio plazo graves inconvenientes para las instalaciones.
Si se tiene en cuenta la normativa referente a la presencia armónica de las instalaciones, hay que recordar que la UNE EN 50160 apunta que los niveles de armónicos en tensión elegidos para las redes públicas de distribución se indican en la siguiente tabla:
La tasa total de distorsión armónica en tensión tiene un valor de THD (V) < 8 %. Por lo tanto, todos los aparatos deberán poder soportar este valor y, al mismo tiempo, será el máximo valor que todos los receptores podrán contaminar.
Con estas recomendaciones y con la necesidad de compensar la energía reactiva, hay que tener presente que los condensadores son receptores que, por sus características intrínsecas, influyen en la distorsión armónica de la instalación y, al mismo tiempo, son parte afectada por las consecuencias de las perturbaciones armónicas presentes en la instalación.
Por otro lado, el condensador es uno de los elementos más sensibles a los armónicos, ya que presenta una baja impedancia a frecuencias elevadas y absorbe las intensidades armónicas más fácilmente que otras cargas, reduciendo considerablemente la vida de los condensadores.
DESTACADO: La presencia de una batería de condensadores en una instalación no genera armónicos; sin embargo, puede amplificar los armónicos existentes agravando el problema.
Si se hace una modelación de una instalación, se puede observar como los condensadores están en paralelo con la red (que se considera como una inductancia), por lo que si tenemos una inductancia y un condensador en paralelo se puede llegar a producir una resonancia paralela, dando como resultado la amplificación de la componente armónica.
Para evitar y contrarrestar esa posible amplificación, hay que añadir al condensador una inductancia serie, produciéndose entonces una resonancia serie. A este conjunto condensador-inductancia en serie, se le conoce comúnmente como filtro.
Es decir, si se quiere compensar la energía reactiva en una instalación donde haya presencia armónica, se deben utilizar filtros antiarmónicos, ya sean filtros desintonizados, que es lo más habitual en un porcentaje muy elevado de los casos, o filtros sintonizados, si queremos eliminar un rango armónico determinado.
A lo mencionado anteriormente, hay que tener en cuenta lo que dice la Norma UNE EN 61642 en su apartado 3 subapartado 3.3:
“[...] no se pueden añadir reactancias en serie con los condensadores existentes para hacer un filtro resintonizado[...]”.
“[...] no se deberá asociar a un equipo de compensación del factor de potencia que tenga una reactancia serie, con un equipo que no la lleve [...]”.
Es posible afirmar que los condensadores ya instalados en una instalación que no estén debidamente dimensionados en tensión, como mínimo en un 10% sobre la tensión de red, no pueden ser utilizados para añadirles inductancias antiarmónicas (convertirlos en filtros), y que, en aquellas instalaciones donde haya presencia armónica y se desee compensar la energía reactiva, no deberán instalarse baterías de condensadores con inductancias antiarmónicas conjuntamente con baterías sin inductancias antiarmónicas.
Algunas de las soluciones para la compensación de la energía reactiva ante la presencia armónica son:
• Redes no contaminadas con armónicos, THDU < 1,5 %.
Para este tipo de redes, una posible solución se basa en los equipos estándar: equipos con tensión nominal de los condensadores igual a la tensión de red.
Ejemplo:
Red de 400 V.
Condensadores con tensión asignada de 400 V.
• Redes contaminadas, THDU > 1,5 % < 6 %.
Válida cuando la compensación de la energía reactiva implica una posible amplificación de los armónicos presentes en la instalación.
Para este tipo de redes, la solución propuesta son los equipos SAH (baterías con filtros de rechazo, sintonizados a 215 Hz). Los equipos SAH son conjuntos L-C sintonizados a una frecuencia de resonancia serie de 215 Hz y provocan el desplazamiento de la frecuencia de resonancia paralelo fuera del espectro armónico evitando de esta manera la amplificación.
Si el THDU es superior al 5% e inferior al 6%, es necesaria la utilización de equipos SAH reforzados (incremento de corriente Imáx que puede circular por la inductancia).
• Redes contaminadas, THDU > 6 %.
Para las redes con THDU superior al 6 %, se hace necesaria la utilización de filtros pasivos de rechazo (filtros sintonizados) que pueden ir acompañados de filtros activos (AccuSine) para reducir el THDU a valores inferiores a un 3-2 %.
Como síntesis, se puede concluir que si se necesita compensar la energía reactiva en una instalación donde hay armónicos, la solución que se suele escoger en más del 90% de los casos son los equipos SAH (baterías con filtros de rechazo, sintonizados a 215 Hz).
Finalmente, se puede afirmar que la compensación de la energía reactiva en una instalación permite ser mucho más eficientes, obteniendo la máxima potencia disponible que permita la instalación y reduciendo los costes directos a través de las penalizaciones por el consumo de energía reactiva, como indirectos al reducir las pérdidas por efecto Joule y un menor consumo de potencia al aumentar el factor de potencia de la instalación.
Asimismo, no hay que olvidar que un menor consumo implica una menor demanda de energía y, por lo tanto, también se reducirán las emisiones de CO2 a la atmósfera, generando un consumo más responsable con el medio ambiente.