Un banco de capacitores es un equipo enfocado a suministrar energía reactiva al sistema eléctrico, en los centros de carga el consumo de potencia reactiva es uno de los indicadores de eficiencia energética del sistema, está relacionado directamente con el factor de potencia.
El factor de potencia es un parámetro eléctrico que determina, de la potencia suministrada por la compañía distribuidora (CFE), qué parte se aprovecha como trabajo útil y qué parte se destina a otros requerimientos del sistema.
La energía reactiva es necesaria para que las máquinas eléctricas puedan realizar sus procesos. Por ejemplo, un transformador requiere energía reactiva para generar los campos magnéticos que permiten la transformación de voltaje. Es decir, se trata de una potencia vital para el funcionamiento de ciertos equipos eléctricos, aunque no se utilice directamente en trabajo útil.
Actualmente CFE cobra un cargo por bajo factor de potencia, podríamos estandarizar que actualmente el requisito que solicita CFE es un factor de potencia por arriba de 0.95 en atraso a 1.00, por lo que los centros de carga implementan como solución la instalación de banco de capacitores para mejorar dicho factor de potencia.
La solución mediante bancos de capacitores presenta ventajas frente a otras tecnologías, ya que tiene un menor costo en comparación con equipos que utilizan electrónica de potencia para la corrección del factor de potencia. Por ello, su uso es muy común en el sector industrial; sin embargo, existen ciertas consideraciones que deben tomarse en cuenta al momento de instalar un banco de capacitores.
Las características de los bancos de capacitores al interactuar con el sistema eléctrico, el cual a su vez está compuesto por elementos inductivos como transformadores y motores, pueden dar lugar a fenómenos de resonancia. Es decir, a cierta frecuencia (generalmente asociada a armónicas), la reactancia inductiva y capacitiva se igualan.
En estas condiciones, el comportamiento del sistema cambia significativamente. En el caso más común, que es la resonancia en paralelo, la impedancia del sistema se vuelve muy alta, lo que provoca la aparición de sobrevoltajes en esa frecuencia.
Además, aunque la corriente no necesariamente fluye sin oposición desde la red, pueden generarse corrientes elevadas dentro del circuito formado por la inductancia y el capacitor, lo que puede afectar directamente a los bancos de capacitores.
Por otro lado, los capacitores tienen la característica de que su impedancia disminuye con la frecuencia, por lo que tienden a atraer corrientes armónicas. En presencia de resonancia, esto puede agravar el problema, ya que se pueden amplificar tanto los niveles de voltaje como las corrientes internas, convirtiendo al banco de capacitores en un punto crítico dentro del sistema.
Por lo anterior, actualmente los bancos de capacitores se instalan en serie con reactancias de rechazo, con el objetivo de protegerlos de las corrientes armónicas.
El valor de esta reactancia depende del contenido armónico presente en el sistema, por lo que es necesario realizar un análisis en sitio conectando un analizador de calidad de energía o mediante simulación en software para identificar las armónicas predominantes.
Por ejemplo, en sistemas con alto contenido de armónicas de orden 5 y 7, es común utilizar una reactancia de rechazo del 7%. Este valor desplaza la frecuencia de resonancia del sistema hacia una frecuencia inferior, típicamente alrededor de la armónica 3.78 (≈227 Hz en un sistema de 60 Hz), evitando así la coincidencia con las armónicas dominantes y reduciendo el riesgo de amplificación.
En RADTHINK utilizamos el software de análisis ETAP para hacer simulaciones del sistema y determinar el cumplimiento de los reactores de rechazo, así como el dimensionamiento del banco de capacitores.
A continuación, te presentamos un ejemplo de la diferencia de comportamiento instalando capacitores vs capacitores con reactores de rechazo.
El sistema por analizar es el siguiente:
Comportamiento del sistema instalando capacitores de 600 kVAr en el tablero principal, se analiza su impedancia vs frecuencia (Orden armónico).
Comportamiento del sistema instalando el mismo banco de capacitores de 600 kVAr con reactores de rechazo al 7%.
Se observan las gráficas características de ambos casos, es notable ver como el no implementarse reactores de rechazo provoca una resonancia en el sistema comenzando en la armónica #5, por otro lado, la segunda gráfica se observa como el instalar un reactor de rechazo provoca que cambie la impedancia característica del sistema y no se encuentren esas corrientes armónicas con los capacitores, por lo que
es importante siempre considerar el implementar reactor de rechazo para proteger los capacitores de dichas resonancias
Conclusión.
El banco de capacitores es un equipo que cumple eficazmente su función; sin embargo, es fundamental considerar ciertos aspectos técnicos para que la solución esté correctamente alineada con los requisitos del sistema. Entre estos factores se encuentran: el dimensionamiento adecuado, el tipo de conmutación, el nivel de sintonización de los reactores, el tamaño de los pasos y, finalmente, la simulación en software para validar que la solución propuesta resuelve la problemática de manera efectiva.
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Ing. Aaron Rodriguez.