Resonancia Armónica en Condensadores: Causas, Cálculo y Prevención
La resonancia armónica es el fenómeno más destructivo en la calidad de energía. Ocurre cuando instalamos baterías de condensadores para corregir el factor de potencia en una red con armónicos.
Si la capacidad de los condensadores y la inductancia del transformador entran en sintonía (forman un circuito tanque), cualquier pequeña corriente armónica se amplifica drásticamente, igual que un columpio empujado en el momento exacto. El resultado suele ser catastrófico: condensadores reventados, cables quemados y paradas de planta.
El estudio de estos fenómenos requiere comprender la interacción entre las fuentes de armónicos, la impedancia de la red y los elementos de compensación, como bancos de condensadores.
En este contexto, el uso de modelos matemáticos, simulaciones y técnicas de instrumentación avanzada permite identificar condiciones de resonancia antes de que se produzcan. Así, se pueden establecer medidas preventivas, como filtros activos o pasivos, redimensionamiento de equipos o cambios en la topología de la red.
Por todo ello, abordar la resonancia y la distorsión armónica no solo implica observar sus efectos, sino también anticiparse a ellos mediante un adecuado cálculo de armónicos, que constituye la base de cualquier estrategia de diagnóstico y mitigación.
Contenidos
El Detonante: Baterías de Condensadores en Redes con Armónicos
Aunque corregir el factor de potencia es una práctica esencial para la eficiencia energética, la presencia de armónicos en la red puede convertir esta solución en un problema aún mayor.
Objetivo de la Corrección del Factor de Potencia
La corrección del factor de potencia es una práctica común y necesaria en la industria para optimizar el uso de la energía.
En un sistema con cargas inductivas (como motores o transformadores), una parte de la energía se utiliza para crear campos magnéticos en lugar de realizar un trabajo útil. Esta energía, conocida como potencia reactiva, no contribuye a la producción pero sí consume capacidad de la red.
Un factor de potencia bajo indica un uso ineficiente de la energía, lo que puede resultar en recargos en la factura eléctrica y un sobrecalentamiento innecesario de los conductores.
La solución tradicional a este problema es instalar bancos de condensadores, que consumen potencia reactiva capacitiva, compensando la potencia reactiva inductiva. Esto reduce la potencia aparente total demandada, mejorando la eficiencia y liberando capacidad en la red.
Condensadores y Armónicos
El problema surge cuando la red eléctrica también contiene cargas no lineales que inyectan armónicos. Los condensadores están diseñados para corregir el factor de potencia de desplazamiento (cos φ), que solo se refiere al desfase de la frecuencia fundamental de 50/60 Hz. Sin embargo, no compensan el factor de potencia de distorsión (FPD) que causan los armónicos.
Lejos de ser una solución para los armónicos, la instalación de condensadores puede incrementar el problema. Su combinación con la inductancia inherente de la red y los transformadores crea un circuito resonante (circuito tanque LC).
La naturaleza de este circuito hace que pueda resonar a ciertas frecuencias armónicas, magnificando las corrientes y tensiones de estos armónicos hasta niveles destructivos. Es por esto que los condensadores, al ser una solución para un tipo de problema (la potencia reactiva Q), pueden convertirse en el principal catalizador de uno nuevo (la resonancia armónica).
Física del Desastre: El Circuito Tanque LC y la Frecuencia de Resonancia
Cuando las cargas no lineales inyectan armónicos en la red, estos pueden interactuar de forma peligrosa con la infraestructura eléctrica, especialmente con las baterías de condensadores, un fenómeno conocido como resonancia paralela.
Circuito Tanque LC
La red eléctrica, con sus transformadores y líneas de distribución, posee una inductancia (L) inherente. Al instalar una batería de condensadores (C) para corregir el factor de potencia, se crea un circuito resonante o circuito tanque LC en paralelo. Este sistema tiene una frecuencia de resonancia característica (fr) donde su impedancia se vuelve crítica.
La fórmula para esta frecuencia de resonancia es:
Esta fórmula nos revela una relación fundamental: la frecuencia de resonancia es inversamente proporcional a la inductancia y la capacitancia. Por lo tanto, si se aumenta la capacidad de los condensadores, la frecuencia de resonancia de todo el sistema disminuye, acercándose a las frecuencias de los armónicos de menor orden.
Frecuencia de la Resonancia y Frecuencia de los Armónicos
La resonancia ocurre cuando la frecuencia de resonancia natural del circuito L−C (fr) coincide o se aproxima a la frecuencia de uno de los armónicos (fh) presentes en la red. La distorsión armónica ya existe en el sistema, pero la resonancia actúa como un amplificador selectivo de esos armónicos.
En esta condición, la impedancia del circuito tanque se vuelve máxima en esa frecuencia armónica particular. Esto crea un camino de alta resistencia para la corriente que intenta fluir desde la fuente de energía, pero provoca un flujo de corriente masivo y oscilante entre la inductancia de la red y el condensador.
Como resultado, la tensión y la corriente de ese armónico específico se magnifican enormemente, alcanzando valores mucho mayores a los que existían inicialmente. Esta sobrecorriente y sobretensión armónica puede tener efectos devastadores en la instalación.
La Fórmula Simplificada de Resonancia
Aunque el cálculo exacto implica impedancias complejas, en la práctica profesional se utiliza una fórmula simplificada muy eficaz que relaciona la "fuerza" de la red con el tamaño de la batería de condensadores:
donde:
hr = es el orden del armónico de resonancia (por ejemplo, si hr = 5, la resonancia ocurre a 250 Hz en redes de 50 Hz).
SCC = es la potencia de cortocircuito en el punto de conexión de la batería (expresada en kVA o MVA). Representa la robustez de la red.
QC = es la potencia reactiva de la batería de condensadores (expresada en kVAR o MVAR).
Para obtener la frecuencia exacta en Hercios (fr), simplemente multiplicamos el resultado por la frecuencia de la red (fn), es decir:
👉 Interpretación de los resultados: el valor de hr nos da la clave para saber si nuestra instalación es segura o si necesitamos instalar filtros de rechazo:
- Si hr está cerca del 5º o 7º armónico: es una situación de alto riesgo. Como los variadores de frecuencia y los rectificadores generan grandes cantidades de 5º y 7º armónico, la probabilidad de resonancia y fallo es casi del 100%.
- Si hr es un valor alto (ej. > 13): el riesgo es bajo, ya que los armónicos de órdenes superiores suelen tener muy poca amplitud.
- Relación de potencias: si aumentamos el tamaño de la batería (QC), la frecuencia de resonancia baja, acercándose a los armónicos peligrosos. Si la red es débil (poca SCC), la frecuencia de resonancia también será más baja y peligrosa.
Cuando el cálculo de fr arroja un valor peligroso, la solución no es quitar los condensadores, sino "desintonizarlos". Esto se logra añadiendo una bobina de bloqueo en serie con los condensadores, como se verá más adelante.
Consecuencias de la Resonancia
Aunque la resonancia es un fenómeno físico, sus consecuencias en una instalación eléctrica son muy reales y costosas.
Daño y Destrucción de Condensadores
El efecto más inmediato y severo de la resonancia es el daño a los bancos de condensadores. Cuando la resonancia amplifica la corriente armónica en el circuito L−C, la corriente que fluye a través de los condensadores puede superar su capacidad nominal.
Esta sobrecorriente genera un sobrecalentamiento extremo dentro del condensador. Con el tiempo, este calor excesivo causa el deterioro del material dieléctrico, lo que reduce la vida útil del condensador y puede llevar a su fallo total y destrucción.
Este proceso se evidencia a menudo por la apertura de los fusibles que protegen a los condensadores, ya que están diseñados para reaccionar ante estas sobrecorrientes.
Problemas de Sobretensión y Fallos en Equipos
El impacto de la resonancia y la distorsión armónica no se limita a los condensadores. La misma amplificación que aumenta la corriente también eleva la tensión armónica en el punto de resonancia. Esta sobretensión, que puede ser varias veces superior a la tensión nominal, se propaga por la red interna del usuario.
● Daño a equipos sensibles: los equipos electrónicos, sistemas de control (PLCs) y otras cargas sensibles no están diseñados para operar con tensiones tan distorsionadas. La sobretensión armónica puede dañar sus componentes internos, traduciéndose en un mal funcionamiento, errores de comunicación y fallos inesperados que detienen la producción.
● Disparo de protecciones: la tensión distorsionada y los picos de corriente pueden confundir a los dispositivos de protección. Los interruptores magnetotérmicos y los diferenciales pueden disparar sin que exista un fallo real, causando interrupciones no deseadas que afectan la continuidad del suministro y la productividad.
Soluciones: Reactancias de Rechazo (Filtros Desintonizados)
La experiencia en el campo de la calidad de la energía ha llevado a establecer una serie de guías prácticas para evaluar el riesgo de resonancia antes de que se manifieste.
La más conocida es la regla del 10%. Esta regla empírica establece que si el porcentaje de cargas no lineales en una instalación supera el 10% de la carga total, existe un riesgo significativo de que surjan problemas de resonancia al instalar baterías de condensadores para corregir el factor de potencia.
Este umbral actúa como una señal de advertencia para los técnicos. Ignorar esta regla puede llevar a la destrucción de los condensadores y otros equipos, así como a la pérdida de productividad.
Prevención en la Etapa de Diseño
El mejor momento para evitar la resonancia es antes de que se convierta en un problema. La prevención comienza con un análisis exhaustivo del sistema eléctrico.
● Análisis de flujo de armónicos: un estudio de flujo de armónicos es un análisis detallado del sistema eléctrico. Utilizando software de ingeniería especializado como ETAP o SKM, se crea un modelo digital de la red, incluyendo la inductancia de la red y las cargas no lineales.
Este modelo permite simular diferentes escenarios de operación, predecir dónde y cuándo podrían ocurrir resonancias y probar la eficacia de las estrategias de mitigación antes de implementar cualquier solución física.
● Selección adecuada de bancos de condensadores: la instalación de condensadores es el factor que introduce la capacidad al sistema, y la clave es hacerlo de forma inteligente.
Es vital evitar el sobredimensionamiento, ya que esto reduce la frecuencia de resonancia, acercándola a los armónicos de menor orden (como el 5º o 7º), que son los más comunes.
Filtros de Trampa de Armónicos
Los filtros de trampa de armónicos, también conocidos como reactancias de rechazo/desintonía, reactores de filtro, reactores de detune o bobinas de bloqueo, son filtros que se colocan en serie con la batería de condensadores, creando una "trampa" para las frecuencias indeseadas.
La función principal de un filtro de trampa es proteger la batería de condensadores de las corrientes armónicas que, de otra manera, la dañarían. La trampa se compone de una bobina que se instala en serie con el condensador. La combinación de estos 2 elementos crea un circuito de filtro LC que tiene una alta impedancia a una frecuencia específica.
Al sintonizar el reactor (bobina) y el condensador a una frecuencia cercana a la del armónico problemático (por ejemplo, al 5º o 7º armónico), el filtro crea una barrera que bloquea el paso de la corriente armónica hacia el condensador. De esta manera, evita la resonancia y protege el condensador de la sobrecarga y el sobrecalentamiento.
El objetivo de la reactancia de rechazo no es necesariamente "eliminar" los armónicos de la red, sino impedir que entren en el condensador. Al añadir la reactancia, cambiamos el comportamiento de la batería:
- A frecuencias bajas (50/60 Hz): el conjunto sigue comportándose como un condensador y cumple su función de corregir el factor de potencia.
- A frecuencias altas (armónicos): el conjunto se vuelve inductivo. Dado que la corriente armónica busca el camino de menor impedancia, al volverse inductiva la batería, los armónicos dejan de ser "atraídos" por ella y fluyen hacia la red de la compañía.
Se usan filtros desintonizados cuando el THDI > 25% o si existe riesgo de resonancia, de acuerdo a la norma IEC 61000, que nos proporciona diferentes soluciones según el nivel de contaminación armónica.
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