Factor de Potencia
El Factor de Potencia (FP) nos dice qué porcentaje de la energía total que entra en un circuito se está aprovechando realmente para producir trabajo (movimiento, luz, calor) y cuánta se está utilizando "indirectamente" para mantener los campos electromagnéticos de los equipos.
En el mundo de la corriente continua (CC), la potencia es simple: tensión por intensidad. Sin embargo, en los sistemas de corriente alterna (CA), que es la que utilizamos en nuestras industrias y hogares, la historia es diferente. No toda la energía que suministra la red eléctrica se transforma en trabajo útil.
Tener un buen Factor de Potencia es fundamental por 2 razones principales:
– Económicamente, un FP bajo genera recargos sustanciales en la factura eléctrica para industrias y comercios, ya que la compañía debe suministrar más energía aparente (kVA) para la misma potencia útil (kW).
– Técnicamente, causa pérdidas de energía por calentamiento en cables y transformadores, caídas de tensión que afectan al rendimiento de los equipos y obliga a sobredimensionar toda la instalación eléctrica. Corregirlo mejora la eficiencia energética y la capacidad del sistema.
Contenidos
- Qué es el Factor de Potencia
- El Triángulo de Potencias
- Causas y Consecuencias de un Bajo Factor de Potencia
- Corrección del Factor de Potencia
- Capacidad del Condensador para Corregir el Factor de Potencia en Monofásica
- Capacidad del Condensador para Corregir el Factor de Potencia en Trifásica
- Baterías de Condensadores para Corregir el Factor de Potencia
- Los Armónicos y la Resonancia
Qué es el Factor de Potencia
En esencia, el Factor de Potencia (FP) es un indicador de eficiencia que mide qué tan bien estamos aprovechando la energía eléctrica que recibimos.
La Analogía Visual: La Jarra de Cerveza
Para entender este concepto sin entrar aún en matemáticas complejas, la analogía más famosa y efectiva es la de la jarra de cerveza. Imaginamos que pedimos una jarra grande de cerveza:
● El líquido (potencia activa - P): es la cerveza real que nos bebemos y nos quita la sed. Representa la energía útil que mueve el eje de un motor o ilumina una bombilla.
● La espuma (potencia reactiva - Q): ocupa espacio en la jarra, no nos quita la sed, pero es inevitable al tirar la caña (o necesaria para que la cerveza no se oxide). En electricidad, es la energía necesaria para crear los campos magnéticos en bobinas y transformadores. No produce trabajo mecánico, pero el sistema la necesita para arrancar y funcionar.
● La jarra completa (potencia aparente - S): es la suma del líquido más la espuma. Es lo que el camarero nos sirve y lo que la compañía eléctrica tiene que transportar por los cables.
Si tenemos mucha espuma (mucha potencia reactiva), tenemos poco líquido (poca potencia activa) para el mismo tamaño de jarra. Un buen Factor de Potencia significa "mucha cerveza y la espuma justa y necesaria".
Definición Técnica del Factor de Potencia
Desde un punto de vista riguroso, el Factor de Potencia (FP) es la relación adimensional entre la potencia Activa (P) y la potencia aparente (S).
donde:
● P (potencia activa): se mide en kW (Kilovatios). Es la potencia "real".
● S (potencia aparente): se mide en kVA (Kilovoltamperios). Es la potencia total suministrada.
Si el FP es 0,8, significa que del 100% de la energía aparente que circula por los cables, solo el 80% se está convirtiendo en trabajo útil. El otro 20% está "ocupando espacio" en la red en forma de energía reactiva.
¿Por Qué Ocurre Esto? El Desfase
La razón física de que exista un Factor de Potencia menor a 1 radica en la naturaleza de las cargas eléctricas.
En un circuito puramente resistivo (como una estufa eléctrica o una bombilla incandescente), la onda de corriente y la onda de tensión van perfectamente sincronizadas; suben y bajan a la vez. Aquí el aprovechamiento es máximo.
Sin embargo, la mayoría de las cargas industriales son inductivas (motores, transformadores, soldadoras, etc.). Estas máquinas contienen bobinas. Por una propiedad física de la inductancia, la bobina se opone a los cambios de corriente, lo que provoca que la onda de corriente se retrase respecto a la onda de tensión.
Este retraso se mide en grados y se representa con el ángulo griego φ (fi).
Una carga es inductiva → La corriente se retrasa respecto al voltaje → Este retraso se mide con el ángulo φ → Un φ grande tiene un coseno pequeño → El Factor de Potencia es directamente este coseno → Por lo tanto, un φ grande resulta en un FP bajo.
Rango de Valores del Factor de Potencia
El valor del Factor de Potencia oscila entre 0 y 1 (o entre 0% y 100%):
● FP = 1 (o unitario): es el valor ideal. Toda la energía suministrada se convierte en trabajo. Ocurre en cargas resistivas puras o sistemas perfectamente compensados.
● FP < 1: indica ineficiencia. Cuanto más bajo sea el número, más energía reactiva estamos demandando de la red innecesariamente.
El FP puede ser en adelanto o en atraso:
– Inductivo (atraso): la corriente va por detrás de la tensión (motores). Es lo más común.
– Capacitivo (adelanto): la corriente va por delante de la tensión (condensadores). Esto ocurre si "nos pasamos" corrigiendo el factor de potencia.
Un factor de potencia bajo obliga a las compañías eléctricas a generar y transportar más corriente de la necesaria, sobrecalentando cables y transformadores, motivo por el cual se penaliza económicamente en la factura.
El Triángulo de Potencias
Si en el apartado anterior utilizamos una analogía líquida (la cerveza) para entender el concepto, ahora debemos traducir eso al lenguaje de la ingeniería: la geometría vectorial.
En corriente alterna, las potencias no se suman aritméticamente (como 2 + 2 = 4), sino vectorialmente. Para visualizar esto, utilizamos el Triángulo de Potencias, un triángulo rectángulo que relaciona las 3 magnitudes eléctricas fundamentales.
Los Componentes del Triángulo
Cada lado de un triángulo rectángulo representa un tipo de potencia distinta:
● Potencia activa (P) - El cateto adyacente: es la potencia útil, la que realmente se transforma en trabajo (movimiento en un eje, calor en una resistencia, luz en un LED). En el triángulo, se representa en el eje horizontal. Su unidad es el Vatio (W), kilovatio (kW) o Megavatio (MW).
Su fórmula en sistemas monofásicos es:
● Potencia reactiva (Q) - El cateto opuesto: es la potencia que fluctúa entre la fuente y la carga. No produce trabajo útil directo, pero es indispensable para crear y mantener los campos magnéticos en motores, transformadores y bobinas. En el triángulo, se representa en el eje vertical (a 90° de la activa). Su unidad es el voltamperio reactivo (VAR) o kilovoltamperio reactivo (kVAR).
Su fórmula en sistemas monofásicos es:
● Potencia aparente (S) - La hipotenusa: es la suma vectorial de las dos anteriores. Representa la capacidad total de la instalación o la potencia total que debe suministrar el transformador. Es la longitud "real" del vector resultante. Su unidad es el voltioamperio (VA) o kilovoltioamperio (kVA).
Su fórmula en sistemas monofásicos es:
Relaciones Matemáticas
Al ser un triángulo rectángulo, podemos aplicar el Teorema de Pitágoras y las razones trigonométricas básicas para relacionar estas magnitudes. Estas fórmulas son las herramientas que usaremos para calcular baterías de condensadores.
● Cálculo de la potencia aparente (S): si conocemos la potencia activa y la reactiva, la potencia total es la hipotenusa:
● Definición matemática del Factor de Potencia: como vimos en la introducción, el factor de potencia (FP) es el coseno del ángulo φ. Geométricamente, es la relación entre el cateto adyacente (lo útil) y la hipotenusa (lo total):
● Relación para el cálculo de condensadores: para corregir el factor de potencia, necesitamos saber cuánta reactiva "sobra". Para ello, la función tangente es la más útil, ya que relaciona la reactiva con la activa directamente (tan φ = Q / P):
Nota: El objetivo de la corrección del factor de potencia es reducir el ángulo φ. Al inyectar una potencia reactiva capacitiva (condensadores) en sentido contrario a la inductiva, acortamos el cateto vertical (Q). Al hacer Q más pequeño, la hipotenusa (S) se acorta y se acerca más a la longitud de P.
Causas y Consecuencias de un Bajo Factor de Potencia
Ahora que entendemos que un bajo factor de potencia significa un exceso de potencia reactiva, debemos identificar quién la produce y por qué es un problema grave tanto para la instalación del usuario como para la red eléctrica general.
Quién Produce la Potencia Reactiva
En una instalación doméstica estándar (iluminación LED, calefacción resistiva, electrónica), el factor de potencia suele ser cercano a 1. El problema surge en entornos industriales o comerciales debido a las cargas inductivas.
Todo equipo que necesite una bobina (devanado de cobre) para crear un campo magnético consumirá energía reactiva. Los principales generadores de un bajo FP son:
● Motores asíncronos: son la causa principal. Especialmente crítico es cuando trabajan en vacío o a baja carga (por ejemplo, una cinta transportadora funcionando sin cajas, o una sierra circular girando sin cortar). En ese estado, la potencia activa baja, pero la reactiva se mantiene alta para magnetizar el motor, desplomando el factor de potencia.
● Transformadores: al igual que los motores, consumen reactiva para magnetizar su núcleo, incluso si no tienen nada conectado en el secundario.
● Iluminación de descarga: tubos fluorescentes antiguos con balastos electromagnéticos o lámparas de vapor de sodio/mercurio (muy usadas en alumbrado público antiguo o naves industriales).
● Máquinas de soldadura: transformadores de soldadura por arco.
Consecuencias Técnicas de un Bajo Factor de Potencia
Un bajo factor de potencia no es solo un número en un papel; provoca estrés físico en los componentes eléctricos.
La clave está en esta relación: Para transmitir la misma potencia activa (P), si el factor de potencia baja, la corriente (I) debe aumentar.
Si el cos φ disminuye, la I aumenta matemáticamente. Esto provoca:
● Sobrecarga de cables y conductores: al circular más corriente de la necesaria (corriente activa + corriente reactiva), los cables se calientan más. Esto obliga a instalar cables de mayor sección (más caros) para una misma potencia útil.
● Pérdidas por Efecto Joule (R · I2): las pérdidas en forma de calor aumentan al cuadrado de la corriente. Un pequeño aumento en la corriente debido a un mal factor de potencia dispara las pérdidas de energía en los cables.
● Caídas de tensión: una mayor corriente provoca una mayor caída de voltaje a lo largo de las líneas. Esto puede hacer que, al final de una línea larga, los motores no tengan tensión suficiente para arrancar o los equipos electrónicos fallen.
● Reducción de la capacidad del transformador: un transformador de 1000 kVA diseñado para trabajar con FP de 0,9 puede entregar 900 kW de potencia real. Si el FP cae a 0,6, ese mismo transformador solo podrá entregar 600 kW antes de saturarse. Estamos "desperdiciando" la capacidad de la máquina.
Consecuencias Económicas de un Bajo Factor de Potencia
Dado que la compañía eléctrica debe sobredimensionar sus generadores y líneas de transporte para llevar esa energía reactiva que el usuario "desperdicia", trasladan ese coste al cliente.
– Penalización en factura: en casi todos los países, existe una normativa que penaliza el consumo de energía reactiva si supera cierto porcentaje del consumo de activa (generalmente cuando el cos φ < 0,95).
– Coste oculto: además de la multa directa, estás pagando por las pérdidas de energía (calor en los cables) que ocurren dentro de tu propia instalación antes de llegar al contador.
Conclusión: corregir el factor de potencia no es solo una cuestión de cumplimiento normativo; es una de las inversiones con Retorno de Inversión (ROI) más rápido en la industria, ya que al instalar baterías de condensadores, la penalización en la factura desaparece inmediatamente.
Corrección del Factor de Potencia
Una vez que hemos detectado un factor de potencia bajo, la solución estándar es instalar baterías de condensadores.
¿Por qué condensadores? Porque eléctricamente se comportan de manera opuesta a las bobinas (motores). Mientras que las bobinas demandan potencia reactiva inductiva ("atrasan" la corriente), los condensadores generan potencia reactiva capacitiva ("adelantan" la corriente). Al conectarlos, los condensadores suministran la reactiva que el motor necesita, liberando a la red eléctrica de tener que transportarla.
El Principio Matemático de la Compensación de Reactiva
Si miramos nuestro Triángulo de Potencias, el objetivo es reducir el lado vertical (Q) sin tocar el lado horizontal (P).
P = la potencia activa permanece constante. La máquina sigue consumiendo los mismos kW para realizar su trabajo.
QL = reactiva inductiva que tenemos actualmente (alta)
QC = reactiva capacitiva que va a proporcionar el condensador. Esta es la potencia del condensador que debemos comprar
Q’ = diferencia entre ambas (QL - QC). Es la potencia reactiva inductiva que queda al final (baja)
φ = ángulo que corresponde al factor de potencia inicial
φ’ = ángulo del factor de potencia que queremos obtener
Potencia del Condensador para Corregir el Factor de Potencia en Monofásica
La potencia reactiva inductiva neta resultante Q’, vemos que es Q’ = QL - QC. Al despejar de esta ecuación, se determina que la potencia reactiva capacitiva QC que debe suministrar el banco de condensadores es: QC = QL - Q’.
En la figura anterior, pueden identificarse 2 triángulos rectángulos. El triángulo mayor ilustra la situación inicial de la potencia reactiva QL, en contraste con el triángulo menor, que representa la condición deseada tras la compensación Q’.
Si aplicamos la tangente a cada triángulo, podremos obtener los valores de QL y Q’:
La potencia reactiva QC del condensador será:
Sacando P como factor común se obtiene que la potencia reactiva del condensador debe ser de:
Capacidad del Condensador para Corregir el Factor de Potencia en Monofásica
Para determinar tanto la capacidad C como la corriente IC del condensador, partimos de sus condiciones de operación: alimentado a tensión monofásica V y suministrando una potencia reactiva QC. Bajo estas condiciones, como QC = V × IC, la corriente (IC) del condensador es de:
La reactancia (XC) del condensador se determina mediante la aplicación directa de la ley de Ohm a sus terminales:
El valor de la capacidad C del condensador se calcula mediante la fórmula de la reactancia capacitiva:
Al despejar el valor de C, se obtiene que la capacidad C del condensador es de:
La capacidad del condensador también se puede obtener de forma directa con otra fórmula:
1º) Sustituimos la corriente IC = QC / V en la fórmula de la reactancia de la Ley de Ohm XC = V / IC:
2º) Sustituimos esta reactancia XC = V2 / QC en la fórmula de la reactancia capacitiva XC = 1 / (2·π·f·C):
Al despejar el valor de C, se obtiene que la capacidad C del condensador es de:
Y al sustituir el valor de QC, en función de la potencia activa P, queda así:
Esquema de Conexión del Condensador en Monofásica
La regla de oro es simple: el condensador siempre se conecta en paralelo a la carga inductiva. En el siguiente esquema se observa la conexión del condensador a un motor.
Un cable del condensador a la Fase (L) y el otro al Neutro (N), directamente en los bornes del motor. De esta forma, cuando el motor se enciende, el condensador entra en funcionamiento simultáneamente.
Advertencia: nunca conectar en serie. Si lo hacemos, limitaremos la corriente, el motor no arrancará y reduciremos la tensión drásticamente.
El Riesgo de la Sobrecompensación
En la compensación individual existe un peligro específico: sobredimensionar el condensador.
Cuando la potencia reactiva capacitiva (QC) supera a la inductiva (QL), ocurre que:
– Q' = QL - QC < 0 → La potencia reactiva neta se vuelve capacitiva.
– El sistema pasa de tener un factor de potencia inductivo a uno capacitivo.
– Se genera una elevación de tensión en el punto de conexión.
Los riesgos son los siguientes:
● Resonancia y armónicos: aumenta el riesgo de resonancia paralela con la red, amplificando armónicos y provocando sobretensiones.
● Autoexcitación (en motores): si el condensador es demasiado grande y se desconecta el motor de la red mientras gira, este puede actuar como generador, produciendo voltajes peligrosos que dañen el aislamiento.
● Penalización: el factor de potencia sigue siendo menor que 1. Muchas compañías eléctricas penalizan severamente la energía reactiva capacitiva vertida a la red.
Solución: nunca se debe buscar un factor de potencia de 1 exacto en compensación fija. El objetivo ideal es entre 0,90 y 0,95 inductivo para mantener un margen de seguridad.
Resistencia de Descarga
Por seguridad personal, todo condensador monofásico que se instale debe llevar una resistencia de descarga soldada entre sus bornes (o integrada internamente).
Su función es la de asegurar que, al desconectar el equipo, el condensador se vacíe en menos de 1 minuto (generalmente a menos de 50 V).
El peligro de no añadir la resistencia es que, si un técnico toca la clavija del enchufe de la máquina recién desconectada, podría recibir una descarga eléctrica severa de la energía almacenada en el condensador.
Capacidad del Condensador para Corregir el Factor de Potencia en Trifásica
Partimos de la potencia reactiva del condensador que debe ser de:
Ahora hay que tener en cuenta que, en trifásica, la compensación puede realizarse con 3 condensadores en estrella o 3 condensadores en triángulo.
Corrección del FP en Trifásica con Condensadores en Estrella
Si se conectan los 3 condensadores en estrella a la red trifásica, cada condensador estará alimentado a la tensión de simple o de fase VF y proporcionará la tercera parte de la potencia reactiva QC necesaria con la fórmula anterior.
Entonces, la potencia reactiva Q’C de un solo condensador debe ser de:
Para determinar tanto la capacidad (C) como la corriente (IC) del condensador, partimos de sus condiciones de operación: alimentado a tensión de fase (VF) y suministrando una potencia reactiva Q’C. Bajo estas condiciones, se establece que Q’C = VF × IC, siendo la corriente IC del condensador de:
Recordamos que la tensión simple o de fase VF es de:
La reactancia (XC) del condensador se determina mediante la aplicación directa de la ley de Ohm a sus terminales:
El valor de la capacidad (C) de un condensador se calcula mediante la fórmula de la reactancia capacitiva, despejando el valor de C:
La capacidad del condensador también se puede obtener de forma directa con esta fórmula:
donde:
P = potencia activa de la instalación, en watios
φ = ángulo que corresponde al factor de potencia inicial, en grados
φ’ = ángulo del factor de potencia que queremos obtener, en grados
f = frecuencia de la corriente alterna, en Hercios
VF = tensión simple o de fase (entre fase y neutro), en voltios
Corrección del FP en Trifásica con Condensadores en Triángulo
Si se conectan los 3 condensadores en triángulo a la red trifásica, cada condensador estará alimentado a la tensión de compuesta o de línea VL y proporcionará la tercera parte de la potencia reactiva QC necesaria.
La potencia reactiva Q’c de un solo condensador debe ser de:
Para determinar tanto la capacidad (C) como la corriente (IC) del condensador, partimos de sus condiciones de operación: alimentado a tensión de fase (VL) y suministrando una potencia reactiva Q’C. Bajo estas condiciones, se establece que Q’C = V · IL, siendo la corriente IC del condensador de:
La reactancia (XC) del condensador se determina mediante la aplicación directa de la ley de Ohm a sus terminales:
El valor de la capacidad (C) de un condensador se calcula mediante la fórmula de la reactancia capacitiva, despejando el valor de C:
La capacidad del condensador también se puede obtener de forma directa con esta fórmula:
donde:
P = potencia activa de la instalación, en watios
φ = ángulo que corresponde al factor de potencia inicial, en grados
φ’ = ángulo del factor de potencia que queremos obtener, en grados
f = frecuencia de la corriente alterna, en Hercios
VL = tensión compuesta o de línea (entre fase y fase), en voltios
La calculadora de factor de potencia permite determinar fácilmente la capacidad de los condensadores necesarios. Con ella, es posible corregir el factor de potencia en circuitos tanto monofásicos como trifásicos. Además, calcula el factor de potencia actual a partir de la tensión y la corriente de la instalación.
Conexión de los Condensadores: ¿Estrella o Triángulo?
Esta es una pregunta de examen para cualquier ingeniero eléctrico. En sistemas de baja tensión (230V/400V), los condensadores de potencia se conectan casi universalmente en triángulo (delta).
¿Por qué en triángulo (delta)?
La razón es puramente económica y de eficiencia de materiales. Veamos la física detrás:
La potencia reactiva (QC) que genera un condensador depende del voltaje al cuadrado:
- En conexión estrella: el condensador soporta la tensión de fase (VF = 230 V).
- En conexión triángulo: el condensador soporta la tensión de línea completa (VL = 400 V).
Como la tensión en triángulo es √3 veces mayor, y la fórmula eleva la tensión al cuadrado (√32 = 3), obtenemos el siguiente resultado:
Regla de Oro: un condensador conectado en triángulo genera 3 veces más potencia reactiva que el mismo condensador conectado en estrella.
Por lo tanto, para conseguir la misma cantidad de kVAR, si conectamos en triángulo necesitamos condensadores con 3 veces menos capacidad (μF). Esto significa condensadores más pequeños, más ligeros y más baratos para la misma potencia reactiva final Q’C.
Además, si comparamos la intensidad de cada condensador cuando se conectan en estrella y cuando se conectan en triángulo:
– En conexión estrella:
– En conexión triángulo:
Si la batería de condensadores se somete a una tensión menor (en estrella), tendrá que soportar mayor corriente para compensar la misma potencia reactiva (Q’c). Dado que la tensión de línea (VL) es √3 (aproximadamente 1,74) veces la tensión de fase (VF), la corriente en una configuración en estrella será un 174% mayor que en una en triángulo. Esta mayor demanda de corriente exige un diseño con más material, encareciendo el equipo.
Baterías de Condensadores para Corregir el Factor de Potencia
La herramienta más utilizada para corregir el factor de potencia es la batería de condensadores, dispositivo diseñado para compensar la energía reactiva y optimizar el consumo eléctrico de forma automática o fija.
Regla de Oro: la energía reactiva debe generarse lo más cerca posible de donde se consume.
Para generar localmente la energía reactiva que demandan las cargas inductivas, no existe una solución única. Dependiendo de la variabilidad de la carga y la topología de la instalación, debemos elegir entre 2 sistemas compensación: fijos o automáticos.
Además, el lugar donde conectemos los condensadores determinará qué parte de la instalación eléctrica se beneficiará de la reducción de corriente. En este sentido, existen 3 esquemas fundamentales de compensación: individual, por grupos o centralizada. A menudo, la solución ideal es una combinación de ellos, lo que se denomina compensación mixta.
Baterías de Condensadores Fijas
La compensación fija es la forma más básica de corregir el factor de potencia. Se caracteriza por suministrar una cantidad constante de potencia reactiva (kVAR), independientemente de las fluctuaciones en la demanda de la instalación.
Este sistema carece de inteligencia o regulación; una vez conectado, inyecta el 100% de su capacidad de forma permanente.
Sus aplicaciones típicas son receptores con consumo estable, como la compensación individual de motores de inducción que operan a régimen constante, transformadores (para compensar la potencia de magnetización en vacío) o sistemas de bombeo en riego que funcionan durante horas a plena capacidad.
Sin embargo, su principal limitación surge en instalaciones con cargas variables. Al ser estática, la compensación fija resulta inevitablemente en una corrección ineficiente del factor de potencia, alternando continuamente entre 2 estados problemáticos:
● Subcompensación: ocurre cuando la potencia del condensador (QC) es menor que la demanda de reactiva (QL). Esto mantiene un FP inductivo, lo que se traduce en recargos económicos en la factura eléctrica por consumo de energía reactiva.
● Sobrecompensación: sucede cuando QC supera a QL, generando un factor de potencia capacitivo. Esto puede provocar penalizaciones de la compañía, sobrecargas en la red y la amplificación de armónicos.
Por ejemplo, en una nave con una demanda de reactiva variable mínima 4, media 8 y máxima 12 kVAR, elegir un condensador fijo de 4 kVAR generaría subcompensación, mientras que uno de 12 kVAR causaría sobrecompensación la mayor parte del tiempo.
La opción menos mala suele ser dimensionarlo para la demanda media (8 kVAR en el ejemplo), aunque esto no elimina por completo los periodos de desajuste.
En un gráfico, esta situación se visualiza como una línea recta horizontal (QC) y una curva variable (QL), comprobando que la compensación fija siempre crea desfases.
Baterías de Condensadores Automáticas
Son el estándar en la industria moderna, edificios comerciales y hospitales. Son sistemas dinámicos que adaptan la inyección de reactiva a la demanda instantánea.
El siguiente gráfico el comportamiento del sistema: mientras la línea curva representa la demanda fluctuante de reactiva (QL), las barras escalonadas muestran la respuesta del banco de condensadores (QC). Esta solución proporciona la potencia necesaria en cada momento mediante pasos discretos, garantizando así una compensación precisa que elimina los riesgos de descompensación.
Arquitectura por Escalones
Una batería automática de 100 kVAR no es un bloque único. Está dividida en grupos de condensadores (pasos o escalones).
Por ejemplo: una batería de 100 kVAR puede estar formada por escalones de 10 + 20 + 20 + 50 kVAr. Esto permite "afinar" la compensación. Si la fábrica necesita 30 kVAR, entran el de 10 y uno de 20.
Las secuencias comunes son:
– Secuencia 1:1:1: todos los escalones son iguales (ej: 10+10+10+10). Ventaja: desgaste uniforme. Desventaja: requiere muchos contactores para potencias altas.
– Secuencia 1:2:4: (ej: 10+20+40 kVAr). Es la más eficiente económicamente. Con solo 3 escalones físicos, se pueden conseguir 7 potencias distintas combinándolos (10, 20, 30[10+20], 40, 50[10+40], etc.).
– El primer escalón: siempre define la potencia mínima que la batería puede corregir. Si el primer paso es de 50 kVAR y tenemos una demanda de reactiva de 20 kVAr, la batería no entrará (para no sobrecompensar) y pagaremos penalización.
El Regulador Varimétrico
Es un microprocesador instalado en el frontal del equipo.
– Lectura: recibe la señal de tensión (V) y de corriente (I) a través de un transformador de intensidad (TI) ubicado en la acometida general.
– Cálculo: calcula el cos φ en tiempo real y lo compara con el objetivo (ej: 0,95).
– Acción: si falta reactiva, cierra relés que activan los contactores de los escalones.
– Gestión de desgaste: los reguladores modernos usan algoritmos rotativos. Si necesita 20 kVAR y tiene dos escalones de 20 disponibles, usará el que tenga menos horas de uso para equilibrar el desgaste.
Elementos de Maniobra
A diferencia de las fijas, las automáticas conectan y desconectan condensadores cientos de veces al día.
– Contactores específicos: deben tener resistencias de pre-inserción. Son unos cables en espiral sobre el contactor que conectan milisegundos antes que los polos principales. Su función es amortiguar la corriente pico de conexión que puede ser hasta 200 veces la nominal. Esto ocurre por cerrar un contactor sobre un condensador descargado.
– Tiristores (baterías estáticas): para cargas ultra-rápidas (soldadura, ascensores, etc.) donde el cos φ cambia en milisegundos, los contactores son muy lentos. Se usan tiristores que conectan en el paso por cero de la onda, sin desgaste mecánico y con respuesta casi instantánea (20 ms).
Compensación Individual (en Bornes)
Consiste en conectar el condensador directamente a los bornes de la carga inductiva (generalmente un motor grande o un transformador). El condensador y la carga se conmutan juntos: cuando el motor arranca, el condensador entra. Por tanto, la compensación individual es prácticamente siempre fija.
Es ideal en motores de gran potencia (>20 kW) que funcionan en régimen continuo (bombas de agua, ventiladores de extracción, compresores, etc.) o en transformadores de distribución (para compensar su corriente de magnetización en vacío).
● Ventajas (la más eficiente):
– Descarga total de la línea: la corriente se reduce desde el CT al nivel 3 donde están la batería y los receptores. Esto elimina la corriente inductiva en todos los cables de la instalación.
– Reducción de sección de cable: si se diseña desde cero, permite usar cables de menor sección para alimentar el motor.
– Disminución de caídas de tensión: al reducir la intensidad en el cable final, llega más voltaje al motor, mejorando su par de arranque.
Consideración (ajuste de protección): al reducir la corriente que consume el conjunto motor + condensador, debemos reajustar el relé térmico de protección. Si lo dejamos calibrado a la corriente nominal de placa del motor, el relé no saltará aunque el motor se esté sobrecalentando mecánicamente, porque la corriente eléctrica leída será menor gracias al condensador.
● Desventaja:
– Se trata de una solución de coste elevado, por lo que su aplicación solo se justifica en aplicaciones específicas con factores de potencia muy bajos.
Compensación por Grupos (en Cuadros Secundarios)
Si tenemos un sector de la instalación con muchas máquinas pequeñas o medianas que suelen trabajar simultáneamente (ej: una línea de empaquetado o un taller de tornos), no es rentable poner un condensador pequeño en cada motor.
Se instala una batería (fija o automática) en el cuadro de distribución secundario que alimenta a ese sector.
Es ideal es grupos de motores con alto factor de simultaneidad (siempre se encienden juntos) o en líneas de iluminación con lámparas de descarga.
● Ventajas:
– Compromiso entre coste y eficacia.
– Descarga la línea principal que va desde el transformador hasta este sub-cuadro.
● Desventaja:
– Los cables finales que van desde el cuadro de distribución secundario hasta cada receptor siguen sobrecargados con energía reactiva. Las pérdidas por calor (R · I2) en esos tramos finales no se eliminan.
Compensación Centralizada (Automática en Cuadro General)
Es el método más habitual. Se instala una única batería de condensadores automática en el Cuadro General de de Mando y Protección (CGMP), justo aguas abajo del interruptor principal.
Es ideal en instalaciones con cargas muy variables y baja simultaneidad (donde nunca funcionan todas las máquinas a la vez). También en edificios de oficinas, centros comerciales y plantas industriales generales.
● Ventajas:
– No necesitamos instalar potencia reactiva capacitiva para la suma de todas las potencias de las máquinas, sino solo para el pico máximo de demanda. Esto reduce drásticamente la inversión en condensadores.
– Gestión centralizada y facilidad de mantenimiento.
– Elimina la penalización en la factura eléctrica de forma garantizada.
● Desventaja:
– La energía reactiva sigue circulando por todos los cables internos de la instalación hasta llegar al cuadro general. No reduce las pérdidas internas por calor ni libera capacidad en los cables secundarios. Solo "alivia" al transformador y a la red externa.
Compensación Mixta
En la práctica, rara vez se elige un único método. La solución técnica y económicamente más rentable suele ser una combinación de las anteriores, conocida como compensación mixta.
Este enfoque busca obtener lo mejor de ambos mundos:
1º) Eficiencia técnica: eliminar las pérdidas en los cables de los grandes consumidores (compensación individual).
2º) Eficiencia económica: reducir la inversión en equipos para el resto de la planta (compensación centralizada).
El criterio de diseño se basa en separar las cargas en 2 categorías:
● Motores más grandes que siempre funcionan: identificamos los motores de gran potencia (generalmente > 20-30 kW) que tienen un régimen de funcionamiento continuo o muy prolongado.
A estos equipos se les aplica una compensación individual, mediante un condensador fijo en sus bornes (aguas abajo del contactor del motor). Por ejemplo, compresores de aire generales, bombas de recirculación de agua o ventiladores de extracción principales.
De esta manera, liberamos al cable que alimenta este motor de una gran cantidad de corriente reactiva, reduciendo su calentamiento y permitiendo que el motor reciba mejor tensión.
● El resto de la instalación: los demás receptores generan una demanda de reactiva caótica y variable (iluminación, tomas de corriente, pequeños motores, máquinas herramientas intermitentes, etc.).
A estos equipos se les aplica una compensación centralizada, mediante una batería automática en el Cuadro General de Mando y Protección (CGMP).
La batería automática será más pequeña y barata que si tuviera que compensar toda la fábrica, porque los grandes receptores ya se están autocompensando.
Los Armónicos y la Resonancia
En las décadas pasadas, las cargas industriales eran lineales (resistencias, motores directos, etc.). Hoy, la realidad es muy distinta. La proliferación de la electrónica de potencia (variadores de frecuencia, arrancadores suaves, iluminación LED, ordenadores, SAIs, etc.) ha introducido un "contaminante" en la red: los armónicos.
Instalar condensadores sin tener en cuenta esta contaminación es un error grave que puede provocar desde la destrucción de la batería hasta incendios en el cuadro eléctrico.
Destrucción de los Condensadores por los Armónicos
Para entender el peligro, debemos mirar la física básica del condensador. La oposición de un condensador al paso de la corriente se llama reactancia capacitiva (XC) y su fórmula es:
Se observa que la frecuencia (f) está en el denominador. Esto significa que a mayor frecuencia, menor es la resistencia del condensador.
– La frecuencia fundamental es 50 Hz.
– El 5º armónico (muy común en la industria) es de 250 Hz.
– El 7º armónico es de 350 Hz.
Para estas frecuencias altas, la batería de condensadores presenta una impedancia bajísima, casi un cortocircuito. El condensador actúa como un "sumidero" que atrae y absorbe todas las corrientes armónicas de la red. Esto provoca un sobrecalentamiento brutal y una degradación acelerada del dieléctrico, hinchando los vasos o haciéndolos explotar.
La Resonancia Paralelo
Más peligroso aún es el fenómeno de la resonancia con armónicos. La instalación tiene una inductancia natural (transformador + cables) y nosotros añadimos una capacidad (condensadores). Esto crea un circuito oscilante LC.
Si la frecuencia natural de resonancia de este conjunto coincide casualmente con la frecuencia de algún armónico presente en la red (por ejemplo, cerca de los 250 Hz), el sistema entra en resonancia.
Como consecuencia, la impedancia se vuelve teóricamente infinita. Las corrientes armónicas quedan atrapadas circulando en bucle entre el transformador y el condensador. Como consecuencia, se producen sobretensiones y sobreintensidades masivas que pueden reventar fusibles, dañar la electrónica de toda la instalación y destruir la batería.
Soluciones Según el Nivel de Contaminación Armónica
La norma IEC 61000 y los fabricantes establecen 3 niveles de protección basados en la Tasa de Distorsión Armónica en Corriente (THDI) medida en el secundario del transformador a plena carga.
● Batería estándar (nivel limpio): cuando THDI < 15%.
Se utilizan condensadores de tensión nominal estándar (400V o 415V). Son solo aptos para redes con cargas "nobles" (motores directos o resistencias).
● Batería reforzada o sobredimensionada (nivel medio): cuando 15% < THDI < 25%.
Se utilizan condensadores diseñados para una tensión nominal superior a la de la red (ej: 440V, 460V o incluso 525V) aunque se conecten a 400V.
Sobredimensionar la tensión nominal (ej. 460V en red de 400V) reduce el estrés térmico y protege el dieléctrico. Sin embargo, la potencia reactiva entregada cae drásticamente según la relación cuadrática de las tensiones: Qreal = Qnom · (400/460)2. Por tanto, se necesitan condensadores más grandes (más μF) para dar los mismos kVAR, lo que encarece el equipo.
Aguantan mejor los armónicos, pero no evitan la resonancia. Si hay riesgo de resonancia, esta solución no sirve.
● Batería con filtros de rechazo / desintonizada (nivel alto): cuando THDI > 25% o si existe riesgo de resonancia (si la potencia de la batería es significativa respecto a la del trafo, >20-25%).
Se instala una bobina (reactancia) en serie con cada condensador. Formamos un filtro LC sintonizado a una frecuencia específica que sea más baja que el armónico más bajo presente en la red.
A 50 Hz (frecuencia fundamental) el conjunto es capacitivo y corrige el factor de potencia. A frecuencias más altas (frecuencias armónicas) la reactancia inductiva domina y el conjunto se ofrece una alta impedancia a los armónicos, bloqueando su entrada al condensador.
El condensador queda protegido detrás de la reactancia ("escudo") y la resonancia se hace imposible.
Los Factores de Sintonía
La reactancia se elige según el tipo de armónico principal que queremos evitar:
● Sintonía al 7% (fr = 189 Hz): es el estándar industrial (90% de los casos). Ideal para industrias con variadores de frecuencia trifásicos.
Se sintoniza justo por debajo del 5º armónico (250 Hz). Protege contra el 5º, 7º, 11º, etc.
● Sintonía al 14% (fr = 134 Hz): necesaria en edificios de oficinas, hospitales o centros comerciales con mucha iluminación LED, ordenadores monofásicos y neutros cargados. El 3º armónico es típico de cargas monofásicas.
Se sintoniza por debajo del 3º armónico (150 Hz).
Ojo: estas baterías son más caras porque las reactancias del 14% son más grandes y pesadas.
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