Corrección del factor de potencia y filtrado de armónicos – ABB

El presente cuaderno de aplicaciones técnicas de la empresa ABB no pretende analizar en profundidad los detalles técnicos.

En lugar de ello partiendo de la definición de compensación, del análisis de las ventajas técnico-económicas y describiendo las formas y los métodos de compensación, busca servir de guía para la adecuada elección de los dispositivos para el mando de las baterías de condensadores y dispositivos de filtrado de armónicos.

Además, se ofrecen soluciones para el filtrado, ya sea de manera pasiva o activa, de los armónicos de corriente
causados por cargas distorsionantes no lineales.

Asimismo, a modo de compendio del cuaderno de aplicaciones técnicas, se incluyen seis anexos con:

• Tablas para la selección y coordinación entre interruptores y contactores para la maniobra y la protección de baterías de condensadores de una determinada potencia.
• Indicaciones sobre cómo varía la potencia reactiva producida al variar la tensión de alimentación y sobre cómo
  impedir que la potencia reactiva llegue a la red.
• Consideraciones sobre la corrección del factor de potencia y el filtrado en régimen deformado, para poner
  en evidencia cómo la corrección por sí misma induce a una reducción del valor de los armónicos presentes en
  la red.
• Descripciones del comportamiento de la tensión y la corriente durante la inserción y la descarga de las baterías
  de condensadores.
• Consideraciones sobre la corrección en una instalación fotovoltaica.
• Observaciones sobre la contribución de los armónicos en la evaluación de la corriente en el conductor de neutro en los sistemas trifásicos.

Resumen del cuaderno técnico de corrección del factor de potencia y filtrado de armónicos – ABB

Generalidades sobre la corrección del factor de potencia

El factor de potencia cosϕ se define como la relación entre la componente activa Ir y el valor total de la corriente I, siendo ϕ el ángulo de fase entre la tensión y la corriente. Con una tensión V dada de fase resulta:

‘Corregir’ significa actuar para incrementar el factor de potencia en una sección específica de la instalación, proporcionando localmente la potencia reactiva necesaria para reducir, a igual potencia útil requerida, el valor de la
corriente y, por tanto, de la potencia que transita la red aguas arriba.

En el caso de formas de onda sinusoidales, la potencia reactiva necesaria para pasar de un factor de potencia cosϕ1
a un factor de potencia cosϕ2 es expresada por la relación (válida tanto para sistemas trifásicos como monofásicos):

Reducción de las perdidas aumentado el factor de potencia

En un sistema trifásico, las pérdidas se expresan de la siguiente manera:

La reducción de las pérdidas Δp, una vez efectuada la compensación, viene dada por:

De esta fórmula se extrae que incrementando, por ejemplo, el factor de potencia de 0.7 a 0.9 se obtiene un ahorro en
las pérdidas de cerca del 39,5%.

La próxima tabla establece el ahorro en las pérdidas incrementando el factor de potencia de un valor inicial cosϕ1
a un valor final 0.9 y 0.95.

Reducción de la caída de tensión aumentado el factor de potencia

La caída de tensión concatenada en una línea trifásica puede expresarse del siguiente modo:

Al igual potencia activa transmitida, la caída de tensión será menor cuanto mayor sea el factor de potencia.

Tipos de corrección de potencia reactiva

Si bien no existen reglas específicas para los diferentes tipos de instalaciones y, en teoría, los condensadores pueden instalarse en cualquier punto, es preciso evaluar su ejecución práctica y económica.

A partir de las modalidades de ubicación de los condensadores, los principales métodos de corrección son:

• corrección del factor de potencia distribuida;
• corrección del factor de potencia por grupos;
• corrección del factor de potencia centralizada;
• corrección del factor de potencia mixta;
• corrección del factor de potencia automática.

Los armónicos en las instalaciones eléctricas

La presencia de armónicos en un sistema eléctrico indica por tanto una deformación de la forma de onda
de la tensión o de la corriente, lo que conlleva una distribución de energía eléctrica que podría provocar el funcionamiento deficiente de los equipos.

Principales aparatos que generan armónicos

– ordenadores;
– lámparas fluorescentes y de descarga en gas;
– convertidores estáticos;
– grupos de continuidad;
– accionamientos de velocidad variable;
– soldadoras;
– hornos de arco y de inducción.

Los efectos de los armónicos

Sobrecargas: La presencia de armónicos en la red eléctrica puede provocar un funcionamiento anómalo de los aparatos, como sobrecargas en el conductor de neutro, aumento de las pérdidas en los transformadores, daños en el par de los motores, etc.

Resonancia: La resonancia se presenta cuando la reactancia inductiva y capacitiva se igualan. De esta forma, se hablará de circuito resonante serie cuando la inductancia y la capacidad estén conectadas en serie, o de circuito resonante paralelo si la inductancia y la capacidad se encuentran conectadas en paralelo.

Filtros para armónicos

Junto con los inductores, y con objeto de limitar los efectos de los armónicos en una red, pueden emplearse los bancos de condensadores. De hecho, la combinación condensador-inductor constituye un filtro para armónicos.

El filtro, denominado filtro pasivo, está compuesto por un condensador conectado en serie a un inductor y su función es la de igualar la frecuencia de resonancia total a la frecuencia del armónico que se desea eliminar.
El filtro pasivo, que se determina en cada caso en función del armónico concreto que necesita ser filtrado, es económico al tiempo que fácil de conectar y de poner en funcionamiento.

El filtro activo es capaz de eliminar de forma automática los armónicos de corriente presentes en la red con una
amplia gama de frecuencias. Su tecnología electrónica le permite generar un sistema de armónicos capaz de anular los armónicos presentes en la red.

Maniobra y protección de las baterías de condensadores

La inserción de una batería de condensadores determina un transitorio eléctrico debido a los fenómenos de carga eléctrica de la batería. De hecho, da lugar a una sobrecorriente de elevada frecuencia (equivalente en los primeros instantes a un cortocircuito de corta duración), cuya amplitud depende de los parámetros de la red aguas arriba y de las características de la batería.

Si se inserta una batería con una o más baterías ya conectadas a la tensión, es preciso dotarlas en serie de oportunas inductancias limitadoras, ya que en este caso el pico de corriente es mucho más elevado a causa de la brusca transferencia de energía de la o las baterías ya en servicio a la que acaba de ser insertada.

Composición de un banco de capacitores o condensadores

Un sistema de corrección del factor de potencia está compuesto básicamente por:

• un dispositivo de protección;
• un aparato de maniobra (contactor);
• uno o más condensadores debidamente conectados;
• eventuales resistencias para la descarga del condensador.

Los sistemas de corrección automática, además, cuentan con un regulador del factor de potencia que controla la inserción y la desconexión de los condensadores.