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¿Vale cualquier batería de condensadores?

¿Por qué no todas las baterías para compensar reactiva sirven igual?

La importancia del filtro de rechazo adecuado

En el presente artículo veremos cómo la instalación de una batería de condensadores es en sí un cambio en la instalación eléctrica; cambio que ante una mala elección de la batería de condensadores podría desestabilizar el sistema por motivo de armónicos; provocando serios problemas en la propia batería de condensadores y en la instalación, llegando a generar paradas de producción e importantes pérdidas económicas.

A continuación intentaremos explicar las diferentes frecuencias de sintonización, así como consecuencias de una mala elección en esta sintonía y la recomendación para evitar estos posibles riesgos.

La mejora de la eficiencia energética con baterías de condensadores

La búsqueda de la mejora en la eficiencia energética, y los incrementos de tarifas eléctricas están haciendo más comunes la compensación de la energía reactiva con baterías de condensadores. Pero como cualquier equipo eléctrico, estas baterías tienen varios efectos eléctricos en la instalación dónde se ubican. El efecto más importante, además de corregir el consumo de energía reactiva de la instalación, es el cambio de comportamiento frente a los armónicos que pueda haber en dicha red eléctrica. Este cambio puede producir una merma a medio plazo en la compensación de la energía reactiva, una desestabilización eléctrica en la instalación, o incluso la parada de la producción.

Las instalaciones eléctricas son cada vez más complejas, incluyendo diversas cargas inductivas, capacitivas y electrónica de potencia, estas redes suelen presentar significativos niveles de distorsión armónica, lo que ha comportado que la gran mayoría de fabricantes de baterías automáticas de condensadores incorporen en su catálogo, de manera unánime, equipos expresamente diseñados para su uso en dichas redes.

La importancia de la frecuencia de sintonización en las baterías de condensadores

Ahora bien, donde no existe dicha unanimidad es en la elección de la frecuencia de sintonización que se ofrece como estándar, tanto en las baterías automáticas de condensadores como en los grupos de compensación fijos, equipadas con filtros de rechazo (también conocidos como filtros desintonizados).

Para el caso, bastante menos habitual, de predominio de armónicos de orden 3 (150 Hz en redes de 50 Hz), sí que es de uso común los filtros de rechazo sintonizados a 134 Hz (factor de sobretensión de p = 14 %); pero para la gran mayoría de instalaciones, donde se requiere de una batería equipada con filtros de rechazo apropiada para la presencia de armónicos de orden 5 (250 Hz en redes de 50 Hz) o superior, que son los normalmente generados por las más usuales fuentes de corrientes armónicas, esto es, cargas trifásicas equipadas con un puente rectificador de 6 pulsos en su entrada: variadores de velocidad o frecuencia, rectificadores AC/DC, hornos de inducción,….sí que la variedad de frecuencias de sintonía propuestas es significativamente variada, moviéndose generalmente dentro de un rango comprendido entre los 170 y los 215 Hz (de p = 8,7 % a p = 5,4 %).

No obstante, existen dos sintonías que predominan ante el resto, las correspondientes a un factor de sobretensión de p = 7 % (frecuencia de sintonía de 189 Hz en redes de 50 Hz) y a p = 5,67 % (frecuencia de sintonía de 210 Hz en redes de 50 Hz).

Podría deducirse fácilmente de lo anterior que la elección de un valor de de p = 7 % o de p = 5,67 % debería ser indiferente, y que ambas deberían proporcionar el mismo resultado a efectos de su comportamiento una vez conectadas a la red eléctrica, pero eso no es estrictamente cierto.

Los filtros de rechazo y su efecto en las instalaciones

Para realizar la argumentación de este último comentario, efectuaremos un breve repaso del principio de funcionamiento de los filtros de rechazo. Observando la gráfica de impedancia-frecuencia de un conjunto serie reactancia-condensador con p = 7 % (Línea verde en la Fig. 1), vemos que ofrece la menor impedancia a 189 Hz, mientras que el correspondiente a p = 5,67 % (Línea roja en la Fig. 1) ofrece la menor impedancia a 210 Hz. En ambos casos, la impedancia aumenta paulatinamente a ambos lados de ésta, con la particularidad, que la impedancia es de carácter capacitivo en frecuencias menores a 189 Hz, y de carácter inductiva, para frecuencias superiores. Es precisamente ese carácter inductivo ante las frecuencias armónicas de orden 5 ó superior la que evita la posibilidad de que se produzca un fenómeno de resonancia a alguna de dichas frecuencias. Pero también constituye un parámetro clave para el correcto funcionamiento del filtro de rechazo, el valor de dicha impedancia a las diferentes frecuencias armónicas. Así, en dicha impedancia-frecuencia de la Fig. 1 se puede ver con claridad la diferencia de impedancia de cada sintonía a la frecuencia armónica de 250 Hz que, recordamos, es la predominante de los armónicos de tensión y/o frecuencia presentes en las redes eléctricas. Para p = 5,67 %, el valor de la impedancia es prácticamente la mitad que el valor para p = 7 %.

Fig. 1 Gráfica impedancia-frecuencia de un filtro de rechazo con p = 7 % (189 Hz) y p = 5,67 % (210 Hz)

Fig. 1 Gráfica impedancia-frecuencia de un filtro de rechazo con p = 7 % (189 Hz) y p = 5,67 % (210 Hz)

¿Cuál es la principal consecuencia de esta diferencia de impedancia que presentan ambas sintonías? Es fácil de deducir que la absorción de corrientes armónicas presentes en la red será superior para p = 5,67 % que para p = 7 %. Esto podría entenderse como beneficioso para la instalación, si se dedujese que entonces el nivel de corriente armónica de orden 5 circulante aguas arriba del punto de conexión de la batería a la red será inferior comparado con el que existiría con una batería de potencia análoga per sintonía tipo p = 7 %; pero, tanto la experiencia, como la propia realidad de la naturaleza de la mayoría de redes, que se aleja de lo que sería un comportamiento de red ideal, resultan en que esta percepción no sea correcta en un elevado número de ocasiones.

El uso de filtros pasivos de armónicos es un tema que requiere siempre de un mínimo estudio previo, pues el comportamiento de éstos depende de las características de la red, por tanto, la pretensión de equiparar en cierto grado el uso de un filtro sintonizado a 210 Hz al que tendría uno sintonizado por a unos 225 Hz, que es la frecuencia habitual de los filtros de absorción para corrientes armónicas de orden 5 en redes de 50 Hz, también debería de tener dichas consideraciones, y raramente eso es así. En resumen, es más imprevisible determinar el consumo real de corriente armónica que puede tener una batería con filtros tipo p = 5,67 % que una idéntica con tipo p = 7 %, instaladas ambas en la misma red.

Otros efectos de la sintonía de filtrado

Existen además otros puntos a tener en cuenta. Uno básico es el hecho de que si de base la de p = 5,67 % va a tener un mayor consumo de corriente armónica, sus elementos, principalmente la reactancia y el condensador asociado deben estar diseñados para soportar la sobrecarga, a nivel de intensidad y de temperatura, a los que se van a ver sometidos; y aparece entonces aquí una de las mayores problemáticas de estos filtros. En el caso particular de las reactancias, éstas, a igualdad de potencia de p = 7 %, y, si simplemente el criterio de diseño se ha basado en ese valor, el resultado es una reactancia de menor tamaño y peso, o sea, menor coste, y la misma tentación puede aplicarse a los condensadores, en el sentido de que el valor de sobretensión a los que se verán sometidos será un 25 % menor que en caso de p = 7 %, y, por consiguiente, puede presentarse como justificado el usar condensadores de menor tensión nominal. En definitiva, existe el riesgo de que la batería haya de soportar mayores niveles de sobrecarga armónica, con elementos de menor robustez, lo que derivará, inexorablemente, en un más rápido deterioro de ésta en comparación con la análoga de p = 7 %.

El otro punto esencial a considerar, que en opinión de CIRCUTOR es el más relevante, es la influencia de la capacidad de los condensadores en la sintonía del grupo serie reactancia-condensador, de acuerdo a la fórmula de la Fig. 2.

Fig. 2 Fórmula para el cálculo de la frecuencia de resonancia de un circuito serie L-C

Fig. 2 Fórmula para el cálculo de la frecuencia de resonancia de un circuito serie L-C

Es fácil deducir que una disminución de la capacidad del condensador tendrá como consecuencia el aumento de la frecuencia de resonancia del conjunto. Los condensadores son elementos que, ya sea por sus condiciones de uso (tensión, temperatura, cadencia de maniobras de conexión,...), como por una propia degradación natural del polipropileno que forma su dieléctrico, pierden capacidad a lo largo del tiempo. Una misma pérdida de capacidad en un filtro de p = 5,67 % y en uno de p = 7 % , implica que el primero se acercará mucho más a la frecuencia de orden 5 que el segundo, y cuanto más próximo se halle, mayor absorción de corriente armónica presentará, mayor sobrecarga sufrirá, y acabará derivando en un mayor deterioro. En otras palabras, el margen de seguridad proporcionado ante este fenómeno de pérdida de capacidad es considerablemente superior en un filtro con p = 7 %.

Conclusiones para la correcta elección de las baterías de condensadores

La conclusión es en este caso clara, y no es otra que la recomendación inequívoca por parte de CIRCUTOR del uso de filtros con p = 7 % en lugar de p = 5,67 %, en todas aquellas instalaciones que hagan necesario su aplicación debido al nivel de distorsión armónica que presentan.

La finalidad de esta recomendación no es otra que el reducir el evidente riesgo de que una pérdida en la capacidad del condensador genere la aparición de serios problemas provocados por sobrecorrientes en la batería de condensadores, de manera mucho más prematura, permitiendo un mayor tiempo de reacción, a través de las pertinentes acciones de mantenimiento que siempre son aconsejables de realizar en cualquier equipo, pudiéndose aplicar así las medidas correctivas antes de que el deterioro sea definitivo y, por consiguiente, de peores consecuencias económicas.

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