Equipos como los fluorescentes, motores, maquinas de aire acondicionado, etc. inducen un flujo de energía reactiva por las redes de distribución que produce perdidas y problemas en esta red de distribución. Por eso, las distribuidoras cobran una penalización en caso de que la energía reactiva de una instalación supere los límites legales.
Las baterías de compensación de energía reactiva suministran la energía reactiva que una instalación requiere, de manera que no se consume de la red eléctrica y por tanto no penaliza en la factura eléctrica.
Ventajas de compensar la energía reactiva:
- Disminución de la potencia nominal de instalación.
- Mejora de la capacidad de transformadores y líneas de distribución.
- Evitamiento del sobredimensionado de la aparamenta eléctrica.
- Reducción de la caída de tensión.
- Reducción de las pérdidas derivadas por efecto Joule, y por lo tanto del sobrecalentamiento de los conductores.
Tipos de instalación para compensación.
- Individual:
- o Constituye desde el punto de vista técnico la solución óptima, pero no la más económica.
- o Se emplea en grandes receptores, y por lo general combinada con otros tipos de compensación.
- o Los receptores más habituales suelen ser: Transformadores, Bombas, Compresores y Ventiladores.
- · Por sectores:
- o Constituye la solución más habitual para instalaciones con gran consumo de energía reactiva.
- o Se emplean baterías de compensación dispuestas según los diferentes sub-cuadros de distribución.
- o Tiene la ventaja de permitir descargar tanto los transformadores de cabecera, como las líneas de distribución hasta los distintos sub-cuadros.
- Centralizada o global:
- o Constituye la solución más económica y se caracteriza por disponer de una sola batería conectada al cuadro general de distribución.
- o Permite descargar los transformadores de cabecera, pero no así las líneas de distribución de la instalación.
Según la legislación vigente en España, no se podrán conectar condensadores fijos en implantación general, sólo en paralelo con las cargas de modo que a la conexión de éstas entren y con su desconexión, también lo hagan los condensadores.
Tipos de Batería:
- Fija.
- Automática.
La elección entre fija y automática, por lo general, dependerá principalmente del tipo de equipo a compensar. La compensación fija, en la práctica, sólo se utiliza para transformadores y grandes motores.
ü Batería Fija.
Este sistema sólo se utiliza en cargas o instalaciones donde:
- Exista una demanda de energía bastante constante.
- La reactiva a compensar, también esté presente en los momentos en que la carga es baja.
- Se trate de cargas grandes que interese compensar individualmente.
En la práctica sólo se utiliza para compensar transformadores y grandes motores asíncronos. Se conecta en paralelo con ellos de modo que al entrar en servicio también lo haga la batería de condensadores y, que al desconectarse lo haga ésta, también.
ü Batería Automática.
La situación anterior, con consumos de reactiva constantes, es una situación utópica. Al igual que con la activa, la reactiva varía dependiendo de la actividad de la instalación, por lo que la compensación fija no se podría realizar satisfactoriamente.
La compensación automática tiene como misión chequear constantemente las necesidades de energía reactiva de la instalación para compensar lo que se precise en cada momento. Para ello las baterías disponen de un regulador automático que “piensa” por ella y le transmite órdenes en un sentido o en otro.
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(imágenes cedidas por CYDESA. Nótese en la fig. 5 la presencia del regulador en el panel frontal))
Así pues, las características de una instalación influyen decisivamente en la selección del tipo de batería a instalar.
No obstante, no solo los conceptos desarrollados anteriormente nos van a permitir poder definir con total garantía el equipo de compensación necesario y mas efectivo. Otra serie de parámetros, o condicionantes, van a permitir tomar una acertada decisión en cuanto a las características de los equipos adecuados a instalar.
Dos criterios mas se añaden a los antes definidos:
- Desequilibrios.
- Armónicos.
v Sistemas desequilibrados.
Muy difícilmente nos encontraremos con sistemas equilibrados de cargas. La combinación de cargas trifásicas y monofásicas, la escasa simultaneidad de uso de las mismas, e incluso las variaciones del régimen de carga de algunos receptores, hacen que frecuentemente tengamos que hacer frente a sistemas más o menos desequilibrados.
Por lo general las baterías estándar actúan a través de un único transformador de intensidad dispuesto sobre una de las tres fases del sistema.
Fig 6 (fuente: Circutor)
Analicemos por un momento el ejemplo de la fig. 6:
El consumo instantáneo de energía reactiva en cada una de las fases es,
L1 = 400 KVAr
L2 = 480 KVAr
L3 = 450 KVAr
Por lo tanto el consumo total de energía reactiva del sistema, en ese instante, será de 1.330 KVAr. (suma de las tres fases)
Observamos que el transformador de intensidad esta dispuesto sobre la fase que hemos identificado como L1.
La batería tomará como referencia el consumo de reactiva de esta fase y compensará por un valor de 400 KVAr a cada una de ellas . En esta situación, nos encontramos:
Compensación total = 3 x 400 KVAr = 1.200 KVAr
Con lo cual tenemos un déficit de 130 KVAr. (80 KVAr en la fase L2 y 50 KVAr en la fase L3)
Podría darse la paradoja del siguiente caso:
L1 = 400 KVAr
L2 = 450 KVAr
L3 = 350 KVAr
El consumo total del sistema sería igual a 1.200 KVAr. Como en el supuesto anterior la batería compensaría por un total de 3×400 KVAr = 1.200 KVAr.
El sistema en su conjunto estaría perfectamente compensado pero, verbigracia:
La fase L2 estaría sub-compensada en 450 KVAr – 400 KVAr = 50 KVAr
La fase L3 estaría sobre-compensada en 400 KVAr – 350 KVAr = 50 KVAr
Nótese que el balance resultante: +50 KVAr (sobre-compensación), -50 KVAr (sub-compensación) es cero (sistema compensado), pero tenemos problemas en dos de las fases.
Para paliar esta situación, baterías de última generación incorporan reguladores inteligentes que, disponiendo de transformadores de intensidad en cada una de las fases, miden exactamente la energía reactiva en cada una de ellas y las compensa individualmente (Método fase a fase):
fig. 7 (fuente: Circutor)
No confundir con sistemas de regulación intermedios que, empleando así mismo tres transformadores de intensidad, compensan en base a la lectura promedio (Método trifásico), en nuestro caso: (400+480+450) / 3 = 443, 33 KVAr.
En este supuesto, el sistema estará perfectamente compensado pero las fases presentarán los siguientes resultados:
L1 : sobre-compensada 43,33 KVAr
L2 : sub-compensada 36,67 KVAr
L3 : sub-compensada 6,67 KVAr
Armónicos.
Debido al gran desarrollo y uso de la Electrónica de Potencia en las instalaciones eléctricas, se han incrementado en los últimos años los niveles de distorsión armónica.
Este problema es causado esencialmente por:
- Variadores de frecuencia y arrancadores de estado sólido.
- Rectificadores y sistemas de alimentación ininterrumpida.
- Hornos de arco, balastos de lámparas de descarga y fluorescentes
La presencia de armónicos en la red eléctrica puede provocar un funcionamiento anómalo de los equipos, como sobrecargas en el conductor de neutro, aumento de las pérdidas en los transformadores, daños en el par de los motores, etc.
En concreto, los armónicos son el fenómeno que más daños causa a los condensadores de compensación.
De hecho, se sabe que la reactancia capacitiva es inversamente proporcional a la frecuencia; por lo tanto, la impedancia producida en los armónicos de tensión disminuye al aumentar el orden de armónicos. Esto significa que los condensadores, al estar alimentados por una tensión deformada, pueden absorber una corriente con una magnitud que podría provocar un calentamiento excesivo, con degradación del dieléctrico, pudiendo llegar a su perforación
Un problema aún más importante se da cuando la distorsión en línea alcanza valores elevados, existiendo peligro de resonancia entre el sistema de corrección (capacidad equivalente de los condensadores) y la inductancia equivalente de la red. Esto produce una sobretensión y también una sobre-corriente que, como en el caso anterior, puede causar una perforación del dieléctrico y en consecuencia, el deterioro o pérdida del condensador.
Para evitar las resonancias de las baterías de compensación se utilizan filtros de rechazo o desintonizados, en combinación con las mismas.
De no hacerse así y si se instalara una batería convencional, su vida útil se reduciría considerablemente, pudiendo provocar además, problemas en la instalación eléctrica (fenómenos de resonancia, etc.)
El objetivo de los mismos es impedir la resonancia paralelo entre las baterías de condensadores y la propia instalación, que en muchos casos se reduce a la impedancia del transformador. Mediante el uso de filtros de rechazo se consigue reducir la impedancia equivalente en el punto de conexión a la red, con lo que podemos restringir los armónicos de tensión en dicho punto, considerando que la impedancia de cortocircuito de la red es ya lo suficientemente baja.
COROLARIO.-
Generalmente cuando se acomete un estudio, o proyecto de dimensionado, de una batería de compensación de energía reactiva en una instalación, siempre se recurre a los métodos tradicionales de cálculo basados en los históricos de facturas o en mediciones directas de las potencias.
Soslayar las perturbaciones que se manifiestan en una instalación, como son los casos expuestos anteriormente y que hacen referencia al grado de desequilibrio de las cargas y a la presencia de componentes armónicas, pueden generar a medio y largo plazo importantes dudas sobre la eficacia de los equipos de compensación e incluso sobre la fiabilidad de los mismos.
No contemplar sus efectos y recurrir en primera instancia a resoluciones mediante la implementación de baterías estándar sin haber realizado un análisis previo del estado de la instalación que permita identificar el impacto de las perturbaciones, y cual debería ser el equipo más apropiado acorde, puede conducir a obtener situaciones como las que se reflejan en las graficas que se muestran a continuación.
Instalación que incluye batería automática centralizada para la compensación de energía reactiva, gobernada mediante regulador tradicional, donde se manifiesta un gran desequilibrio de cargas y tasas de distorsión armónica de corriente muy elevadas.
Se observa un elevado consumo de energía reactiva de la red de distribución (a pesar de la compensación), y en consecuencia un bajo cos φ.
- La batería automática registraba valores del cos φ ≥ 0,98
- No mostraba indicios de condensadores dañados.
- La capacidad de los mismos era la correcta.
- Circuito eminentemente inductivo.
- Presencia de numerosos amplificadores magnéticos.
La resolución, se presentará en un posterior artículo.