Bancos de Capacitores: ¿Qué son y cómo funcionan?

En el entorno comercial e industrial, la eficiencia energética es esencial para mantener la competitividad y minimizar costos. Sin embargo, las empresas enfrentan desafíos como bajo factor de potencia, que conlleva multas y tarifas elevadas, pérdidas de energía por ineficiencias en el sistema, caídas de tensión y daños en equipos debido a armónicos en la red. Estos problemas aumentan los costos operativos y comprometen la estabilidad de las instalaciones, siendo crucial su corrección para optimizar el rendimiento financiero y operativo.

En este artículo, exploraremos qué son estos bancos, sus aplicaciones y cómo funcionan.

Comprendiendo las Cargas en su Instalación Eléctrica:

Carga Resistiva: Transforma energía eléctrica directamente en trabajo o calor, y la tensión y corriente están en fase, es decir, alcanzan sus picos al mismo tiempo. Carga Inductiva: Común en motores y transformadores, en estas cargas la corriente está retrasada respecto a la tensión. Esto ocurre porque las cargas inductivas almacenan energía temporalmente en el campo magnético y liberan esa energía de vuelta a la red, causando un retraso en la corriente. Carga Capacitiva: En este caso, la corriente se adelanta a la tensión. Las cargas capacitivas almacenan energía en el campo eléctrico y la liberan antes de recibir más energía de la fuente, lo que adelanta la corriente respecto a la tensión.

Entender el funcionamiento de un banco de capacitores requiere una mirada a los conceptos de energía reactiva y factor de potencia. En el sistema eléctrico, las cargas pueden clasificarse en tres tipos principales: resistivas, inductivas y capacitivas.

1. Carga Resistiva: Transforma energía eléctrica directamente en trabajo o calor, y la tensión y corriente están en fase, es decir, alcanzan sus picos al mismo tiempo.

2. Carga Inductiva: Común en motores y transformadores, en estas cargas la corriente está retrasada respecto a la tensión. Esto ocurre porque las cargas inductivas almacenan energía temporalmente en el campo magnético y liberan esa energía de vuelta a la red, causando un retraso en la corriente.

3. Carga Capacitiva: En este caso, la corriente se adelanta a la tensión. Las cargas capacitivas almacenan energía en el campo eléctrico y la liberan antes de recibir más energía de la fuente, lo que adelanta la corriente respecto a la tensión.

(1) Carga Resistiva: Tensión y Corriente en fase (2) Carga Inductiva: Corriente retrasada respecto a la Tensión (3) Carga Capacitiva: Corriente adelantada respecto a la Tensión

Fator de Potência: Es una medida que indica cuán eficientemente se está utilizando la energía en un sistema eléctrico. Un factor de potencia de 1 (o 100%) es ideal, indicando que toda la energía suministrada se está utilizando eficazmente para realizar trabajo. Un factor de potencia menor que 1 indica que parte de la energía se está utilizando para sostener los campos magnéticos y eléctricos sin realizar trabajo productivo.

Fator de Potência: É uma medida que indica quão efetivamente a energia está sendo usada em um sistema elétrico. Um fator de potência de 1 (ou 100%) é ideal, indicando que toda a energia fornecida está sendo usada efetivamente para realizar trabalho. Um fator de potência menor que 1 indica que parte da energia está sendo usada para sustentar os campos magnéticos e elétricos sem realizar trabalho produtivo.

Donde ϕ es el ángulo de fase entre la tensión y la corriente.

Energía Reactiva: La energía reactiva es necesaria para mantener los campos magnéticos y eléctricos en cargas inductivas y capacitivas, respectivamente. En las cargas inductivas, hay consumo de energía reactiva, mientras que las capacitivas suministran energía reactiva de vuelta al sistema. La energía reactiva es esencial para el funcionamiento adecuado de los sistemas de energía, pero no realiza trabajo efectivo, y su exceso puede causar ineficiencias y costos adicionales.

¿Cómo funciona un banco de condensadores?

Los bancos de condensadores se implementan para corregir el factor de potencia en sistemas donde predominan las cargas inductivas. Al introducir condensadores, se añade energía reactiva capacitiva al sistema. Como los condensadores liberan corriente que está adelantada con respecto a la tensión, compensan el retraso de corriente causado por las cargas inductivas. Esto alinea mejor la tensión y la corriente, acercando el factor de potencia a 1, mejorando la eficiencia del sistema, reduciendo pérdidas de energía y minimizando costos de energía eléctrica.

¿Qué es un Banco de Capacitores?

Los bancos de capacitores existen en diversos tipos y formatos y pueden clasificarse según varios criterios, como su aplicación, modo de conexión y si son fijos o automáticos:

Fijos y Automáticos:

• Fijos: Consisten en un conjunto de capacitores que se conectan permanentemente al sistema y no se ajustan en respuesta a los cambios en la demanda de carga. Son adecuados para situaciones donde la demanda de energía reactiva es relativamente constante.
• Automáticos: Equipados con controladores que monitorean continuamente el factor de potencia del sistema y ajustan la cantidad de capacitancia conectada según sea necesario. Esto se hace a través de interruptores que pueden conectar o desconectar capacitores del banco, lo que los hace ideales para sistemas con demanda variable de energía reactiva.

Conexión - Serie o Paralelo:

• Serie: Raramente utilizado, ya que altera la impedancia total del circuito. Puede ser utilizado para aplicaciones específicas como en la compensación de líneas de transmisión de larga distancia.
• Paralelo: Más común, donde los capacitores se conectan en paralelo con la carga necesaria para suministrar energía reactiva. Esto ayuda a mantener la tensión al nivel deseado y a compensar el consumo de energía reactiva de las cargas inductivas.

Aplicación - Industriales y de Distribución:

• Industriales: Utilizados en fábricas y plantas industriales donde hay una gran cantidad de máquinas inductivas, como motores eléctricos, que requieren corrección de factor de potencia.
• De Distribución: Utilizados por las empresas de energía eléctrica en las redes de distribución para mejorar el factor de potencia y la eficiencia de la red en general, reduciendo pérdidas técnicas y mejorando la estabilidad de la tensión.

Dimensionamiento y Corrección del Factor de Potencia

El dimensionamiento de un banco de capacitores, ya sea fijo o automático, es un paso crucial para garantizar que el sistema eléctrico funcione de manera eficiente y segura. Aquí hay una breve explicación de cómo realizar el dimensionamiento de ambos tipos:

Dimensionamiento de un Banco de Capacitores Fijo

1. Determinar la Demanda de Energía Reactiva: Analice el historial de consumo de energía del sistema para identificar la demanda promedio de energía reactiva (Q) necesaria. Esto se puede obtener mediante lecturas de medidores de energía que registran el factor de potencia y el consumo de energía reactiva. Use la fórmula:
   
   
   • donde P es la potencia activa promedio en kW, y FP es el factor de potencia.
2. Elección del Valor de Capacitancia:
   

   • A partir de la demanda de energía reactiva calculada, elija capacitores que puedan proporcionar esa cantidad. Considere un margen de seguridad para posibles expansiones futuras o variaciones no anticipadas en la carga. 

     
3. Verificación de Voltaje y Corriente:
   
   • Asegúrese de que los capacitores puedan soportar las tensiones y corrientes máximas del sistema. También, asegúrese de que la instalación del banco de capacitores no cause sobretensiones, especialmente durante períodos de carga baja

Dimensionamento de um Banco de Capacitores Automático

1. Análisis de Variación de Carga:
   • Realice un análisis detallado de la variación de la demanda de carga a lo largo del tiempo. Los bancos de capacitores automáticos son especialmente útiles en sistemas con variaciones significativas de carga, ya que ajustan la compensación de energía reactiva de forma dinámica.
   • Utilice datos históricos de consumo y factor de potencia para identificar los patrones de carga.
2. Selección de Capacitores y Controlador:
   
   • Seleccione capacitores que, en conjunto, puedan satisfacer las máximas exigencias de energía reactiva del sistema. Los capacitores suelen instalarse en pasos (por ejemplo, unidades de 25 kvar, 50 kvar, etc.), y el controlador los activará o desactivará según sea necesario para mantener el factor de potencia deseado.
   • El controlador del banco de capacitores debe ser capaz de monitorear la potencia reactiva y activa en tiempo real y ajustar la compensación de forma automática y rápida.
3. Consideraciones de Protección y Seguridad:
   
   • Incluya protecciones adecuadas, como interruptores automáticos o fusibles, para proteger los capacitores y el sistema eléctrico de sobrecorrientes o defectos. 
   • Verifique si es necesario contar con equipos adicionales para mitigar armónicos si los capacitores están expuestos a cargas que generan altos niveles de armónicos.

Ambos tipos de bancos deben ser diseñados teniendo en cuenta las normas técnicas locales y las recomendaciones de los fabricantes de los componentes. Además, es recomendable consultar o involucrar a un ingeniero eléctrico para garantizar una instalación segura y eficaz.

Períodos de multa por Factor de Potencia

Para mantener la eficiencia energética y evitar multas, es esencial gestionar el factor de potencia en las instalaciones eléctricas, el cual varía según el período del día debido al tipo de carga predominante. Durante el día, de 6 a 24 horas, el sistema está dominado por cargas inductivas, como motores y transformadores, que retrasan la corriente con respecto al voltaje. Para compensar esto y mantener el sistema eficiente, el factor de potencia debe mantenerse como mínimo en 0,92 inductivo. En el período nocturno, de 24 a 6 horas, cuando estas cargas están mayormente apagadas y las cargas capacitivas son más predominantes, el factor de potencia debe ser como mínimo de 0,92 capacitivo.

La compañía eléctrica monitorea estos patrones mensualmente, analizando la energía activa (kWh) y reactiva (kVArh) recopilada cada hora. Si el factor de potencia cae por debajo de 0,92 en cualquier hora, se cobrará la energía reactiva consumida, enfatizando la importancia de una gestión eficaz para evitar costos adicionales.

Conclusión:

Los bancos de capacitores desempeñan un papel crucial en la mejora de la eficiencia energética y la reducción de costos en las instalaciones eléctricas. Al corregir el factor de potencia y compensar los retrasos de energía reactiva, estos dispositivos ayudan a maximizar la utilización de la energía suministrada por la compañía eléctrica. Con un dimensionamiento adecuado y un funcionamiento eficiente, los bancos de capacitores contribuyen a un funcionamiento más económico y sostenible de las instalaciones eléctricas industriales y comerciales.

Si tiene alguna pregunta o desea compartir su experiencia con bancos de capacitores, no dude en dejar un comentario abajo. ¡Estamos aquí para ayudar!

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