ESPERANZA DE VIDA DE LAS BATERÍAS DE CONDENSADORES

 ANOMALIAS EN BATERIAS DE CONDENSADORES    

POR QUE SE AVERIAN LAS BATERIAS DE CONDENSADORES

CALCULO DE UNA BATERIA DE CONDENSADORES Y ESQUEMAS

MANTENIMIENTO DE BATERIAS DE CONDENSADORES

REPARACION DE BATERIAS DE CONDENSADORES

 

      Las baterías de condensadores para compensación de energía reactiva son necesarias en todas las industrias que emplean electricidad para su proceso productivo, la duración de los condensadores es de 25 años como mínimo, funcionando en condiciones nominales, es decir, alimentados con la tensión y frecuencia nominal para la que fueron diseñados, funcionando a una temperatura inferior a cuarenta grados centígrados, sin recibir sobretensiones, y sin presencia de armónicos.

      Para alcanzar una larga vida útil además se debe contar con la forma de onda de la tensión y corriente de alimentación exenta de contaminación por armónicos. Para aumentar su longevidad es esencial que la calidad del suministro de la red eléctrica sea estable, hecho que nunca sucede, pues en la mayoría de instalaciones la red de suministro eléctrico contiene una proporción de armónicos procedentes del exterior, más otra parte ocasionada en el interior de la instalación, y otras anomalías que ocurren como huecos o ausencias de suministro eléctrico de corta duración (micro cortes), y pulsos de voltaje mayor que el nominal (sobretensiones transitorias), originadas por la conmutación de cargas de elevada potencia externas o internas, y sobretensiones de origen atmosférico.

      En ocasiones nos hemos preguntado alguna vez, ¿porque se averían las baterías de condensadores para compensación de energía reactiva, a pesar de tener instalados filtros anti armónicos?, la respuesta es muy sencilla, es evidente que el filtro funciona mal. En efecto, el circuito eléctrico L-C formado por "C" (capacidad de los condensadores) de compensación y por "L" (inductancia de filtro), no están en sintonía, ofreciendo baja impedancia a las frecuencias de los armónicos, y de este modo los armónicos alcanzan a los condensadores generando averías tempranas en los condensadores. Este tipo de problemas es una asignatura pendiente para la mayoría de profesionales, que sin conocer el origen de la avería solo pueden solventarlo sustituyendo los condensadores averiados. Para resolver esta cuestión se puede utilizar nuestro analizador de semiconductores de potencia e impedancia modelo E.L.M. 600-3 utilizando el modo análisis de impedancia para verificar la sintonía de los filtros en las baterías de condensadores, tambien se puede utilizar el analizador de SFRA modelo E.L.M. 1G-2, ambos analizadores diseñados por nuestra empresa cubren esta necesidad ampliamente, por lo que podremos averiguar, por ejemplo, si una batería de condensadores que dispone de filtros contra los armónicos se encuentra funcionando en sintonía, o por el contrario facilita el paso de los armónicos hacia los condensadores. Cuando un circuito L-C funciona en sintonía, la potencia de los armónicos que alcanzan a los condensadores se reduce a una proporción insignificante que no perjudica a los condensadores. Los condensadores de las baterías con filtros pierden parte de su capacidad con el tiempo de funcionamiento, esto provoca que la sintonía de frecuencia del filtro LC se eleve siempre por la pérdida de capacidad, acercandose peligrosamente a las frecuencias de los armónicos. Averiguar si una bateria de condensadores se encuentra funcionando fuera de sintonía es la clave para tomar decisiones acertadas, en lugar de sustituir los condensadores que se averían de forma recurrente.     

       Los condensadores individuales sin filtro de armónicos instalados de forma aislada tienen una duración algo mayor que los condensadores sin filtros de las baterías, esto es así, porque las baterías suelen encontrarse más cerca del centro de transformación para realizar una compensación general de la instalación, y por lo tanto la impedancia de la acometida es menor, que en el caso de los condensadores individuales instalados en máquinas o zonas más alejadas que la batería, donde la impedancia de la acometida es mayor. Por esta causa la corriente "inrush" de inserción de un condensador a la red, que depende de su impedancia y de la impedancia de la acometida, produce mayor sobre corriente en el caso de los condensadores de la batería, la cual genera también mayor sobretensión, y mayor degradación en su dieléctrico, reduciendo su vida útil significativamente en comparación con los condensadores instalados de forma aislada. Actualmente con la popularidad de los VFs y las instalaciones fotovoltaicas, la contaminación por armónicos que producen éstos, hace que los condensadores de las baterías sin filtro, y los condensadores individuales sin filtro instalados de forma aislada, no alcancen ni siquiera el 20% de vida útil esperada.         

      El desequilibrio de corriente en un condensador significa que su capacidad es desigual, o que está parcialmente averiado sin llegar a producir el disparo de la protección. En caso de desequilibrio de consumos de corriente a la baja o al alza sobre la intensidad nominal del un condensador, el mismo debe ser desconectado para que el desequilibrio de consumo no repercuta en en la red. El desequilibrio de consumos de corriente en la red repercute en la calidad de la alimentación, y en el consumo general de energía eléctrica de la instalación.

      Todos estos problemas repercuten en la calidad del suministro eléctrico que llega a la batería, y a su vez en la vida de los condensadores. Todas las anomalías del suministro eléctrico generan alteraciones en la estructura física de los condensadores que son acumuladas con el tiempo, derivando en mayor envejecimiento dieléctrico y finalmente en la falla prematura del condensador. 

      A continuación, se explican detalladamente las repercusiones que tienen sobre los condensadores cada anomalía del suministro eléctrico.

 

RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS QUE NOS HEMOS HECHO SIEMPRE SOBRE LOS PROBLEMAS EN LAS BATERÍA DE CONDENSADORES

 

Anomalías del suministro eléctrico que reducen la esperanza de vida de los condensadores

    Las principales causas que reducen sustancialmente la vida de los condensadores por anomalías en la calidad del suministro eléctrico son las siguientes:

         A- Sobretensiones

         B- Micro cortes del suministro eléctrico

         C- Armónicos

         D- Presencia de plantas de generación de energía eléctrica fotovoltaica conectadas en nuestra instalación

         E- Resonancia

       F- Destacamos la temperatura anormalmente elevada, presente en el interior de los condensadores como consecuencia derivada de las cinco causas anteriores, y también como resultado de errores de montaje donde los condensadores son alojados en armarios con espacios insuficientes, por escasa ventilación de los mismos por mala ubicación, o por errores de diseño donde todos los elementos de las baterías sobrepasan el 100 % de sus especificaciones de corriente, como sucede por ejemplo cuando no se tienen en cuenta las corrientes adicionales de los armónicos presentes en la instalación donde se instala la batería de condensadores. El fenómeno de las resonancias eléctricas no previstas por no haber realizado medidas y cálculos previos en la instalación donde se instalan las baterías de condensadores, posteriormente puede acarrear la aparición del fenómeno de resonancia y el aumento de la intensidad en los condensadores, en varias veces su corriente nominal, hasta producir el disparo de las protecciones contra sobre corriente, si estas se encuentran bien ajustadas, aunque el deterioro que se produce en los condensadores es acumulado aunque las protecciones funcionen correctamente. La ocurrencia del fenómeno de resonancia conlleva la elevación de la temperatura en los condensadores de forma comprometida. Todas estas insuficiencias producen aumentos de la temperatura en el interior de los condensadores que afectan a la calidad de sus aislamientos, mermando las propiedades dieléctricas, que en resumen es la vida del condensador.

 

A continuación, se explica de forma resumida cada anomalía:

    A- SOBRETENSIONES

     Las sobretensiones pueden producir perforación dieléctrica a causa de un aumento de las DP (Descargas Parciales), y generan mayor consumo de corriente en los condensadores que se traduce en un aumento de la temperatura en los aislamientos. Su procedencia suele ser externa, descargas de origen atmosférico, conmutación de cargas de elevada potencia, defectos en la alimentación que provienen de las subestaciones, también pueden originarse sobretensiones en el interior de nuestras instalaciones en forma de tensiones armónicas elevadas, descargas parciales en el centro de transformación, conmutaciones de cargas de elevada potencia de nuestra industria, etc. Las sobretensiones pueden perforar parcialmente los aislamientos de los condensadores provocando mayor consumo y temperatura, que en ocasiones sin llegar a alcanzar el umbral de corriente que produce el disparo de las protecciones por falla definitiva del condensador, el mismo continúa funcionando con consumos desequilibrados entre sus fases, que reducen la calidad de la alimentación generando a la vez mayores consumos en los motores. 

      Las sobretensiones pueden originarse igualmente durante la conexión y desconexión de los escalones de condensadores de elevada potencia, sobre todo cuando los condensadores se encuentran muy cerca del CT (centro de transformación), esto es así porque la impedancia de la red en ese punto es menor, ocasionando que las maniobras en los condensadores sean de muy alta intensidad. El tiempo que dura la maniobra de conexión o desconexión de los contactores para cerrar completamente el circuito o abrir, es de varias decenas de ms (milisegundos), típicamente un contactor de mediana potencia, como por ejemplo 80 A para accionar un condensador de mediana potencia de 50 KVAR, tienen un tiempo de maniobra de 50-60 ms. Una vez establecida la conexión al condensador, el mismo absorberá de la red una corriente elevada hasta que se regulariza su carga. El periodo típico de tiempo que tarda un condensador en regularizar la carga al conectar cuando se encuentra lejos del CT es de 3-4 ms (mili segundos), con corrientes de inserción que oscilan entre 20 X In, y 60 X In, si el condensador se encuentra muy cerca del CT, el tiempo típico para que el condensador alcance la corriente nominal en la conexión es de 0,3-2 ms, en estas condiciones la corriente de inserción alcanza valores comprendidos entre 100 y 400 veces X In. Durante el tiempo que dura la maniobra del condensador la tensión puede causar oscilaciones de sobretensión de elevada magnitud y muy corta duración, pudiéndose alcanzar valores de hasta 4 KV en un tiempo de algunos μs (micro segundos). 

      Los condensadores durante su funcionamiento almacenan y devuelven carga de energía eléctrica, debido a que el tiempo de maniobra de los contactores no se produce de forma instantánea, cuando el contactor que los acciona está realizando una maniobra el voltaje de la red no está detenido, sino que evoluciona en función de la velocidad angular a la frecuencia de la red, obteniéndose un voltaje diferente dependiente del ángulo de tensión en cada instante, por esta causa durante el tiempo que dura la maniobra del contactor se produce una sobretensión de naturaleza oscilante hasta que finalmente el condensador alcanza la carga completa o la descarga.

      Las sobretensiones de maniobra pueden alcanzar un voltaje de hasta varios miles de voltios, y tienen frecuencias de oscilación que se sitúan en el rango de KHz, típicamente 2-30 KHz, como veremos más adelante, a estas frecuencias la Xc (reactancia capacitiva) que presenta el condensador es muy baja, lo cual provoca que se eleve el consumo del condensador para la frecuencia fundamental de la red durante la conexión. Estos esfuerzos producidos por las maniobras que realiza el condensador en cada conexión o desconexión también repercuten en la vida del mismo, cuantas más maniobras de conexión o desconexión realiza el condensador, mayor desgaste dieléctrico y menor esperanza de vida útil del mismo, al mismo tiempo las maniobras de los condensadores producen sobretensiones en la red que afecta al aislamiento de los demás receptores eléctricos de la instalación, mermando sus propiedades dieléctricas.

 

B- MICRO CORTES

      Las ausencias de suministro eléctrico en la red, de corta o muy corta duración denominado "micro cortes", pueden provocar sobretensiones de magnitud muy elevada del orden de 3.500 V o mayores. Estos voltajes son extremadamente elevados para un aislamiento de baja tensión, que pueden producir perforaciones en los aislamientos de los condensadores y en casi toda clase de receptores eléctricos como motores, transformadores, conductores, aparatos electrónicos, sensores, especiamente en aparatos sensibles, etc. Esta anomalía es la más frecuente, y la que más averías eléctricas ocasiona en circuitos electrónicos, para las cuales no se les encuentra una explicación, pues el fenomeno que da origen a este tipo de sobretensiones es de tiempo muy breve, y desaparece en pocas milésimas de segundo, aunque, este tiempo es suficiente para producir daños permanentes en los aislamientos de toda clase de aparatos eléctricos. El deterioro del aislamiento en un condensador es acumulativo, cuantos más transitorios de sobretensiones causados por micro cortes sucedan, mayor es el daño producido, hasta que finalmente sucede la falla definitiva del condensador. 

      En la mayoría de imágenes que podemos encontrar el los libros de texto, en internet, o en libros técnicos haciendo referencia a las sobretensiones de origen atmosférico, por conmutaciones de cargas externas o internas que se producen en cualquier industria, o por micro cortes del suministro, casi “nunca” aparecen en dichas imágenes el voltaje real que se alcanza durante estos transitorios de sobretensión. Esto sucede porque la mayoría de imágenes son dibujos, o capturas de los transitorios realizadas con instrumentos como analizadores de redes eléctricas, dichos instrumentos son de baja velocidad, con un ancho de banda reducido, que no son aptos para medir la magnitud y alcance real de dichos fenómenos. Para realizar la captura y análisis de un transitorio de sobretensión de muy corta duración que son los más frecuentes y dañinos, porque alcanzan el mayor voltaje posible, es necesaria la utilización de sensores de voltaje y corriente de altas prestaciones del tipo para laboratorio con tiempos de subida de 5-10 nS para los de correinte, y 0,5-1 ns como máximo para los de tensión, por el contrario, si el sensor dispone de un tiempo de subida mayor, dicho sensor no podrá medir nunca un evento que es más rápido que el propio tiempo de subida del sensor, simplemente porque para cuando el sensor termine de adquirir el evento, éste ya se habrá extinguido mucho antes. Los sensores de altas prestaciones pueden medir corrientes de 7.000 A/μS, esta cifra es imposible de medir por el sensor de un analizador de redes por bueno que éste sea. Para medir la magnitud completa captada por los sensores de altas prestaciones igualmente debemos utilizar un aparato capaz de presentar dichas magnitudes con precisión, para ello no han de utilizarse analizadores de redes eléctricas, sino, osciloscopios para medir en el rango de RF (Radio Frecuencia) con tiempos de subida de 0,7 ns (nano segundos) o menores, solo de este modo se podrá medir y comprender el alcance y la magnitud real de las sobretensiones. Todo lo que se explique en textos o libros que no se corresponda con lo explicado anterior, equivale a lectura laxa y pérdida de tiempo.

Descripción de los efectos destructivos provocados en los condensadores por los micro cortes del suministro eléctrico

      Las ondas de voltaje de una tensión alterna adquieren su mayor magnitud a 90º eléctricos, y a 270º eléctricos, en estos puntos es cuando se desarrolla la mayor potencia eléctrica por los receptores conectados a la red. Los sistemas inductivos como transformadores, motores, etc., acumulan energía durante los ciclos de ascenso de la tensión de la alimentación, y devuelven dicha energía durante los ciclos de descenso de la tensión. Del mismo modo los condensadores también acumulan y devuelven energía de modo similar durante el ascenso y descenso de la tensión. La duración de un ciclo de red para una frecuencia de 50 Hz es de 20 ms (mili segundos), o 0,02 segundos, aunque este tiempo puede parecer muy breve, por ejemplo, en electrónica es un tiempo tan grande que no se usa nunca para realizar cálculos, pues en electrónica se habla de nS (nano segundos), 1 ms (mili segundo) = 1.000.000 ns (nano segundos), esta observación es para que el lector pueda apreciar la definición del tiempo que ocupa un ciclo de la red eléctrica de 50 Hz, dividido en 360º, de los cuales la mitad del tiempo corresponde a un semi periodo (0º a 180º) periodo positivo, y la otra mitad corresponde al semi periodo negativo (180 a 0º), los dos tiempos forman un ciclo completo de 360º correspondientes a 1 Hz de la red eléctrica. Un semi periodo positivo o negativo tiene una duración de 10 ms, su máximo voltaje se alcanza a 90º = 5 ms, o a 270º = 15 ms. Los voltajes reales no son los que podemos medir con un multímetro, pues estos aparatos miden la tensión RMS, o eficaz, que equivale a 0,707 X el voltaje máximo o de Pk (pico), siendo el voltaje real de una red, por ejemplo de 400 VAC, 400 x √² = 400 X 1.4142 = 566 V para semi periodos positivos, y -566 V para los semi periodos negativos.

      Si desconectásemos el suministro eléctrico en el instante justo en que la onda de voltaje de cualquiera de las tres fases de la red, se encontrase a 90º o a 270º, los receptores y los condensadores quedarían cargados con su máxima energía, en esa fase en concreto, o sea en los motores y en los condensadores estarían presentes en esa fase 566 VCC, o -566 VCC (CC = corriente contínua), la energía acumulada en los condensadores se expresa en Q (Culombios), para los sistemas inductivos y capacitivos se expresa en Q, o en J (Julios). Resulta evidente que, si después de un tiempo corto por ejemplo de alrededor de 10 ms, se restablece la conexión de la red, la tensión presente en esa fase, se encontrara con una diferencia de alrededor de 566 x 2 = 1.132 V, con esta diferencia de voltaje se producirá un cortocircuito entre la tensión estática del condensador y la de red, que producirá una bajada muy importante de la tensión de suministro de la red, y la descarga de la energía acumulada en los circuitos inductivos y capacitivos, después de la descarga sucede una elevación del voltaje de varios miles de voltios, de muy corta duración, sus efectos pueden perforar los aislamientos de los condensadores y de los demás circuitos o aparatos de la instalación por corto que sea dicho tiempo. Esto es similar a lo que puede suceder con un resorte o muelle que se encuentra comprimido y liberásemos de forma instantánea la fuerza que lo comprime, en ese instante el muelle saltaría por efecto de la carga de fuerza acumulada en su compresión.

      El deterioro que producen los micro cortes de suministro eléctrico en los aislamientos de un condensador es muy difícil de evitar, y más dificil de medir, afortunadamente existen varias soluciones que han de estudiarse, después de realizar un registro con instrumentación adecuada distinta a los analizadores de redes convencionales, pues éstos "no disponen" de suficiente velocidad para realizar capturas de transitorios de muy corta duración, que son los que mayor daño producen debido a la elevada velocidad de ascenso y descenso de la tensión. Para comprender de que estamos hablando, a título informativo, los analizadores de buena calidad tienen un ancho de banda en el mejor de los casos de tan solo 100 KHz, esto significa que el tiempo mínimo de duración de los transitorios de sobretensiones que pueden ver es de 100 μs (micro segundos), lo que significa que estos analizadores son "ciegos" para comprobar los transitorios más perjudiciales que duran por ejemplo 0,1 μs, o menos, pues menor tiempo de subida de la tensión del transitorio también significa mayor voltaje alcanzado por éste. Para observar adecuadamente una forma de onda se debe aplicar la regla de las cinco veces el ancho de banda de la onda a visualizar, y para medir con precisión se debe utilizar un instrumento diez veces más rápido que la frecuencia de la forma onda a medir. Esto quiere decir, a título informativo, que para ver sin atenuación una onda de 1 MHz se debe emplear como mínimo un instrumento de 5 MHz de ancho de banda, y para medir con buena precisión, el ancho de banda del instrumento debe ser de al menos 10 MHz. Por ejemplo, un transitorio de sobretensión de 4.000 voltios que tiene una duración de 1 µs, será visto por un analizador con ancho de banda de 100 KHz, como 400 voltios. Para medir transitorios de frecuencias elevadas esto plantea un problema económico, ya que el precio de los instrumentos de medida se eleva en función de su ancho de banda, de modo que un instrumento diez veces más rápido que otro suele tener un coste diez veces superior.

 

C- ARMONICOS    

      Los armónicos eléctricos de baja frecuencia son frecuencias múltiplo de la frecuencia de la red de suministro eléctrico que funciona a cincuenta periodos por segundo (50 Hz), o a 60 Hz en otros paises, los condensadores trifásicos para compensación de energía reactiva se fabrican para trabajar a éstas frecuencias. La potencia de un condensador es directamente proporcional a la potencia que desarrolla en función de su reactancia capacitiva (Xc), a la misma vez su reactancia es inversamente proporcional a la frecuencia de funcionamiento, lo cual significa que para una frecuencia cinco veces mayor, como sucede con el 5º armonico de red, la intensidad de corriente del condensador será cinco veces mayor, provocando su destrucción. La reactancia es equivalente a la resistencia al paso de la corriente alterna expresada en Ω (ohmios), en nuestro caso la frecuencia puede ser de 50 Hz, o 60 Hz, el valor de la reactancia capacitiva lo conocemos por la siguiente ecuación:

                                                 Xc = 1 / 2 π F C = Ω   (ecuación 1)

      Donde F = frecuencia de red 50 Hz, y C = capacidad del condensador. El resultado de esta ecuación se expresa en ohmios (Ω).

      El consumo de (I) intensidad de corriente del condensador se calcula con la ley de Ohm, según esta otra ecuación:

                                            Ley de Ohm,  I = V / R, para corriente continua, en corriente alterna es I = V / Xc, para los dos cálculos el resultado se expresa en ohmios.  

 

      Pasamos a continuación a exponer un ejemplo del consumo de un condensador para conocer cómo afectan los armónicos a dicho consumo. Sea un condensador trifásico de potencia 100 KVAR que funciona a 400 V y 50 Hz, el consumo de corriente (I) en amperios es:

                            I= Pr (Potencia reactiva del condensador) / V X Ѵ3,  =  100.000 VAr / 400 V X Ѵ3 = 144,34 Amp.   

      La reactancia en ohmios del condensador funcionando a la frecuencia de la red, tiene un valor según la ley de Ohm de:

                           R = V / I = Ω, para corriente continua, en corriente alterna es XC = V / I = 400 V / 144,34 Amp = 2,77 Ω

      Con estos datos de partida tenemos un consumo de 144,34 A para el condensador del ejemplo, como henos explicado antes, el consumo y la potencia generada por el condensador son directamente proporcional a su reactancia. Toca ahora repetir que el consumo de intensidad en amperios de un condensador es dependiente de la frecuencia de funcionamiento, o sea, si la frecuencia de funcionamiento es el triple que la nominal, el condensador consumirá el triple de corriente en amperios, por ejemplo un condensador diseñado para funcionar a 50 Hz, conectado a una red con frecuencia de 250 Hz, el consumo sería cinco veces superior, destruyendo el condensador si no actúan a tiempo las protecciones.

      La explicación de éste consumo la tenemos observando la "ecuación 1" anterior, obsérvese que en el divisor de dicha ecuación se encuentra la F (frecuencia), por lo tanto si F es cinco veces superior, el resultado de Xc en ohmios será cinco veces inferior, y el consumo cinco veces mayor, veámoslo en forma numérica:   

                                       Reactancia a 250 Hz, Xc = 1 / 2 π (Fx5) C = Ω/5,   esto significa que:   el consumo de corriente en Amp,  I = V / Xc/5 = Amp X 5

 

      En la actualidad no se concibe una instalación nueva o modificación sin la regulación de velocidad que proporcionan los VF (variadores de frecuencia) para el accionamiento de motores eléctricos, los VF tienen muchas ventajas, y además reducen el consumo de energía eléctrica, pero no están exentos de producir anomalías eléctricas como la generación de armónicos producida por el rectificador trifasico del propio variador, y otros problemas que afectan a los motores como picado de rodamientos por electro erosión, que ahora no trataremos, pues vamos a centrarnos en los armónicos que afectan a la vida de los condensadores.

      Durante su funcionamiento, los VF generan armónicos de tensión y de corriente, siendo los de corriente los más significativos. Explicado de forma resumida los armónicos de corriente son generados por el rectificador "trifasico" interno de CC (Corriente Continua) del VF para cargar los condensadores del BUS de CC (corriente contínua) del propio variador. Esta tensión de CC se emplea por el variador como fuente de energía para generar las ondas de voltaje PWM (Modulación por Ancho de Pulso) del voltaje de CC en la salida del VF hacia el motor. Los armónicos se producen al rectificar la tensión alterna con un puente rectificador trifásico de seis diodos, dos diodos por cada fase de la red, uno para cada polo de red, tres de ellos para las ondas de voltaje positivo de las tres fases, y otros tres para las ondas de voltaje negativo. A la generación de armónicos contribuye la conexión de los transformadores de potencia de los centros de transformación, en efecto, los transformadores de distribución disponen normalmente de una conexión en triangulo en el devanado primario y en estrella en el devanado secundario de los mismos, es éstas condiciones de funcionamiento del VF la intensidad de la red adquiere una forma de onda deformada en corriente, similar a la joroba de los camellos, generando o amplificando principalmente el armónico 5º de red (250 Hz), además de otros armónicos impares de orden superior, 7º, 9º, 11º, etc. decrecientes éstos últimos en magnitud según es mayor el orden del armónico, cuanto mayor es el orden del armónico menor es su magnitud.

      Todos los voltajes de las ondas armónicas son mezclados con el voltaje de la onda fundamental de la red de 50 Hz, como resultado se origina una forma de onda distinta con el seno deformado, hemos de precisar que los condensadores y los motores eléctricos no son diseñados para funcionar con este tipo ondas de voltajes deformados. Respecto a los condensadores el consumo de los mismos resulta en una suma cuadrática de las corrientes que producirían las tensiones individuales de cada uno de los armónicos, resultando en un consumo superior al nominal del condensador, éste consumo adicional no genera energía reactiva útil porque no compensa carga alguna que funcione a frecuencias superiores a la de red, pero producen temperatura adicional que afecta negativamente al dieléctrico o aislamiento del condensador, reduciendo las propiedades aislantes y provocando envejecimiento acelerado del dieléctrico, que termina con la falla prematura del condensador.

      Por un momento imaginemos una carretera con piedras grandes repartidas por todo el asfalto, sabemos que los automóviles no se diseñan para circular por ese tipo de piso, y que el daño que puede ocasionar a un vehículo circulando por dicho piso es fácil de imaginar. Del mismo modo, el daño que puede ocasionar una onda distorsionada a un receptor eléctrico es difícil de imaginar o medir. Por lo tanto, es posible que se consideren responsables a los armónicos en caso de averías costosas, incluso así, para la mayoría de averías eléctricas producidas por distorsión armónica se les suele aplicar erróneamente un origen diferente, por desconocimiento, por falta de información, o por falta de equipo adecuada para realizar el diagnostico. Esto sucede frecuentemente con las baterías de condensadores cuando tienen averías producidas por armónicos o por resonancias.

 

 

Repercusión de la forma de onda con distorsión armónica en los condensadores.

Los efectos directos producidos por la deformación de la forma de onda son los siguientes:

   1º- Mayor consumo de energía activa de todos los receptores eléctricos de la instalación, directamente proporcional al THD (distorsión armónica total).

   2º- Mayor temperatura generada por todos los receptores eléctricos de la instalación, con repercusión sobre sus aislamientos y la reducción de la vida útil de éstos.

   3º- Desequilibrio magnético en los devanados eléctricos de los motores, con pérdida de rendimiento eléctrico.

   4º- Mayor intensidad de corriente transportada por los conductores eléctricos, que genera más temperatura y mayores pérdidas de energía. En casos límite se debe desclasificar la corriente máxima que pueden soportar los conductores de forma permanente. La desatención a este detalle puede producir que se derritan los aislamientos de los conductores, inutilizándolos, e incluso puede generar un siniestro.  

   5º- Mayor intensidad de corriente que circula a través de los interruptores de protección. En casos límite se debe desclasificar la corriente máxima nominal que puede soportar la protección de forma permanente. La desatención a este detalle puede acarrear consecuencias desastrosas, si se trata de protecciones principales alojadas en los armarios generales.

   6º- Resonancia de condensadores con un consumo varias veces superior a la corriente nominal del condensador, pudiendo destruirlo si no disparan a tiempo sus protecciones. Aunque se produzca el disparo de las protecciones, la degradación por temperatura elevada que produce la resonancia en los dieléctricos de los condensadores es acumulativa, lo cual reduce la esperanza de vida del condensador.

   7º- Es esencial asumir que la suma de todas las corrientes armónicas, más la corriente nominal de la red a 50 Hz, consumidas por cualquier receptor eléctrico de una instalación, no pueden ser vistas por ningún instrumento sencillo como por ejemplo un pinza amperimetrica. De ello se deriva que la única manera de conocer de forma rápida si un conductor o receptor eléctrico se encuentra al límite de sus especificaciones durante su funcionamiento, será observarlo con cámara temográfica. Pero sucede que en la mayoría de ocasiones no estamos vigilando todos los conductores de la instalación a la misma vez, más todos los receptores, y que además, pueden aparecer resonancias en diferentes partes de la instalación de forma ocasional o aleatoria. Lo cual nos conduce a razonar que no podemos controlar todos estos fenómenos a la vez, y que la única solución es realizar un análisis de armónicos y tomar las precauciones oportunas para que la instalación trabaje con total seguridad, de forma permanente.

   8º-  Factor K, la reducción de potencia de los transformadores por desclasificación de su potencia debido a la corriente de las cargas no lineales que producen los variadores de frecuencia, no se aplica casi nunca. Por esta causa los transformadores operan en ocasiones con potencias superiores a la de diseño sin que lo sepamos. Esto es debido a que la corriente armónica suministrada por los transformadores es muy difícil de medir, las protecciones contra sobre corriente de los devanados primario o secundario de los transformadores no ven las corrientes armónicas, por lo tanto, no protegen de forma efectiva al transformador. La única solución para estos problemas es desclasificar la potencia máxima que puede suministrar el transformador en función de la proporción de cargas no lineales presentes en la instalación. 

      La reducción de corrientes armónicas en la red eléctrica de una industria puede realizarse por distintos métodos, filtros pasivos de armónicos individuales, filtros de rechazo de paso bajo, etc., ninguno de ellos es completamente eficaz porque presentan otros problemas derivados de su funcionamiento, como la generación de interarmónicos que comprometen el funcionamiento dinámico de la batería. El único sistema eficaz son los filtros activos, pero éstos son de coste muy elevado para compensar los armónicos al 100%, en vez de compensar toda la distorsión con este último sistema, se opta en la mayoría de casos por compensar parte de la potencia distorsionada con filtros activos en un 25% y el resto 75% con filtros pasivos, los filtros activos también compensan energía reactiva durante su funcionamiento. Los filtros activos son complejos y contienen circuitos electrónicos de potencia y tarjetas de control, los hay en modo serie o paralelo, algunos filtros activos se fabrican en pequeñas potencias que pueden ampliarse instalando unidades adicionales de la misma potencia.

      El ajuste del (Cos fi) en el regulador de una batería de condensadores, cercano a 1.0 "inductivo", o mayor, lo que supondría que el coseno fuese "capacitivo", puede auto excitar la amplificación de los armónicos presentes, distorsionar la red eléctrica de nuestra instalación, producir numerosos problemas en motores y circuitos electronicos y mayor consumo de energía que no produce trabajo alguno, sino calor. Nuestro consejo es ajustar el coseno a 0,95 o 0,96 inductivo, con esta medida se ahorran maniobras innecesarias de los condensadores y sus accionamientos para corregir el coseno. Por otro lado un aumento del coseno desde 0,95 hasta 1.0, significa un aumento de 33 % de potencia reactiva adicional que la bateria ha de suministrar, si ésta dispone de potencia suficiente, en estos casos la batería puede autoexcitar oscilaciones o resonancias en los condensadores provocando el disparo de las protecciones o la destrucción de los condensadores si la protección no funciona a tiempo.    

 

D- PRESENCIA DE PLANTAS FOTOVOLTAICAS CONECTADAS A LA RED ELECTRICA DE NUESTRA INSTALACION O EN LAS CERCANIAS

      La presencia de una planta de generación eléctrica fotovoltaica en nuestra instalación conectada a la red eléctrica, provoca que las baterías de condensadores para corrección de energía reactiva tengan sus días de vida contados a causa de la elevada cantidad de armónicos de AF (Alta Frecuencia), que producen los inversores de las plantas fotovoltaicas durante su funcionamiento, el motivo es porque los inversores fotovoltaicos emplean la misma tecnología que deriva de los VF (Variadores de Frecuencia) para accionamiento de motores, dicha tecnología es la denominada modulación del voltaje por ancho de pulsos de alta frecuencia o PWM (Pulse Width Modulation), que causa gran cantidad e armónicos de AF. Los armónicos de AF son imposibles de medir o detectar con ningún analizador de redes eléctricas para el análisis de la calidad de alimentación eléctrica, aunque precisamos que los armónicos de BF (Baja Frecuencia) si que pueden ser medidos con analizadores de redes, pero éstos causan menores daños a los condensadores porque su espectro de frecuencias es muy bajo, desafortunadamente el rango de frecuencias armónicas que causan la destrucción de las baterías de condensadores nose encuentran en el espectro de BF, sino el de AF, debido a la bajisima reactancia que presentan los condensadores a estas frecuencias. Al respecto de esto, son muchos los titulares y responsables de las instalaciones los que nos describen siempre el problema del mismo modo "fue conectar la planta fotovoltaica y comenzaron los problemas con los condensadores y los recargos de reactiva". La presencia de armónicos de BF más armónicos de AF producen deformaciones en la forma de onda eléctrica de voltaje en nuestra instalación, que se traduce en mayores consumos de energía eléctrica no útil, pues dicha energía es transformada solamente en calor, que afecta directamente al aislamiento de los condensadores, mermando sus cualidades dieléctricas. Estos fenómenos eléctricos generan gran cantidad de problemas de toda índole, que en la mayoría de ocasiones, estos fenómenos son diagnosticados e interpretados erróneamente por los técnicos, y en otras ocasiones se achaca el origen de las anomalías a causas distintas a la real. En Montajes Alhama S.L.U. estamos acostumbrados a tratar con estos problemas, y a resolverlos de forma definitiva con soluciones calculadas a la medida de cada instalación. Para eliminar estos problemas primero analizamos la magnitud y alcance de las anomalías con instrumentación y software específico, posteriormente se calcula y valora el coste de la solución propuesta, seguidamente con la aprobación del cliente se realiza el montaje y verificamos la eficacia conseguida, y si el cliente no estubiese satisfecho se le devuelve el dinero y se desmonta el producto, caso que hasta ahora no nos ha sucedido.

      Para solucionar los problemas que causan las anomalías producidas por los armónicos de AF presentes en nuestra instalación a las baterías de condensadores, existen tres soluciones diferentes. La primera consiste en diseñar una batería de condensadores concebida para funcionar de forma indefinida con la presencia de dichas anomalías, estas son (armónicos de BF más armónicos de AF), esta solución garantiza que la vida esperada de los condensadores para corrección de energía reactiva sea la misma que para los condensadores que funcionan sin ningún tipo de anomalías a voltaje nominal. o sea 25 años o más. La segunda solución consiste en calcular un resonador vectorial para instalarlo al comienzo de la acometida de la planta fotovoltaica, de forma que las baterías de condensadores convencionales no son afectadas por los armónicos de AF que son producidos por la instalación fotovoltaica. La tercera solución cosiste en instalar una batería de condensadores concebida para funcionar en presencia de anomalías de armónicos de BF y AF, más un resonador conectado en la acometida de la planta fotovoltaica, esta última solución es la mejor y más efectiva porque el resto de la instalación eléctrica es alimentada con una forma de onda de mayor calidad, reduciendo consumos de energía eléctrica y alargando la vida de los motores y demás componente de nuestra instalación. Es necesario explicar que las baterías de condensadores con filtros de armónicos, no pueden coexistir en la misma instalación con baterías de condensadores sin filtros, el motivo principal es porque los condensadores con filtro tienen una frecuencia de resonancia fija, y para los condensadores sin filtro su frecuencia de resonancia depende de la carga de potencia en la instalación, o sea de la inductancia de los motores conectados y en funcionamiento que forman un circuito LC resonante, esto es L= inductores o motores en funcionamiento, C= capacidad de condensadores en un momento determinado para compensar la energía reactiva, dichas carga eléctricas suelen ser variables, por lo tanto las frecuencias de resonancia de las baterías con filtro y baterías sin filtro difícilmente coincidirán en la misma frecuencia de resonancia para desintonizar los armónicos.  

 

E- RESONANCIA

Introducción

      Los componentes físicos de todas las instalaciones eléctricas, como motores, transformadores, cables conductores, condensadores, y resistencias, contienen una parte de inductancia (L), una parte de capacidad (C), y otra parte de resistencia (R). Para los motores y transformadores, y todo aparato que lleva bobinas para inducir los campos electromagnéticos que son empleados para lograr su funcionamiento, el componente principal es la inductancia, en corriente alterna AC se denomina (L), su reactancia inductiva se denomina (XL), aunque también contienen una parte pequeña de resistencia en los conductores y otra de capacidad entre las espiras de las bobinas. Lo mismo sucede con los condensadores, éstos también contienen una parte pequeña de resistencia y otra de inductancia, pero el componente predominante es la capacidad (C), en corriente alterna AC la reactancia capacitiva se denomina (Xc). Por ultimo las resistencias usadas para producir calor igualmente contienen cierta cantidad de inductancia y otra de capacidad, pero el componente fundamental es la resistencia, en corriente continua y en corriente alterna se denomina (R). Las inductancias y las capacidades son componentes “reactivos” (X), esto quiere decir que cuando son atravesados por una corriente alterna AC, la intensidad se atrasa o adelanta en función de la naturaleza del componente por el que circula. En las inductancias la corriente se atrasa con respecto a la tensión, en los condensadores la corriente se adelanta con respecto a la tensión. En una inductancia “ideal” cosa que no sucede nunca al 100% pues como hemos explicado todos los materiales contienen cierta cantidad de L, C y R, la corriente se puede atrasar hasta 90º dependiendo del valor de dicha inductancia, en un condensador teóricamente “ideal” cosa que tampoco sucede nunca al 100%, la corriente se puede adelantar hasta 90º dependiendo de su capacidad. Rn las resistencias no existe atraso ni adelanto de la corriente, ya que no son componentes reactivos, sino resistivos. En los componentes reactivos que contienen XL o Xc se produce atraso o adelanto de la corriente con respecto a la tensión, solamente cuando son atravesados por una intensidad de corriente "alterna". En los circuitos que contienen solamente resistencia, la intensidad de corriente alterna no se atrasa ni adelanta con respecto a la tensión, del mismo modo que si dichos circuitos resistivos fuesen atravesados por una intensidad de corriente de polaridad fija o continua.

      El atraso o adelanto de la corriente alterna sobre los componentes reactivos tiene multitud de usos como por ejemplo: sintonía de antenas, sintonía de receptores y emisores de radio, filtros para reducir las corrientes armónicas en bancos de condensadores, etc. 

 

     

      Los componentes reactivos pueden producir resonancia eléctrica a determinada frecuencia, debido al atraso o adelanto de la corriente, sus reactancias capacitiva Xc e inductiva XL pueden encontrarse en fase en el mismo angulo electrico. Cuando un componente reactivo se encuentra en resonancia, éste ofrece su menor oposición al paso de la corriente alterna a esa frecuencia, se trata de la frecuencia de resonancia Fr, o F(0), es similar al sonido que produce por ejemplo un metal cuando se excita su frecuencia natural de resonancia dando un golpe con un objeto, y solo suena a una frecuencia, denominada frecuencia natural o de resonancia.

      Como hemos explicado los componentes reactivos puede producir resonancia eléctrica, a determinada frecuencia, funcionando en resonancia los circuitos eléctricos de una instalación solo contienen la resistencia R, o mejor dicho, ofrecen la menor oposición posible al paso de la corriente alterna, siendo su resistencia muy pequeña en comparación con su reactancia inductiva o su reactancia capacitiva cuando funcionan en corriente alterna, facilitando en resonancia el paso de grandes corrientes anormalmente elevadas. Casi ningún componente o aparato eléctrico se fabrica para soportar el paso de la corriente de resonancia, pues se trata de intensidades de corriente varias veces superior a la máxima nominal de diseño, que pueden destruir sus aislamientos en poco tiempo por la cantidad de calor que pueden generar.  

      En la imagen siguiente podemos apreciar el cuadro de resonancia para circuitos eléctricos "LC" donde vemos que cuando un circuito LC compuesto de C (capacidad), y L (Inductancia) se encuentra en resonancia, dicho circuito tendrá la menor impedancia "Z" (oposición al paso de la corriente alterna) posible, que dicho circuito puede ofrecer al paso de la corriente para una determinada frecuencia. En estas condiciones la impedancia Z tiene un valor cercano a "cero ohmios", (traza roja) es decir, cuando un circuito eléctrico es resonante solo queda la resistencia óhmica R de los conductores, para limitar la corriente que circula por el circuito, pudiéndose alcanzar intensidades muy elevadas (traza negra) con efectos destructivos, si las protecciones contra sobre corriente no funcionan a tiempo. A frecuencias bajas los componentes XL (reactivos inductivos) como bobinas, reactancias, motores, transformadores, etc. obtienen su menor valor de impedancia cuanto más baja es su frecuencia (traza verde). A frecuencias altas los componentes Xc (reactivos capacitivos) como condensadores, obtienen su menor valor de impedancia cuanto más elevada es la frecuencia (traza marron). Cuando un circuito LC se encuentra en resonancia la fase de L y la fase de C igualan su ángulo eléctrico. 

Efectos de la corriente de resonancia en los condensadores de las baterías de energía reactiva

      En un circuito eléctrico que contiene inductancias y capacidades, existe una frecuencia a la cual se produce resonancia eléctrica segun la siguiente ecuación (simplificada):

        F(0) (frecuencia de resonancia) = 1/ (2 π Ѵ(LC))    (ecuación 2)

      Cuando un circuito eléctrico se encuentra en resonancia, el mismo ofrece la menor oposición o resistencia al paso de la corriente alterna, pues solo quedan sus componentes resistivas R, provocando el paso de intensidades anormalmente elevadas para las cuales los materiales que forman los circuitos no estan diseñados, y pueden destruir los aparatos eléctricos si las protecciones no disparan a tiempo, incluso si las protecciones disparan debidamente, las corrientes de resonancia suelen producir desperfectos graves que permanecen.

      Las baterías de condensadores regulan la cantidad de condensadores que están en funcionamiento en función del “Cos fi” ajustado que necesita la instalación para compensar o anular el consumo de energía reactiva, de este modo y según sus valores, el circuito eléctrico formado por R, L, y C puede alcanzar en ocasiones la frecuencia de resonancia, afectando especialmente a los condensadores, pues como hemos visto antes, la corriente que consumen los condensadores es inversamente proporcional a la frecuencia. Típicamente se trata del 5º armónico de red que es 250 Hz, a dicha frecuencia los condensadores consumen cinco veces su corriente máxima nominal, produciéndose daños en los dieléctricos por las temperaturas que se alcanzan causadas por el paso de corrientes muy elevadas. Estos fenómenos pueden suceder porque la magnitud de los circuitos que contienen L (los circuitos que son inductivos) y de C (los circuitos capacitivos) varía con la carga de la instalación, y afectan especialmente a los condensadores para corregir reactiva, afectan igualmente a las fuentes de alimentación que llevan condensadores, y a los circuitos electrónicos que llevan condensadores, PCs, circuitos de comunicaciones, telemedidas, sensores, etc.

      La resonancia eléctrica solo puede ser solucionada por completo desconectando el circuito que la produce, o sea, por disparo de alguna de las protecciones contra sobre corriente. Los demas metodos como por ejemplo filtros de buena calidad, reducen el paso de las corientes armónicas a magnitudes pequeñas que pueden ser admisibles para los condensadores pero no las eliminan del todo.

      Las baterías de condensadores que disponen de filtros anti armónicos son una solución para el problema de las averías de los condensadores producidas por los armónicos, la eficacia del filtrado se debe evaluar mediante diagrama de Bode para determinar si la sintonía del filtrado funciona o por el contrario la sintonía perjudica a los condensadores, que es justamente lo que sucede en el mayoría de los casos porque la frecuencia resultante del filtro es demasiado cercana a la frecuencia del 5º armónico de red, o sea 250 Hz. La disminución de la capacidad de los condensadores de mala calidad en el tiempo, acarrea que la frecuencia de sintonía de los filtros se eleve de frecuencia y sintonicen el espectro de frecuencias de los armónicos, produciendo resonancia y la destrucción de los condensadores. Todas la perdidas en los condensadores producen disminución de la capacidad de los mismos, por lo tanto, en las baterías con filtros la frecuencia de la sintonía en caso de pédida o disminución de la capacidad de los condensadores siempre se eleva, provocando lo que se pretende evitar, que es la resonancia por armónicos, La supuesta eficacia de los filtros se debe evaluar como ya hemos explicado antes, mediante diagrama de Bode. Montajes Alhama S.L.U. verifica la frecuencia de sintonía de los filtros de las baterías de condensadores que diseña, mediante instrumentos de alta tecnología, o con el analizador SFRA modelo E.L.M. 1G-2, Puede ampliar esta información visitando el apartado I+D Analizadores/ Analizador SFRA Barrido de Frecuencia, en la barra del menú principal de nuestra página web, o pinchar en el siguiente enlace: /sfra-analisi-de-respuesta-en-barrido-de-frecuencia Si tiene dudas respecto a la eficacia de los filtros de su batería de condensadores, porque se producen averías de sus condensadores frecuentemente, Montajes Alhama S.L.U. puede realizar una comprobación de la eficacia y sintonía de los filtros para calcular una solución definitiva y duradera, o eliminar todos los problemas relacionados con la energía reactiva.

      Esquemas típicos de filtros eléctricos, en las instalaciones electrotécnicas de baja tensión y BF (Baja Frecuencia) el filtro más empleado es el LPF (paso bajo). En instalaciones de AF (Alta Frecuencia) el filtro LPF es usado para reducir o eliminar los armónicos de alta frecuencia.   

     

      La respuesta en frecuencia de un filtro depende de los valores de sus componentes y del número de secciones (circuitos) conectados de forma consecutiva, cuanto mayor es el número de secciones mayor es su atenuación, en la siguiente imagen se muestra la pendiente de atenuación que proporciona una sola sección de un filtro de paso bajo 

 

      Análisis preliminar, comportamiento a 250 Hz. En la imagen siguiente podemos ver la evaluación de la respuesta en frecuencia de los filtros para armónicos en una batería de condensadores construida por Montajes Alhama S.L.U., como podemos apreciar el pico de atenuación máxima para el 5º armónico es de 6,8 dB a 250, siendo ésta respuesta excelente para este tipo de filtros.  

 

      Imagen de la batería de condensadores evaluada con el equipo de medida conectado.

 

      Pérdidas del filtro. En la siguiente imagen se muestra el analisis de SFRA (respuesta por barrido de frecuencia) de los filtros antiarmónicos de la misma bateria de condensadores evaluada de la imagen anterior, como podemos ver, la FC (frecuencia de corte) del filtro para 3 dB, se produce a 187 Hz, sin embargo, a la frecuencia de red la diferencia de paso "pérdidas" por el filtro es de tansolo 0,11 dB. Por su parte, la diferencia de fase o atraso para la frecuencia de corte es de 30º, y de 60º para el 5º armónico.

 

      Fotografía correspondiente al análisis de la imagen precedente, realizado con el analizador de SFRA modelo E.L.M. 1G-2 que nuestra empresa fabrica para este tipo de aplicaciones y otras como los análisis por barrido de frecuencia en los devanados eléctricos de transformadores, para analizar toda clase de parámetros físicos y eléctricos en los mismos.

 

      La verificación del resultado obtenido en los cálculos para el diseño y la fabricación de los componentes que forman una batería de condensadores con filtros para armónicos queda reflejada en el análisis de espectro de los armónicos de baja frecuencia en comparación con la frecuencia fundamental de la red, que es de 50 Hz.

      A continuación se muestra en la imagen siguiente el resultado del análisis de espectro de la batería ensayada, donde podemos comprobar que la magnitud del 5º armónico obtiene 51,9 dB, el 7º armónico obtiene 49,5 dB, y el 9º armónico obtiene 47,9 dB, en comparación con la magnitud de la frecuencia fundamental de la red de 50 Hz que es de 65 dB. Por su parte las tensiones armónicas inyectadas a la batería para realizar la medida, son todas ellas de la misma magnitud que la tensión de la frecuecia fundamental de 50 Hz.

      Esto significa una reducción de tensión para el 5º armónico de 10XLog(51,9dB/65dB) = 95,1 % de reducción. El 7º armónico se reduce en 10XLog(49,5dB/65dB) =  97,18 %. El 9º armónico se reduce en 10XLog(47,9dB/65dB)  = 98,05 %. 

       Análisis de espectro. Estas cifras se han adquirido generando tensiones de la misma magnitud para la frecuencia fundamental de la red, y para los armónicos. Teniendo en cuenta que la tensión de los armónicos de orden 5º puede alcanzar una magnitud tan elevada como el 8% de la tensión de la red, siendo éste un nivel que puede ocasionar desperfectos importantes en toda la instalación, y que una reducción como la que efectúa el filtro de la baterías de condensadores analizada, con 95,1 % sobre dicha tensión del 5º armónico, constituye la protección más eficaz para la batería. Suponiendo una distorsión armónica de 8 % provocada por el 5º armónico (que siempre es el de mayor magnitud) de tensión sobre la frecuencia de la red, la tensión resultante a la salida del filtro quedaría de la siguiente forma: 400 V rms X 8 % = 32 V - 95,1 % = 1,568 V de tensión para el 5º armónico, en la practica esta magnitud es insignificante, por lo que no provocara ningun daño a la instalación eléctrica de la batería de condensadores. Por su parte, los armónicos 7º y 9º obtienen mayor reducción, y no es necesario calcular su bajisima magnitud.

 

      Fotografía del análisis de espectro realizado sobre la batería de condensadores

 

Análisis y verificación de los cáculos. Ganancia de los filtros. La ganancia o atenuación de los filtros se expresada en dB, "en nuestro caso se trata de atenuación para las frecuencias mayores que las de red", lo cual significa que el signo de la ganancia en este caso es (-) negativo, que equivale a atenuación, es decir "pérdida". En el análisis definitivo de SFRA realizado con nuestro analizador E.L.M.1G-2 para evaluar la respuesta que tendrán los filtros frente a las frecuencias de los armónicos, vemos en el gráfico inferior que la atenuación conseguida por los filtros a la frecuencia de red a 50 Hz para rechazo de los armónicos de orden superior es de -34 dB desde la frecuencia de 250 Hz hasta la frecuencia de 50 Hz. La frecuencia central de resonancia de los filtros es de 189 Hz, lo cual evita el paso de todos los armónicos de orden superior hacia la red. Gracias a la calidad empleada en los componentes seleccionados para la fabricación de esta batería, se consigue una linealidad perfecta entre la reactancia inductiva XL, y la reactancia capacitiva XC, de los condensadores y las inductancias, donde podemos ver que el ángulo de fase a la frecuencia de resonancia de 189 Hz, su fase se encuentra justamente a 0,0º, habiéndose logrado el mismo resultado que el objetivo fijado en los cálculos de diseño.

      El beneficio de estos filtros consiste en la elevada atenuación que obtienen los armónicos que llegan a los condensadores, con una reducción importante en su magnitud, de -34 dB, como resultado de sumar las atenuaciones antes y despues de la frecuencia de resonancia a 189 Hz. En potencia esto significa que al condensador le llega solo el 0,4 % de la potencia original del 5º armónico, los armónicos superiores obtienen mayor atenuación, el 7º armónico con -41 dB, y el 9º armónico con -47 dB, resultan una potencia insignificante.  

 

F- TEMPERATURA

      La composición de un condensador está formada por dos placas conductoras separadas por un material no conductor (dieléctrico), como aire, gas, papel, cerámica, mica, aceite, vacío, polietileno, polipropileno, etc. Los condensadores industriales para compensación de energía reactiva están compuestos de dos peliculas de aluminio que hacen de conductores, separadas por un aislamiento delgado de polietileno que separa las dos peliculas metálicas. Las peliculas y el aislante se encuentran enrollados, formando un cuerpo con forma cilíndrica. La temperatura en los aislamientos de los condensadores es la responsable directa de que el aislamiento se deteriore y se produzcan fugas de corriente mayores entre las placas de los polos del condensador que termina con la perforación del aislamiento y la falla del condensador. Una elevación de la temperatura en el aislamiento en diez grados centígrados significa una bajada de resistencia a la mitad, lo cual también quiere decir que el aislamiento solo aísla la mitad, si la elevación de temperatura es de veinte grados, el aislamiento solo aislara la cuarta parte y podría conducir cierta proporción de corriente entre sus polos o entre los polos y masa, elevando las pérdidas y por lo tanto la temperatura. La referencia de temperatura para los condensadores es de 40ºC a su alrededor como máximo cuando se encuentran funcionando.

      La elevación de la temperatura en los condensadores sucede por diferentes causas que se deben evitar durante el diseño y el montaje de la batería, ubicando la batería en lugares adecuadamente ventilados y alejados de fuentes de calor. El peor sitio para colocar una batería de condensadores es un centro de transformación, o el interior de armarios eléctricos destinados al accionamiento de motores, o salas cerradas sin ventilación por grandes que éstas sean, estos sitios han de evitarse por los aumentos de temperatura que produce la falta de ventilación.

      Un aumento de temperatura siempre se traduce en mayor corriente "activa" (W) de fugas entre los aislamientos y entre las fases y masas de los condensadores, causado por un aumento de actividad de las DP (descargas Parciales). En efecto, un aumento de la temperatura del aislamiento produce a su vez menor rigidez dieléctrica del mismo, y por lo tanto mayor intensidad de las DPs. Concluyendo que la temperatura anormalmente elevada reduce sustancialmente la vida de los condensadores, y genera mayor consumo en éstos. 

      Las DPs que se generan en el interior de los ailamientos de los condensadores son responsables directas de la vida del aislamiento y pueden ser medidas, con objeto de conocer si los condensadores deben ser refrigerados mediante ventilación forzada, aumentar ésta si ya existe, o cambiados de ubicación para reducir su temperatura.

 

RESUMEN

      Son muchas las causas que afectan a la esperanza de vida de los bancos de condensadores para corrección de energía reactiva, una de las principales causas consiste en la popularidad que han alcanzado los variadores de frecuencia y las plantas de generación fotovoltaicas, hoy en día no se concibe la industria eléctrica sin variadores, disponen de muchas ventajas, pero su funcionamiento acarrea problemas que en ocasiones pueden superar las ventajas que ofrecen. Otro de los problema más severos de los bancos de condensadores son los micro cortes de suministro eléctrico que pueden causar sobretensiones destructivas que perforan los aislamientos de los condensadores. La temperatura es un factor muy importante a tener en cuenta en el diseño, pues es responsable directa del envejecimiento prematuro de los aislamientos. Para que no se alcancen temperatura elevadas en las baterías de condensadores que pueden reducir su vida útil, éstas se han de diseñar pensando en la menor generación de temperatura posible de todos sus componentes, generalmente los componentes más económicos son los que mayor temperatura desarrollan porque tienen mayores pérdidas, por lo general lo que se espera de nuestra batería de condensadores es que funcione durante el mayor tiempo posible sin problemas. Hoy día es raro que en 25 años que puede esperarse que duren los condensadores, no se hayan cambiado componentes de una batería como para comprar dos o tres baterías nuevas en dicho plazo de tiempo, por ello recomendáramos que la elección o la fabricación de nuestra batería de condensadores la realice un profesional experto en condensadores, y no un comercial que ofrece precios bajos, basados en argumentos vagos.

      Empezando por el armario donde se alojan todos los componentes de una batería, el mismo debe tener espacio suficiente y reserva de espacio en un 50% como mínimo si no queremos que se caliente en verano, los conductores eléctricos deben ser calculados para soportar el 150% de la corriente máxima nominal de cada escalón de condensador individual, pues los conductores eléctricos de conexión son el elemento de menor peso económico en el coste total de la batería, nosotros preferimos la protección de los condensadores individuales por fusibles, que es más eficaz que un interruptor magneto térmico y mucho más económica, Los contactores de estado sólido ofrecen la ventaja de la conexión cuando la onda de voltaje se encuentra en el paso por cero voltios, y "teoricamente" no crean sobretensiones o chispas en la conexión, pero esto solo sucedería si la carga que alimentan los contactores de estado sólido fuese carga "resistiva", pero resulta que los condensadores adelantan la corriente, y el control del paso por cero es referido al voltaje y no a la corriente, es por esta causa, por la que los contactores de estado solido suelen averiarse con facilidad, además éstos contactores llevan circuitos electrónicos que son afectados por los armónicos, por la temperatura, y por las sobretensiones, nosotros preferimos los contactores normales, pero de buena calidad, en nuestra dilatada experiencia hemos constatado con instrumentos de precisión que la resistencia de contacto de los contactores casi nunca cumplen sus especificaciones de fábrica, incluidos algunos fabricantes de reconocido prestigio, la competencia manda y los fabricantes reducen el tamaño y la calidad de los contactos de sus contactores, para ofrecer productos competitivos a precios cada vez mas bajos. Se ha de verificar que la resistencia de los contactos de todos los contactores cumple las especificaciones del fabricante para garantizar la menor producción de temperatura posible, y sobredimensionar los contactores al menos en un 20%, para reducir el efecto de la temperatura adicional que se crearía por el normal desgaste por número de maniobras durante la vida de los mismos. Por último llegamos al condensador, los condensadores empleados en las baterías para corrección de energía reactiva, rara vez cumplen los datos de su placa de características, siendo frecuente que los fabricante anuncien el 15% o más de potencia que la que en realidad generan los condensadores, esta estrategia comercial se basa en la tensión de placa de característica de los condensadores, anunciando en placa tensiones mayores de funcionamiento, que en realidad lo son de aislamiento, a las cuales los condensadores nunca funcionan, por este motivo nunca producen la potencia anunciada. Lo ideal es que la tensión de aislamiento anunciada en placa no sea utilizada para hacer referencia a la tensión de funcionamiento, así la potencia que genera el condensador solo se alcanza a la tensión de aislamiento, o sea al límite de voltaje que puede soportar el condensador, que no es lo lógico.

      La calidad de un condensador trifásico para compensación de energía reactiva se mide por su Tgδ (Tangente delta) o factor de pérdidas por disipación de potencia activa en (W) convertidos en forma de calor, no es dificil comprobar que un condensador de una batería que se encuentra conectado funcionando, el mismo se encuentra a 50ºC o 60ºC e incluso más, esto es porque la potencia que disipa en forma de calor es muy elevada. Los condensadores para este fin han de tener unas pérdidas inferiores a 0,5 W por cada KVAR de potencia del condensador, desafortunadamente estas característica no se cumplen casi nunca, y por ello se genera mucha más temperatura de la deseada, que junto con una desacertada ubicación de la batería, y mal diseño del armario, los condensadores nunca alcanzan ni la mitad de la vida esperada. Lo ideal son condensadores con unas perdidas inferiores a 0,25 W por KVAR, éstos son de precio más elevado que los condensadores normales, pero su adquisición ésta plenamente justificada porque funcionaran durante mucho más tiempo ahorrando mucha energía que se pierde en los otros tipos de condensadores más económicos, y por supuesto su longevidad será mucho mayor. Los condensadores que emplea Montajes Alhama S.L.U. para la construcción de las baterias de condensadores con filtros de armónicos disponen de una Tgδ de 0,15, con ello se logra la mayor longevidad posible, alcanzando una vida útil de los condensadores de más de 25 años.

      En instalaciones donde existe un porcentaje elevado de accionamientos de potencia mediante variadores de frecuencia, se deben instalar en origen filtros de buena calidad en las baterías de condensadores para desintonizar los armónicos que producen los variadores durante su funcionamiento, con objeto de que los armónicos que producen los variadores no lleguen al condensador, la no observación de éste detalle conlleva que los condensadores se averíen frecuentemente, suponiendo ello un coste mayor que la instalación de los filtros, se ha de pensar que la falta de capacidad de la batería por averías de condensadores individuales, puede suponer recargos en el recibo de energía por penalización de consumo de energía reactiva. Si la potencia de nuestra instalación que es accionada mediante variadores de frecuencia es muy grande en comparación con la potencia que no es accionada por variadores, entonces la batería de condensadores debe ser calculada a medida, e instalar materiales que superan las especificaciones de las baterías normales con filtros, pues en estos casos no se trata de que los condensadores de la batería duren más tiempo, sino de que los condensadores funcionen de forma permanente inmersos en armónicos de BF (baja frecuencia) y de AF (alta frecuencia) las veinticuatro horas del día, con una duración de los condensadores como si se tratase de un funcionamiento sin ninguna clase de contaminación armónica. Montajes Alhama S.L.U. tiene amplia experiencia es estas cuestiones y podemos dar solución a todos los problemas relacionados con los bancos de condensadores, para que duren lo que tienen que durar, esto es 25 años como mínimo.

 

FILTROS DE ARMONICOS

       Los circuitos eléctricos y electrónicos usan en múltiples ocasiones filtros para dejar paso a las tensiones de un determinado rango de frecuencias, o para reducir la magnitud de las tensiones a determinado rango de frecuencias, como ejemplo tenemos los filtros de armónicos para las baterías de condensadores, los inductores de los accionamientos para cargas no lineales, los filtros para las emisoras de radio, los filtros de las antenas de comunicaciones, etc.

      La frecuencia a partir de la cual comienza la ganancia o la atenuación de los filtros se denomina "frecuencia de corte" para los filtros de paso bajo, o frecuencia media, para los filtros de paso alto que dejan pasar las frecuencias mayores, para las cuales un filtro presenta la menor impedancia del circuito. Para dichas frecuencias, de corte, o frecuencia media, el nivel o amplitud de la señal de voltaje, se reduce o se amplía su valor, según la siguientes reglas:

      Filtro de paso bajo, la tensión disminuye a la salida del filtro el 30 % de su valor para la frecuencia de corte, el valor de la tensión progresa en disminución al aumentar la frecuencia segun su pendiente de atenuación.

      Filtro de paso alto, la tensión aumenta a la salida del filtro hasta el 70 % de su valor a la frecuencia del paso medio, el valor de la tensión progresa en aumento al aumentar la frecuencia segun su pendiente de ganancia, hasta alcanzar el mismo valor que la tensión a la entrada del filtro.

      Estas magnitudes coinciden con la √² = 1,4142, equivalente a una atenuación de 0,707, o sea multiplicar por este valor que es igual a -3 dB en caso de filtros de paso bajo, o 3 dB en caso de filtros de paso alto.

 

Ejemplo de cáculo:

      En la instalaciones eléctricas de las fábricas existen baterías de condensadores trifásicas con escalones de condensadores, para este ejemplo, de 100 KVAR para compensar la potencia reactiva inductiva y evitar a la misma vez los recargos en el recibo eléctrico por los consumos de dicha energía. La batería es alimentada por la tensión nominal de la fábrica a 400 V 50 Hz. 

      En la red eléctrica de esta fábica existen cargas no lineales que generan la aparición de armónicos impares, donde la mayor magnitud del armónico predominante que es el 5º, tiene un 8 % de tensión respecto a la tensión de la frecuencia fundamental de la red de 50 Hz. Esto supone un grave problema para las baterías de condensadores que ven incrementados los consumos de corriente de acuerdo a la suma cuadrática de las tensiones de red más las tensiones de todos los armónicos, pudiendo destruir los condensadores en poco tiempo debido a la temperatura que se genera en el interior de los condensadores por la suma de la corriente absorbida de red por el condensador más las corrientes absorbidas por éste correspondientes a todos los armónicos.

      Para solucionar este problema se ha dispuesto instalar una batería de condensadores con filtros para rechazo de los armónicos, con una atenuación de -3 dB para una frecuencia de corte de 125 Hz, con una pendiente de atenuación constante de -12 dB/octava. Con todo ello la tensión del armónico de mayor magnitud que es el 5º (250 Hz) se reducirá del siguiente modo: 

      Tensión de la alimentación de red = 400 V a 50 Hz

      Consumo de un solo condensador, por ejemplo, para un solo escalón de condensador de potencia de 100 KVAR la capacidad conectada internamente en triangulo es:

      Capacidad, C = 1,5x((2x(pi)xFxUXU/3), = 994,72 uF, y la intensidad consumida es igual a:

      Reactancia del condensador a la frecuencia de red (50 Hz), Xc = 1/2(pi)FC = 1/ 2 x (pi) x F(50Hz) x C (0,00099472 Faradios) = 3,2 Ohmios

      Consumo de corriente nominal (A) a la frecuencia de red (50 Hz), U / Xc = 400 V / 3,2 Ohm = 125 A nominales, (con esta corriente el condensador puede funcionar de forma indefinida)  

      Tensión del 5º armónico de red (250 Hz) = 400 V x 8 % = 32 V  

      Reactancia del condensador a la frecuencia del 5º armónico (250 Hz),  Xc = 1/2(pi)FC = 1/ 2 x (pi) x F(250 Hz) x C (0,00099472 Faradios) = 0,64 Ohmios                       

      Sobre corriente (A) consumida por el condensador a la frecuencia del 5º armónico = U / Xc = 32 V / 0,64 ohmios = 50 A

      Como se podrá comprender, la suma de las corrientes consumidas por el condensador a la frecuencia de red, más la corriente del 5º armónico (125 A + 50 A), pueden destruir el aislamiento del condensador en poco tiempo, debido al incremnto de temperatura que supone la suma de la correinte nominal de red, mas todas las corrientes armónicas.

 

     Con la solución adoptada de batería de condensadores más filtros de armónicos, el consumo de corriente para el 5º armónico queda de la siguiente forma:

      Tensión Para el 5º armónico a la salida del filtro: 32 V -3 dB = 16 V, -12 dB (pendiente de atenuación) = 16 x (+/- 6,3 %) = 1,008 V 

      

Consumo de sobre corriente (A) a la salida del filtro para el 5º armónico = U / Xc (250 Hz) = 1,008 V / 0,64 Ohm = 1,58 A, (siendo esta corriente admisible de forma permanente por el condensador)

      Al tratarse de un filtro de paso bajo, los demás armónicos siguientes 7º, 9º, 11º, etc. obtienen mayor atenuación que el 5º, por lo que no es necesario tomar otras medidas correctoras.

 

CONCLUSIONES

      En la trayectoria profesional acumulada durante más de cincuenta años trabajando con condensadores de todo tipo y baterías de condensadores, hemos realizado diseños para filtros, reparaciones de condensadores de las baterías para compensación de energía reactiva, investigación y ensayos con nuevos materiales, etc. A lo largo de todos estos años hemos investigado en profundidad las causas que producen anomalías y averías frecuentes en los condensadores, realizando análisis y ensayos de todo tipo empleando la instrumentación más avanzada existente en cada momento, y nuestras conclusiones sobre los problemas eléctricos que "sufren" los condensadores y la instalación de los mismos son estas:

 

BAJA CALIDAD DEL DIELECTRICO DE LOS CONDENSADORES

DESATENCIÓN A LOS ARMÓNICOS DE RED PRESENTES EN NUESTRA INSTALACIÓN

ERRORES DE DISEÑO EN LAS BATERIAS CON FILTROS PARA ARMÓNICOS

SELECCIÓN DESACERTADA DE UNA BATERÍA

 

La explicación de las conclusiones son las siguientes:

Baja calidad del dieléctrico. Para que un condensador no envejezca de forma prematura, el mismo debe disipar la menor cantidad posible de potencia en forma de calor, pues el calor interno en el condensador produce el aumento de las DP (Descargas Parciales) que a su vez perforan el dieléctrico que separa las láminas metálicas que componen el condensador, produciendo finalmente la perforación dieléctrica y la falla. Para que esto no suceda, los condensadores deben tener una TgD (Tangente Delta) de 0,15 o menor, en valor absoluto, esto quiere decir que se disiparan 0,15 W de energía activa por caca KVAR reactiva del condensador. La realidad es, que en la práctica no hemos encontrado hasta ahora en ningún condensador de ningún fabricante, con una TgD menor a 0,7, a pesar de que hemos verificado miles de condensadores. Por esta causa se producen muchas más calorías de las que el condensador puede evacuar y con ello la destrucción en un plazo breve de tiempo de pocos años. Marcados por unos precios de mercado cada vez más bajos, los fabricantes de condensadores se ven obligados a competir, y el mercado manda.

Desatención a los armónicos. Los armónicos son producidos mayormente por el rectificador trifasico de los VF (Variadores de Frecuencia) utilizados para controlar la velocidad de los motores. Actualmente no se concibe ninguna máquina o sistema nuevo sin los VF, se encuentran en todas partes del tejido industrial. Solo hay que realizar un análisis de red muy corto en tiempo para ver que la distorsión armónica total THDI o THDV se encuentra en valores inaceptables que superan todas las normas en todos los casos. El consumo de corriente de un condensador con presencia de componentes armónicas en la red de nuestra instalación produce mayor consumo que genera a su vez mayor temperatura en el interior del condensador en todos los casos. Para verificar el consumo de corriente perteneciente a un armónico cualquiera se debe disponer de un analizador de red con capacidad de descomponer las corrientes y las tensiones de cada armónico, para darse cuenta posteriormente de que el consumo de corriente que producen la suma de la corriente de red, más las corrientes de todos los armónicos, es inadmisible para el condensador de forma permanente. Lo que ocurre en la mayoría de ocasiones es que si verificamos el consumo de corriente en un condensador empleando una pinza amperimetrica, observaremos que la corriente del condensador es algo mayor de la que debería consumir. Esto sucede porque la pinza amperimetrica vera solamente la suma cuadrática de las corrientes de red más las de los armónicos, ya que las pinzas amperimetricas tienen un ancho de banda de algunos Hz (45 Hz - 65 Hz) y no pueden medir armónicos, llegando a la conclusión errónea de que los condensadores consumen algo más de lo habitual en todos los casos donde existe presencia de armónicos, No hablamos de las resonancias que se producen en la instalación cuando la reactancia inductiva de la misma entra en resonancia con la reactancia capacitiva de la batería o de condensadores (Xc = XL), que depende de la carga de la instalación en cada momento, y como es normal, no tenemos un técnico verificando cada condensador durante las 24 horas.

Errores de diseño. Con frecuencia se cometen errores en el diseño conceptual de las baterías de condensadores con filtros para armónicos o en la instalación de condensadores individuales sin filtros. La práctica habitual es seleccionar una batería de condensadores en un catálogo de baterías de condensadores de cualquier fabricante. Normalmente se atiende siempre al menor precio, el objetivo es adquirir una batería de determinada potencia comparando los precios de diferentes fabricantes para seleccionar la más economica, esto es un error, pues existen criterios relevantes de mayor peso que el economico, como la TgD (Tangente Delta) de los condensadores, la corriente nominal de los filtros, la impedancia de los accionamientos (contactores), el tipo de protección y su dimensionado, entre otros aspectos mucho más importantes que el precio. En la práctica, casi todas las baterías de condensadores con filtros que nosotros hemos verificado, las cuales ya presentaban defectos, se encontraban todos los condensadores fuera de sintonía, esto significa que en determinados momentos se producen resonancias imprevistas con los armónicos en los escalones de condensadores según la carga inductiva de la instalación. Suceden errores por la ubicación incorrecta de la batería o condensador en lugares de poca o nula ventilación, por baja calidad del dieléctrico de los condensadores, o por fallos en el ajuste del COS fi, muy elevado, (COS fi capacitivo) lo cual produce amplificación de los armónicos existentes. Todos estos errores conducen a la aparición de mayor temperatura en el interior de los condensadores y por lo tanto a un aumento de las DPs (Descargas Parciales) en el dieléctrico del condensador que contribuyen a una disminución en su capacidad por envejecimiento, esto significa que, "los condensadores se salen de sintonía". Todas las anomalías de los condensadores resultan en disminución de su capacidad, que produce resonancia a una frecuencia mayor cuando existen inductancias para filtros. Según la ecuación de cálculo de la Fr (Frecuencia de resonancia), en un circuito LC (inductancia Condensador), una disminución de la capacidad implica el aumento de la frecuencia de resonancia "Fr = 1/ 2pi V(LC)", si en esta ecuación "C" disminuye, entonces "Fr" aumenta, y sintonizara con las frecuencias armónicas de mayor rango que la de red, provocando resonancias, mayor consumo, y mayor envejecimiento de los condensadores. La impedancia de los armónicos sintonizados disminuye favoreciendo corrientes armónicas más elevadas en el condensador que contribuyen a aumentar la temperatura en el interior del condensador generando mayor cantidad de DPs, lo cual merma la esperanza de vida del condensador. Un aspecto que contribuye al envejecimiento de los condensadores es el tipo de esquema empleado para las conexiones de potencia, en efecto, un esquema de conexiones desacertado merma las propiedades aislantes de los dieléctricos en los condensadores y provoca mayor desgaste de los accionamientos de los mismos.  

Selección desacertada de una batería. Seleccionar una batería de condensadores en un catálogo de condensadores no es la mejor solución para compensar cargas reactivas con alta tasa de distorsión armónica. La mejor opción consiste en asesorarse de profesionales cualificados con experiencia en compensación de energía reactiva, que puedan analizar las características fundamentales de los consumos en nuestra instalación. La selección equivocada de una batería de condensadores dará como resultado que los condensadores de la batería que no disponen de filtro contra armónicos duren menos tiempo que los condensadores que tienen filtros, en presencia de armónicos en nuestra instalación. Así mismo, si se desconocen las características fundamentales de los consumos, la compensación o sobre compensación de las cargas inductivas puede dar lugar a resonancias ocasionales de forma intermitente en el devanado secundario de los transformadores del centro de transformación, pues la componente inductiva “XL” del devanado de un transformador no es medida por los reguladores de energía reactiva de la batería de condensadores, que solamente miden aguas abajo del circuito secundario del transformador. Los desperfectos que causan las resonancias en el devanado secundario de los transformadores son acumulativos, reduciendo sustancialmente la esperanza de vida de los transformadores sin que lo sepamos, y en casos extremos pueden averiar el transformador sin alcanzar éste su carga nominal, si las protecciones del transformador no actúan a tiempo para despejar el problema, recordar tambien, que las protecciones contra sobrecorriente son "ciegas" a las corrientes armónicas. Incluso si instalamos una batería con filtros no solucionaremos el problema de los armónicos presentes, lo que hacen los filtros es atenuar a su salida entre el filtro y el condensador, para evitar que al condensador le lleguen los armónicos y se produzcan sobre corrientes en el condensador. Lo que no hacen los filtros es atenuar aguas arriba, o sea, no reducen los armónicos antes del filtro. Recordemos tambien, que las protecciones eléctricas contra sobrecarga miden la corriente de pico y la dividen por la raíz de dos para calcular el valor eficaz o “RMS” de la corriente, para una onda con forma senoidal sin distorsión, o sea sin armónicos. Si la forma de onda de corriente se encuentra distorsionada por los armónicos, no será senoidal, y el cálculo de la corriente será erróneo, afectando al tiempo de disparo, y en algunos casos no se producirá el disparo de la protección por sobre corriente.

Los contactores estáticos a base de tiristores, utilizados para el accionamiento de cargas capacitivas como los condensadores de una batería para compensación de energía reactiva, son una "muy mala" elección. La explicación de los fabricantes de baterías que emplean estos contactores, suelen ofrecer explicaciones convenientes donde se afirma que la conexión del condensador se realiza en el paso por cero de la onda de intensidad, por lo cual el contactor estático conecta sin carga de corriente. Esto es inexacto, pues el contactor estático en realidad no conecta durante el paso por cero de la onda de intensidad, sino durante el paso por cero voltios de la onda de tensión de la red. Por esta causa los condensadores estáticos se averían con facilidad, porque el ángulo de tensión e intensidad en ocasiones son muy diferentes, y por lo tanto, existe una elevada corriente durante la conexión del condensador, que destruye los semiconductores de potencia del contactor estático.

Para todos esto casos la solución no consiste en sobre ventilar los condensadores, sino en asesorarse de profesionales cualificados con experiencia. Montajes Alhama S.L.U. dispone de conocimientos y experiencia en estas aplicaciones y puede asesorar o evaluar, empleando la instrumentación más avanzada, para ofrecer siempre una solución. En nuestra empresa nos sentimos  orgullosos de poder destinar gran parte de nuestros presupuestos anuales a la investigación de las causas que originan las anomalías, y al desarrollo de equipos especiales capaces de medir y analizar, los parámetros eléctricos que anteriormente eran difíciles o imposibles de resolver, en baterías de condensadores. Montajes Alhama S.L.U. está en constante desarrollo y evolución de equipos de laboratorio de alta tecnología, para realizar ensayos y análisis en toda clase de aparatos eléctricos de baja tensión y alta tensión. Puede visitar el apartado I+D ANALIZADORES, en nuestra página WEB si es de su interés, para conocer los equipos de análisis que fabricamos actualmente.

 

CALCULO DE UNA BATERIA DE CONDENSADORES

Para obtener la potencia necesaria en una batería de condensadores para compensación de energía reactiva, o para conocer cual es la potencia del condensador que debemos instalar para compensar un solo motor, el cálculo preliminar a realizar es muy sencillo como veremos a continuación.

Usando el contador de energía eléctrica: se mide la energía reactiva consumida en un periodo de tiempo y se divide por el número de horas de funcionamiento, el resultado es la potencia de la batería o del condensador. Para una batería conviene seleccionar una potencia algo superior que la calculada atendiendo a la pérdida normal por envejecimiento de los condensadores.

Potencia de una batería de condensadores por estimación: lo primero es sumar la potencia de todos los receptores eléctricos lineales de la instalación, pasados a CV, lo segundo es aplicar un factor de carga, por ejemplo 0,65 que equivale al 65% de la potencia total instalada de cargas lineales, en realidad este es el factor correcto a aplicar. A continuación, seleccionaremos una potencia para la batería del 60% de la carga ya corregida por el factor mencionado anteriormente, y ya tenemos la potencia de la batería de condensadores en KVAR.

Por ejemplo, la suma de todas las cargas lineales nos da 377 KW, X 0,736 = 512,2 CV, corregidos por un factor de carga de 65% obtenemos 512,2 CV X 0,65 = 332,93 CV. La potencia de la batería resulta de aplicar el 60% al resultado, es decir, 332,93 X 70% = 233 KVAR, este caculo tiene una aproximación del 90% para alcanzar un coseno de fi de 0,98 inductivo. Si todos los receptores de la instalación operan a plena carga, el factor de carga a aplicar para el cálculo será de 0,5.

Para calcular la potencia de un condensador para compensar un solo motor, el método de cálculo es el siguiente, por ejemplo, para un motor de 75 KW = 100 CV, el condensador adecuado será: 100 CV X 0,5 = 50 KVAR. este cálculo tiene una aproximación del 90%, para alcanzar un coseno de fi de 0,98 inductivo. Si el motor a compensar opera a plena carga el factor de carga a aplicar en el cálculo debe ser 0,4. 

Esquemas de conexiones de la batería de condensadores

Diferentes esquemas de cableado de potencia de las baterías de condensadores con filtros son posibles, el unico requisito es que la protección individual contra sobrecarga y cortocircuitos de los escalones de condensadores se encuentre instalada aguas arriba, y que exista para la acometida una protección general contra sobrecargas y cortocircuitos más una proteccion diferencial donde se encuentra conectada la batería de condensadores.

Por numerosas razones que nosotros ya hemos investigado ampliamente y ensayado en nuestro laboratorio, "en ningún caso" se deben instalar contactores de estado sólido para el accionamiento de escalones de condensadores con filtros de armónicos, pues es "falso" que los contactores de estado sólido conectan el condensador durante el paso por cero voltios de la onda de red. Durante la conexión de un contactor de estado sólido en una batería de condensadores, el circuito electrónico de medida del contactor de estado sólido mide el ángulo de tensión de la red eléctrica a la entrada del contactor, que es donde está presente la tensión, sin embargo, la corriente en el condensador se atrasa debido a la constante de tiempo que introduce la inductancia del filtro, esto provoca el atraso del ángulo de corriente respecto al ángulo de tensión a la salida de la inductancia, generando sobre corrientes elevadas de inserción que destruyen los semiconductores de potencia del contactor de estado sólido en poco tiempo. Durante la desconexión sucede lo contrario, el contactor de estado sólido desconecta antes de que la corriente descienda hasta cero amperios porque el ángulo de corriente está desfasado en atraso sobre la tensión, generando sobre corrientes que destruyen igualmente el contactor. En resumen, no se deben emplear contactores de estado sólido en baterias de condensadores con filtros, ni tampoco en baterías de condensadores sin filtros.

A continuación se presentan dos esquemas diferentes para cableados de potencia en una batería de condensadores con inductancias para filtrar los armónicos de baja frecuencia. El esquema Nº 1 propone instalar la inductancia de filtro después de los fusibles de protección, en este esquema la tensión está presente todo el tiempo en la inductancia, cuando el contactor cierra el circuito conecta el condensador. El esquema Nº 2 propone instalar el contactor después de los fusibles, cuando el contactor conecta el circuito se alimenta la inductancia filtro y el condensador, el esquema Nº 2 es el típico utilizado por la amplia mayoría de fabricantes de baterías de condensadores.

 

A juicio "teórico" para los que emplean el esquema Nº 2 la única ventaja consiste en que la inductancia es alimentada solo cuando conecta el contactor, basado en esta "teoría" los fabricantes que adoptan este esquema aluden a que la inductancia no es alimentada por la tensión cuando el contactor está desconectado, sin embargo, las baterías de condensadores se encuentran continuamente conmutando las cargas de los escalones de condensadores para realizar la corrección de la energía reactiva, por lo que éste esquema no representa ninguna ventaja, o el fabricante no confía en el aislamiento de sus inductancias para que éstas se encuentren siempre conectadas, a pesar de que no se produce ningun consumo de energía. El esquema Nº 2 presenta varias deficiencias "técnicas", la primera deficiencia consiste en que, la frecuencia y forma de onda de la tensión y corriente cuando el condensador es alimentado, es de AF (alta frecuencia) en el rango de varios KHz, hasta que la corriente de inserción del condensador se establece en su valor nominal, esto sucede después de varios miles de Hz de AF. La segunda deficiencia que presenta el esquema Nº 2 consiste en que, durante el ciclo magnético de histéresis el flujo del campo coercitivo "H" en la inductancia no se encuentra saturando o desaturando el núcleo magnético de hierro a la frecuencia de la red desde el establecimiento de la conexión del condensador al estar la inductancia sin alimentación hasta que cierra el circuito el contactor, y como hemos explicado antes, la frecuencia en el momento de la conexión del condensador no es la misma que la frecuencia de la red, lo cual produce mayores áreas de pérdidas por histéresis y calentamientos en caso de conexiones frecuentes del escalón del condensador. Por otra parte, el valor de inductancia cambia con la frecuencia, es decir, si la frecuencia que atraviesa la inductancia no es la nominal de la red, el valor de Henrios que presenta la inductancia no es el nominal, y su frecuencia de resonancia será distinta a la calculada en las conexiones y desconexiones. La tercera desventaja del esquema Nº 2 es, que el tiempo empleado por este circuito para estabilizar la corriente nominal del condensador a su valor nominal, es superior, lo cual genera armónicos de AF durante un tiempo superior, que pueden ocasionar problemas o averías en circuitos sensibles, difíciles o muy difíciles de diagnosticar, especialmente en circuitos que usan condensadores como fuentes de alimentación conmutada, variadores de frecuencia, PLCs, sensores capacitivos, tarjetas electrónicas, etc., dichas averías son muy difíciles de diagnosticar porque el tiempo del suceso de AF que provoca la avería es muy breve e intermitente, del orden de mili segundos. Por su naturaleza la corriente en los condensadores es directamente proporcional a la frecuencia, es decir, un evento a una frecuencia treinta veces superior a otra producirá una corriente treinta veces superior en el mismo condensador, aunque dicho evento sea breve, este tipo de sobre esfuerzo produce daños acumulativos en el condensador, la inductancia, y el contactor, y el los circuitos afectados que hemos mencionado antes.

 

 

La última información "científica" que hemos tenido el "privilegio" de oír de boca de un ingeniero que según él, pertenece a un fabricante de baterías de condensadores de reconocido nombre, defensor del esquema N.º 2, el mismo hizo la siguiente aseveración delante de varias personas refiriéndose al esquema Nº1, que es el que nosotros empleamos en la batería de condensadores que este señor estaba examinando: "sabréis que este esquema no es correcto, si la inductancia se encuentra conectada inmediatamente después de los fusibles, los milihenrios están circulando por ahí siempre". Que se sepa hasta ahora, los "milihenrios” es la característica intrínseca de una bobina, y no circulan hacia ningún sitio, nunca. Intuimos que el supuesto ingeniero cumplía la función de "ojeador" para intentar desacreditar nuestro trabajo si le era posible, con objeto de vender una batería de condensadores que nuestro cliente no necesitaba. El mismo señor, hizo numerosas fotografías de toda la batería de condensadores por dentro y por fuera del armario en las instalaciones de nuestro cliente, donde se encuentra instalada la batería de condensadores fabricada por nuestra empresa utilizando el esquema N.º 1 para el cableado de potencia. Desconocemos cual era el motivo de esta persona para hacer tal cantidad de fotografías al armario de la batería de condensadores de nuestro cliente, si como él decía era ingeniero de esa importante fábrica de baterías, ¿para qué quería esas fotos? Los comentarios vertidos por esa persona que dice que era ingeniero, al personal de la fábrica donde se encuentra la batería instalada, muestran un ánimo espurio, o el desconocimiento absoluto de lo que es una inductancia, o ambas cosas. Posteriormente descubrimos que en varias ocasiones el interruptor automático de protección general de la batería de condensadores estaba siendo disparado manualmente para provocar recargos de energía reactiva de forma intencionada. Aprovechamos la ocasión para comentar que esa importante fábrica a la cual esa persona dice que pertenece como ingeniero, en años anteriores dicha fábrica de baterías de condensadores realizo el cálculo para unas baterías nuevas con filtros para la fábrica Macresur S.A., las cuales fueron instaladas en esa fábrica por el personal del fabricante de las baterías, por un importe total de varios cientos de miles de euros. Pues bien, ninguna de esas baterías alcanzó un año de funcionamiento, quedando todas destruidas en menos de seis meses, hecho que nosotros verificamos posteriormente en la fábrica cuando nos llamaron para comprobar el origen de las averías en dichas baterías. Nuestras conclusiones de las averías fueron que, todos los contactores de estado sólido de la batería de condensadores se averiaron por "asintonía" de la frecuencia de los filtros, además, la mitad de condensadores se averiaron por resonancia con los armónicos, así que, todas las baterías quedaron inutilizadas y desconectadas de forma definitiva. En estas ocasiones se aprovecha siempre la falta de conocimiento técnico de los clientes para vender lo más sustancial para el fabricante de la batería.

 

La mejor solución "técnica" para realizar el esquema del cableado de potencia en una batería de condensadores con filtros de armónicos de baja frecuencia consiste en emplear el esquema propuesto Nº 1, esto puede suponer una contradicción para los defensores del esquema Nº 2. Por su parte el esquema Nº 1 presenta varias ventajas de las cuales adolece el esquema Nº 2. Entre las principales ventajas que ofrece el esquema Nº 1, la primera es que la inductancia se encuentra saturada siempre en el momento de la conexión del circuito por el contactor, lo cual reduce considerablemente el tiempo para estabilizar la corriente de inserción hasta su valor nominal en el condensador. La segunda ventaja no menos importante es que la tensión y la corriente de AF que se produce durante la conexión del condensador tienen un valor de resonancia a frecuencias mucho más bajas, que suceden durante mucho menos tiempo, lo cual redunda en mayor vida de la batería de condensadores, y menores o nulos problemas en los demás circuitos sensibles que usan capacidades. El valor de Henrios de la inductancia de filtrado de armónicos para el condensador permanece invariable durante todo el tiempo, resultando en un filtrado más efectivo para las frecuencias de los armónicos de baja frecuencia. Todas las ventajas del esquema Nº 1 y las desventajas del esquema Nº 2, han sido analizadas en profundidad durante años en nuestros laboratorios de electrónica y electrotécnia, empleando la instrumentación más avanzada existente hasta el momento, y la ayuda de software especializado para el análisis de campos magnéticos, ciclos de histéresis, corrientes de inserción de AF, y pérdidas magnéticas en núcleos ferromagnéticos de hierro o de ferrita. 

 

MANTENIMIENTO DE BATERIAS DE CONDENSADORES

Para realizar el mantenimiento "mínimo" de baterías de condensadores se debe de disponer como mínimo de los siguientes elementos:

Pinza amperimétrica para medida de corriente alterna.

Cámara termográfica.

Sin grandes conocimientos sobre condensadores, con la ayuda de una cámara termográfica tenemos solucionado el 90% del trabajo de un vistazo termográfico, pues podemos ver si una fase de un condensador no lleva carga en comparación con las otras dos fases, o si condensadores de igual potencina presentan diferencias de temperatura. Por otra parte, en el mismo vistazo termográfico podemos ver si una fase tiene un defecto de conexión o el conductor presenta mayor temperatura lo cual quiere decir que esa fase tiene mayor consumo en comparación con las demás, o al contrario, lo cual es un síntoma de anomalías.

Solo queda comprobar las diferencias verificadas previamente con la cámara utilizando una pinza amperimétrica, o si los conductores no presentan diferencias de temperatura, medir las intensidades igualmente con la pinza para compararlas con la intensidad mostrada en la placa de característica del condensador.  Con ello completaremos el 99% de las operaciones de mantenimiento en una batería de condensadores. 

 

Las 12 buenas practicas en el mantenimiento de baterías de condensadores

Para garantizar el buen funcionamiento de las baterías de condensadores durante años se deben realizar las siguientes operaciones:

1- Inspección/verificación con cámara termográfica.

2- Ajuste de los tiempos correctos de operaciones de conexión/desconexión de los escalones de condensadores.

3- Retirada de los condensadores con consumos de corriente desequilibrados, o diferentes a los de la placa de característricas.

4- La potencia de los escalones de condensadores debe ser acorde con el consumo de la instalación para evitar maniobras innecesarias.

5- Cambiar las bases porta fusibles y los fusibles de los condensadores cuando estos se calientan en exceso, el calibre del cartucho fusible debe encontrarse entre 1,3 y 1,6 veces la In del condensador.

6- Si es posible, ajustar el regulador para que no permita THDI superior al 25%.

7- La muerte temprana de los condensadores se produce por exceso de calor, bien por mala ubicación, o por falta de ventilación en locales pequeños. El peor sitio para instalar condensadores es el centro de transformación, aunque éste sea de dimensiones apropiadas y se encuentre bien ventilado. Nunca se debe instalar condensadores en las celdas de los aparatos transformadores. Los condensadores fijos para compensar la reactiva de los transformadores cuando éstos operan en vacío, deben encontrarse instalados en la batería de condensadores.  

8- Los condensadores que se averían de forma recurrente no deben ser sustituidos por otros iguales, probablemente exista un problema de armónicos, lo mejor es instalar un condensador del 50% de la potencia original, o dos condensadores del 50% de potencia, pero con filtros de armónicos para ambos.

9- Los condensadores que se calientan en exceso tienen un problema de armónicos, los mismos pueden causar resonancia, o un incendio. La temperatura del condensador no debe superar 48º C, la temperatura elevada puede deberse a mala calidad del dielectrico, el cual tiene mayores pérdidas.

10- Conocer la frecuencia de sintonía de los filtros instalados para armónicos, en una batería de condensadores que dispone de éstos, es la clave para una larga vida de los condensadores. Las baterías con filtros de armónicos suelen tener problemas de sintonía si estan mal diseñadas, o por falta de capacidad o desequilibrio de los condensadores por envejecimiento, ello favorece el paso de los armónicos hacia el condensador. Un condensador mal sintonizado amplifica los armónicos presentes.

11- Usar la potencia de la batería de condensadores para sobre compensar el coseno de los transformadores de potencia del centro de transformación, con objeto de reducir la carga reactiva que aportan los transformadores, para extraer de éstos la máxima potencia activa posible, es la peor solución técnica. Los transformadores de potencia que operan con coseno inductivo de 0,99 a 1,0, o coseno capacitivo, acarrean alta probabilidad de amplificar en gran medida los armónicos ya presentes, y de producir distorsiones en la red que antes no existían, lo cual aumenta el consumo de energía activa en los motores y produce disparos intempestivos de los relés de protección diferencial. El coseno adecuado debe encontrarse entre 0,95 inductivo como mínimo para no tener recargos por consumo de energía reactiva, y 0,97  como máximo para no producir distorsion de la forma de onda.

12-  La potencia total de una instalación, y su factor de carga funcionando en condiciones nominales, debe demandar como máximo el 90 % de potencia de la batería de condensadores con coseno 0,97 inductivo. Esto es así porque el 10 % restante de potencia en la batería se debe emplear como refresco de los demás escalones de condensadores durante el funcionamiento normal, también para soportar futuros aumentos de pequeña potencia instalada, y para compensar las pérdidas de potencia por el envejecimiento normal de los condensadores durante su vida útil, que como ya hemos explicado, es de 25 años como mínimo operando en condiciones nominales. En el caso de que la batería compense la energía reactiva de una sola carga, por ejemplo, una sola electrobomba conectada al centro de transformación, es admisible utilizar el 95 % de potencia de la batería, el 5 % de potencia restante es para compensar el envejecimiento normal de los condensadores de la batería durante el periodo de vida útil de la misma.  

 

REPARACION DE BATERIAS DE CONDENSADORES

Los principales factores a tener en cuenta en la reparación de las baterías de condensadores son los siguientes:

El histórico de averías anteriores.

Los armónicos presentes en la instalación.

La antigüedad de la batería de condensadores.

El número total de condensadores individuales repartidos por la instalación que no son controlados por el regulador de la batería.

Las baterías de condensadores "sin filtros de armónicos" no pueden coexistir en la misma instalación eléctrica con baterias que disponen de filtros para armónicos. En el mismo sentido, un condensador individual sin filtro no puede coexistir en una instalación donde existe instalada una batería de condensadores con filtros para armónicos.

En instalaciones sin batería de condensadores, no se pueden instalar condensadores individuales, unos con filtro para armónicos, y otros sin filtro, porque su instalación es incompatible y produce resonancia en los condensadores sin filtro.

Los condensadores con filtro tienen una sola frecuencia de sintonía, por su parte los condensadores sin filtro se sintonizan a una frecuencia que depende de la inductancia de la instalación que es variable dependiendo del número de motores funcionando en cada momento, y de la capacidad del condensador. La mezcla de distintas frecuencias de sintonía produce intermodulación de cruce, generando frecuencias intermedias superiores e inferiores, que se mezclan con la frecuencia de la red, generando multitud de frecuencia intermedias a su vez. Por estos motivos instalar condensadores con filtro y condensadores sin filtro en la misma instalación, es una mala solución. Lo mismo sucede con las baterías sin filtros, si se instalan baterías con filtros, el fenómeno de los armónicos es amplificado, causado por la mayor potencia de una batería en comparación con un solo condensador.

Debido a la gran complejidad que entraña el análisis de estos fenómenos, los cuales solo pueden ser analizados mediante analizador de EMI, la mejor solución es no instalar batería con filtro donde existe baterías sin filtro. Por lo tanto, si existen armónicos de gran magnitud en una instalación se debe plantear no utilizar la batería sin filtro e instalar una nueva batería con filtros.

 

Dependiendo de todos estos factores podemos decidir si se sigue reparando una batería de condensadores antigua con o sin filtros de armónicos, o ha llegado la hora de renovar la batería antigua por una nueva debido al número creciente de anomalías y averías que ocurren de forma repetitiva, que en la mayoría de veces suelen tener un coste mayor que el de una nueva batería, debido a los recargos de energía reactiva, más el coste de los condensadores averiados que se sustituyen, y la mano de obra para localizar las averías y la sustitución de los condensadores o elementos averiados.

En caso de numerosos problemas con una batería de condensadores en una instalación donde se conoce o se sospecha la presencia de armónicos, la mejor solución es medir los armónicos, y dependiendo de si su magnitud es elevada, calcular una batería a medida para que funcione todo el tiempo en presencia de armónicos sin averiarse nunca. Si la magnitud de los armónicos es elevada, la peor solución es seleccionar en un catálogo cualquiera de baterías de condensadores con filtros, la más económica, ello conducirá a un gasto mayor cuando averigüemos al poco tiempo, que la batería elegida e instalada sigue generando averías a pesar de tener filtros. En instalaciones donde existen variadores de frecuencia y se averían los condensadores, la única solución consiste en instalar una batería de condensadores calculada y fabricada a la medida de la instalación, y no al revés, que es lo que sucede habitualmente, es decir, la instalación no debe adaptarse a las características de la batería porque ello reporta malos resultados. 

Los filtros para armónicos de las baterías de condensadores solo atenúan una parte del espectro de frecuencias, por ejemplo, los armónicos de AF (Alta Frecuencia) que generan las plantas de energía fotovoltaica no son atenuados por los filtros de las baterías de condensadores que son filtros de baja frecuencia. En este sentido las frecuencias elevadas que generan los inversores de las plantas de energía fotovoltaica se acoplan a los condensadores de forma inductiva desde los filtros al condensador a través del aire, comportándose el filtro como una antena emisora, a este fenómeno se le denomina "intermodulación". Del mismo modo, los armónicos e inter armónicos de AF que generan los variadores de frecuencia, radian en las inmediaciones suficiente energía de RF (Radio Frecuencia) que puede acoplarse de forma inductiva en los filtros de las baterías como si éstos fuesen una antena receptora de radio, alcanzando a los condensadores y destruyéndolos en muy poco tiempo. Esto sucede porque los armónicos de AF merman la capacidad de los condensadores, lo que provoca que la F(0) (frecuencia central de sintonía del filtro) formada por la capacidad del condensador y la inductancia del filtro, eleven su frecuencia real de funcionamiento, situándose en el espectro de frecuencias de los armónicos, que es lo que sucede frecuentemente. Para que estos fenómenos no sucedan en las baterías de condensadores es esencial la selección de materiales específicos para la construcción de las baterías, es decir, filtros adecuados y condensadores adecuados.