ESPERANZA DE VIDA DE LAS BATERÍAS DE CONDENSADORES PARA COMPENSACIÓN DE ENERGÍA REACTIVA

     

Las baterías de condensadores son necesarias en todas las industrias que emplean electricidad para su proceso productivo, la duración de los condensadores es de aproximadamente 25 años o más, cuando funcionan en condiciones nominales, es decir, alimentados con la tensión y frecuencia nominal para la que fueron diseñados, y funcionando a una temperatura inferior a cuarenta grados centígrados.

      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 casi nunca sucede, pues en la mayoría de instalaciones la red de suministro eléctrico contiene alguna proporción de armónicos provenientes del exterior, y otras irregularidades que acurren 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, o sobretensiones de origen atmosférico.

      Estos problemas repercuten en la calidad del suministro eléctrico, y a su vez en la vida de los condensadores. Todas las anomalías del suministro eléctrico generan alteraciones en la estructura fisica de los condensadores que son acumuladas en el tiempo derivando en mayor envejecimiento y finalmente la falla prematura del condensador. A continuación se explican detalladamente las repercusiones que tienen sobre los condensadores cada anomalía del suministro eléctrico.

      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 la capacidad de los condensadores de compensación y por la 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 averiándolos en poco tiempo. 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 el analizador de semiconductores de potencia e impedancia 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. 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.     

 

RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS QUE NOS HEMOS HECHO SIEPRE SOBRE 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 que aparezca del fenómeno de resonancia aumente la intensidad en los condensadores en varias veces su corriente nominal, hasta producir el disparo de las protecciones contra sobre corriente, aunque las mismas 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 por causa de un aumento de las DP (Descargas Parciales) y generan mayor consumo de corriente en los condensadores y 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 también 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 también durante la conexión y desconexión de los escalones de condensadores de elevada potencia, especialmente 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.

      Estas sobretensiones de maniobra alcanzan un voltaje de 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, Estos sobre esfuerzos producidos por las maniobras que realiza el condensador en cada conexión o desconexión también repercuten en la vida del mismo, cuantas más maniobras realiza el condensador, mayor desgaste y menor esperanza de vida del mismo, al mismo tiempo las maniobras de los condensadores producen sobretensiones en la red que afecta al aislamiento de los receptores eléctricos de la instalación, mermando sus propiedades dieléctricas

 

 

B- MICRO CORTES

      Las ausencias de suministro eléctrico de corta o muy corta duración 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 y suelen producir perforaciones de los aislamientos en 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, 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 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 de estos fenómenos. Para realizar la captura y análisis de un transitorio de sobretensión de muy corta duración que son los más 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 como máximo, por el contrario, si el sensor dispone de un tiempo de subida más lento, 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, 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 V, o -566 V, la energía acumulada en los condensadores se expresa en Q (Culombios), para los sistemas inductivos 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, 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, pero 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, 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 la elevada velocidad de ascenso 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 éstos analizadores son "ciegos" para comprobar los transitorios más perjudiciales que duran por ejemplo 0,1 μs, o menos.

 

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) 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, 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. Por el contrario, 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 encontrar 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.

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 demográfica. 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.

 

      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 y presentan otros problemas derivados de su funcionamiento. El único sistema eficaz son los filtros activos, pero 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 y el resto con filtros pasivos, los filtros activos también compensan energía reactiva durante su funcionamiento.

      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. 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.    

 

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 18-20 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.  

 

D- 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 y otra de capacidad. Lo mismo sucede con los condensadores, éstos también contienen una parte pequeña de resistencia y 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 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. 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 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 al 100% la corriente se puede adelantar hasta 90º dependiendo de su capacidad, en 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", es decir, cuando un circuito eléctrico es resonante solo queda la resistencia óhmica de los conductores, para limitar la corriente que circula por el circuito, pudiéndose alcanzar intensidades muy elevadas 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. A frecuencias altas los componentes Xc (reactivos capacitivos) como condensadores, obtienen su menor valor de impedancia cuanto más elevada es la frecuencia. 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 muy 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 definitivo 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 18 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 muy 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 20 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 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 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 son las siguientes:

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

 

La explicación de estas conclusiones es las siguiente:

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 midiendo hasta ahora en ningún condensador de ningún fabricante, una TgD menor a 0,5-0,7, y 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 o menos. 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 por los VF (Variadores de Frecuencia) 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 y 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 insostenible para el condensador de forma permanente. Lo que ocurre 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 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 miden armónicos, llegando a la conclusión errónea de que los condensadores consumen algo más de lo habitual en todos los casos, Aquí 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 del condensador (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.

Fallos 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 precio, el objetivo es adquirir una batería de determinada potencia comparando los precios de diferentes fabricantes, esto es un error, pues existen criterios relevantes de mayor peso como la TgD 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 que nosotros hemos verificado, las cuales ya presentaban averías, se encontraban todos los condensadores fuera de sintonía, lo cual en determinados momentos se  producen resonancias imprevistas con los armónicos en los escalones de condensadores según la carga 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 que contribuyen a una disminución en la capacidad de los condensadores por envejecimiento, esto significa que, "los condensadores se salen de sintonía". Todos las anomalías de los condensadores resultan en disminución de su capacidad, que produce resonancia a una frecuencia mayor cuando existen inductancias para filtros. Segun la ecuación de cáculo de la Fr (Frecuancia de resonancia), en in 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 ecuaciín "C" disminuye, entonces "Fr" aumenta, y sintonizara con las frecuencias armónicas de mayor rango que la de red, provocando resonancias, mayor consumo, y más 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.

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 cuestiones y puede asesorar o evaluar, empleando la instrumentación más avanzada, para dar siempre una buena solución.