Compensación del factor de potencia

28La eficiencia energética y la seguridad de suministro del sistema eléctrico, son temas de primordial interés por parte de los técnicos y del público en general.

La consecución de dichos objetivos requiere la optimización del sistema de distribución y transporte de energía en dos aspectos: mejora del factor de potencia (FP) y equilibrado de consumos. Los equipos clásicos de compensación del FP no están pensados para sistemas muy desequilibrados, y por tanto no consiguen un aprovechamiento óptimo del sistema de distribución, ya que permiten más pérdidas que las estrictamente necesarias y no las reparten adecuadamente entre las fases.

Por ello, la compensación de FP en redes con consumos desequilibrados requiere sistemas de control (reguladores) inteligentes, con prestaciones especiales y capaces de gestionar adecuadamente la combinación de un factor de potencia bajo y un desequilibrio importante.

Este artículo muestra las bases teóricas de la compensación de factor de potencia en sistemas desequilibrados, y propone soluciones que permiten mejorar la eficiencia energética de la red de distribución.

• 1. Introducción: En las instalaciones eléctricas, es cada vez más frecuente encontrar consumos fuertemente desequilibrados. Contribuyen a dicho desequilibrio dos tipos de cargas:
• Por un lado, las cargas entre fase y neutro, y por otro lado cargas monofásicas entre fase y fase.

Estas últimas están proliferando con potencias considerables en plantas industriales con algunos tipos de hornos, sistemas de calentamiento por inducción y/o equipos de soldadura. Los efectos más importantes de dichos desequilibrios son de dos tipos: a) Corrientes de neutro elevadas (corriente homopolar). b) Corrientes en las fases desiguales, con desfases desiguales (componente inversa).

El aumento de la corriente de neutro por desequilibrio es un tema muy conocido, pero los efectos del desequilibrio de las corrientes de fase han sido menos estudiados. Dicho desequilibrio disminuye significativamente la eficiencia de los sistemas de distribución y transporte. A título de ejemplo, consideremos un transformador de 1.000 kVA.

El diseño se ha hecho considerando que esta potencia está repartida entre las tres fases. Si pretendiéramos alimentar con él un sistema cuyas cargas estuvieran todas ellas entre una fase y neutro, o cargas entre dos fases, evidentemente no podríamos obtener 1.000 kW, aunque el factor de potencia de las cargas fuese la unidad (incluyendo cos + reducción por armónicos).

Así pues, la potencia que podemos obtener de un transformador depende, de alguna forma, del grado de desequilibrio de las cargas. Obsérvese que el problema tiene un cierto paralelismo con el del factor de potencia. En efecto, si conectamos a un transformador, como el del ejemplo anterior, de 1.000 kVA, cargas con un factor de potencia inferior a la unidad, tampoco podemos obtener los 1.000 kW.

El ejemplo anterior sirve para poner de relieve que el desequilibrio de las corrientes de carga, al igual que un factor de potencia inferior a la unidad, comportan un uso ineficiente del sistema de distribución y transporte.

En los siguientes párrafos se explican algunos principios teóricos para la caracterización de los sistemas desequilibrados, se definen los coeficientes de desequilibrio y de corriente homopolar, y se proponen soluciones para mejorar la eficiencia del sistema de distribución de energía eléctrica.

2. Desequilibrio del sistema trifásico: principios teóricos Un sistema trifásico de tensiones o corrientes perfectamente equilibrado puede representarse por tres fasores desfasados entre sí 120°, tal como lo representa la fig. 1 a, pero en caso de sistemas desequilibrados, como el que muestra la fig. 1 b, se tienen fasores, o bien con módulos distintos o con desfases distintos de 120°, o ambas cosas a la vez.

Técnicas avanzadas de compensación del factor de potencia.

Para el análisis de sistemas desequilibrados, Fortescue y Stokvis, idearon un método conocido como método de las componentes simétricas. Dicho método dice esencialmente que cualquier sistema trifásico desequilibrado puede descomponerse en suma de tres sistemas: Uno de secuencia directa, otro de secuencia inversa y otro de secuencia cero, llamado también homopolar

Entendemos por sistema de secuencia directa un sistema simétrico de vectores iguales entre sí, desfasados 120°, en el que la sucesión de fases es a, b, c; por secuencia inversa aquel sistema de vectores iguales entre sí, con desfase de 120° y secuencia a, c, b y por secuencia cero aquel sistema formado por tres vectores iguales entre sí y en fase.

La fig. 2 muestra un ejemplo con un sistema directo, uno inverso y uno homopolar, y la suma vectorial de los tres, de la cual resulta un sistema desequilibrado. método de descomposición descrito es válido para sistemas trifásicos cualesquiera, de tres hilos o de cuatro hilos; es decir, con o sin neutro y sirve tanto para el estudio de tensiones como para corrientes. Para indicar el grado de desequilibrio de un sistema se usan dos coeficientes: COS

En los sistemas sin neutro la componente homopolar es siempre nula, y por tanto la simetría de la red de distribución se mide sólo por el coeficiente de desequilibrio. La norma EN-50.160 fija para el caso de las tres tensiones de red, un límite de desequilibrio, de forma que el coeficiente de desequilibrio medido en promedios de 10 segundos, debe ser menor del 2% durante el 95% del tiempo. Los desequilibrios de las corrientes de carga tienen dos efectos:

a) Reducen la capacidad de carga y la eficiencia de transformadores y líneas de distribución.

b) Generan desequilibrios de las tensiones en el punto de acoplo de los abonados. Por tanto, debido a este efecto los desequilibrios de una instalación propagan sus efectos a otras instalaciones vecinas.

Respecto al primer punto, que es el que más nos interesa en este artículo, cabe decir que en muchas instalaciones actuales se acentúa el nivel de desequilibrio, esto debido a la presencia de determinadas cargas que toman energía entre fase y neutro (caso común en edificios comerciales o de oficinas), o algunas de tipo monofásico que están conectadas entre dos fases (el caso más típico son las máquinas de soldadura).

La consecuencia de esto es que líneas y transformadores de distribución, aparentemente bien dimensionados, son incapaces de suministrar la potencia instalada sin causar problemas de sobrecalentamiento, bajo rendimiento, saturación de transformadores, etc.

En resumen, el desequilibrio de las corrientes de carga ha de ser considerado como una causa más de ineficiencia del sistema de distribución energética. En caso de desequilibrios importantes se requieren instalaciones (transformadores y cables) más sobredimensionadas, y se generan mayores pérdidas que en una instalación de igual potencia con consumos equilibrados.

3. ¿Cómo afecta el desequilibrio a los sistemas de compensación del FP?

La “compensación de factor de potencia”, juega un papel primordial en optimización de los sistemas de distribución y la minimización de pérdidas en las instalaciones eléctricas. Cuando hablamos de compensación de factor de potencia, en este contexto debemos entenderla en su forma más general que engloba la compensación de desfase tensión corriente (cos ), el filtrado de armónicos y la corrección de desequilibrios. Hasta el presente la mejora de factor de potencia se ha venido realizando mediante dos tipos de equipos: • Equipos de condensadores y/o filtros pasivos de armónicos (fig. 3)

• Filtros activos, basados en la inyección de corrientes para compensar el cos  y los armónicos Los equipos del primer grupo tienen habitualmente una estructura trifásica y equilibrada, mientras que en el caso de filtros activos existen dos categorías: • Filtros activos de 3 hilos. Pueden compensar el cos , los armónicos de sistemas trifásicos equilibrados.

• Filtros activos de 4 hilos, que pueden compensar el cos  , los armónicos e incluso el desequilibrio de sistemas trifásicos desequilibrados.

Lógicamente estos últimos son el tipo de compensador más completo, puesto que son capaces de compensar todos y cada uno de los términos que empeoran el factor de potencia.

El inconveniente es que en muchos casos su costo resulta prohibitivo y difícilmente justificable frente a otras soluciones, que sin llegar a una compensación perfecta, ofrecen soluciones muy válidas a un costo sensiblemente inferior. Concretamente nos referimos a soluciones de compensación de cos  con condensadores o sistemas de filtrado pasivo, basados en conjuntos sintonizados L–C (inductancia – condensador), que son capaces de llevar el factor de potencia (incluyendo un filtrado de armónicos) a valores superiores al 95%.

Sin embargo, las baterías de condensadores y los filtros pasivos estándar ofrecidos actualmente en el mercado son siempre equipos trifásicos equilibrados, lo cual hace que sean muy ineficientes para redes con un alto grado de desequilibrio. En los párrafos siguientes se indican las nuevas tendencias en equipos de compensación basados en condensadores o grupos.