Compensación de Potencia Reactiva en Baja Tensión

Las máquinas y circuitos eléctricos necesitan para su funcionamiento de flujo de corriente eléctrica y de Tensión eléctrica en bornes, ambas variables provienen de un generado eléctrico alterno, que produce una onda sinusoidal, esta misma aplicada a una resistencia eléctrica $R$ no genera ningún efecto sobre la fuente de generación, por ello se le denomina "lineal", sin embargo cuando el generador con la onda sinusoidal es aplicada a circuitos donde tenemos Capacitores $Condensadores=C$ y Bobinas $inductancias=L$, ocurre un fenómeno que se denomina desplazamiento de fase.

Las Potencias eléctricas Activa (P), Reactiva (Q) y Aparente (S).
Los diferentes dispositivos eléctricos existentes convierten la energía eléctrica distintas formas de energía, así tenemos: mecánica, lumínica, térmica, química, etc. Esta potencia se denomina Activa porque produce trabajo.

Aquí Z es la impedancia $medida en Ohmios$ y "P" es la potencia activa. Cuando existen campos magnéticos $L$ y campos eléctricos $C$, ocurre un desplazamiento de fase entre la corriente senoidal y la tensión senoidal. Una bobina, necesita de Tensión en bornes para magnetizarse y esta energía se denomina Reactiva Inductiva (QL), aquí  la tensión eléctrica $Voltios$ adelanta a la corriente eléctrica $Amperios$ en 90º.

Si se aplica a un condensador $C$, la figura se invierte, aquí la corriente eléctrica se adelanta en 90º  a la tensión eléctrica.  Ver el gráfico arriba. 

Ambas componentes Potencia Activa y Potencia Reactiva, forman la Potencia Aparente, veamos el triángulo de potencias abajo:

Del triángulo de potencias obtenemos:   $S^2 = P^2 + Q^2$

y el Factor de Potencia $PF$ es:  $Cos \phi$  es igual a la división entre la potencia activa (P) y la potencia aparente(S),  P/S.

Compensando la potencia reactiva.

Como vimos en un post anterior (http://electrotecnicaciencia.blogspot.pe/2015/10/la-energia-reactiva.html) el consumo de energía reactiva, genera la necesidad de contar con cables conductores de mayor calibre y que puedan conducir mayor intensidad de corriente, esto por el exceso de consumo que generan las cargas reactivas de un tipo, por ejemplo el inductivo, pero si nos fijamos en el gráfico del triángulo de potencias, la potencia reactiva (QL) tiene un ángulo de fase positivo $+ \theta$, mientras que la potencia reactiva capacitiva (QC) tiene un ángulo de fase  negativo $- \theta$ , entonces podemos tener  +QL-QC. dependiendo finalmente del arreglo en serie o en paralelo o en ambos combinados.

Métodos de Compensación Reactiva.

Existen varios métodos como son:

a.- Compensación Sincrónica, que se realiza utilizando máquinas sincrónicas en vacío, como generador de potencia reactiva $capacitores sincrónicos$, estos pueden funcionar entregando potencia reactiva capacitiva $en estado de sobre-exitación$ y potencia reactiva inductiva $en estado de sub-exitación$, siendo los mayores problemas la temperatura de operación y la estabilidad de operación.

b.- Compensación estática Fija,  que es la utilización de un conjunto $banco$ de capacitores $Condensadores de potencia$ para compensar la carga reactiva inductiva de una red eléctrica, esta puede ser: Centralizada como vemos en la figura inferior:

o también puede ser una Compensación reactiva Parcial, que es la ubicación circuital del banco de condensadores en una o más cargas reactivas, como en el gráfico inferior:

c.- Compensación reactiva estática con control conmutado.  es la adición al banco de capacitores de un sistema de control $Contactores + Analizador controlador$, también se le denomina Banco de Capacitores a pasos, ver abajo una gráfica:

Cálculo de la compensación reactiva.
Veamos que ocurre cuando juntamos en el mismo cuadrante los valores de potencia reactivos Qc y QL.
 En el gráfico subsiguiente tenemos: (tomado de Legrand: Optimizar la Calidad de Energia -2013)

$QC = P (tg \theta 1 - tg\theta 2)$  es la manera de calcular la compensanción que necesitamos y ya existen tablas para realizar este cálculo, como vemos a continuación:

El factor "K" es la diferencia de las tangentes de los ángulos.

Por ejemplo, tenemos una instalación industrial que tiene un factor de potencia de 0,6 y con una potencia instalada $transformador$ en baja tensión de 630 KVA. Calculemos cuanto de potencia reactiva de un banco de capacitores necesitamos para alcanzar un factor de potencia de 0,95, para una carga activa de 500kW instalados.

Si vemos el cuadro, para un $cops \phi$ inicial de 0,6 y buscamos el valor deseado final de 0,95 lo que nos da en la intersección el valor :  1,005 entonces multiplicamos:  500kW x 1,005 = 502,5kVAR, un valor tan alto como la potencia activa consumida.

Un diseño de un sistemas de banco de condensadores en una instalación eléctrica analiza muchos otros factores, como los efectos de los armónicos sobre el banco de condensadores, las sobrecorrientes y sobretensiones cuando ingresa el banco a operar, efectos capacitivos en los conductores; etc. que corresponden a un análisis de potencia y de calidad de energía, previos a la selección y posterior instalación del banco de capacitores para compensar la energía reactiva de la instalación eléctrica.