¿Cómo corregir el factor de potencia en presencia de armónicas?

Por Ernesto Viveros Domínguez

El factor de potencia se define como el cociente de la relación de la potencia eléctrica activa entre la potencia aparente; es decir, la relación entre la potencia consumida (kW) y la potencia total requerida (kVA). Es un indicador sobre el correcto aprovechamiento de la energía, que se traduce en la cantidad de energía que se ha convertido en trabajo. El factor de potencia puede ocupar valores entre 0 y 1 y, en este sentido, su valor ideal será 1, al indicar que toda la energía consumida por un dispositivo ha sido transformada en trabajo. Un factor de potencia menor marca que se está requiriendo un mayor consumo de energía para producir un trabajo útil. En sistemas trifásicos, las máquinas consumen energía reactiva, debido a los circuitos magnéticos, la cual se mide en kVAr, mientras que la energía activa, con una medición en kW, proviene de la potencia mecánica y de utilización para producir un trabajo.

Las corrientes armónicas están presentes en prácticamente toda la red eléctrica, en su mayoría en las redes de usuarios industriales, comerciales y de servicios. Como es sabido, las corrientes armónicas son señales de ondas senoidales de voltaje y corriente con fase y amplitud a una frecuencia, múltiplo de la frecuencia fundamental (60 Hz), producidas por cargas no lineales (convertidores electrónicos) cuando consumen potencia, como los focos fluorescentes, motores de inducción, variadores de velocidad electrónicos y los equipos de cómputo, por sólo mencionar algunos. En 1822, el matemático francés Jean-Baptiste Joseph Fourier desarrolló una serie infinita de funciones senoidales, en las que establece que cualquier función periódica puede ser descompuesta en una suma infinita de funciones básicas senoidales. Donde las frecuencias de dichas funciones es un múltiplo entero de la frecuencia de la función periódica fundamental.

Entonces, ¿qué problemas se originan cuando el factor de potencia es bajo? El principal reflejo es el incremento de la facturación eléctrica por pérdidas en watts al tener mayor consumo de corriente, aumentando el costo de facturación hasta en 120 %. Los capacitores o condensadores son una opción viable para compensar el factor de potencia resultante en un sistema eléctrico, ya que están preparados de entregar energía reactiva en lugar de consumirla. ¿El resultado? Además de lograr un mejor aprovechamiento de la energía, evitan que un factor de potencia incremente el consumo de corriente y, a su vez, el monto de la factura por el servicio debido a la pérdida de watts que se produce. Sin embargo, los capacitores y armónicas no se pueden mezclar, por ello hay dos factores que deben considerarse para su instalación si se busca corregir el factor de potencia.

Por naturaleza, los capacitores son un camino de baja impedancia para las corrientes armónicas, esto es, que absorben la energía de las altas frecuencias; no obstante, el aumento que se presenta en las corrientes incrementa la temperatura del capacitor, provocando que su vida útil se reduzca. El otro factor que debe tomarse en cuenta es que estos equipos no deben combinarse por el efecto de resonancia. Cuando los capacitores se conectan al sistema eléctrico, forman un circuito de resonancia en paralelo junto con las inductancias del sistema (un transformador). Si llegara a presentarse una corriente armónica cercana al punto de resonancia desarrollado, entonces el efecto se magnifica, causando problemas, como un exceso en la distorsión de voltaje, disparos por sobrevoltajes en los drives, niveles de aislamiento estresados de transformadores y conductores. Si alguno de estos fenómenos se presenta, lo primero que debe hacerse es identificar la distorsión total de corriente presente en el sistema. Para ello es necesario realizar una medición con un analizador de armónicas. Si los resultados arrojan que la distorsión total de corriente es mayor a 15 %, se recomienda instalar un filtro pasivo de armónicas, el cual proporcionará los reactivos indispensables para mejorar el factor de potencia sin que se origine el efecto amplificado de la corriente por resonancia, mientras que el efecto de sobrevoltaje se reduciría y, con ello, los problemas potenciales en los equipos electrónicos.

Hay dos tipos de filtros pasivos como alternativa para la corrección del factor de potencia en presencia de armónicas, los que, como ya se mencionó, poseen la capacidad de evitar la resonancia armónica y, a la vez, corregir el factor de potencia. En primer lugar, los filtros sintonizados (absorción) r = 4.5 % están compuestos por una inductancia en serie con un capacitor que puede estar conectado en delta o en estrella y sintonizados a la frecuencia armónica existente en el sistema eléctrico. Por ejemplo: con un filtro de absorción de 5ª (hr = 4.8 fr = 288 Hz) se puede llegar a absorber entre el 70 y 90 % de la corriente total armónica en el punto de conexión del equipo. Por su parte, los filtros desintonizados (rechazo) r = 7 %, al igual que los filtros de absorción, están compuestos por una inductancia en serie con un capacitor que puede estar conectado en delta o en estrella y sintonizados a una frecuencia armónica alejada de las existentes en el sistema eléctrico. Como ejemplo de ello, los filtros de rechazo de 5ª (h = 3.8 fr = 228 Hz) pueden llegar a absorber entre 30 y 40 por ciento de la corriente total armónica en el punto de conexión del equipo.

En las plantas industriales, se busca operar a factores de potencia superiores a 0.90 para evitar la penalización por este concepto e, incluso, es conveniente alcanzar valores cercanos a la unidad, que pueden ubicarse en un factor de potencia arriba de 0.95, para lo cual se instalan capacitores que pueden provocar resonancias paralelas en el rango de la 3ª y 21ª armónica. Para lograr esto, hay que determinar o medir el THDi (distorsión armónica total de corriente, que corresponde a la cantidad de corriente armónico contenido en la forma de onda resultante respecto a la fundamental) y el THDv (distorsión armónica total de voltaje) en el punto de conexión de los capacitores, así como la frecuencia de resonancia que se formará con los kVar de los bancos de capacitores, los cuales se conectarán a la red. Si el THDi es menor a 10 % y THDv menor a 2 %, es posible la instalación de bancos de capacitores estándar, no más del 5 % fijo y el resto es automático; sin embargo, si el THDi es mayor a 10 % o el THDv es mayor de 2 %, lo más recomendable es instalar filtros de armónicas de rechazo. Si el THDi es mayor a 40 %, la opción es emplear filtros de armónicas de absorción y filtros activos para la cancelación.

La versión completa de este artículo técnico la encuentras en la revista Constructor Eléctrico de agosto 2016

Ernesto Viveros Domínguez
Ingeniero Industrial en Eléctrica por el ITV en 1992. Obtuvo las certificaciones en Calidad de la Energía (CPQ) en 2009 y la certificación como Administrador de Energía en 2011, ambas por la AEE y el ITESM. Fundó la empresa Fervisa Ingeniería S.A. de C.V. en 1999, donde es el Gerente General de Ingeniería y actualmente dirige la unidad de ensamble de Bancos de Capacitores y Filtros de Armónicas de la marca Varmex, en Monterrey. Fue Presidente del CIME Nuevo León de 2013-2014.