A simple vista, un capacitor parece ser un dispositivo bastante aburrido y poco sofisticado, es decir, dos placas de metal separadas por un material aislante dieléctrico. No podría ser más simple que eso. El capacitor no tiene partes móviles, sino que funciona al ser actuado por tensión eléctrica. Pero, en realidad, sin embargo, un capacitor de potencia está haciendo un trabajo serio.

Banco de capacitores en subestación de potencia

El capacitor es un dispositivo altamente técnico y complejo en el que están involucrados materiales dieléctricos muy delgados y altas tensiones eléctricas, junto con técnicas de procesamiento altamente sofisticadas.

La función fundamental de los capacitores, ya sean en serie o en derivación, instalados como una sola unidad o como un banco, es regular la tensión y los flujos de potencia reactiva en el punto donde se instalan. El capacitor de derivación lo hace cambiando el factor de potencia de la carga, mientras que el condensador en serie lo hace compensando directamente la reactancia inductiva del circuito al que se aplica.

Los capacitores serie, es decir, los  capacitores  conectados en serie con líneas, se han utilizado de forma muy limitada en circuitos de distribución debido a que son un tipo de aparato más especializado con un rango de aplicación limitado. Además, debido a los problemas especiales asociados con cada aplicación, existe la necesidad de una gran cantidad de investigación de ingeniería compleja.

Por lo tanto, en general, las empresas de servicios públicos se muestran reacias a instalar capacitores serie, especialmente de tamaño pequeño.

A veces, un capacitor serie puede incluso considerarse como un regulador de voltaje que proporciona un aumento de voltaje que es proporcional a la magnitud y el factor de potencia de la corriente de paso. 

Por lo tanto, un capacitor serie proporciona un aumento de voltaje que aumenta automática e instantáneamente a medida que aumenta la carga. Además, un capacitor serie produce más aumento de voltaje neto que un capacitor en derivación a factores de potencia más bajos, lo que crea más caída de voltaje. Sin embargo, un capacitor serie mejora el factor de potencia del sistema mucho menos que un capacitor en derivación y tiene poco efecto sobre la corriente de la fuente.

- Diagramas de fasores de tensión para un circuito alimentador de factor de potencia rezagado: (a) y (c) sin y (b) y (d) con capacitor serie

Diagramas de fasores de voltaje

Considere el circuito alimentador y su diagrama fasorial de voltaje como se muestra en las Figura anterior a y c. La caída de voltaje a través del alimentador se puede expresar aproximadamente como:

VD = IR cosθ + IX_L sinθ 

Donde:

- R es la resistencia del circuito alimentador

- XL es la reactancia inductiva del circuito de alimentación

- cosθ es el factor de potencia del extremo receptor

- sinθ es el seno del ángulo del factor de potencia del extremo receptor

Sin embargo, cuando se aplica un capacitor serie, como se muestra en las Figuras anteriores b y d, la caída de voltaje más baja resultante se puede calcular como:

VD = IR cosθ + I (X_L − X_C) sinθ 

donde Xc es la reactancia capacitiva del capacitor serie.

Por lo general, el tamaño del capacitor serie se selecciona para una aplicación de alimentador de distribución de tal manera que la reactancia capacitiva resultante sea menor que la reactancia inductiva del circuito alimentador. Sin embargo, en ciertas aplicaciones (donde la resistencia del circuito alimentador es mayor que su reactancia inductiva), se puede preferir lo contrario para que la caída de voltaje resultante sea:

VD = IR cosθ − I (X_C – X_L) sinθ 

La condición resultante se conoce como sobrecompensación.

Esto es especialmente dañino para las luces (acorta su vida útil) y provoca parpadeos de luz, lo que genera quejas de los consumidores.

- Sobrecompensación de la tensión del extremo receptor: (a) a carga normal y (b) al arranque de un motor grande.

Diagrama de sobrecompensación

Los capacitores en derivación (shunt), es decir, los capacitores conectados en paralelo con las líneas, se utilizan ampliamente en los sistemas de distribución. Los capacitores en derivación suministran el tipo de potencia reactiva o corriente para contrarrestar el componente fuera de fase de la corriente requerida por una carga inductiva.

En cierto sentido, los capacitores en derivación modifican la característica de una carga inductiva al generar una corriente principal que contrarresta parte o la totalidad del componente retrasado de la corriente de carga inductiva en el punto de instalación.

Sin embargo, los capacitores en derivación no afectan la corriente o el factor de potencia más allá de su punto de aplicación. Las Figuras a y c muestran el diagrama unifilar de una línea y su diagrama fasorial de voltaje antes de la adición del capacitor en derivación, y las Figuras b y d los muestran después de la adición.

- Diagramas de fasores de tensión para un circuito alimentador de factor de potencia rezagado: (a) y (c) sin y (b) y (d) con capacitores en derivación

Diagrama fasorial

La caída de voltaje en alimentadores, o en líneas de transmisión cortas, con factor de potencia rezagado se puede aproximar como:

VD = I_RR + I_XX_L

Donde:

- R es la resistencia total del circuito de alimentación, Ω

- XL es la reactancia inductiva total del circuito de alimentación, Ω

- IR es el componente de potencia real (en fase) de la corriente, A

- IX es el componente reactivo (fuera de fase) de la corriente que se retrasa 90 ° con respecto al voltaje, A Regrese a la tabla de contenido 

Considere el triángulo de ángulo recto que se muestra en la Figura siguiente (b). Determine el factor de potencia de la carga en un sistema trifásico de 460 V, si el amperímetro lee 100 A y el vatímetro lee 70 kW. 

- (a) Diagrama fasorial y (b) triángulo de potencia para una carga de distribución típica

Diagrama fasorial

• SOLUCION:
• 
  
• - S = √3 (V)(I) / 1000
• - S = √3 (460 V)(100 A) / 1000
• - S ≅ 79.67 KVA
• 
  
• Por lo tanto,
• 
  
• - PF = cosθ = P / S
• - PF = 70 KW / 79.67 KVA
• - PF ≅ 0.88 or 88%
• 
  
• Cuando se instala un capacitor en el extremo receptor de la línea, como se muestra en la Figura b, la caída de voltaje resultante se puede calcular aproximadamente como:
  
• 
  

• VD = I_RR + I_XX_L − I_CX_L

  donde IC es el componente reactivo (fuera de fase) de la corriente que conduce el voltaje en 90 °, A.
  

• Un sistema de servicios públicos típico tendría una carga reactiva al 80% de factor de potencia durante los meses de verano. Por lo tanto, en cargas de distribución típicas, la corriente se retrasa respecto al voltaje. El coseno del ángulo entre la corriente y el voltaje de envío se conoce como factor de potencia del circuito.
  
• 
  
• Si los componentes en fase y fuera de fase de la corriente I se multiplican por el voltaje del extremo receptor VR, la relación resultante se puede mostrar en un triángulo conocido como triángulo de potencia. 
  
  
• Tenga en cuenta que, al agregar los capacitores, el componente de potencia reactiva Q de la potencia aparente S de la carga se puede reducir o suprimir totalmente. 
  

Ejemplo de triángulo de potencias y factor de potencia