Sobrecalentamiento del banco de condensadores tras añadir VFD

El sobrecalentamiento del banco de condensadores después de agregar VFD es un síntoma de calidad de energía, no un defecto del condensador. Los rectificadores VFD inyectan corriente armónica, el banco ofrece una ruta de baja impedancia en esas frecuencias yresonancia paralelaLa corriente entre el banco y la fuente de alimentación puede amplificar esa corriente hasta que los fusibles se funden, los contactores vibran y los condensadores se hinchan. Un banco de condensadores suministrapotencia reactivapara corregir el factor de potencia; no elimina los armónicos, por lo que una potencia nominal en kvar adecuada para cargas lineales puede volverse poco fiable una vez que cambia la combinación de cargas.

Cómo se ve el síntoma en el sitio

El gabinete de compensación funcionó durante años sin problemas. Luego se puso en marcha una nueva línea de transmisión o un lote de bombas y ventiladores accionados por VFD, y en cuestión de semanas los operadores informaron que los fusibles se fundían sin una falla clara, los contactores zumbaban o se soldaban, y las carcasas de los condensadores se hinchaban. El equipo no cambió;

El entorno eléctrico sí lo hizo.

Causa: Corriente armónica procedente de rectificadores VFD

Un variador de frecuencia convierte la corriente alterna (CA) de entrada en corriente continua (CC) y luego genera una salida de CA controlada. En una topología moderna de tres niveles, la etapa de salida conmuta los transistores IGBT a una frecuencia de conmutación en el rango de los kilohercios bajos, lo que produce fluctuaciones de voltaje rápidas (alta dv/dt) que deben ser gestionadas por el aislamiento del motor y los filtros de salida. El rectificador de entrada es diferente: solo consume corriente cuando el enlace de CC necesita cargarse, por lo que la corriente de línea es una serie de pulsos, no una onda sinusoidal pura.

Para un rectificador de seis pulsos, los armónicos característicos son los de orden 6k ± 1, por lo que predominan el 5.º, el 7.º, el 11.º y el 13.º. A 50 Hz, el 5.º armónico se sitúa en 250 Hz y el 7.º en 300 Hz. Una pequeña señal de excitación puede ser inofensiva, pero una docena de señales de excitación en el mismo bus de baja tensión pueden elevar la distorsión por encima del 5 % previsto en el punto de acoplamiento común.

¿Por qué los condensadores atraen la corriente armónica?

La impedancia de un condensador disminuye a medida que aumenta la frecuencia: en el quinto armónico es aproximadamente una quinta parte de su valor a 50 Hz, y en el séptimo, alrededor de una séptima parte, por lo que la corriente armónica prefiere el circuito del condensador al resto de la red. La corriente RMS del condensador del banco es la suma vectorial de la corriente fundamental y cada armónico, y las pérdidas aumentan con el cuadrado de dicha corriente. Por eso, un banco con una potencia nominal correcta en kvar aún puede sobrecalentarse.

Consecuencia: La resonancia paralela lo amplifica todo.

Cada banco de condensadores forma un circuito resonante paralelo con el transformador y la inductancia de la fuente de alimentación; el orden resonante se puede apantallar mediante la relación entre la potencia de cortocircuito y la capacitancia (hr ≈ √(Ssc / Qc)). Si dicho orden se aproxima al quinto o séptimo armónico inyectado, la impedancia a esa frecuencia se vuelve muy alta y el banco conduce una gran corriente armónica en lugar de la corriente de alimentación.

El resultado son fallos repetidos en los fusibles, contactores soldados, condensadores hinchados y disparos intempestivos del disyuntor. La sustitución de las unidades restablece el funcionamiento brevemente, pero luego vuelve a fallar porque las piezas de repuesto no solucionaron la causa raíz.

Medición: Qué registrar antes de reemplazar cualquier cosa

La selección comienza con los datos. Un analizador de calidad de energía debe registrar el espectro armónico durante un ciclo de producción completo, y el punto de medición importa: la distorsión debe evaluarse en elPCC(punto de acoplamiento común) y en el banco de condensadores, con transformadores de corriente (TC) colocados de manera que las corrientes de carga y del banco sean visibles. Registre la distorsión de voltaje y corriente (THDu yTHDi), las corrientes del 5.º y 7.º armónico, la corriente RMS del condensador, el kvar del banco, la desintonización del reactor, la potencia nominal del transformador y la temperatura del armario en condiciones de carga completa a 45 °C. VerCómo leer un informe de calidad de energía.

Opciones de solución: desde bancos de frecuencias desintonizados hasta filtros híbridos

Las opciones van desde un banco de reactores desafinados hasta un filtro armónico activo (AHF), un generador de variables estáticas (SVG), o un sistema híbrido que combine ambos.

Bancos de condensadores desafinados

Un banco desafinado añade un reactor en serie a cada paso del condensador, desplazando la frecuencia de resonancia por debajo del armónico más bajo que debe evitarse, de modo que el 5.º y el 7.º ya no se amplifican. Factores de desafinación comunes de 5,67 %, 7 % y 12,5 % modifican el orden de sintonización a aproximadamente 4,2, 3,8 y 2,8 (unos 210 Hz, 189 Hz y 141 Hz a 50 Hz). El reactor debe coincidir con la capacidad del condensador, o se convertirá en una fuente de calor.

Filtro armónico activo (AHF)

Unfiltro armónico activoMide la corriente de carga con transformadores de corriente externos, calcula los componentes armónicos en tiempo real e inyecta una corriente igual y opuesta para cancelarlos, reduciendo así la THDi en la ubicación del transformador de corriente hasta alcanzar un valor objetivo. No genera resonancia con la fuente de alimentación, pero debe estar dimensionado para la corriente armónica que cancelará, y sus transformadores de corriente deben estar ubicados en el lado correcto del punto donde se separan las corrientes armónicas y las corrientes de banco.

Generador de variables estáticas (SVG)

Agenerador de variables estáticasInyecta o absorbe corriente reactiva de forma continua, corrigiendo el factor de potencia sin interrupciones y manteniéndose estable en una red rica en armónicos, a diferencia de un banco de baterías convencional. Responde rápidamente a los cambios de carga y puede soportar tensión, pero su función principal es la potencia reactiva, no la cancelación de armónicos.

Sistemas híbridos

Acompensación de potencia reactiva híbridaEl sistema utiliza un banco de condensadores controlado para la base reactiva estable y un AHF o SVG para la parte rápida o armónica, lo que suele resultar en el menor coste total cuando coexisten una gran demanda de kvar y una corriente armónica significativa.

Selección: ¿Qué solución se ajusta a qué condición?

Asegúrese de que el dispositivo coincida con la medición. Una sola lectura del analizador rara vez es suficiente, así que registre un ciclo de producción completo y capture el punto de operación en el peor de los casos. Si una planta ya cuenta con un banco de condensadores y se planea instalar nuevos variadores de frecuencia, revise el diseño de compensación antes de la puesta en marcha de los variadores, no después de la primera falla del fusible.

Cuando un banco desafinado es suficiente

Si el banco se necesita principalmente para potencia reactiva fundamental, THDi es moderado y el orden resonante medido está a una distancia segura del 5.º y 7.º, la reparación más sencilla es sustituir los condensadores estándar por un banco desintonizado y reactores adaptados.

Cuando necesite un AHF o un SVG

Si es necesario eliminar la corriente armónica para cumplir con un límite de distorsión, un AHF es la herramienta directa. Si la necesidad principal es potencia reactiva rápida y continua, un SVG es la opción más adecuada, con un AHF añadido cuando se aplican límites de armónicos. Para adaptar la capacidad reactiva a la carga, consulteDimensionamiento de SVG para corrección del factor de potencia.

Limitaciones: Lo que la compensación no puede solucionar

• Un banco de condensadores, esté o no desintonizado, mejora la potencia reactiva; no filtra los armónicos.
• Un AHF no puede eliminar más corriente armónica de la que está diseñado para soportar, y una colocación incorrecta del CT puede hacer que compense la corriente incorrecta.
• La desafinación solo desplaza el punto de resonancia; reduce el riesgo, pero no elimina la distorsión.
• Los filtros obstruidos, los ventiladores averiados y los terminales sueltos siguen provocando calor, y no se pueden garantizar ahorros antes de realizar las mediciones.

Preguntas frecuentes

¿Puedo seguir utilizando el banco de condensadores después de añadir variadores de frecuencia?

Sí, siempre que el banco de condensadores esté verificado para el nuevo entorno armónico. En un sistema con alta presencia de armónicos, se deben revisar los condensadores estándar, y la mayoría de las plantas con muchos variadores de frecuencia (VFD) optan por actualizar a un banco de condensadores desintonizado o eliminar la corriente armónica con un filtro de armónicos.

¿Cómo puedo saber si el problema es la resonancia?

Mida el espectro armónico y la corriente del condensador. Si la corriente del quinto o séptimo armónico en el banco es desproporcionadamente alta, si los fusibles fallan repetidamente sin que haya una falla aparente, o si el orden resonante se encuentra cerca de un armónico dominante, la resonancia es la causa probable.

¿Debo elegir un banco AHF o uno desafinado?

Elija un banco de frecuencias desintonizado cuando la principal necesidad sea la potencia reactiva y la distorsión sea moderada. Elija un AHF cuando se deba cumplir un límite de armónicos y reducir la distorsión. Muchos proyectos industriales utilizan ambos.

¿Qué mantenimiento y qué rentabilidad debo esperar?

Los bancos de baterías desintonizados requieren revisiones periódicas de condensadores, reactores, contactores y ventilación; las unidades AHF y SVG requieren principalmente un flujo de aire limpio y un cableado correcto de los transformadores de corriente. El retorno de la inversión depende de la tarifa, el perfil de carga y la reducción de pérdidas, por lo que debe calcularse a partir de datos medidos.

YT Electric suministra sistemas de compensación de potencia reactiva AHF, SVG e híbridos para plantas industriales, centros de datos y proyectos EPC. Envíe sus datos de medición a nuestro equipo de ingeniería para confirmar la configuración adecuada.

Conclusión

El sobrecalentamiento del banco de condensadores tras la instalación de variadores de frecuencia indica un cambio en el entorno armónico, no una prueba de la mala calidad de los condensadores. Mida el THDi, el THDu, la corriente RMS del condensador y el orden resonante en el PCC, y luego elija entre un banco desintonizado, un AHF, un SVG o un sistema híbrido. Considere el sobrecalentamiento como un problema de calidad de la energía y la reparación será duradera.