Banco de capacitores: potencia reactiva, etapas y protección para corregir el factor de potencia
Dimensionar un banco de capacitores es calcular la potencia reactiva en kVAr necesaria para elevar el factor de potencia del valor actual al objetivo, dividir esa potencia en etapas comerciales y seleccionar el capacitor, el contactor, el fusible y (cuando hace falta) el reactor de desintonía de cada etapa.
Cuándo usar
Úsalo siempre que una instalación presente un factor de potencia bajo (inductivo) y haya que compensarlo en el punto de conexión, en un tablero o junto a un motor: para evitar la multa por energía reactiva de la distribuidora, liberar capacidad de transformador y cables y mejorar la regulación de tensión. El método es el corazón de todo proyecto de corrección del factor de potencia — define cuántos kVAr instalar, si el banco será fijo o automático (multietapa) y dimensiona la maniobra y la protección de cada etapa. Es también la herramienta para verificar un banco existente que sobrecorrige, dispara en el inrush o excita una resonancia armónica con la red.
Qué es el dimensionamiento de un banco de capacitores
Dimensionar un banco de capacitores no es elegir un valor de kVAr en el catálogo y atornillarlo a la barra: es calcular exactamente cuánta potencia reactiva necesita la instalación para elevar el factor de potencia del valor actual al objetivo, decidir cómo entregar esa potencia — en un bloque fijo o en varias etapas maniobrables — y cómo proteger y maniobrar cada bloque con seguridad. El número que da inicio a todo es la potencia reactiva Qc; todo lo que sigue (etapas, corrientes, contactores, fusibles, reactores, el gabinete) se deriva de él.
El error de campo más común es tratar la corrección del factor de potencia como un único número comprado una vez. En una planta real la carga respira a lo largo del día, la red lleva armónicos y el propio capacitor toma un inrush violento en cada maniobra. Un proyecto correcto considera los tres.
La potencia reactiva a instalar
Una carga que toma potencia activa P con factor de potencia inductivo fp₁ también toma reactivo q₁ = P·tan φ₁. Para elevar el factor de potencia a fp₂ hay que suministrar la diferencia localmente:
Qc = P · (tan φ₁ − tan φ₂)
Aquí φ₁ = acos(fp₁) y φ₂ = acos(fp₂). Como el capacitor solo añade reactivo capacitivo, el objetivo fp₂ debe ser mayor que fp₁ — pedir un objetivo menor es físicamente imposible y el método lo señala en lugar de devolver en silencio un “banco mínimo”. El Qc calculado se redondea entonces hacia arriba al valor comercial de banco más próximo (la serie 2,5 / 5 / 7,5 / 10 / 12,5 / 15 / 20 / 25 / 30 / 40 / 50 … kVAr), dando Qbanco.
El factor de potencia obtenido se verifica contra el reactivo residual q₂ = q₁ − Qbanco:
fp_obtenido = P / √(P² + q₂²)
Esto confirma que el banco redondeado realmente cumple el objetivo con un pequeño margen, en lugar de sub o sobrecorregir.
Banco fijo o automático
Un banco fijo es un bloque único, sensato solo cuando la carga es estable (un motor individual maniobrado con su arranque). Cuando la carga varía, un banco fijo sobrecorrige con carga ligera y produce factor de potencia capacitivo — también penalizado. La respuesta es un banco automático: el Qbanco total se reparte en etapas que un controlador de factor de potencia conecta y desconecta para seguir el objetivo.
Las etapas pueden seguir dos esquemas:
- Iguales — cada etapa lleva el mismo kVAr (paso = Qbanco/N). Simple, robusto, el predeterminado.
- Binario — los pesos siguen 1 : 2 : 4 : … : 2^(N−1), de modo que el menor paso es Qbanco/(2^N − 1). Tres etapas binarias (1+2+4) resuelven en siete niveles lo que exigiría siete etapas iguales — regulación más fina con menos contactores, a costa de hardware desigual.
Corriente, contactor y fusible por etapa
Cada etapa de Q_etapa kVAr a la tensión de línea V toma una corriente trifásica nominal:
Icn = Q_etapa · 1000 / (√3 · V)
Pero un capacitor nunca se dimensiona para Icn. La IEC 60831 combina una sobretensión de 1,10 con un factor de 1,30 por armónicos y tolerancia de capacitancia, dando la corriente de dimensionamiento:
Ic_dim = 1,43 · Icn
Esa es la corriente que el cable y la protección general deben conducir. La maniobra y la protección por etapa siguen reglas comerciales:
- Contactor ≥ 1,5·Icn, en la categoría de empleo AC-6b, con resistencias de precarga para domar el inrush del capacitor;
- Fusible gG ≈ 1,65·Icn, redondeado hacia arriba en la serie estándar.
Un contactor AC-3 de motor es la herramienta equivocada aquí — el inrush repetido del capacitor suelda sus contactos.
El reactor de desintonía y los armónicos
En una red limpia, un banco sin reactor es suficiente. En una red rica en armónicos — variadores de frecuencia, rectificadores, UPS — el banco y la inductancia de la red forman una resonancia paralela en el orden:
h_r = √(Scc / Qc), con Scc = √3·V·Icc
Si h_r cae en la zona de riesgo (cerca de 4,5 a 7,5, es decir, próximo al 5.º o 7.º armónico), el banco amplifica ese armónico y capacitores y fusibles fallan pronto. La cura es un reactor de desintonía en serie con cada etapa, dimensionado para que el LC serie sintonice por debajo del menor armónico problemático, en el orden:
n = 1 / √p
Para el común p = 7 %, n ≈ 3,78 — cómodamente por debajo del 5.º. La inductancia del reactor por fase es L = XL/ω con XL = p·Xc y Xc = V²/Q_etapa. El reactor, sin embargo, eleva la tensión sobre el capacitor a:
Vc = V / (1 − p)
de modo que las unidades capacitivas deben especificarse por encima de la tensión de línea (para 380 V al 7 %, Vc ≈ 409 V). Olvidar esto es causa clásica de falla prematura de capacitor en bancos desintonizados.
Cómo el método arma el banco
El cálculo procede en etapas:
- Potencia reactiva — de P, fp₁ y fp₂ calcula Qc y redondea hacia arriba al Qbanco comercial, luego verifica el factor de potencia obtenido.
- Etapas — banco fijo, una etapa; banco automático, N etapas con pesos iguales o binarios, y el menor paso de maniobra.
- Por etapa — dimensiona la unidad capacitiva comercial, las corrientes nominal y de dimensionamiento (1,43·Icn), el contactor AC-6b (1,5·Icn), el fusible gG (1,65·Icn) y, si está desintonizado, la inductancia del reactor y la tensión elevada del capacitor.
- General — suma las corrientes para definir la protección general (1,43·Ic_total) y verifica la resistencia al cortocircuito del conjunto contra Icc; estima la capacitancia equivalente y el orden de resonancia.
- Gabinete — dispone las etapas, el controlador y el dispositivo general en un gabinete (à la centro de control de motores), devolviendo las dimensiones de montaje para el dibujo 2D/3D.
Consideraciones prácticas de proyecto
- Apunta a 0,92–0,95, no a la unidad, y prefiere un controlador automático para que la carga ligera no te empuje a un factor de potencia capacitivo.
- Dimensiona todo para 1,43·Icn, según la IEC 60831, no para la corriente nominal.
- Usa contactores AC-6b con precarga — nunca un contactor de motor común en un capacitor.
- Desintoniza (5,67 / 7 / 14 %) siempre que la red lleve armónicos, y especifica los capacitores para Vc = V/(1 − p).
- Verifica la resonancia paralela h_r = √(Scc/Qc) antes de optar por un banco sin reactor.
Seguir este encadenamiento — potencia reactiva, etapas, corriente y protección por etapa, desintonía y verificación de resonancia, luego el montaje — entrega un banco de capacitores que cumple el factor de potencia objetivo, sobrevive a la maniobra y a los armónicos y cierra con la planilla de referencia validada en campo.
Fórmulas y fundamentos
Qc = P · (tan φ₁ − tan φ₂) Potencia reactiva que el banco debe suministrar. P es la potencia activa [kW], φ₁ = acos(fp₁) el ángulo de desfase actual y φ₂ = acos(fp₂) el ángulo objetivo. Como el capacitor solo eleva el factor de potencia, el fp objetivo debe ser mayor que el actual; de lo contrario la corrección es físicamente imposible.
paso = Qbanco / Σpesos ; Q_etapa = paso · peso El banco comercial Qbanco se reparte en N etapas. En etapas iguales todo peso vale 1 (paso = Qbanco/N). En el esquema binario los pesos siguen 1:2:4…2^(N−1), y el menor paso vale Qbanco/(2^N − 1), dando una regulación más fina con menos contactores.
Icn = Q_etapa·1000 / (√3·V) ; Ic_dim = 1,43·Icn Icn es la corriente trifásica nominal de la etapa [A], siendo V la tensión de línea [V]. La IEC 60831 exige dimensionar para 1,43·Icn (sobretensión 1,10 × armónicos/tolerancia 1,30) — es esa corriente la que dimensiona el cable, el contactor y la protección general.
contactor ≥ 1,5·Icn (AC-6b) ; fusible ≈ 1,65·Icn (gG) El contactor capacitivo (AC-6b, con resistencias de precarga para el inrush) se elige para al menos 1,5·Icn; el fusible gG para cerca de 1,65·Icn, redondeado hacia arriba en la serie comercial. Ambos deben tolerar la corriente transitoria de carga.
Xc = V²/Q_etapa ; XL = p·Xc ; L = XL/ω ; Vc = V/(1 − p) En un banco desintonizado, p es el factor de desintonía (ej.: 7 %). La inductancia L [H] es tal que el orden de sintonía serie n = 1/√p (≈ 3,8 para 7 %) queda por debajo del menor armónico problemático. El capacitor ve una tensión elevada Vc = V/(1 − p), que debe respetarse al especificar las unidades.
h_r = √(Scc / Qc) Orden de la resonancia paralela entre el banco y la red, con Scc = √3·V·Icc la potencia de cortocircuito. Si h_r cae cerca de un armónico fuerte (típicamente 5.º o 7.º) en un banco sin reactor, el banco amplifica ese armónico — un reactor de desintonía desplaza la sintonía por debajo de él.
Normas y métodos
- IEC 60831-1/-2 — Capacitores de potencia autorregenerativos para sistemas CA (Un ≤ 1000 V)
- ABNT NBR IEC 60831 — Adopción brasileña de la IEC 60831
- IEC 60439 / IEC 61439 — Conjuntos de maniobra y mando de baja tensión
- IEC 61921 — Capacitores de potencia: bancos de corrección del factor de potencia en baja tensión
- IEEE 519 — Control de armónicos en sistemas eléctricos de potencia
- IEC 60947-4-1 (categoría de empleo AC-6b) — Contactores para maniobra de capacitores
Valores típicos de referencia
| Magnitud | Rango típico | Observación |
|---|---|---|
| Factor de potencia objetivo | 0,92 a 0,95 | La mayoría de las distribuidoras exige fp ≥ 0,92; 0,95 deja margen ante la variación de carga. |
| Factor de desintonía (p) | 5,67 %, 7 % o 14 % | 7 % (orden de sintonía ≈ 3,8) es el más común donde dominan el 5.º/7.º armónicos. |
| Factor de dimensionamiento (IEC 60831) | Ic_dim = 1,43·Icn | Cubre 1,10 de sobretensión × 1,30 de armónicos y tolerancia de fabricación. |
| Contactor / fusible | ≥ 1,5·Icn / ≈ 1,65·Icn | Contactor AC-6b con precarga; fusible gG para el transitorio de carga. |
| Número de etapas automáticas | 4 a 12 | Más etapas dan regulación más fina; el esquema binario logra lo mismo con menos. |
| Zona de riesgo de resonancia (sin reactor) | 4,5 ≤ h_r ≤ 7,5 | Si la resonancia paralela cae aquí, agrega un reactor de desintonía. |
Ejemplo resuelto
Banco automático en un tablero industrial de 250 kW
Datos de entrada
- Potencia activa
- P = 250 kW
- Factor de potencia actual
- fp₁ = 0,78 —
- Factor de potencia objetivo
- fp₂ = 0,95 —
- Tensión de línea
- V = 380 V
- Esquema
- 3 etapas iguales, desintonizado 7 % —
- Corriente de cortocircuito
- Icc = 25 kA
Resultados
- Potencia reactiva necesaria
- Qc ≈ 118,4 kVAr
- Banco comercial adoptado
- Qbanco = 125 kVAr
- Factor de potencia obtenido
- fp ≈ 0,957 —
- Corriente de etapa / de dimensionamiento
- Icn ≈ 63,3 / Ic_dim ≈ 90,6 A
- Contactor / fusible gG por etapa
- 95 / 125 A
- Protección general
- 315 A
- Tensión en el capacitor (desintonizado)
- Vc ≈ 409 V
Con tan φ₁ = 0,802 (fp 0,78) y tan φ₂ = 0,329 (fp 0,95), la potencia reactiva necesaria es Qc = 250·(0,802 − 0,329) ≈ 118,4 kVAr, redondeada hacia arriba al banco comercial de 125 kVAr. El reactivo residual pasa a q₂ = 200,5 − 125 ≈ 75,5 kVAr, por lo que el factor de potencia obtenido queda en fp = 250/√(250² + 75,5²) ≈ 0,957 — justo por encima del objetivo de 0,95 con un pequeño margen. Repartido en 3 etapas iguales, cada etapa tiene 125/3 ≈ 41,7 kVAr con Icn ≈ 63,3 A; dimensionada a 1,43·Icn ≈ 90,6 A, comanda un contactor AC-6b de 95 A y un fusible gG de 125 A, mientras que el Ic_dim total ≈ 271 A define una protección general de 315 A. El reactor de desintonía de 7 % sintoniza el banco en el orden n = 1/√0,07 ≈ 3,78 — con holgura por debajo del 5.º armónico — y eleva la tensión del capacitor a Vc = 380/0,93 ≈ 409 V, por eso las unidades deben especificarse por encima de la tensión de línea.
Errores comunes
- Definir un factor de potencia objetivo menor que el actual — el capacitor solo eleva el fp, así que la solicitud es físicamente imposible y resulta en corrección nula.
- Dimensionar el contactor y el cable por la corriente nominal Icn en lugar de 1,43·Icn, ignorando la reducción de la IEC 60831 por sobretensión y armónicos.
- Instalar un banco sin reactor en una red rica en 5.º/7.º armónicos, donde la resonancia paralela se amplifica y capacitores y fusibles fallan prematuramente.
- Usar un contactor AC-3 de uso general en lugar de uno AC-6b con resistencias de precarga — el inrush del capacitor suelda los contactos.
- Olvidar que el reactor de desintonía eleva la tensión del capacitor a V/(1 − p); especificar las unidades para V lleva a sobreesfuerzo.
- Sobrecorregir hasta fp = 1 o más allá con carga ligera, generando factor de potencia capacitivo y elevación de tensión que la distribuidora también penaliza.
Preguntas frecuentes
¿Cuánta potencia reactiva necesito para corregir el factor de potencia?
La potencia reactiva necesaria es Qc = P·(tan φ₁ − tan φ₂), con φ₁ = acos(fp actual) y φ₂ = acos(fp objetivo). Por ejemplo, 250 kW de fp 0,78 a 0,95 exige cerca de 118 kVAr, que luego se redondea hacia arriba al banco comercial más próximo (125 kVAr). La potencia activa P permanece igual; solo se reduce la componente reactiva.
¿Cuándo usar un banco automático (multietapa) en lugar de uno fijo?
Usa un banco fijo para una carga estable y casi constante (un motor individual, por ejemplo). Usa un banco automático con varias etapas y un controlador de factor de potencia cuando la carga varía a lo largo del día: el controlador conecta y desconecta etapas para seguir el objetivo sin sobrecorregir con carga ligera. Un esquema binario (pesos 1:2:4) alcanza la misma resolución con menos etapas que los pasos iguales.
¿Qué es un reactor de desintonía y cuándo es necesario?
Un reactor de desintonía es un inductor en serie con cada etapa capacitiva, de modo que el LC serie sintonice en un orden n = 1/√p por debajo del menor armónico dominante (n ≈ 3,8 para 7 %). Es necesario cuando la red es rica en armónicos (variadores de frecuencia, rectificadores) y la resonancia paralela del banco h_r = √(Scc/Qc) caería cerca del 5.º o 7.º armónico y sería amplificada. El reactor también eleva la tensión del capacitor a V/(1 − p).
¿Por qué dimensionar la corriente del capacitor a 1,43·Icn?
La IEC 60831 exige que los capacitores soporten 1,10 veces la tensión nominal y conduzcan corrientes armónicas, además de una tolerancia de fabricación en la capacitancia. Combinados, dan un factor de corriente de cerca de 1,43·Icn. Cables, contactores y la protección general deben dimensionarse para esa corriente, no para la nominal Icn, o quedarán subdimensionados en servicio.
¿Por qué usar un contactor AC-6b y no uno común?
Maniobrar un capacitor produce una corriente de inrush altísima y muy breve (decenas de veces la corriente nominal). Un contactor de maniobra de capacitores, en la categoría de empleo AC-6b, incluye resistencias de precarga que limitan ese transitorio y protegen los contactos principales contra la soldadura. Un contactor AC-3 de motor se degradaría rápidamente bajo el inrush repetido del capacitor.
¿Puedo corregir hasta factor de potencia 1,0?
No es recomendable. Apuntar a la unidad (o un banco fijo que queda conectado con carga ligera) puede sobrecorregir y producir factor de potencia capacitivo, elevando la tensión y disparando la multa de reactivo de la distribuidora en sentido opuesto. Un objetivo de 0,92 a 0,95 con controlador automático mantiene un margen seguro ante la variación de carga.
Glosario
- Factor de potencia (fp)
- Relación entre potencia activa y aparente, fp = P/S = cos φ. Un fp bajo (inductivo) significa una gran componente reactiva drenada de la red.
- Potencia reactiva (kVAr)
- La potencia no útil intercambiada con cargas inductivas. El banco de capacitores la suministra localmente para que la red no tenga que hacerlo.
- Etapa
- Bloque maniobrable de capacitores dentro de un banco automático, controlado de forma independiente por el controlador de factor de potencia para seguir el objetivo.
- Factor de desintonía (p)
- Porcentaje con que un reactor serie desintoniza una etapa capacitiva (5,67 %, 7 % o 14 %), sintonizando el LC en el orden 1/√p por debajo del menor armónico.
- AC-6b
- Categoría de empleo de la IEC 60947 para contactores que maniobran bancos de capacitores, dotados de resistencias de precarga para soportar el inrush.
- Fusible gG
- Fusible de baja tensión de uso general (rango completo) usado para proteger cada etapa capacitiva contra cortocircuito.
- Resonancia paralela (h_r)
- Orden armónico h_r = √(Scc/Qc) en el que el banco y la inductancia de la red resuenan; cerca de un armónico fuerte, amplifica la distorsión.