Calculadora de capacitores kVAR a µF — corrección PF monofásico/trifásico

Calculadora para capacitores kVAr en corrección del factor de potencia monofásico y trifásico industrial residencial.

Guía técnica, fórmulas, ejemplos y tablas para diseñar bancos de condensadores seguros y eficaces modernos.

Fundamento técnico del factor de potencia y potencia reactiva

El factor de potencia (PF) es la relación entre la potencia activa (P, kW) y la potencia aparente (S, kVA). Cuando hay desfase inductivo, la instalación consume energía reactiva inductiva (Q inductiva) que incrementa la corriente y las pérdidas en la red.

Los condensadores suministran potencia reactiva capacitiva (Q capacitiva) que compensa la reactiva inductiva, reduce corriente, mejora PF y disminuye cargos por energía reactiva.

Conceptos eléctricos clave

• P (kW): potencia activa útil.
• S (kVA): potencia aparente S = V × I (monofásico) o S = √3 × V_L × I_L (trifásico).
• Q (kVAr): potencia reactiva; positiva para inductiva, negativa para capacitiva (convención según norma).
• PF = cos φ, donde φ es el ángulo entre voltaje y corriente.
• La corrección busca reducir φ llevando PF cercano a 0.95–0.99 según especificaciones comerciales.

Fórmulas fundamentales para cálculo de kVAr y capacitancia

Relación principal entre P, PF y Q

Para determinar la potencia reactiva necesaria para corregir PF desde un PF inicial (PF1) hasta un PF objetivo (PF2):

donde φ1 = arccos(PF1) y φ2 = arccos(PF2).

Explicación de variables y valores típicos:

• P (kW): ejemplo típico 10 kW, 100 kW, 500 kW.
• PF1: factor inicial medido (por ejemplo 0.78, 0.82, 0.90).
• PF2: factor objetivo (por ejemplo 0.95, 0.98).
• φ = arccos(PF). Tangente calculada con calculadora científica o función aritmética.

Conversión entre kVAr y capacitancia (C)

Para un condensador conectado a una tensión eficaz V y una frecuencia f:

Resolviendo para C (en faradios):

Para expresar C en microfaradios (µF) usando Q en kVAr:

Variables típicas:

• V: tensión eficaz (230 V monofásico, 400–415 V trifásico).
• f: frecuencia (50 Hz o 60 Hz).
• Q(kVAr): resultado de la fórmula anterior.

Cálculo de corriente capacitiva

Donde V_L es la tensión línea a línea en sistemas trifásicos.

Conexión de condensadores: estrella (Y) vs delta (Δ)

La elección entre estrella y delta afecta la tensión aplicada a cada condensador y, por tanto, la capacitancia necesaria.

• Conexión Y: cada condensador ve V_phase = V_L / √3.
• Conexión Δ: cada condensador ve V_line directamente (V_L).
• Por lo tanto, para la misma potencia reactiva, C_phase en Y suele ser mayor que en Δ.

Tablas prácticas con valores comunes

Notas: valores redondeados; se calcula C(µF) = Q(kVAr) × 1e6 / (V² × 2πf). La tabla facilita selección aproximada de condensadores comerciales.

Procedimiento paso a paso para dimensionar bancadas de corrección

1. Medir P (kW), PF actual (PF1) y tensión V_L o V_phase en condiciones representativas.
2. Determinar PF objetivo (PF2) según política de la empresa o requerimientos del suministrador.
3. Calcular Q requerido: Q = P × (tan φ1 − tan φ2), con φ = arccos(PF).
4. Seleccionar topología (Y ó Δ) y calcular C por fase con C = Q_phase / (V_phase² × 2πf).
5. Elegir condensadores comerciales (kVAr por módulo) y combinar (paralelo) hasta aproximar Q requerida.
6. Incluir protecciones: fusibles, contactores adecuados, relés de control de PF, y filtros de rechazo/armónicos si necesario.
7. Comprobar tensiones sobrecapacitor y seleccionar baja tensión de reserva si hay sobrevoltajes.

Ejemplo práctico 1 — Monofásico: local comercial

Datos conocidos:

• P = 10.0 kW
• PF1 = 0.78
• PF2 = 0.95
• V = 230 V, f = 60 Hz

Cálculo paso a paso

1) Calcular ángulos:

2) Q requerido:

Q = P × (tan φ1 − tan φ2) = 10.0 × (0.799 − 0.328) = 10 × 0.471 = 4.71 kVAr

3) Corriente capacitiva:

4) Capacitancia necesaria:

C ≈ 4.71 × 1e6 / (52 900 × 376.991) ≈ 236.6 µF

5) Selección comercial:

• Buscar módulos monofásicos 230 V con capacidad total ≈ 236 µF o kVAr equivalente ≈ 4.7 kVAr.
• Posible solución práctica: instalar dos módulos de 2.5 kVAr monofásicos (cada uno ≈125 µF a 60 Hz), con control por relé de PF.

6) Verificación y protecciones:

• Contactores y fusibles dimensionados para 20–25 A con capacidad de inrush (corriente de arranque del capacitor).
• Si existen armónicos, considerar reactores de sello o filtros; ver IEEE Std 18 y IEEE 519.

Ejemplo práctico 2 — Trifásico: planta industrial

Datos conocidos:

• P = 150 kW
• PF1 = 0.82
• PF2 = 0.98
• V_L = 400 V, f = 50 Hz
• Topología: preferencia por Δ para reducir C por rama

Cálculo paso a paso

1) Ángulos y tangentes:

2) Q requerido:

Q = P × (tan φ1 − tan φ2) = 150 × (0.6968 − 0.2026) = 150 × 0.4942 ≈ 74.13 kVAr

3) Corriente capacitiva total (línea):

5) Selección de conexión y C por rama:

• Si Δ: cada condensador ve 400 V; C_branch µF = Q_branch × 1e6 / (V² × 2πf)
• V² = 160 000; 2πf = 314.159; denom = 50.265e6
• C_branch ≈ 24.71 × 1e6 / 50.265e6 ≈ 491.5 µF por rama (Δ)
• Si Y: cada condensador ve V_phase = 400/√3 ≈ 230.94 V; C_branch_Y ≈ 1476 µF (más grande)

6) Selección comercial práctica:

• Elegir módulos trifásicos en Δ o tres monofásicos en Δ equivalentes; por ejemplo combinar varios módulos de 5–25 kVAr hasta alcanzar ≈ 74 kVAr.
• Ejemplo: 3 × 25 kVAr (Δ) = 75 kVAr (próximo estándar), con protecciones y pasos de conmutación para evitar sobrecorrecciones.

7) Verificaciones adicionales:

• Confirmar que la tensión nominal de los condensadores soporta sobretensiones del sistema.
• Calcular inrush y dimensionar contactores y fusibles. En bancos grandes, usar conmutación escalonada y relés de PF.
• Si la instalación tiene armónicos significativos, considerar reactores de detuning o filtros de armónicos para evitar resonancias.

Impacto de armónicos y criterios de seguridad

La presencia de armónicos altera la corriente reactiva y puede saturar o dañar condensadores. Antes de instalar un banco:

• Medir espectro de armónicos y THD (Total Harmonic Distortion).
• Si THD de corriente o tensión es elevado, emplear reactores en serie con condensadores (detuned filter), filtros pasivos o activos.
• Dimensionar fusibles y contactores para corrientes pico transitorias (inrush) y corrientes armónicas.

Recomendaciones de protección

• Relé de control de PF multiescalonado para conmutación por pasos.
• Fusibles rápidos o retardados según recomendaciones del fabricante.
• Protecciones térmicas y ventilación adecuada para bancos en interiores.
• Ubicación accesible para mantenimiento y cumplimiento de distancias de seguridad.

Buenas prácticas de diseño y selección

1. Preferir conmutación por pasos para evitar sobrecorriente y para ajuste fino del PF.
2. No corregir 100% en punto de suministro; dejar margen para cargas variables y evitar sobrecompensación capacitiva.
3. Realizar estudios de armónicos y adoptar filtros detuned (por ejemplo 7% de detuning) cuando sean necesarios.
4. Controlar el PF cercano a transformadores para reducir pérdidas y temperatura.
5. Considerar condensadores con protección integrada (fusible interno o cebado) para mayor seguridad.

Ejemplo de tabla para selección comercial y montaje

Normativa, estándares y referencias de autoridad

Normas y guías relevantes para diseño e instalación de condensadores y bancos de corrección:

• IEC 60831 – Capacitores de potencia (shunt capacitors) para sistemas de baja tensión. Véase: https://www.iec.ch
• IEEE Std 18 – Electric Power Shunt Capacitors. Información técnica y prácticas recomendadas: https://standards.ieee.org/
• IEEE Std 519 – Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems (control de armónicos): https://standards.ieee.org/
• IEC 61439 – Equipos de baja tensión, para envolventes y protecciones en bancos de condensadores: https://www.iec.ch
• Documentación de fabricantes líderes (p. ej. ABB, Siemens, Schneider Electric) para selección de módulos y accesorios.

Verificación post-instalación y mantenimiento

• Verificar PF bajo diferentes cargas: motores arranque, máxima demanda, mínima demanda.
• Medir tensión en bornes del condensador y corriente por fase para confirmar correcta operación.
• Inspección periódica: verificar conexiones, temperatura, estado de fusibles y signos de envejecimiento.
• Registrar historial y ajustes del relé de PF para identificar patrones de variación de carga.

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Sobrecompensar (PF > 1): puede generar tensión capacitiva y problemas de resonancia; usar control escalonado.
2. No evaluar armónicos: riesgo de corrientes armónicas elevadas que aumentan pérdidas y fallas en condensadores.
3. Subdimensionar protecciones: fusibles y contactores deben tolerar corrientes de conmutación y armónicas.
4. Instalar condensadores con tensión nominal inadecuada frente a sobretensiones de la red.

Recursos adicionales y lecturas recomendadas

• IEC Webstore: búsqueda de normas relacionadas con capacitores y baja tensión — https://www.iec.ch
• IEEE Xplore para artículos y normas IEEE sobre condensadores y armónicos — https://ieeexplore.ieee.org
• Guías técnicas de fabricantes (ABB, Siemens, Schneider) para dimensión y aplicaciones prácticas — páginas oficiales de cada fabricante.
• Artículos técnicos sobre filtros y detuning para instalaciones con armónicos (IEEE 519 aplicado).

Este documento proporciona las fórmulas, tablas y ejemplos necesarios para calcular y seleccionar bancos de condensadores en aplicaciones monofásicas y trifásicas. La implementación debe complementarse con mediciones in situ, estudio de armónicos y consulta de normas y fabricantes para garantías y seguridad.