En el pasado, los bancos de capacitores estaban relegados a estaciones de energía públicas aisladas, de baja tecnología y vallados altos. En la actualidad, las aplicaciones de los bancos de capacitores se han reducido a dispositivos MEMS de dimensiones nanométricas y van hacia el exterior en subestaciones eólicas oceánicas. Independientemente de su uso, los bancos de capacitores realizan las mismas funciones de almacenamiento y mitigación de la energía eléctrica. Este artículo examinará los aspectos básicos de los bancos de capacitores y sus usos en una amplia variedad de aplicaciones modernas.
Una definición
Tal como lo indica el nombre, un banco de capacitores es simplemente un agrupamiento de diferentes capacitores que tienen la misma potencia. Los bancos de capacitores pueden estar conectados en serie o en paralelo, según cuál sea la potencia deseada. Al igual que con un capacitor individual, los bancos de capacitores se utilizan para almacenar energía eléctrica y acondicionar el flujo de esa energía. Aumentar la cantidad de capacitores en un banco aumentará la capacidad de energía que puede almacenarse en un único dispositivo.
Aplicaciones comunes
Nuestro moderno mundo de productos electrónicos requiere mucha energía. A los fines de satisfacer esta demanda, la energía se debe almacenar de modo tal que sea de fácil acceso. Los capacitores son ideales para almacenar grandes cargas de energía, así como acondicionar el flujo de energía según se necesite.
A continuación se detallan algunos usos típicos de los bancos de capacitores:
• Capacitor de derivación: un derivador es un mecanismo que permite que la corriente eléctrica pase alrededor de otro punto en el circuito mediante la creación de un trayecto de baja resistencia. En aplicaciones de derivación de ruido eléctrico, los capacitores se usan para redireccionar el ruido de alta frecuencia al suelo antes de que pueda propagarse a través del sistema, pero especialmente a la carga. Los bancos de capacitores de derivación se usan para mejorar la calidad del suministro eléctrico y mejorar así la eficiencia de los sistemas de energía (Fig. 1).
Figura 1: Un banco de capacitores, específicamente un banco de capacitores de derivación. (Fuente: Vishay Intertechnology)
• Corrección del factor de potencia: en los transformadores y los motores eléctricos, los bancos de capacitores se usan para corregir el rezago del factor de potencia o el desplazamiento de fase en los suministros de energía de corriente alterna (CA). El factor de potencia de un sistema de energía de CA es una comparación de la potencia utilizada por la carga, llamada “potencia real,” que se divide por la potencia suministrada a la carga, conocida como “potencia aparente.” En otras palabras, el factor de potencia es la relación del trabajo útil realizado por un circuito en comparación con el trabajo útil máximo que se podría haber realizado con la tensión y el amperaje suministrados.
En la distribución de energía eléctrica, los bancos de capacitores se utilizan para correcciones del factor de potencia. Estos bancos se necesitan para contrarrestar la carga inductiva de dispositivos como los motores eléctricos y las líneas de transmisión, haciendo de este modo que la carga parezca ser más resistiva. En esencia, los capacitores de corrección del factor de potencia aumentan la capacidad conductora de corriente del sistema. Al agregar bancos capacitivos, usted puede agregarle carga adicional a un sistema sin alterar la potencia aparente. Los bancos también pueden usarse en un suministro de energía de corriente continua (CC) para aumentar la capacidad de corriente de ondulación del suministro de energía o para aumentar la cantidad total de energía almacenada.
• Almacenar energía: igual que los capacitores individuales, los bancos de capacitores almacenan energía eléctrica cuando se los conecta a un circuito de carga y liberan esa energía cuando se los descarga. Los capacitores se usan habitualmente en dispositivos electrónicos para mantener el suministro de energía mientras se cargan las baterías. En el caso de los dispositivos de consumo, por ejemplo los teléfonos móviles, se necesita una gran capacidad de almacenamiento en un volumen muy pequeño, esto debido al espacio limitado. Esto plantea un reto dado que una mayor capacitancia generalmente significa un aumento en el área de las placas, que se representan como “A” en la figura 2.
Figure 2: La miniaturización de los bancos capacitivos se debe a la introducción de nuevos materiales entre las placas del capacitor que aumenta la permitividad “k” del material dieléctrico. (Fuente: Artículo de autor)
Como lo indica la ecuación, otra manera de aumentar la capacitancia es aumentar la rigidez dieléctrica. El elemento "k" es la permitividad relativa del material dieléctrico entre las placas. Para el espacio libre, "k" es igual a unidad o uno. Para todos los otros medios, "k" es más de uno. Los capacitores de película y los electrolíticos son ejemplos típicos de dispositivos aptos para estas aplicaciones.
De grandes, a pequeños, a exóticos
Las aplicaciones de los bancos de capacitores ejecutan toda la gama, desde los muy grandes a los muy pequeños. Una de las aplicaciones grandes más inusual se encuentra en una subestación eólica. Lincs es un parque eólico marítimo de 270 MW ubicado a 8 km (5,0 millas) de Skegness, en la costa este de Inglaterra (Figura 3). La energía que se genera mar adentro se transfiere a la red a través de la subestación terrestre de Walpole, ubicada en el Condado de Norfolk. La planta de capacitores de alta tensión de Siemens ha provisto un total de seis bancos de capacitores monofásicos sin fusibles, así como seis bancos monofásicos con capacitores con fusibles internos.
Figura 3: Parque eólico marítimo Lincs. (Fuente: Mat Fascione vía Geograph)
En la práctica, las instalaciones de bancos de capacitores eléctricos pueden agruparse en una de tres áreas: con fusibles internos, con fusibles externos o sin fusibles. En el caso de los capacitores con fusibles internos, la cámara individual que contiene el banco es construido a partir de grupos de series de elementos de capacitores paralelos, donde cada elemento tiene fusibles internos individuales dentro de la cámara. Por el contrario, los bancos de capacitores con fusibles externos consisten de grupos de capacitores paralelos diseñados para ser operados con un fusible externo común.
Los fusibles externos pueden causar problemas si se produce una falla en uno de los elementos de bobinado, en cuyo caso se debe eliminar toda la unidad. Según Brad Henderson, Ventas y Marketing Regional de la División de Capacitores Eléctricos ESTA de Vishay, el uso de capacitores con fusibles internos es una de las últimas tendencias en la tecnología de bancos de capacitores modernos. “Uno de los retos de diseño más grandes es cambiar la forma de pensar de los consumidores finales acostumbrados a los antiguos bancos de capacitores con fusibles externos que se utilizaron históricamente en toda América”, explica Henderson.
Finalmente, los bancos de capacitores sin fusibles también usan un fusible externo. Sin embargo, generalmente contienen más elementos que un capacitor con fusibles típico. Por ende, un cortocircuito en uno de los elementos no provoca fallas en cascada en la cámara.
En el extremo opuesto de la escala se encuentran pequeñas aplicaciones, por ejemplo, para teléfonos inteligentes y dispositivos de almacenamiento. Los bancos de capacitores de pequeña potencia se utilizan de forma conjunta con supercapacitores de capacitancia grande para reducir el tiempo de carga de un teléfono móvil. Un supercapacitor puede almacenar cientos de veces más carga eléctrica que un capacitor estándar y, en ocasiones, se lo usa como batería recargable de baja tensión.
En los espacios de radiofrecuencia (RF) e inalámbricos, los reducidos sistemas microelectromecánicos (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS), los bancos de capacitores sintonizables se utilizan para aumentar o reemplazar los capacitores ectromecánicos sintonizables de tamaño completo. Centenares de diminutos capacitores MEMS de distintos valores se controlan y sintonizan digitalmente a través de una interfaz periférica serial (serial peripheral interface, SPI). Estos bancos de capacitores conmutados pueden combinarse en un paquete, incrementando así el rango sintonizable del sistema en general.
Uno de los usos más exóticos de los bancos de capacitores es en sistemas de energía pulsada y de armas de impulso. Se han llevado a cabo estudios en bancos de capacitores de inductancia baja y alta tensión que pueden suministrar enormes impulsos de corriente para muchas aplicaciones de energía pulsada. Los bancos de capacitores con una densidad de energía alta (más de 1 J/cm3) y los modernos conmutadores de semiconductores pueden utilizarse para crear energía compacta que asciende a varios centenares de kilo-Joules (kJ) y generar corrientes de impulso de amplitud alta.
Las aplicaciones de estos bancos de capacitores de alta densidad incluyen el conformado electromagnético, los generadores Marx, el láser pulsado, las redes de formación de impulsos, el radar, la investigación de fusión y los aceleradores de partículas. El trabajo experimental sigue usando bancos de capacitores como fuentes de energía para armaduras electromagnéticas y para cañones de riel y armas de bobina electromagnéticos.