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CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA
Conceituando Fator de Potência Fisicamente, o fator de potência representa o cosseno do ângulo de defasagem entre a onda senoidal da tensão e a onda senoidal da corrente (cosφ). Quando a onda de corrente está atrasada em relação à onda de tensão, o fator de potência é dito indutivo. Caso contrário, o fator de potência é dito capacitivo. O fator de potência indica, por definição, qual porcentagem da potência total fornecida (kVA) é efetivamente utilizada como potência ativa (kW). Assim, o fator de potência mostra o grau de eficiência do uso dos sistemas elétricos. Valores altos de fator de potência (próximos de 1,0) indicam uso eficiente da energia elétrica, enquanto valores baixos evidenciam seu mau aproveitamento, além de representar sobrecarga em todo sistema elétrico, tanto do consumidor como da concessionária.
CAUSAS DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA
Motores de indução operando em vazio ou superdimensionados (operando com pequenas cargas); Transformadores operando em vazio ou com pequenas cargas; Lâmpadas de descarga; Grande quantidade de motores de pequena potência em operação durante um longo período; Tensão acima da nominal; Cargas especiais com consumo de reativo.
Algumas Considerações: Tensão acima da nominal: A potência reativa é, aproximadamente, proporcional ao quadrado da tensão aplicada, enquanto que, no caso dos motores de indução, a potência ativa praticamente só depende da carga mecânica aplicada ao eixo do motor. Assim, quanto maior a tensão aplicada aos motores, maior a energia reativa consumida e menor o fator de potência.
Cargas especiais com consumo de reativo: Algumas cargas presentes em ambientes industriais apresentam grandes consumos de reativos, contribuindo para a diminuição do fator de potência, entre elas: Fornos a arco; Fornos de indução eletromagnética; Máquinas de solda a transformador; Equipamentos eletrônicos.
Lâmpadas de descarga: As lâmpadas de descarga (vapor de mercúrio, vapor de sódio, fluorescentes etc), para funcionarem, necessitam do auxílio de um reator. Os reatores, como os motores e os transformadores, possuem bobinas que consomem energia reativa, contribuindo para a redução do fator de potência. O uso de reatores compensados (com alto fator de potência) pode contornar, em parte, o problema.
CONSEQUÊNCIAS DE UM BAIXO FATOR DE POTÊNCIA Baixos valores de fator de potência, como já vistos, são decorrentes de quantidades elevadas de energia reativa. Essa condição resulta em aumento na corrente total que circula nas redes de distribuição de energia elétrica da concessionária e das unidades consumidoras, podendo sobrecarregar as subestações, as linhas de transmissão e distribuição, prejudicando a estabilidade e as condições de aproveitamento dos sistemas elétricos. Acréscimo na conta de energia através da aplicação de multas, por parte da concessionária, quando o fator de potência é menor que 0,92; Limitação da Capacidade da Subestação (Transformadores de potência ); Quedas e flutuações de tensão nos circuitos de alimentação; Sobrecarga nos cabos alimentadores (Necessidade de troca!); Aumento das perdas elétricas na instalação pelo efeito joule; Sobrecarga nos equipamentos de manobra reduzindo sua vida útil; Necessidade de aumento da capacidade dos equipamentos de manobra e proteção.
MÉTODOS DE CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA
A instalação de capacitores em paralelo com a carga é a solução mais empregada na correção do fator de potência de instalações industriais, comerciais e dos sistemas de distribuição e de potência, a fim de reduzir a potência reativa demandada à rede e que os geradores da concessionária deveriam fornecer na ausência destes capacitores, uma vez que estes fornecem energia reativa ao sistema elétrico onde estão ligados. É o método mais econômico e o que permite maior flexibilidade de aplicação. É comum dizer que os capacitores são "geradores de potência reativa". Na realidade, eles não são geradores, pois são elementos passivos que acumulam energia estaticamente e, produzem potência reativa sem custo. Os capacitores são equipamentos capazes de armazenar energia elétrica. Assim, em vez de devolver à fonte externa a energia reativa consumida, a energia fica armazenada no capacitor, para em seguida retorná-la. Finalmente, a troca de energia reativa não é feita entre a indústria (empresa unidade consumidora) e a fonte geradora externa (concessionária – Coelce, etc), mas entre a indústria e os capacitores. Corrigindo os Reativos Excedentes – Uma Compensação de Reativos
Este é o método mais eficiente de se corrigir o fator de potência de uma instalação elétrica. Quais as suas Desvantagens?
ATENÇ
Tipos de Bancos de Capacitores Quanto sua forma de instalação Fixo Automático ( Veja alguns detalhes mais na frente ) Semi-automático ( Sistemático) Misto ( 70% Fixo + 30% Automático – Depende da forma de uso do sistema elétrico )
Locais instalação do Banco de Capacitores
Junto as cargas (método mais eficiente - figuras acima ); No QGBT (mais usado); Junto ao QF ( grande concentração de cargas )
Captação de Dados para se Elaborar um Projeto de Banco de Capacitores Através da memória de massa da concessionária Analisador de energia
Exemplo : Uma indústria tem instalada uma carga de 1300kW. Verificou-se que o fator de potência é igual a 0,81 (indutivo). Qual deverá ser a potência reativa (kVAr) do capacitor que, instalado, venha a reduzir a potência reativa, de modo que o fator de potência atenda ao valor de 0,92? Solução: Cosφ 1 = 0,81 logo o arcos (0,81) = 35,90º Cosφ 2 = 0,92 logo o arcos (0,92) = 23,07º Qc3Ø = PIN. (t g φ 1 - t g φ 2 ) Qc3Ø = 1300kW. [ tg(35,90º) - tg(23,07º) ] = 390kVAr Considerando células capacitivas de 50kVAr cada, o número de células no banco (NC) vale: NC = 390 / 50 = 7,8 Portanto , NC = 8 Qc3Ø = 8 x 50 = 400kVAr
2º) Capacitor (kVAr) para correção de cargas motoras
^
Qc (^ PCV^ ).[ tg^1 tg^2 ).^ Fc 3
onde:
Fc = fator de carga relativo a potência de trabalho do motor ( Não é dado de Placa ):
- motor operando a 50% da potência ativa nominal (Fc = 0,5);
- motor operando a 75% da potência ativa nominal (Fc =0,75);
- motor operando a 100% da potência ativa nominal (Fc = 1).
= rendimento do motor em função do percentual de carga que está operando.
PCV = Potência nominal expressa na Placa do motor (em kW).
Exemplo : Uma indústria tem instalado um motor trifásico de 10cv/4 pólos, com fator de potência igual a 0,84 (indutivo), fator de carga 0,75 e rendimento 0,77. Qual deverá ser a potência reativa (kVAr) do capacitor que, instalado, venha a reduzir a potência reativa, de modo que o fator de potência atenda ao valor de 0,92?
Solução: Cosφ 1 = 0,84 logo o arcos (0,84) = 32,86º tgφ 1 = 0, Cosφ 2 = 0,92 logo o arcos (0,92) = 23,07º tgφ 2 = 0,
^
Qc ( P^ CV^ ).[ tg^1 tg^2 ).^ Fc 3
Qc (^) 3 [^10 .(^0 ,^736 )].[ 00 , 77 ,^650 ,^43 )(^0 ,^5 ) 1 , 60 kVAr
^
Considerando células capacitivas de 2kVAr cada, o número de células no banco (Nc) vale: Nc = 1,6 / 2 = 0,79 logo Nc = 1 Qc3Ø = 1 x 2 = 2kVAr Atenção aluno : Sabendo-se que o fator de carga não é um dado de placa, como você faria para determiná-lo.
Maneira Prática A determinação exata da potência reativa dos capacitores a instalar para a elevação do fator de potência de uma instalação de baixa tensão depende de uma análise detalhada das cargas que utilizam energia reativa, de seu regime de funcionamento e da localização pretendida para os capacitores. Trata-se de um problema individual para cada instalação, não existindo soluções padronizadas. Existe, no entanto, um método prático , recomendado pelas concessionárias, que possibilita a obtenção da potência reativa aproximada , a partir da demanda ativa média da instalação e dos fatores de potência original e desejado. Consiste no seguinte :
- A partir das contas de energia elétrica dos últimos doze meses, determina-se o valor da energia ativa consumida (kWh) e o valor médio do fator de potência.
- Determina-se o número médio de horas de funcionamento mensal da instalação nos últimos doze meses.
φ 2 - ângulo do fator de potência desejado; T - tempo de funcionamento da instalação (plena carga), em horas.
Determinação do Fator de potência para consumo médio em um período
^
T
E CP Cos Cosarctg CQ ( QC^3 ).( T )
Exemplo : Seja uma indústria para a qual se deseja determinar a potência nominal dos capacitores necessária para corrigir o fator de potência médio mensal de 0,81 para 0,92. Dimensionar o banco de capacitores, de sorte a não se ter um fator de potência capacitivo em carga leve, considerando que no período de 7:00 às 17:00h a demanda é praticamente constante. Considere a demanda em carga leve igual a 7kW e 4,7kVAr. Com base nos dados de faturamento, referentes aos últimos 6 meses de atividade, elaborou-se a tabela abaixo:
DADOS DE FATURAMENTO Mês CPT [kWh] CQE [kVAr] Cos φ 1 Março 184.300 119.100 0, Abril 172.100 113.040 0, Maio 169.300 117.300 0, Junho 170.500 119.200 0, Julho 167.200 117.600 0, Agosto 173.400 114.390 0,
Solução: Para determinar os valores de consumo médio mensal deve-se conhecer inicialmente o número de horas de funcionamento da instalação nas condições de plena carga e leve. a) Número de horas de funcionamento a plena carga – Informado pela indústria Segunda a Sexta-feira (7:00 - 17:00h): 10h; Sábado (não há expediente): 0h; Domingo (não há expediente): 0h; Total da semana: 5 dias x 10h = 50h;
Total do mês (30 dias): 4,28 semanas x 50h = 214h.
b) Número de horas de funcionamento em carga leve (somente iluminação de vigia) Segunda a Quinta-feira (17:00 - 7:00h): 14h; Sexta-feira (17:00 - 24:00h): 7h; Sábado (00:00 - 24:00h): 24h; Domingo (00 : 00 - 24 : 00h): 24h ; Segunda-feira (00:00 - 7:00h): 7h; Total da semana: (14h x 4) + (24h x 2) + (7h x 2) = 118h; Total do mês (30 dias): 4,28 semanas x 118h = 505h.
Considerando-se o mês de julho, por apresentar o mais baixo fator de potência, têm- se, com o auxílio da tabela de dados de faturamento, os valores de consumo mensal. Considerou-se que a curva de carga não variou praticamente ao longo do ano. CQE = 117.600kVAr CQEO = T 0. Q = 505h x 4,7kVAr = 2.373 kVArh CPT = 167.200kWh CPTO = T 0 x P = 505h x 7kW = 3.535kWh Calculando a potência dos capacitores Qc3Ø ( kVAr) para consumos médios em um período:
T Qc ( CQ^ E^ CQEO ) [( CPT CPTO ). tg^2 ] 3
^
Qc (^) 3 (^117.^600 ^2.^373 )[(^167214.^200 ^3535 ). tg ( arc^0 ,^92 )] 212 , 6 kVAr Considerando unidades capacitivas de 15 e 50kVAr, o banco será composto de: QC = (4 x 50) + (1 x 15) = 215 kVAr Determinando do Fator de potência para consumo médio em um período:
^
T
E CP Cos Cosarctg CQ ( QC^3 ).( T )
que surge no momento em que se energiza capacitores. Tal proteção pode ser através da associação de contatores convencionais mais os resistores de pré-carga ou através de contator convencional em série com indutores anti-surto.
DETALHES CONSTRUTIVOS DE UM CAPACITOR
Características construtivas As partes componentes de um capacitor de potência são: a) Caixa; b) Armadura; c) Dielétrico; d) Líquido de impregnação; e) Resistor de descarga. Caixa Conhecida também como carcaça, a caixa é o invólucro da parte ativa do capacitor. É confeccionada em chapa de aço com espessura adequada ao volume da unidade. A caixa compreende as seguintes partes: a) Placa de identificação Nela estão contidos todos os dados característicos necessários à identificação do capacitor, de conformidade com a figura abaixo:
b) Isoladores Correspondem aos terminais externos das unidades capacitivas. c) Olhais para levantamento utilizados para alcançar a unidade capacitiva d) Alças para fixação: São utilizadas para fixar a unidade capacitiva na sua estrutura de montagem. Armadura É constituída de folhas de alumínio enroladas com dielétrico, com espessuras compreendidas entre 3 e 6mm e padrão de pureza de alta qualidade, a fim de manter em baixos níveis as perdas dielétricas e as capacitâncias nominais de projeto.
Dielétrico É formado por uma fina camada de filme de polipropileno especial, associada, muitas vezes, a uma camada de papel dielétrico (papel kraft ) com espessura de cerca de 18mm. É necessário que os componentes dielétricos sejam constituídos de materiais selecionados e de alta qualidade, para não influenciarem negativamente nas perdas dielétricas. Líquido de impregnação Atualmente, os fabricantes utilizam como líquido molecular impregnante uma substância biodegradável de estrutura constituída de carbono e hidrogênio (Ecóleo 200 - hidrocarboneto aromático sintético). Além de não agredir o meio ambiente, este impregnante apresenta características elétricas até superiores às de seu antecessor. Resistor de descarga Quando a tensão é retirada dos terminais de um capacitor, a carga elétrica armazenada necessita ser drenada, para que a tensão resultante seja eliminada, evitando-se
